October 5, 2007
科學家預測外星植物的顏色
科學家預測外星植物的顏色
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然(Nature)雜誌報導，美國太空總署(NASA、NASA Goddard Institute for Space Studies in New York)生物氣象學家Nancy Y. Kiang模擬其它星球的恆星和氣象狀況，研究其它星球的光合作用可能會是什麼樣的情況﹖其它星球的植物會長成什麼樣﹖物體的顏色，是由其反射出的光的波長來決定。例如黑色的頭髮，代表頭髮吸收絕大多數的可見光，因此呈現黑色；而綠色的葉子，代表葉子吸收了紅光和藍光等，而將絕大多數的綠色可見光反射，因此呈現綠色；紅色的花，代表花瓣吸收了綠、藍等波長較短的光，將大多數波長較長的紅光反射，因此呈現紅色。Kiang博士當然不是第一個預測外星植物顏色的人，2005年由湯姆克魯斯主演、重新翻拍1953年電影的「世界大戰(War of the Worlds)」，就是改編自英國作家H.G. Wells於1898年寫的科幻小說”The War of the Worlds”。Wells就預測火星的植物是血淋淋的鮮紅色。
像太陽一樣，發出以黃色光為主的黃矮星恆星其實數量不多。宇宙恆星系統有75%是紅矮星(Red dwarf)。紅矮星質量比我們的太陽小、密度比太陽大，而表面溫度比太陽低因此顏色泛紅。紅矮星的表面溫度只有攝氏2000-3000度，太陽表面溫度約攝氏6000度。由於紅矮星發出的光譜只有我們太陽發射光的一小部分、而且能量也較低，因此，如果紅矮星週遭的行星上有植物存活的話，Kiang博士認為這些植物應該會盡可能把所有紅矮星發射的光都吸收利用，因此那些植物幾乎不會反射任何可見光，則植物的顏色將會呈現黑色。
Kiang博士和她的同事，利用地球現有能進行光合作用的色素作參考，以科學的方法推測其它星球的狀況。光合作用生物的色素所不吸收而反射出的光，就是該生物的顏色。地球上植物最不用的光是綠光，因此植物的葉子幾乎都呈現綠色，而某些光合細菌呈現紫色，部分海藻則呈現紅色。我們的太陽光中，綠色光佔很大一部分，因此為何植物不使用綠光讓很多科學家很困惑。有些人認為，演化並不一定趨向最經濟的狀況，或是演化初期因為大氣的成分不同，而使地表能接受到的光譜分布和現在並不相同，因而有了不同方向的演化。但是Kiang認為，綠光光子(photon)的數目沒有紅光多，而能量沒有藍光強，因此地球的植物，選擇了兩邊的紅光和藍光，放棄綠光，也是一種實用的選擇。而她認為，因為波長愈短能量愈強，藍光的能量是可見光中最強的，因此植物應該都會盡可能利用藍光。所以她認為，外星植物葉子是藍色的機率應該很低。Kiang依據恆星能量的不同，從最強的F等級的恆星到最弱的M等級紅矮星，計算出其行星可能出現的植物的葉子顏色。這些研究發表在天文生物學期刊(Kiang NY et al., Astrobiology, 7, pp.222-251, 2007; Kiang NY et al., Astrobiology, 7, pp.252-274, 2007)。雖然有人質疑，依據地球植物生活的模式預測外星球植物的生命型態是否合理﹖當我們連火星的小綠人或其它生物都還找不到時，為何要去揣測外星球的植物是什麼顏色﹖不過哈佛(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts)的太空人Eric Ford認為，Kiang博士預測外星球在什麼樣的氣象狀況下能長出麼樣的植物，可以讓太空總署以更廣泛的觀點設計、修改太空搜索生命的望遠鏡或偵測植物的儀器，增加找到外星生物的機會。
http://stn.nsc.gov.tw/view_detail.asp?doc_uid=0960421002
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然(Nature)雜誌報導，美國太空總署(NASA、NASA Goddard Institute for Space Studies in New York)生物氣象學家Nancy Y. Kiang模擬其它星球的恆星和氣象狀況，研究其它星球的光合作用可能會是什麼樣的情況﹖其它星球的植物會長成什麼樣﹖物體的顏色，是由其反射出的光的波長來決定。例如黑色的頭髮，代表頭髮吸收絕大多數的可見光，因此呈現黑色；而綠色的葉子，代表葉子吸收了紅光和藍光等，而將絕大多數的綠色可見光反射，因此呈現綠色；紅色的花，代表花瓣吸收了綠、藍等波長較短的光，將大多數波長較長的紅光反射，因此呈現紅色。Kiang博士當然不是第一個預測外星植物顏色的人，2005年由湯姆克魯斯主演、重新翻拍1953年電影的「世界大戰(War of the Worlds)」，就是改編自英國作家H.G. Wells於1898年寫的科幻小說”The War of the Worlds”。Wells就預測火星的植物是血淋淋的鮮紅色。
像太陽一樣，發出以黃色光為主的黃矮星恆星其實數量不多。宇宙恆星系統有75%是紅矮星(Red dwarf)。紅矮星質量比我們的太陽小、密度比太陽大，而表面溫度比太陽低因此顏色泛紅。紅矮星的表面溫度只有攝氏2000-3000度，太陽表面溫度約攝氏6000度。由於紅矮星發出的光譜只有我們太陽發射光的一小部分、而且能量也較低，因此，如果紅矮星週遭的行星上有植物存活的話，Kiang博士認為這些植物應該會盡可能把所有紅矮星發射的光都吸收利用，因此那些植物幾乎不會反射任何可見光，則植物的顏色將會呈現黑色。
