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如何提升集光版收集光能的效率?

如何提升集光版收集光能的效率?答案可能就近在眼前,只是我們視而不見而已。

來自卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊發現,只要模仿植物的表皮結構,就可以提升集光版12%的效率喔!

人造的介面往往受到陽光照射時,會反射大量的光能,不但降低收集光能的效率,也造成附近的建築物內的居民不適。但是沒有人經過一棵樹或一片森林,會被樹葉的反射干擾--那是因為不同植物物種的表皮細胞,都有防反射效果(antireflection effect )。

研究團隊研究這些植物的防反射能力,發現玫瑰花瓣是其中翹楚--玫瑰花瓣藉由防反射效果來提供更強的色彩對比,從而提升授粉的機會。研究團隊在電子顯微鏡下觀察後發現,玫瑰花瓣的表皮是由密密麻麻的微觀結構的不規則安排,來達成它絕佳的防反射效果。 如果把同樣的表面結構用在光電池的集光板上,是否能有效提升集光效率呢?為了準確地複製這些結構,研究團隊把它轉移到由聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane)的模具中,印下表面結構的陰模到光學膠上,然後讓它在UV光下固化。

接著研究團隊把這個仿植物結構使用在集光板上,結果使集光效率提升12%!而且,當入射角變淺的時候,集光效率與原來的集光板相比,還要更高。過去為了提升光能轉換的效率所做的努力,可能都趕不上這個要多。畢竟,數百萬年的演化產生的結構,怎麼可能輕易地就被我們打敗呢?

參考文獻:

Ruben Hünig et. al. Flower Power: Exploiting Plants' Epidermal Structures for Enhanced Light Harvesting in Thin-Film Solar Cells. Advanced Optical Materials, 2016; DOI: 10.1002/adom.201600046

腳氣病(beriberi)與白米

大家都聽過腳氣病(beriberi),也知道腳氣病是因為維生素B1(thiamine)缺乏所造成的;我們今天要來講一下腳氣病的研究。


腳氣病最早的記載始自於荷蘭籍的Jacobus Bontius醫師。他在1630年描述了腳氣病,但真正的研究要到19世紀後期。腳氣病的症狀包括:消瘦、情緒障礙、感知覺障礙、乏力和四肢疼痛,以及有時出現不規則的心跳、水腫(身體組織腫脹);血液中的乳酸和丙酮酸的量上昇。嚴重時可能導致心跳過速,造成心臟衰竭而死。

在那時候,腳氣並是日本海軍的嚴重問題。由1878年至1881年,海軍士兵平均一年生病四次,其中有35%是腳氣病。

1883年,在英國受訓的高木兼寬醫師(Dr. Takaki Kanehiro),研究從日本航行到夏威夷的訓練任務的學員們,發現這376人在歷時9個多月的航程中(中間途經紐西蘭與南美洲),有169例患腳氣病,造成25人死亡。

高木醫師在海軍的支持下,在另一次航行中提供了肉、魚、大麥、大米和豆類的飲食;結果在航程結束後,只有14個人罹患腳氣病,無人死亡。在1884年,高木醫師進一步發現:腳氣病好發於日本海軍低級別船員身上,因為他們除了米飯以為沒有別的可以吃,但不會發生在西方海軍船員以及日本軍官身上,因為他們的飲食的多樣性比較高。

後來發現只要在飲食中加入米糠(rice bran)、或是改食用糙米,就不會罹患腳氣病。原來精碾的白米去掉了胚芽,剩下的都是胚乳,除了澱粉以外其他的養分都不多了。


腳氣病的英文名字是beriberi,根據牛津辭典,這個名字是從錫蘭語來的,意思是「虛弱」或「不能」;但Bontius醫師在1630年的記載裡提到,beriberi是馬來文biri-biri,請教過馬來西亞的朋友,biri-biri意思是綿羊:大約是形容虛弱的狀態吧。

現代社會因為食物中常會添加維生素B群,所以要罹患腳氣病不是很容易;不過在1999年,在台灣的非法移民安置中心曾爆發過腳氣病,造成大約百分之一的人死亡。

參考文獻:

Wikipedia. Beriberi.

