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植物與人生

每種生物都有不可取代的位置,即使科技進步,現今人類也無法獨自存活在地球上,必須仰賴光合細菌、藻類及植物進行光合作用所轉換的化學能量。人們藉由攝取碳水化合物,獲得生長所需的能量,因此植物與藻類維持生態圈平衡的重要角色。
 
 
地球上有豐富的水及大氣層,孕育了各種生物,每種生物都在自然界中扮演重要的角色,維護著整個脆弱的地球生態圈。或許未來的人類可以藉由先進的科技獨自生存,不需依賴其他生物,但是現在所有動物包括人類,都屬於複雜生物鏈中消費者的角色。消費者並不能直接把無機分子轉變為含有化學能的有機分子,因此無法自給自足,必須藉由攝取其他消費者或生產者(也就是光合生物,如植物)以獲得生長所需的能量。

光合作用是最重要的生物反應之一;絕大多數地球上的生物都是直接或間接受益於光合作用的產物;光合作用也是地球上碳氧循環中非常重要的步驟。可進行光合作用的生物包括光合細菌、浮游光合生物、藻類及植物,它們可把光能轉換為化學能。簡單來說,光合作用以二氧化碳和水為原料,由陽光供給能量,合成含有化學能的碳水化合物。

藻類與細菌的光合作用

演化早期的光合作用系統始於厭氧細菌,由化石證據推測可能開始於 34 億年前,綠硫菌、紫硫菌等光合細菌利用菌體葉綠素吸收光能,以硫化氫等還原性有機物做為氫及電子供給者,生成葡萄糖及硫,但不會釋出氧氣。而大氣中的氧氣主要來自於至少 23 ~ 24 億年前出現的產氧性光合作用,隨著藍綠藻的出現,光合作用進入新的階段。

藍綠藻沒有細胞核,構造類似細菌,具有紅、黃、綠、褐、黑等豐富多變的顏色。它的顏色來自體內色素:葉綠素、葉黃素、胡蘿蔔素和藻膽素,如藻藍素、藻紅素等,具有類似高等植物葉綠體的類囊體構造。藍綠藻以水做為氫及電子的供應者,光合作用釋放出來的氧氣逐漸改變了大氣的組成,能量利用效率更高的藍綠藻漸漸具有生存優勢。藍綠藻稱霸地球約 20 億年,之後其他藻類逐漸出現,也演化出不同的葉綠素及其他色素。

地球製氧大功臣:藻類

藻類在生態系中扮演初級生產者的角色,是其他初級消費者如魚、蝦等的主要食物來源。藻類對人類也有許多重要的貢獻,例如大氣中 50% 的氧是由藻類光合作用產生的。此外,許多藻類一直是人類的桌上佳餚,如昆布、紫菜等。果凍所使用的洋菜,就是萃取自紅藻細胞壁的多醣類。

近年藻類更躍升為健康食品,經由人工大量培養製成錠劑或添加於食物中,如超市中常見的螺旋藻食品就來自藍綠藻家族。甚至矽藻骨骼化石都有經濟價值,具有吸收水分及堅硬的特性。矽藻土經過加工研磨廣泛被業界採用,生活中許多建材、過濾器、美容,甚至驅蟲產品,都含有這些矽藻化石。

藻類族群對人類生活也有很大的影響。水域會因氮、磷過量累積而優養化,人為的優養化主因源自肥料或清潔劑排放污染河川或湖泊。這些含氮、磷的成分對藻類無異是一頓大餐,刺激藻類大量增生,產生藻華現象。
 
水域會因氮、磷過量累積而優養化,優養化會造成光線無法穿透表層聚集的藻類,造成位於較下層的藻類無法行光合作用而死亡。(圖片來源:wikipedia)
▲水域會因氮、磷過量累積而優養化,優養化會造成光線無法穿透表層聚集的藻類,造成位於較下層的藻類無法行光合作用而死亡。(圖片來源:wikipedia)


一旦環境中空間不足或養分消耗殆盡,加上光線無法穿透表層聚集的藻類,造成位於較下層的藻類無法行光合作用而死亡,或因夜間藻類行呼吸作用,造成水中含氧量急速下降,使較封閉的水體中魚貝類窒息死亡。這些死亡的藻類或魚貝屍體滋生大量細菌加劇水質惡化,降低水域中生物族群的多樣性,增加水庫淨水成本,也造成養殖漁業的損失。