Kiang博士和她的同事，利用地球現有能進行光合作用的色素作參考，以科學的方法推測其它星球的狀況。光合作用生物的色素所不吸收而反射出的光，就是該生物的顏色。地球上植物最不用的光是綠光，因此植物的葉子幾乎都呈現綠色，而某些光合細菌呈現紫色，部分海藻則呈現紅色。我們的太陽光中，綠色光佔很大一部分，因此為何植物不使用綠光讓很多科學家很困惑。有些人認為，演化並不一定趨向最經濟的狀況，或是演化初期因為大氣的成分不同，而使地表能接受到的光譜分布和現在並不相同，因而有了不同方向的演化。但是Kiang認為，綠光光子(photon)的數目沒有紅光多，而能量沒有藍光強，因此地球的植物，選擇了兩邊的紅光和藍光，放棄綠光，也是一種實用的選擇。而她認為，因為波長愈短能量愈強，藍光的能量是可見光中最強的，因此植物應該都會盡可能利用藍光。所以她認為，外星植物葉子是藍色的機率應該很低。Kiang依據恆星能量的不同，從最強的F等級的恆星到最弱的M等級紅矮星，計算出其行星可能出現的植物的葉子顏色。這些研究發表在天文生物學期刊(Kiang NY et al., Astrobiology, 7, pp.222-251, 2007; Kiang NY et al., Astrobiology, 7, pp.252-274, 2007)。雖然有人質疑，依據地球植物生活的模式預測外星球植物的生命型態是否合理﹖當我們連火星的小綠人或其它生物都還找不到時，為何要去揣測外星球的植物是什麼顏色﹖不過哈佛(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts)的太空人Eric Ford認為，Kiang博士預測外星球在什麼樣的氣象狀況下能長出麼樣的植物，可以讓太空總署以更廣泛的觀點設計、修改太空搜索生命的望遠鏡或偵測植物的儀器，增加找到外星生物的機會。
http://stn.nsc.gov.tw/view_detail.asp?doc_uid=0960421002
石墨薄膜科技可能在未來取代半導體產業
石墨薄膜科技可能在未來取代半導體產業
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
石墨薄膜(graphene)是由碳原子組成的平面薄膜，這個結構三年前才被發現。它的厚度只有一個原子的厚度，而且因為電阻極低，因此是非常好的導體。英國曼徹斯特大學(University of Manchester, UK)的Andre Geim教授和同事製造出了單層石墨薄膜的單電子電晶體(single electron transistor、SET)。這個單電子電晶體只有十奈米寬(10 nanomaters)。這個電晶體可以裝一個電子，因此當一個電子進入這個電晶體後，便會阻絕其它電子進入，這種現象稱之為庫倫堵塞效應(Coulomb Blockade)。因此，只要將單一一個電子移進或移出這個電晶體，就可以控制這個電晶體的開和關。而只是移動一個電子所需要的閘極電壓(gate voltage)很小，加上石墨薄膜的電阻又很低，因此只要改變一點點的電壓，就可以產生很大的電流。由此可知，這個奈米尺度的電晶體不但體積很小，且會非常靈敏又能快速反應。先前科學家曾經利用傳統的半導體材料，例如矽，來製造這種極小極靈敏的電晶體，可是矽材料的奈米電晶體只能存在於極低的低溫。在常溫下，該種小尺度的矽電晶體會迅速氧化分解而失去效用。Geim和同事成功利用石墨薄膜為材料製造出能存在於常溫的奈米電晶體，其想法與一部分研究寫成回顧性論文發表在自然材料雜誌(Geim AK & Novoselov KS Nature Mater., 6:183-191, 2007)，而更詳細的步驟則投稿到物理評論通訊(Physical Review Letters)。
紐約哥倫比亞大學(Columbia University, New York)的Pablo Jarillo-Herrero教授也是石墨薄膜的專家，他指出碳原子材質的石墨薄膜在薄膜邊緣會有一些不規則的碳支鏈，這些碳支鏈會導致電子散射(scatter)，而使得電晶體的效率降低。整個碳支鏈會導致何種程度的電子散射還不清楚，不過Jarillo-Herrero教授認為可以透過化學方法修改石墨薄膜的邊緣來盡量降低散射。目前半導體業界預測到了西元2020年，半導體材質的電晶體體積可以縮小到20奈米，不過那也是矽等半導體材質電晶體的體積和效能的極限，無法再進一步縮小。因此石墨薄膜的單層原子單電子電晶體具有比矽等材料的半導體電晶體更大的潛能和發展空間，科學家預測其將逐漸取代半導體材料。目前Geim團隊在製造石墨薄膜奈米電晶體時很大一部分時間需要靠運氣，因為他們雖然可以製造奈米尺度的電晶體，但是卻不是每一次都小到只能容下一個電子。不過Geim教授並不擔心，他認為未來成熟的微製造(microfabrication)技術將可以穩定地製造奈米級的石墨薄膜單電子電晶體。
科學家普遍樂觀地認為石墨薄膜的科技可以廣泛應用於各種科學領域。首先，體積變小、速度變高的電晶體將使電腦的運算更為快速，高速電腦將加速天文、理論物理、生物資訊等領域的發展。石墨薄膜也可以用來充當篩選過濾氣體或液體分子的濾網，因為其結構的孔洞很小且石墨薄膜材質不易和多數物質產生反應。Geim教授認為，石墨薄膜雖然只有一層碳原子，但其實它並非真正的二度空間平面，否則會極易碎。他認為，這個石墨薄膜其實是輕微的波浪狀，是趨近於平面的立體結構，而這種波浪結構可以讓石墨薄膜在常溫下穩定存在。半導體產業是台灣經濟的重要命脈之一，因此台灣應當投入更多經費與人力研究石墨薄膜，以便維持台灣未來在電子、材料和半導體產業的領先地位。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