Chen KT et. al., Outbreak of beriberi among illegal mainland Chinese immigrants at a detention center in Taiwan. Public Health Rep. 2003 …

重新發現家傳品系菜豆的價值

在種子公司稱霸市場以前,各地的農民們透過自行育種、互相分享種子,有了許許多多不同品系的農作物。這些在種子公司出現以後,都被稱為家傳品系(heirloom),用來與商業品系區別開來。當然,身為全球五億人蛋白質重要來源的菜豆(敏豆,Phaseolus vulgaris L.)也不例外。

上圖這些五顏六色的種子,除了最下面右邊數過來的三個以外,都是家傳品系的菜豆;在當時,各地農民們經過試驗與比較,每個人都有自己的心頭好,但由於育種相關知識以及/或資本不足的緣故,許多家傳品系並非純品系,造成產量與品質不穩定。



等到種子公司開始有系統的培育新品系,由於這些新的品系產量高、性質穩定,農民們便紛紛改種這些商業品系了。
商業品系的盛行,使我們到了超市,看到的農產品都是一樣的。筆者在國外時,就不曾看過如上圖般五顏六色的菜豆。採用商業品系的好處是貨源、品質都穩定,壞處是我們的食物來源越趨單一化,而一旦有病蟲害發生時,由於僅種植少數品系,若這些品系對這次的病蟲害不具抵抗力的話,造成的損失一定慘重。
近年來,由於有機農業與自然農法興起,使民眾對於家傳品系的接受度大大提高,便也提高了農民種植家傳品系的意願。 由2008-2011年,光是明尼蘇達州,有機菜豆的種植面積就增加了三倍;而全國增加了一倍。人們渴望再度品嚐「小時候爺爺種的菜」,使得家傳品系的菜豆價格水漲船高。
但是,種植家傳品系是否真的可以在經濟上對農民有幫助呢?明尼蘇達大學的研究團隊,為了要了解這件事,針對這些家傳品系菜豆的單位面積產量與產量的穩定性進行研究。雖然過去針對菜豆也曾有零星的研究,但對於不用搭棚架的品系並未進行過。
研究團隊選取了十七種家傳品系,以及三種商業品系(上圖最下排右邊三種)進行比較。所有的品系都在六月一日到十日間種植,於九月下旬到十月初收穫。為了能更加貼近農民的實際需求,所有收穫的種子都在低溫(35℃)下烘乾一夜後,去除雜質與品質不良的種子後再進行稱重。
研究結果指出,雖然平均家傳品系的單位面積產量比種子公司品系少了大約四成,但有些品系的產量僅僅略少;例如左邊第二排最下面的品系 Peregion(PER),產量約為商業品系的87%。而另一種家傳品系 Jacob's Cattle Gold(JCG,左邊第一排最上面),雖然產量僅達到商業品系的63%,但以穩定性來說,卻是所有家傳品系中最穩定的。

當種植在…

恐怖番茄 Solanum ossicruentum

在「蕃茄:傳說中的毒藥,新世界的魔幻美食」一書中提到,早期蕃茄在歐陸與美洲大陸其實都曾經有被歧視的歲月。雖然現在蕃茄已經成為美國人餐桌上不可或缺的調味料,但茄科植物百百種,有些還是不太親切的。

如果您以為我在說顛茄,那您就錯了。我說的是最近在澳洲新發現的一種茄科植物Solanum ossicruentum

S. ossicruentum的果實大概只有幾公分大。當然,小沒什麼關係,畢竟聖女小蕃茄也只有幾公分大而已;不過第一次看到S. ossicruentum的人,可能都不會想到這是蕃茄!

我們來看一下它的果實:

果實包覆在滿滿都是刺的外殼裡喔!科學家們認為這些刺可能有類似於咸豐草的功能,幫助種子散播的。

不過去掉外殼的果實怎麼不大像蕃茄啊?

好奇的科學家們,切開了成熟與未成熟的果實。成熟的果實整個都乾掉了,一點都不可口的感覺;未成熟的果實一切開...超恐怖啊!

多恐怖呢?剛切開是綠色的,但兩分鐘後就開始流血--流出紅色到暗紅色的汁液(上圖下)。五分鐘後汁液乾掉了,變成暗紅色到咖啡色的,看起來超噁心的。

有一位勇敢的科學家舔了一下,結論是:味道鹹鹹的,一點也不像蕃茄。

因為它的果實外面有很多刺、切開又會流血,所以就被取名為Solanum ossicruentum:oss-在拉丁文是「骨頭」(bone,os, ossis)的意思,而cruentum是「血淋淋」(bloody,cruentus)的意思。

結論是:就賞花就好了...花還不錯看...



