生命科學

光呼吸作用-下(Photorespiration)

光呼吸作用-下(Photorespiration)
台北市立第一女子高級中學生物科林玟娟老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

何以C4植物不會進行光呼吸?在說明原因之前,我們先瞭解一下C4植物的葉片構造與功能。
C4植物與C3植物的葉片構造大不相同,C4植物進行光合作用的細胞明顯分為兩種:排列鬆散的一般葉肉細胞以及緊密排列於維管束周圍一圈的維管束鞘細胞(bundle sheath cells)。二氧化碳由氣孔進入後,先接觸到一般的葉肉細胞。葉肉細胞內沒有rubisco,但會利用另一種酵素-PEP carboxylase固定二氧化碳形成四碳的有機酸(草醋酸,OAA),之後此四碳產物會經由葉肉細胞的原生質絲運輸至維管束鞘細胞。在維管束鞘細胞內,四碳化合物會釋出二氧化碳,再由rubisco催化,進入卡爾文循環,也就是說卡爾文循環被限制只能在維管束鞘的葉綠體才能進行。

光呼吸作用-上(Photorespiration)

光呼吸作用-上(Photorespiration)
台北市立第一女子高級中學生物科林玟娟老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

在比較C4植物和C3植物時,光合作用效率的高低常是被問及的問題,答案很明確:C4植物高於C3植物。若再續問:為什麼?答案則是:C3植物會進行光呼吸作用,而C4植物不會進行光呼吸作用。乍看之下似乎答非所問,除非瞭解「光呼吸作用」到底是何方神聖,否則還真令人不解呢!

到底什麼是光呼吸作用?整件事情要從1920年談起。當年一位德國著名的生化學家Otto Warburg發現:藻類進行光合作用時,會受到氧氣的抑制。隨後眾多的研究顯示,幾乎所有的C3植物進行光合作用時,環境中氧氣的濃度愈高,二氧化碳的吸收率就愈低,對光合作用的效率抑制效果就愈明顯;而相反的,C4植物光合作用的能力卻不受氧氣濃度的影響。

植物根的向地性(Root Gravitropism)

植物根的向地性(Root Gravitropism)
台北市立建國中學生物科劉玉山老師/國立台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

植物對地心引力的感應主要與根部生長素(IAA)的不對稱分佈有關,然而對植物根部如何感知地心引力的方向,而造成生長素再分佈的相關機制並不是十分清楚。相關的研究顯示,根的向地性感應區域主要位於根冠(root cap)。

根冠是覆蓋於根部尖端的一群細胞,主要分為兩群細胞,位於軸心排列整齊的細胞稱為中軸細胞(columella cell),其外還有一層至多層的周圍細胞(peripheral cell)。根冠可提供根尖生長點物理性的保護作用,且周圍細胞會分泌黏質的多醣類,藉以潤滑保護根部免受傷害,而根冠的另一重要作用便是重力的感應作用。

近年來由移除根冠的的實驗結果得知,移去根冠不會影響根部的伸長,但會完全喪失向地性的表現。利用氮雷射(laser ablation studies)選擇性去除根冠細胞發現,去除中軸細胞(columella cell)對向地性的影響有最大的衝擊,另一方面,雷射去除根冠的周圍細胞(peripheral cell),則根部對重力反應並沒有改變。

癒傷組織的形成(Callus)

癒傷組織的形成(Callus)
台中市立向上國民中學自然領域郭章儀老師/台灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

植物體具有分化活性的細胞僅限於莖頂或根尖分生組織周圍特定區域,由莖頂而下或由根尖而上,細胞分裂活性逐漸減少終至停止,分裂出的新細胞則開始進行分化。若調節細胞分裂轉變成細胞分化的方式遭受干擾,則細胞將不斷分裂,而不分化的現象因素很多,如遺傳性腫瘤、病毒引起。

此外,受傷可使植物細胞產生腫瘤:在傷口部位首先形成癒傷組織(callus)是傷害後常有的現象,接著腫瘤由癒傷組織中長出。其區別為癒傷組織的細胞呈平周分裂,而腫瘤細胞的分裂則無方向性。

癒傷組織(callus或wound tissue)由薄壁細胞構成,它可以在根或莖受傷的表面上(或下)快速形成,callus可能由韌皮部、皮層或髓(rays)處的薄壁細胞分裂形成,但主要還是由形成層產生。這群薄壁細胞的最外層細胞可能木栓化或在外面形成一圈周皮(periderm),在這層保護組織的下面會有一個新的形成層來形成新的維管束組織。