石墨薄膜(graphene)是由碳原子組成的平面薄膜，這個結構三年前才被發現。它的厚度只有一個原子的厚度，而且因為電阻極低，因此是非常好的導體。英國曼徹斯特大學(University of Manchester, UK)的Andre Geim教授和同事製造出了單層石墨薄膜的單電子電晶體(single electron transistor、SET)。這個單電子電晶體只有十奈米寬(10 nanomaters)。這個電晶體可以裝一個電子，因此當一個電子進入這個電晶體後，便會阻絕其它電子進入，這種現象稱之為庫倫堵塞效應(Coulomb Blockade)。因此，只要將單一一個電子移進或移出這個電晶體，就可以控制這個電晶體的開和關。而只是移動一個電子所需要的閘極電壓(gate voltage)很小，加上石墨薄膜的電阻又很低，因此只要改變一點點的電壓，就可以產生很大的電流。由此可知，這個奈米尺度的電晶體不但體積很小，且會非常靈敏又能快速反應。先前科學家曾經利用傳統的半導體材料，例如矽，來製造這種極小極靈敏的電晶體，可是矽材料的奈米電晶體只能存在於極低的低溫。在常溫下，該種小尺度的矽電晶體會迅速氧化分解而失去效用。Geim和同事成功利用石墨薄膜為材料製造出能存在於常溫的奈米電晶體，其想法與一部分研究寫成回顧性論文發表在自然材料雜誌(Geim AK & Novoselov KS Nature Mater., 6:183-191, 2007)，而更詳細的步驟則投稿到物理評論通訊(Physical Review Letters)。
紐約哥倫比亞大學(Columbia University, New York)的Pablo Jarillo-Herrero教授也是石墨薄膜的專家，他指出碳原子材質的石墨薄膜在薄膜邊緣會有一些不規則的碳支鏈，這些碳支鏈會導致電子散射(scatter)，而使得電晶體的效率降低。整個碳支鏈會導致何種程度的電子散射還不清楚，不過Jarillo-Herrero教授認為可以透過化學方法修改石墨薄膜的邊緣來盡量降低散射。目前半導體業界預測到了西元2020年，半導體材質的電晶體體積可以縮小到20奈米，不過那也是矽等半導體材質電晶體的體積和效能的極限，無法再進一步縮小。因此石墨薄膜的單層原子單電子電晶體具有比矽等材料的半導體電晶體更大的潛能和發展空間，科學家預測其將逐漸取代半導體材料。目前Geim團隊在製造石墨薄膜奈米電晶體時很大一部分時間需要靠運氣，因為他們雖然可以製造奈米尺度的電晶體，但是卻不是每一次都小到只能容下一個電子。不過Geim教授並不擔心，他認為未來成熟的微製造(microfabrication)技術將可以穩定地製造奈米級的石墨薄膜單電子電晶體。
科學家普遍樂觀地認為石墨薄膜的科技可以廣泛應用於各種科學領域。首先，體積變小、速度變高的電晶體將使電腦的運算更為快速，高速電腦將加速天文、理論物理、生物資訊等領域的發展。石墨薄膜也可以用來充當篩選過濾氣體或液體分子的濾網，因為其結構的孔洞很小且石墨薄膜材質不易和多數物質產生反應。Geim教授認為，石墨薄膜雖然只有一層碳原子，但其實它並非真正的二度空間平面，否則會極易碎。他認為，這個石墨薄膜其實是輕微的波浪狀，是趨近於平面的立體結構，而這種波浪結構可以讓石墨薄膜在常溫下穩定存在。半導體產業是台灣經濟的重要命脈之一，因此台灣應當投入更多經費與人力研究石墨薄膜，以便維持台灣未來在電子、材料和半導體產業的領先地位。
決戰猩球真實版？黑猩猩會使用工具狩獵
決戰猩球真實版？黑猩猩會使用工具狩獵
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
科學家長期認為，使用自製的工具狩獵是人類的專利。然而，依據自然雜誌(Nature)的報導，生態學家意外地發現黑猩猩竟然也會利用製造的工具來獵取其它靈長類當食物。
生態學家在非洲塞內加爾(Senegal)方果力(Fongoli)有些許樹的草原居住的黑猩猩發現了利用工具狩獵的證據。人類被演化學家相信起源自非洲大陸，而且人類的始祖是從和這些黑猩猩居住的類似的環境演化而成為能直立行走的人類。黑猩猩拉丁文學名是Pan troglodytes，英文名稱為Chimpanzee。以往生態學家只知道黑猩猩會利用細樹枝伸進白蟻窩，黏出白蟻來吃。美國愛荷華州立大學(Iowa State University)的Jill Pruetz教授和英國劍橋大學(University of Cambridge)的Paco Bertolani教授共同觀察到這奇特的行為。這兩個生態學家觀察到，一隻母黑猩猩發現樹洞中有一隻嬰猴。嬰猴(bushbaby)是一種夜行性的小型靈長類，重量約200公克。當時這隻嬰猴正在樹洞中睡覺。母黑猩猩於是拔了一隻樹枝，將枝幹拔除，並用嘴巴將一端咬尖，然後利用尖銳的樹枝戳死嬰猴，再取來食用。生態學家總共觀察到22次這種狩獵行為，不過只有一次成功。但是這兩名教授認為，對於以水果和堅果為主要食物，而且居住在食物來源並不充裕草園區的黑猩猩，進行偶爾才能成功的小型靈長類狩獵以獲取肉類食物來補充營養，是個很划算的做法。不過Bertolanu和Pruetz只觀察到母猩猩和年輕的黑猩猩會有這種狩獵行為，為何成年的雄性黑猩猩不狩獵，原因不明。不過Pruetz推論認為，可能是成年雄性黑猩猩認為耗費體力獵取這種小型靈長纇並不划算，不如利用其他方式獲取食物。這個研究發表在當代生物學(Pruetz JD and Bertolani P, Curr. Biol., doi:10.1016/j.cub.2006.12.042, 2007)。塞內加爾的這群黑猩猩是特有種，瀕臨滅絕，只剩下約五百隻。生態學家還不確定其它黑猩猩是否也有這種行為，因為大多數其它的黑猩猩都住在樹林中，獵取紅疣猴(red colobus monkeys)，並未被觀察到有使用工具狩獵的情況。