參考文獻:

Christopher T. Martine et. al., New functionally dioecious bush tomato from northwestern Australia, Solanum ossicruentum, may utilize “trample burr” dispersal. PhytoKeys 63: 19-29 (03 May 2016) doi: 10.3897/phytokeys.63.7743

【漫畫裡的植物】月夜茸(Omphalotus japonicus)

在「名偵探柯南」第88集裡面出現的月夜茸(tsukiyotake,Omphalotus japonicus)是在日本與東亞可見的一種真菌,晚上會發螢光。

月夜茸有毒,食用會造成噁心、嘔吐、腹瀉,可持續數小時。


Omphalotus這一屬的真菌的毒性來自於一種倍半萜(sesquiterpene)Illudin:


過去的研究發現,illudin可以跟DNA結合,影響轉錄作用(transcription)。當它們與DNA結合後,受損的DNA只能用核苷酸切除修復(NER,nucleotide excision repair)來處理。

雖然有一些研究發現 illudin 可能有抗癌的效果,不過目前還是認為它沒有什麼醫藥上的價值。

月夜茸常被跟一些可吃的真菌弄混,如蠔菇(Pleurotus ostreatus)、香菇(Lentinula edodes)以及 mukitake(Panellus serotinus)等。筆者認為跟香菇差得比較多,跟蠔菇倒是真的有點像。至於mukitake,好像也沒有很像;雖然光線黯淡時可能也會認錯吧?不過筆者還是要說:在野外最好不要亂採菇來吃,對自己的生命會比較有保障。

有意思的是,月夜茸的學名裡面隱藏著一個字首(prefix),omphal(o)-omphal(o)- 意為「肚臍」(navel),我們在第十課(三)學過。

為什麼這一屬的名字用了這個字首呢?原來是因為成熟的蕈帽中間凹陷,就像人的腹部與肚臍的關係。所以就以這個字首來名名這種真菌囉!

參考文獻:

Wikipedia. Omphalotus japonicus, Illudin, Omphalotus.

Omphalotus olearius (DC) Sing. First Nature.

解讀菜豆(common bean)的基因密碼

菜豆(Phaseolus vulgaris L.),在台灣也稱為敏豆,在國外稱為common bean、snap bean,是許多開發中國家的人民重要的蛋白質來源。在這些國家裡,人民的主食是富含澱粉的米、玉米或樹薯,這些主食的蛋白質含量不高(米大約是2%、樹薯是1.36%、玉米則依品種可以從5.2%-13.7%不等),因此在飲食中加入菜豆作為蛋白質的補充是很理想的。目前估計全球有五億人依靠菜豆作為重要蛋白質的來源之一。菜豆可以等成熟後收穫,也可以在豆莢尚綠的時候收穫,將整個豆莢連豆一起作為菜餚食用。在2010年乾豆產量最大的國家是印度,青豆(未成熟的豆莢)產量最大的則是中國。在台灣,菜豆也是很受歡迎的盤中飧,炒一盤青綠的菜豆,挾一筷子放在嘴裡,那清甜的滋味,真是齒頰留香呢!

過去對於菜豆究竟發源何處曾有爭議,不過最近這些年已經確認菜豆發源於中美洲,傳播到安地斯高原後,約在十一萬年前分為二支。接下來的十萬年間,安地斯高原漸漸有人居住,而菜豆也被人類發現而馴化,到8200-8500年前,菜豆的型態已經跟我們現在所熟悉的樣子差距不大了。

雖然菜豆G19833品系已經定序完成,但是菜豆品系繁多、特性也有不同,因此西班牙與墨西哥的研究團隊進行了另一品系BAT93的定序,並進行它的轉錄體(transcriptome)的研究。這份研究彌足珍貴的是,研究團隊不僅僅只是單純的進行轉錄體的研究,還收集了10個不同發育階段的菜豆轉錄體、以及七種器官。其中10個不同發育階段包括從剛發芽(48小時)到86天大(已經開始結果與衰老),而七種器官則涵蓋了根、莖、葉、種子、豆莢、花以及頂芽;真是一份非常完整的分析!

菜豆的基因體共有549,604,264個鹼基對(549.6 Mb),包含了30,491個基因;除此之外,還有2,529個小RNA以及1,033個不產生蛋白質的長基因(long non-coding genes,lncRNA)。與人相比,大約是人的六分之一,但若是比對基因數量,則人的基因數目大約只有菜豆的三分之二。

整體來看,菜豆的基因體內有35%是重複的序列,且大部分都是LTR(long terminal repeats)。研究團隊在比較所有樣本後,選出在不同樣本間變異係數最低的前百分之十作為「管家基因」(housekeeping gene),發現在BAT93的2,811個管家基因…