另外引發紅潮的甲藻或稱渦鞭毛藻,也令許多愛吃海鮮的人聞之色變,但並非每一種渦鞭毛藻都會產生毒素。紅潮對海洋生物的影響主要是導致海水缺氧,使魚類因缺氧或鰓阻塞而死亡。部分產生毒素的品種會導致魚類和海洋無脊椎動物死亡,有些濾食性的生物雖不會直接受到毒害,但毒素會在體內累積,導致人類食用後中毒。發生於民國 75 年高屏地區民眾食用西施舌中毒案例,就是渦鞭毛藻毒素造成的。

陸生植物的光合作用

數億年前地球大氣的含氧量已達到現在大氣的百分之十,其中一部分位於大氣層上層的氧氣,受到紫外線催化成臭氧,產生臭氧層濾除危險的紫外線,海洋中的生物才能登上陸地,即光合生物演化出陸生苔蘚植物、蕨類植物及種子植物。

陸生高等植物的光合作用發生於葉肉組織細胞內的葉綠體,光反應則在葉綠體中的囊狀堆疊構造(也就是類囊體)中進行。葉綠體色素主要吸收紅光及藍光進行反應,綠光區域多不被吸收而直接反射,因此光合作用旺盛的葉子都是翠綠色。

收集光能反應單元稱為光合系統(photosystem, PS),可分為 PSI 及 PSII。PSII 最大量吸收的是波長 680 nm 的光波,PSI 最大量吸收的是波長 700 nm 的光波。光反應最終的產物是 ATP 與 NADPH,這兩種分子把光能轉換成可貯藏的化學能,用於接下來的碳固定暗反應中,提供碳水化合物合成必需的能量。暗反應則是在葉綠體基質中合成醣類,這反應又稱為卡爾文循環(Calvin cycle)。它把大氣中的二氧化碳固定合成碳水化合物,再經由生物體內各種化學反應合成更複雜的有機分子。

植物好吃又好用

和人類生活息息相關的植物種類繁多,五穀雜糧提供每日所需的澱粉,蔬果是維他命及礦物質的重要來源,豆科植物含有豐富的胺基酸,可以補充所需的蛋白質。用來搾油、煉糖與香辛調味料的植物,更是烹調美味食物不可缺少的推手。

提神醒腦的茶與咖啡,帶有戀愛滋味的巧克力,都是植物製品。棉、麻是紡織業重要原料,竹、藺草、藤蔓的纖維常用於席墊、家居編織用品。高大的樹木如松、檜,質地堅硬且芳香,是最天然的建材。木製家具帶有美麗的木紋為居家生活帶來溫暖色澤,觀賞植物則能點綴都市及居家環境。

以植物為原料的紙類,更是每天必須用到的生活必需品,仕女愛用的香水及保養品中,很多原料也來自植物的萃取物。山坡地上完整的植被及森林,可以涵養水資源,鞏固土壤,避免颱風雨季發生土石流,在假日也是人類與大自然親近享受森林浴的好去處。

植物的藥用成分也提供西藥發展上除化學合成途徑外的另一條捷徑。新藥的開發必須配合現有化學合成及酵素反應,修飾具藥效的分子,並配合實驗分析新分子的藥效。然而收集統計足量的臨床數據,不僅耗時且需龐大資金,加上病原快速變異及高齡化社會老化問題激增,使新藥研發產生供需不平衡的狀態。傳統草藥由於已累積多年臨床使用經驗,可望縮短新藥開發時間;加上崇尚天然風氣漸起,天然保健食品開始受到重視,各大知名藥廠及產業龍頭紛紛投入研發工作,試圖從植物草藥中找出靈丹。
中草藥材
▲中草藥材

人類生活大量使用化石原料,如交通工具用油、發電、塑料產品、家用瓦斯都屬於這一類。形成石油和天然氣需要幾千萬年的時間,依照化石原料存量及人類使用的速率,除了力行節約化石能源、提高熱功轉換效率外,開發新能源已是刻不容緩。大量使用化石燃料所釋出的二氧化碳,已造成溫室效應並引起全球性的氣候變遷,使得地球生存環境日益惡化。

許多科學家開始研究替代能源,最先出現的產品是太陽能板,可以直接把光能轉換為電能,已取代電池應用於小型電子產品上,更大型的太陽能發電及車輛也在積極研發量產中。另外,利用植物吸收太陽能固定二氧化碳,再利用這些碳水化合物製成燃料,如發酵產生酒精或以種子、藻類提煉油脂製造生質柴油,雖仍需經過燃燒步驟,但對大氣中二氧化碳的總含量並無影響。在能源短缺的未來,這些取之不盡又對環境友善的新能源會是明日之星。