Pruetz教授認為，塞內加爾這些黑猩猩的行為，可能反應了人類過去演化的腳步。1970年代，人類學家提出「女性是採集者 (woman the gatherer)」的古代人類生活型態假設，這種假設認為最早發行工具的人是女性。過去生態學家只有觀察到少數生物會使用工具，例如烏鴉會利用樹枝挑出樹洞中的蟲來吃，澳洲沿岸的海豚會利用嘴巴頂著海綿來攪動海床上的沙堆，讓潛藏在沙堆中的生物跑出來再獵食。但是黑猩猩使用製造的工具來獵取食物卻是前所未聞的創舉，代表著黑猩猩的確有非凡的智力和潛力，也使人類學家可能可以參考黑猩猩的行為來推論人類的演化。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
科學家長期認為，使用自製的工具狩獵是人類的專利。然而，依據自然雜誌(Nature)的報導，生態學家意外地發現黑猩猩竟然也會利用製造的工具來獵取其它靈長類當食物。
生態學家在非洲塞內加爾(Senegal)方果力(Fongoli)有些許樹的草原居住的黑猩猩發現了利用工具狩獵的證據。人類被演化學家相信起源自非洲大陸，而且人類的始祖是從和這些黑猩猩居住的類似的環境演化而成為能直立行走的人類。黑猩猩拉丁文學名是Pan troglodytes，英文名稱為Chimpanzee。以往生態學家只知道黑猩猩會利用細樹枝伸進白蟻窩，黏出白蟻來吃。美國愛荷華州立大學(Iowa State University)的Jill Pruetz教授和英國劍橋大學(University of Cambridge)的Paco Bertolani教授共同觀察到這奇特的行為。這兩個生態學家觀察到，一隻母黑猩猩發現樹洞中有一隻嬰猴。嬰猴(bushbaby)是一種夜行性的小型靈長類，重量約200公克。當時這隻嬰猴正在樹洞中睡覺。母黑猩猩於是拔了一隻樹枝，將枝幹拔除，並用嘴巴將一端咬尖，然後利用尖銳的樹枝戳死嬰猴，再取來食用。生態學家總共觀察到22次這種狩獵行為，不過只有一次成功。但是這兩名教授認為，對於以水果和堅果為主要食物，而且居住在食物來源並不充裕草園區的黑猩猩，進行偶爾才能成功的小型靈長類狩獵以獲取肉類食物來補充營養，是個很划算的做法。不過Bertolanu和Pruetz只觀察到母猩猩和年輕的黑猩猩會有這種狩獵行為，為何成年的雄性黑猩猩不狩獵，原因不明。不過Pruetz推論認為，可能是成年雄性黑猩猩認為耗費體力獵取這種小型靈長纇並不划算，不如利用其他方式獲取食物。這個研究發表在當代生物學(Pruetz JD and Bertolani P, Curr. Biol., doi:10.1016/j.cub.2006.12.042, 2007)。塞內加爾的這群黑猩猩是特有種，瀕臨滅絕，只剩下約五百隻。生態學家還不確定其它黑猩猩是否也有這種行為，因為大多數其它的黑猩猩都住在樹林中，獵取紅疣猴(red colobus monkeys)，並未被觀察到有使用工具狩獵的情況。
Pruetz教授認為，塞內加爾這些黑猩猩的行為，可能反應了人類過去演化的腳步。1970年代，人類學家提出「女性是採集者 (woman the gatherer)」的古代人類生活型態假設，這種假設認為最早發行工具的人是女性。過去生態學家只有觀察到少數生物會使用工具，例如烏鴉會利用樹枝挑出樹洞中的蟲來吃，澳洲沿岸的海豚會利用嘴巴頂著海綿來攪動海床上的沙堆，讓潛藏在沙堆中的生物跑出來再獵食。但是黑猩猩使用製造的工具來獵取食物卻是前所未聞的創舉，代表著黑猩猩的確有非凡的智力和潛力，也使人類學家可能可以參考黑猩猩的行為來推論人類的演化。
失去嗅覺的果蠅活得比較久
失去嗅覺的果蠅活得比較久
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然雜誌(Nature)的報導，嗅覺可能和攝取的食物量共同決定生物的壽命。科學家已知如果動物吃得比較少，可以活得比較久。在果蠅、線蟲和老鼠身上的實驗發現，如果讓這些動物吃的食物量變少，則這些挨餓的動物活得遠比吃飽飽的同類動物長久，但是真正的機制尚未明白。有一種假設認為，一旦動物處於挨餓的狀況，就會把絕大多數的能量用於維持生理器官的基本功能，而不會把能量浪費在生殖交配繁衍行為上，因此可以活得比較久。最近一篇發表在科學雜誌(Science)上的論文指出，果蠅只要聞不到食物的味道，即使吃得並沒有比較少，一樣可以活得比較久。
德州貝勒醫學中心(Baylor College of Medicine in Houston, Texas)的Scott Pletcher教授有個想法，他認為也許可以利用嗅覺來誤導果蠅，讓果蠅聞到食物的味道卻沒有真的吃到食物，說不定果蠅的腦袋會以為周遭有很多食物而因此改變壽命。一般而言，將果蠅的食物量減半，會使果蠅的壽命增加20%，從41天延長為50天。Pletcher團隊發現，讓挨餓的果蠅聞牠們最喜歡的食物--酵母菌的味道，卻沒真的讓牠們吃，結果發現挨餓的果蠅聞了之後，雖然還是比不挨餓的果蠅長壽，但是原本延長多出來的壽命會減少約1/3。而如果是沒有挨餓的果蠅，聞了酵母菌的味道，壽命並不會有什麼變化。研究者因此推論，嗅覺可能和食量共同影響果蠅的壽命。他們據此假設，如果果蠅失去嗅覺，說不定會變得比較長壽。他們篩選嗅覺有缺陷的果蠅Or38b，結果發現，餵食相同的食物量，失去嗅覺的果蠅比有正常嗅覺的果蠅壽命增加約40-50%。Or38b突變種果蠅的其它特徵包含長成成蟲後的新陳代謝不太相同以及對壓力的適應力較強。不過作用機制尚不明瞭。這個研究結果發表在科學雜誌(Science)上(Libert S. et al, Science, doi:10.1126/science.1136610, 2006)。