昇糖素與胰島素

昇糖素與胰島素 (Glucagon and Insulin)
臺北市忠孝國中張馨文實習老師/國立臺灣大學動物學研究所陳俊宏教授責任編輯

若依照功能分類,則胰臟既是內分泌腺體,也是外分泌腺體。

胰腺中負責內分泌的部分,是由稱為蘭氏小島(胰島)(Langerhans)的細胞團所組成,其中的α細胞會分泌昇糖激素(glucagon),昇糖激素的主要生理功能為增加血液的葡萄糖濃度,將肝醣轉變成葡萄糖,其分泌量與胰島素(insulin)皆是以負反饋機制控制血糖濃度。

昇糖激素與腎上腺素(epinephrine)及正腎上腺素(norepinephrine)會活化脂肪酶(lipases),將三酸甘油酯分解成游離脂肪酸(FFA)和甘油(glycerol),以利脂肪進行能量的代謝作用。

另外佔胰島細胞百分之七十五的β細胞是負責分泌胰島素,胰島素分泌不足會造成第一型糖尿病,也就是胰島素依賴型糖尿病,這類病人僅佔所有糖尿病患的少部份;而第二型糖尿病即非胰島素依賴型糖尿病,主要是因病人週邊組織對胰島素產生阻抗現象(insulin resistance),產生血糖利用不足的病徵。

嚴重藥物過敏的病因(Stevens-Johnson Syndrome,SJS)

嚴重藥物過敏的病因(Stevens-Johnson Syndrome,SJS)
台中市立西苑高級中學國中部自然領域李蕙芳實習老師/國立台灣大學動物學研究所陳俊宏教授責任編輯

2004年由中研院、長庚醫院與陽明大學團隊發現了導致藥物過敏的基因是位於人類第六對染色體的人類白血球抗原HLA-B上,此基因若是出現HLA-B*1502的基因型,則易引起嚴重藥物過敏的史蒂文生-強生症候群(Stevens-Johnson syndrome,SJS)。2008年在Nature期刊上發表顆粒溶解素(Granulysin)是造成此嚴重藥物過敏的主因後,再度開起藥物基因學的新視野。

何謂嚴重藥物過敏?
史蒂文生-強生症候群是由美國小兒科醫師史蒂文斯(Albert M. Stevens)與強生(Frank C. Johnson)所發現的嚴重藥物過敏症,患者常會在食用Carbamazepine(CBZ)等藥物後,眼睛、嘴巴等處的黏膜會潰爛,皮膚出現疹子與水泡,甚至會出現類似燒傷般的表皮剝落。當皮膚剝落面積大於10%的情況即會被診斷為史蒂文生-強生症候群;大於30%的情況稱為「毒性表皮壞死溶解」(toxic epidermal necrolysis,TEN),容易引發感染,甚至造成死亡。容易引起史蒂文生-強生症候群的藥物有以下幾類:

血青素(Hemocyanin)

血青素(Hemocyanin)
台北市立第一女子高級中學生物科許一懿老師/國立台灣大學動物學研究所陳俊宏教授責任編輯

血青素又稱為血青蛋白,和血紅素類似,是一種與呼吸作用有關的含金屬蛋白質。血青素利用兩個亞銅離子(Cu+)與一個氧分子(O2)連結以攜帶氧氣,氧化作用會造成血青素顏色的改變。在未與氧分子結合時,Cu+顯現無色,但和氧結合後,Cu+氧化成Cu2+,血青素就會呈現藍色。

人類的靈魂之窗 – 眼睛(Eyes)

人類的靈魂之窗 – 眼睛(Eyes)
台北市忠孝國民中學自然領域張馨文實習老師/國立台灣大學動物學研究所陳俊宏教授責任編輯

生物體對於外界的感應接收包含光線的接收,凡舉渦蟲的眼點、昆蟲的單眼及複眼,到人類的眼睛都是視覺系統中主要的感覺器官。

人類的眼睛如同一台精細的照相機,眼皮像鏡頭蓋般保護眼睛;鞏膜就是俗稱的「眼白」,具有支撐眼珠的功能;角膜像鏡頭保護鏡具保護及滋潤眼珠的功能;水晶體像似鏡頭有對焦的功能;睫狀肌的收縮牽動虹膜,可改變瞳孔的大小,如同光圈一般,可控制光線進入量;影像最後在底片般的視網膜上激發感光細胞。人類左右雙眼的視野大部份會重疊,雙眼可同時注視同一物體,然因兩眼對同一物體的視角不同,此視差經過大腦視覺中樞將之校正分析,所以可產生立體視覺。