綠色革命與種子戰爭

綠色革命始於 1940 年代,是一項由洛克斐勒基金會資助墨西哥貧困農民提高小麥產量的計畫,由美國農業學家諾曼.博洛格博士主導,採用把原生種雜交育成新種的方式,經過 20 年的培育,挑選出矮稈、抗病蟲害並提高 2 到 3 倍產量的優良新品種小麥。在 40 年代,墨西哥一半以上的糧食仍仰賴進口,但在採用新品種小麥後,在 1964 年已轉變為小麥出口國,每年可外銷 50 萬噸的小麥。
 
植物的種子擔負著傳宗接代的重責大任,也成為人類不可或缺的糧食及生活調劑品來源。
▲植物的種子擔負著傳宗接代的重責大任,也成為人類不可或缺的糧食及生活調劑品來源。


這項計畫也拓展到巴基斯坦及印度,從 1965 年到 1970 年,在巴基斯坦收穫量從 460 萬噸提升到 840 萬噸,約 1.8 倍以上,在印度也提高 1.6 倍以上的產量。在 1968 年的年度報告中,國際開發機構的主持人高德以「綠色革命」描述在巴基斯坦和印度的重大進步,綠色革命一詞因此成名。

1960 年於菲律賓成立的國際稻米研究機構,是最早設立較具規模的糧食作物種源及育種中心,所培育的 IR 系列稻米品種被譽為奇蹟米,提高了東南亞國家稻米的每公頃平均產量 2.5 倍以上。而博洛格博士也於 1970 年獲得諾貝爾和平獎,在獲獎演說中,他期許農業改造運動能在 20 世紀滿足世界上每個人的基本糧食需求,把農改運動推到高峰。

儘管綠色革命使得 1950 ~ 1990 年間全球榖物產量增加了近兩倍,但自 90 年代以後,米、麥增產率開始低於人口成長率。依照 2002 年國際糧農組織公布的統計資料,世界上仍有超過 8 億的人口處於飢餓或長期缺乏基本營養需求的狀態,加上生態環保意識抬頭,綠色革命也必須接受世人重新論斷功過。

大量使用化學肥料雖能提高作物產量,但土地退化、土壤肥料殘存不平衡等問題也隨之而來,需要越來越多的化學肥料來保持作物產量,使生產成本提高,多餘的肥料被沖刷入河川也造成優養化問題。害蟲對農藥不斷產生抗藥性,迫使農民使用更多農藥,新型及毒性更強的農藥也不斷施放於農地,但抗藥性問題未曾解決,反而殺死其他非害蟲生物,破壞生態中食物鏈的平衡。

新穎的農業技術、化學肥料及農藥都是從先進國家進口,除售價高昂外,也導致生產農作物淨利甚少。因此真正需要糧食的國家往往貧窮,先進國家卻有多餘的糧食可供畜牧,實施現代化農業反而拉大各國貧富差距。在可耕地有限的情況下,如何援助第三世界使其能自給自足,提升糧食質與量,更有效地利用有限的資源,是地球村永續發展的重要議題。

隨著基因工程技術日漸成熟,開始有人提出「第二次綠色革命」,以生物科技為號召,展開全球第二波新品種育成行動。雖然目前的實驗數據僅來自有限的時間及空間,在糧食問題日趨惡化下只能妥協。帶有跨物種基因的轉殖作物離開實驗室進入田間耕作,會對環境及其他生物造成什麼影響,無人能斷言。基因改造農產品流入畜牧及食品業,人們對其安全性也有不同的接受度,因此各國都已針對基因改造食品著手研擬法令規範。

由於植物品種已可申請專利,位居花卉龍頭的荷蘭每年都有許多新專利品種花卉上市,美國的孟山都、瑞士的諾華、德國的艾格福等農產企業,則專注於糧食作物品種專利。這些新一代的種子育成技術多由先進國家獨占鰲頭,種子公司把部分基改作物設計成不稔或產量逐代降低,或必須使用指定的化學藥劑才能正常生長的遺傳特性,以確保自身利益,憑藉這些種子專利創造出無限的商機。
森林是野生動物的棲所,也和人類生活息息相關。右為溪頭森林遊樂區內,被譽為活化石的銀杏林。
▲森林是野生動物的棲所,也和人類生活息息相關。右為溪頭森林遊樂區內,被譽為活化石的銀杏林。
植物參與我們生活的食、衣、住、行、育、樂,在讀完這篇文章後,當你低頭望見腳邊的小草、花團錦簇的花園、身旁的大樹和水族箱裡的水草時,心中會不會對生活中有它們的相伴多了一分新的感受?這些生產者的存在使動物得以生生不息,在生理及心靈層面豐富了我們的生命,更把地球妝點得多采多姿。
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