筆者認為，攝取的食物和嗅覺都會影響食慾中樞，因而影響控制食慾的分子。這個研究結果可能顯示控制食慾的分子與壽命的調節有關係。至於人吃得較少會不會活得比較久？目前尚沒有直接的科學研究能證實這一點，但是仍有許多人以控制食量或保持吃八分飽，希望能因此長壽。不過因為人的生理機能和果蠅有很大的不同，因此研究者尚無法推論嗅覺是否也會影響人的壽命。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然雜誌(Nature)的報導，嗅覺可能和攝取的食物量共同決定生物的壽命。科學家已知如果動物吃得比較少，可以活得比較久。在果蠅、線蟲和老鼠身上的實驗發現，如果讓這些動物吃的食物量變少，則這些挨餓的動物活得遠比吃飽飽的同類動物長久，但是真正的機制尚未明白。有一種假設認為，一旦動物處於挨餓的狀況，就會把絕大多數的能量用於維持生理器官的基本功能，而不會把能量浪費在生殖交配繁衍行為上，因此可以活得比較久。最近一篇發表在科學雜誌(Science)上的論文指出，果蠅只要聞不到食物的味道，即使吃得並沒有比較少，一樣可以活得比較久。
德州貝勒醫學中心(Baylor College of Medicine in Houston, Texas)的Scott Pletcher教授有個想法，他認為也許可以利用嗅覺來誤導果蠅，讓果蠅聞到食物的味道卻沒有真的吃到食物，說不定果蠅的腦袋會以為周遭有很多食物而因此改變壽命。一般而言，將果蠅的食物量減半，會使果蠅的壽命增加20%，從41天延長為50天。Pletcher團隊發現，讓挨餓的果蠅聞牠們最喜歡的食物--酵母菌的味道，卻沒真的讓牠們吃，結果發現挨餓的果蠅聞了之後，雖然還是比不挨餓的果蠅長壽，但是原本延長多出來的壽命會減少約1/3。而如果是沒有挨餓的果蠅，聞了酵母菌的味道，壽命並不會有什麼變化。研究者因此推論，嗅覺可能和食量共同影響果蠅的壽命。他們據此假設，如果果蠅失去嗅覺，說不定會變得比較長壽。他們篩選嗅覺有缺陷的果蠅Or38b，結果發現，餵食相同的食物量，失去嗅覺的果蠅比有正常嗅覺的果蠅壽命增加約40-50%。Or38b突變種果蠅的其它特徵包含長成成蟲後的新陳代謝不太相同以及對壓力的適應力較強。不過作用機制尚不明瞭。這個研究結果發表在科學雜誌(Science)上(Libert S. et al, Science, doi:10.1126/science.1136610, 2006)。
筆者認為，攝取的食物和嗅覺都會影響食慾中樞，因而影響控制食慾的分子。這個研究結果可能顯示控制食慾的分子與壽命的調節有關係。至於人吃得較少會不會活得比較久？目前尚沒有直接的科學研究能證實這一點，但是仍有許多人以控制食量或保持吃八分飽，希望能因此長壽。不過因為人的生理機能和果蠅有很大的不同，因此研究者尚無法推論嗅覺是否也會影響人的壽命。
牧草是替代能源的明日之星
牧草是替代能源的明日之星
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
由於石化能源在未來的一百年內可能用罄，因此科學家持續尋找替代能源。生物能源(biofuel)是目前熱門的替代能源之一，而用於提供生物能源的生物原料(biomass)主要來自植物，有兩大種類：其一為在可耕地種植的單一品種植物，包含玉米、大豆(soybean)、油菜籽(oilseed rape)、風傾草(switchgrass)、柳(willow)、甘蔗和雜種白楊(hybrid poplar)；另一種是植物廢料，包含麥稈、玉米稈(corn stover)和廢木材。種植這些生物能源植物最大的問題是種植所使用的肥料和殺蟲劑會污染環境，而且種植這些單一作物會破壞生態系的生物多樣性。美國明尼蘇達大學生態、演化與行為系(Department of Ecology, Evolution, and Behavior, University of Minnesota)的David Tilman教授研究團隊最近在科學雜誌(Science)上發表，提出利用多品種的牧草類草本植物(low-input high-diversity prairie plants)，於荒廢之地種植，然後轉換為能源，其環保性遠遠高於上述兩類生物能源用植物(Tilman D. et al, Science, Vol 314, pp.1598-1600, 2006)。
先前Tilman團隊曾經發現，在固定的土地面積上，種植多品種的草本植物所產生的生物燃料用原料比種植單一品種的植物(玉米或大豆等)更多。如今他們更發現，在土壤貧瘠地帶，種植多品種牧草類比種植單一品種植物可以增加一倍的生物燃料原料收穫量。如果考量溫室效應，因為牧草類植物的根會從土壤吸取大量的二氧化碳(每年每公頃從土壤吸收4400公斤的二氧化碳)，比它們被燃燒當成燃料釋放出的二氧化碳還多(每年每公頃會產生320公斤的二氧化碳)，因此種植牧草當然料，會降低地球的二氧化碳，減緩溫室效應。如果以最後燃燒釋放出的二氧化碳，除以根部從土壤吸收的二氧化碳來比較，燃燒多品種牧草當燃料的環保程度比使用玉米酒精(corn grain ethanol)或生物柴油(biodiesel)好上6-16倍。經過十年的種植，多品種牧草獲得的能量，比單一植物(如玉米或豆類)獲得的能量多238%。多品種牧草之所以有這樣出色的表現，主要是因為種植不同種類的牧草，有的在春天長，有的在夏天長，可以讓該片土地上一直有植物在生長，加上生長快速，因此比種植單一品種植物更有效率。而且牧草類植物可以生長在其它農作植物無法生長的貧瘠的土地上，它們的根可以紮得很深，可以吸取土壤深處的二氧化碳，並把地表的養分和水氣帶進土壤深處，改善土質。