腦神經中的外旋神經、動眼神經及滑車神經可支配眼睛的六條眼外肌,三對相互拮抗的眼外肌中,外直肌與內直肌為水平運動拮抗肌;上直肌與下直肌為垂直運動拮抗肌;上斜肌與下斜肌為旋轉運動拮抗肌。左右共12條眼外肌控制眼球的轉動,如果有神經麻痺或眼肌的病變情形發生會導致斜視。

台灣龜山島的熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystems)

台灣龜山島的熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystems)
高雄市高雄女中生物科蔡佩珊實習老師/國立台灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

台灣龜山島海域有許多淺海熱泉(shallow-water hydrothermal vents)噴口,隨時會噴出高溫硫磺煙柱和有毒火山氣體,出口溫度高達攝氏六十五度至一百一十六度,強酸高熱的毒性環境讓眾多生物避而遠之。但烏龜怪方蟹(硫磺怪方蟹, Xenograpsus testudinatus)卻能大規模地聚集在噴口裂縫中,為當地唯一肉眼可見的生物,在長五百公尺、寬兩百公尺範圍內,估計數量在一仟萬隻以上。

”怪方蟹”最早在1975年於日本小笠原群島新冒出的火山島海域發現,棲地在淺海噴發熱泉附近、水深十公尺至一百公尺處,背殼略成方形,經生物科學家分類為短尾亞目、方蟹科、怪方蟹屬,1997年正式發表為世界新種”Xenograpsus novaeinsularis”。1999年台灣和新加坡學者在龜山島海域發現類似日本小笠原群島的怪方蟹,並在2000年正式發表為世界新種,因發現地點在龜山島,遂命名為烏龜怪方蟹,為不可食用的有毒螃蟹。

在有如沙漠般的熱泉噴口,烏龜怪方蟹究竟如何攝取食物維生呢?在潛海熱泉區進行研究困難重重,除了高溫、混濁之外,噴泉口不時噴發冒泡,在此區域潛水充滿「魔音傳腦」。在一番努力之下,鄭明修教授和新加坡學者發現,屢屢噴發的劇毒煙柱正是烏龜怪方蟹用來打獵的槍砲。當海水處在平潮的靜滯狀態,硫磺煙柱直接向上噴發,就像砲彈般立刻殺死該區域的浮游動物,這些屍體組成的白色團塊,有如海洋飄雪般落在海床,烏龜怪方蟹便成千上萬地從裂縫中衝到海床上瘋狂進食,直到海流轉強、雪團飄逝後才紛紛返回裂縫巢穴。

夜間開花的植物(Nocturnal Plants)

夜間開花的植物(Nocturnal Plants)
高雄市高雄女中生物科蔡佩珊實習老師/國立臺灣師範大學生命科學系李冠群助理教授責任編輯

蟲媒花必須依賴昆蟲進行授粉,大多數的蟲媒花植物都在白天開花,夜間開花的植物可以避免與這些植物相互競爭授粉。這些植物的雌蕊大多比較長,花蜜在花的基部,當蝙蝠或其他夜行動物來吸食時,因為頭較大,所以會先碰觸雌蕊,之後再碰觸雄蕊,吸食完第一朵花後,會將該朵花的雄蕊花粉傳給第二朵花的雌蕊,達到傳粉的目的。以下介紹三種:王瓜、曇花和火龍果。

王瓜
別名:師姑草、師古草、狹果師古草、臺灣師古草、野冬瓜、烏瓜、土瓜、赤雹、赤雹子、雹瓜、鴨旦袋、長貓爪、吊瓜、老鴉瓜、馬瓞瓜、野甜瓜、公公須。
特徵:攀緣性多年生草本,根肥厚而呈塊狀,莖細長而有粗毛,具卷鬚;葉互生,膜質至紙質,掌狀 3~5 淺裂,近基部之葉則多呈深裂狀而被有粗毛,三角卵形至近圓形,全緣至 5~7 深掌裂卷鬚,單一或 2 分叉;花雌雄異株,腋出,花冠白色,先作 5 裂,各裂片再呈細絲裂狀而下垂;雄花少數而呈短總狀排列,雌花單立,萼筒長約 6 公分;果實橢圓形或近於球形,具 10 條綠白色縱條紋,熟時橘紅色,果實長圓形;種子中部有增厚的環帶。全島中低海拔森林及山野。王瓜與括樓的區別:根狀莖紡錘形;葉背面密生短柔毛。

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