Tilman教授團隊估計，如果利用全球500,000,000公頃的荒廢貧瘠土地來種植牧草當燃料，則可以節省13%的石化燃料消耗，並能減少15%的二氧化碳排放，非常環保。不過筆者認為，Tilman教授團隊並沒有把從這些貧瘠土地將這些牧草運輸出來使用所需要消耗的能量、資源與人力列入考量。這些荒廢貧瘠的土地，大多位於交通不便之處，因此運輸這些原料將可能是成本的一大考量。不過Tilman團隊的研究指出了一個新方向，與其一味地使用農作物或經濟作物(如玉米或大豆)來充當燃料，因而減少生態體系中植物的多樣性，不如在部分交通便利但土壤貧瘠的地區種植牧草類植物，來維持生物多樣性，並收取高環保高效益的綠色能源益處。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
由於石化能源在未來的一百年內可能用罄，因此科學家持續尋找替代能源。生物能源(biofuel)是目前熱門的替代能源之一，而用於提供生物能源的生物原料(biomass)主要來自植物，有兩大種類：其一為在可耕地種植的單一品種植物，包含玉米、大豆(soybean)、油菜籽(oilseed rape)、風傾草(switchgrass)、柳(willow)、甘蔗和雜種白楊(hybrid poplar)；另一種是植物廢料，包含麥稈、玉米稈(corn stover)和廢木材。種植這些生物能源植物最大的問題是種植所使用的肥料和殺蟲劑會污染環境，而且種植這些單一作物會破壞生態系的生物多樣性。美國明尼蘇達大學生態、演化與行為系(Department of Ecology, Evolution, and Behavior, University of Minnesota)的David Tilman教授研究團隊最近在科學雜誌(Science)上發表，提出利用多品種的牧草類草本植物(low-input high-diversity prairie plants)，於荒廢之地種植，然後轉換為能源，其環保性遠遠高於上述兩類生物能源用植物(Tilman D. et al, Science, Vol 314, pp.1598-1600, 2006)。
先前Tilman團隊曾經發現，在固定的土地面積上，種植多品種的草本植物所產生的生物燃料用原料比種植單一品種的植物(玉米或大豆等)更多。如今他們更發現，在土壤貧瘠地帶，種植多品種牧草類比種植單一品種植物可以增加一倍的生物燃料原料收穫量。如果考量溫室效應，因為牧草類植物的根會從土壤吸取大量的二氧化碳(每年每公頃從土壤吸收4400公斤的二氧化碳)，比它們被燃燒當成燃料釋放出的二氧化碳還多(每年每公頃會產生320公斤的二氧化碳)，因此種植牧草當然料，會降低地球的二氧化碳，減緩溫室效應。如果以最後燃燒釋放出的二氧化碳，除以根部從土壤吸收的二氧化碳來比較，燃燒多品種牧草當燃料的環保程度比使用玉米酒精(corn grain ethanol)或生物柴油(biodiesel)好上6-16倍。經過十年的種植，多品種牧草獲得的能量，比單一植物(如玉米或豆類)獲得的能量多238%。多品種牧草之所以有這樣出色的表現，主要是因為種植不同種類的牧草，有的在春天長，有的在夏天長，可以讓該片土地上一直有植物在生長，加上生長快速，因此比種植單一品種植物更有效率。而且牧草類植物可以生長在其它農作植物無法生長的貧瘠的土地上，它們的根可以紮得很深，可以吸取土壤深處的二氧化碳，並把地表的養分和水氣帶進土壤深處，改善土質。
Tilman教授團隊估計，如果利用全球500,000,000公頃的荒廢貧瘠土地來種植牧草當燃料，則可以節省13%的石化燃料消耗，並能減少15%的二氧化碳排放，非常環保。不過筆者認為，Tilman教授團隊並沒有把從這些貧瘠土地將這些牧草運輸出來使用所需要消耗的能量、資源與人力列入考量。這些荒廢貧瘠的土地，大多位於交通不便之處，因此運輸這些原料將可能是成本的一大考量。不過Tilman團隊的研究指出了一個新方向，與其一味地使用農作物或經濟作物(如玉米或大豆)來充當燃料，因而減少生態體系中植物的多樣性，不如在部分交通便利但土壤貧瘠的地區種植牧草類植物，來維持生物多樣性，並收取高環保高效益的綠色能源益處。
October 15, 2006
綠色植物會增加降雨量
綠色植物會增加降雨量
作者：褚志斌 現職：芝加哥大學博士後研究員
文章來源：駐芝加哥科技組
發佈時間：95.10.14
眾所皆知較多雨量會促進較多綠色植物的生長，不過最近科學家利用人造衛星觀測加上統計，發現較多的綠色植物也會帶來較多的雨量。由於這項觀測是在非洲進行，因此研究結果支持在非洲乾旱地區增加各種栽植樹林和綠色農作物，將有助於減緩非洲乾旱和沙漠化的速度。
海平面溫度或是沙塵和空氣中的微粒污染，都會對氣候造成很大、甚至是長期的影響。非洲的許多乾旱地區的雨量就決定於這些因素。然而，對於薩赫勒(Sahel)地區的年雨量，這些因素佔的比重很小，反而是植被的數量對雨量的影響比較顯著。薩赫勒是一條寬約320-480公里、乾燥程度逐漸增加的地帶，其自塞內加爾北部、毛里塔尼亞南部，向東經過馬利中部、布吉納法索北部、尼日南部，一直到查德中部，是連接非洲熱帶草原和撒哈拉沙漠的過渡地帶。薩赫勒在阿拉伯語是邊緣的意思。地形單調、植被稀疏、降水量變化大，年降雨量從南部草原的700mm，一直遞減到北部沙漠邊緣的200mm。地區經濟以畜牧業為主，牲畜有駱駝、牛、山羊和綿羊，雨季時部分地區有小規模農業，花生是主要經濟作物。此地區因為濫伐樹木和過度放牧，面臨乾旱和沙漠化威脅嚴重。
綠色植物會吸收土壤中的水分來利用，水分也會從葉子蒸發；植物的根會涵養水分，將水分留在土壤表層；植物深色部位，和淺色的沙漠沙地相比，會吸收更多的太陽輻射能，植物的陰影則會遮蔽陽光，這樣會造成和周遭沙地有溫差，可能會造成空氣對流或渦流。這種種作用，都會改變該地區空氣和水氣的流動以及溫度的變化，因而會影響雨量。雖然過去科學家已經將這些因素都考慮而加進氣候模擬模型，但對於植物究竟會增加或減少雨量，卻爭論不休。
科學家將這地區從1982年到1999年間的年雨量資料，和從NASA衛星偵照取得的該地區綠色植被面積拿來比較。首先獲得的結論是雨季時，綠色植物面積最多，這一點都不令人意外。科學家接著試圖研究，在這18年之間，前一個月的降雨量如何影響下一個月的降雨量？接著，他們又加進一個變因---前一個月的綠色植被面積，研究前一個月的綠色植物量如何決定下一個月的降雨量。如果植物的數量對降雨量根本沒有影響的話，則多加這個變因的預測結論，和不考量綠色植物量的預測應該是一樣的。然而科學家發現，考慮了前一個月的綠色植物量之後，變得更容易預測下一個月的降雨量。他們發現前一個月的綠色植物數量會影響下一個月30%的降雨量。這個研究成果主要由英國的氣象和地形交互作用研究中心(Climate and Land Surface Interactions Centre (CLASSIC))的研究員完成，論文發表在地球科學研究通訊(Los S. et al, Geophys. Res. Lett., doi: 10.1029/2006GL027065, 2006)。作者們指出，事實上他們低估了綠色植物的影響，因為受限於模型的計算方式，他們只考量前一個月的綠色植物量，而沒有將下一個月的綠色植物量的因素一併考量進來。不過他們的結論清楚建議應該增加該地區的綠色植物總量，才能減少乾旱和沙漠化的威脅。
不過其它地球科學家指出，使用衛星偵照資訊要很小心，因為同樣的照片，不同人的解釋不完全一樣，因此需要更多的實地田野調查來比對佐證。此外，此份研究也無法指出究竟哪一種或哪一類植物對降雨量有較多的貢獻？因此對於樹林、農作物和雜草是否對降雨量有同等貢獻，尚須更多的實地調查研究才能釐清。
作者：褚志斌 現職：芝加哥大學博士後研究員
文章來源：駐芝加哥科技組
發佈時間：95.10.14
眾所皆知較多雨量會促進較多綠色植物的生長，不過最近科學家利用人造衛星觀測加上統計，發現較多的綠色植物也會帶來較多的雨量。由於這項觀測是在非洲進行，因此研究結果支持在非洲乾旱地區增加各種栽植樹林和綠色農作物，將有助於減緩非洲乾旱和沙漠化的速度。
海平面溫度或是沙塵和空氣中的微粒污染，都會對氣候造成很大、甚至是長期的影響。非洲的許多乾旱地區的雨量就決定於這些因素。然而，對於薩赫勒(Sahel)地區的年雨量，這些因素佔的比重很小，反而是植被的數量對雨量的影響比較顯著。薩赫勒是一條寬約320-480公里、乾燥程度逐漸增加的地帶，其自塞內加爾北部、毛里塔尼亞南部，向東經過馬利中部、布吉納法索北部、尼日南部，一直到查德中部，是連接非洲熱帶草原和撒哈拉沙漠的過渡地帶。薩赫勒在阿拉伯語是邊緣的意思。地形單調、植被稀疏、降水量變化大，年降雨量從南部草原的700mm，一直遞減到北部沙漠邊緣的200mm。地區經濟以畜牧業為主，牲畜有駱駝、牛、山羊和綿羊，雨季時部分地區有小規模農業，花生是主要經濟作物。此地區因為濫伐樹木和過度放牧，面臨乾旱和沙漠化威脅嚴重。
綠色植物會吸收土壤中的水分來利用，水分也會從葉子蒸發；植物的根會涵養水分，將水分留在土壤表層；植物深色部位，和淺色的沙漠沙地相比，會吸收更多的太陽輻射能，植物的陰影則會遮蔽陽光，這樣會造成和周遭沙地有溫差，可能會造成空氣對流或渦流。這種種作用，都會改變該地區空氣和水氣的流動以及溫度的變化，因而會影響雨量。雖然過去科學家已經將這些因素都考慮而加進氣候模擬模型，但對於植物究竟會增加或減少雨量，卻爭論不休。
科學家將這地區從1982年到1999年間的年雨量資料，和從NASA衛星偵照取得的該地區綠色植被面積拿來比較。首先獲得的結論是雨季時，綠色植物面積最多，這一點都不令人意外。科學家接著試圖研究，在這18年之間，前一個月的降雨量如何影響下一個月的降雨量？接著，他們又加進一個變因---前一個月的綠色植被面積，研究前一個月的綠色植物量如何決定下一個月的降雨量。如果植物的數量對降雨量根本沒有影響的話，則多加這個變因的預測結論，和不考量綠色植物量的預測應該是一樣的。然而科學家發現，考慮了前一個月的綠色植物量之後，變得更容易預測下一個月的降雨量。他們發現前一個月的綠色植物數量會影響下一個月30%的降雨量。這個研究成果主要由英國的氣象和地形交互作用研究中心(Climate and Land Surface Interactions Centre (CLASSIC))的研究員完成，論文發表在地球科學研究通訊(Los S. et al, Geophys. Res. Lett., doi: 10.1029/2006GL027065, 2006)。作者們指出，事實上他們低估了綠色植物的影響，因為受限於模型的計算方式，他們只考量前一個月的綠色植物量，而沒有將下一個月的綠色植物量的因素一併考量進來。不過他們的結論清楚建議應該增加該地區的綠色植物總量，才能減少乾旱和沙漠化的威脅。
不過其它地球科學家指出，使用衛星偵照資訊要很小心，因為同樣的照片，不同人的解釋不完全一樣，因此需要更多的實地田野調查來比對佐證。此外，此份研究也無法指出究竟哪一種或哪一類植物對降雨量有較多的貢獻？因此對於樹林、農作物和雜草是否對降雨量有同等貢獻，尚須更多的實地調查研究才能釐清。
October 9, 2006
科學家發現固態氧晶體結構
科學家發現固態氧晶體結構
藉由增加壓力和降低溫度，科學家可以將氣體變成液體，再變成固體，稱為相變(phase transition)。當對氧氣施予高壓，氧氣會先變成帶有磁性、淡藍色的液體氧；當加壓到54,000倍大氣壓(5.4 GPa)時，氧會變成淡藍色固體。1979年，化學家發現，如果用10 GPa的高壓，氧會變成紅色固體。1990年，科學家觀察到，在96 GPa，氧分子會被高壓擠壓到彼此的距離非常接近，接近到氧分子內的電子可以自由在各個氧分子之間移動，就像金屬一樣。不過這種紅色固體氧的結構究竟如何一直是個謎。
依據自然雜誌(Nature)報導，最近有兩個物體團隊各自揭開了紅色氧固體的晶體結構之謎。英國愛丁堡大學(University of Edinburgh, UK)的Malcolm McMahon團隊將研究結果發表在自然(Nature)雜誌(Lundegaard L., et al. Nature, 443, p.201 – 204, 2006)；日本筑波產業技術綜合研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tsukuba, Japan)的藤久裕司團隊則將結果發表在物理評論通訊(Fujihisa H., et al. Phys. Rev. Lett., 97. 085503, 2006)。Malcolm McMahon等人將紅色氧固體晶體長在兩個鑽石砧(diamond anvil)之間。而且為了避免晶體被破壞，還利用固體氦當作緩衝。研究團隊的法國科學家指出，在這種高壓下，固體氦就像奶油一樣。研究人員接著利用X光繞射來決定晶體結構。藤久裕司團隊則是使用擠壓在鑽石中的紅色固體氧粉末做實驗，一樣是利用X光繞射來決定晶體結構。這樣的結晶結構比較好長，但是X光繞射數據分析起來比較困難。
通常高壓下，固體內部的化學鍵會被破壞，只剩下原子或分子。這時候元素的特性，會變得比較像同族中較重的元素。因此一般科學家會預測，紅色氧固體的結構應該會類似硫的八個原子的環狀結構。出人意料之外，紅色氧固體的結構，是四個氧分子為一組，形成一個菱形；然後兩個菱形相交叉，像被壓扁的立方體一樣。這種結構的氧可以稱為O8。平常空氣中的氣體氧是O2，臭氧是O3，而液體氧中有一小部分是O4。
不過這種結構究竟有何時用價值？研究者承認應該毫無實用價值，因為自然界中不會看到O8的這種結構。即便是高壓的地底深處，氧分子就算不以氣體型態存在，也會和其他元素形成氧化物，或是溶入水中。不過很多科學研究本來就不是以實用為目的。這些研究者建議，現在高壓技術純熟，而紅色氧的晶體很漂亮，也許可以加工變成珠寶或是裝飾的一部分。物理學家認為，高壓下產生的固體，應該以氫最有用。物理學家預測，在450 GPa的高壓下產生的固體氫，特性會像金屬一樣。這種高壓固體氫，會有非凡的超導(superconductivity)和超流(superfluidity)的特性，而且木星環上也可能有這種固體氫。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
藉由增加壓力和降低溫度，科學家可以將氣體變成液體，再變成固體，稱為相變(phase transition)。當對氧氣施予高壓，氧氣會先變成帶有磁性、淡藍色的液體氧；當加壓到54,000倍大氣壓(5.4 GPa)時，氧會變成淡藍色固體。1979年，化學家發現，如果用10 GPa的高壓，氧會變成紅色固體。1990年，科學家觀察到，在96 GPa，氧分子會被高壓擠壓到彼此的距離非常接近，接近到氧分子內的電子可以自由在各個氧分子之間移動，就像金屬一樣。不過這種紅色固體氧的結構究竟如何一直是個謎。
依據自然雜誌(Nature)報導，最近有兩個物體團隊各自揭開了紅色氧固體的晶體結構之謎。英國愛丁堡大學(University of Edinburgh, UK)的Malcolm McMahon團隊將研究結果發表在自然(Nature)雜誌(Lundegaard L., et al. Nature, 443, p.201 – 204, 2006)；日本筑波產業技術綜合研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tsukuba, Japan)的藤久裕司團隊則將結果發表在物理評論通訊(Fujihisa H., et al. Phys. Rev. Lett., 97. 085503, 2006)。Malcolm McMahon等人將紅色氧固體晶體長在兩個鑽石砧(diamond anvil)之間。而且為了避免晶體被破壞，還利用固體氦當作緩衝。研究團隊的法國科學家指出，在這種高壓下，固體氦就像奶油一樣。研究人員接著利用X光繞射來決定晶體結構。藤久裕司團隊則是使用擠壓在鑽石中的紅色固體氧粉末做實驗，一樣是利用X光繞射來決定晶體結構。這樣的結晶結構比較好長，但是X光繞射數據分析起來比較困難。
通常高壓下，固體內部的化學鍵會被破壞，只剩下原子或分子。這時候元素的特性，會變得比較像同族中較重的元素。因此一般科學家會預測，紅色氧固體的結構應該會類似硫的八個原子的環狀結構。出人意料之外，紅色氧固體的結構，是四個氧分子為一組，形成一個菱形；然後兩個菱形相交叉，像被壓扁的立方體一樣。這種結構的氧可以稱為O8。平常空氣中的氣體氧是O2，臭氧是O3，而液體氧中有一小部分是O4。
不過這種結構究竟有何時用價值？研究者承認應該毫無實用價值，因為自然界中不會看到O8的這種結構。即便是高壓的地底深處，氧分子就算不以氣體型態存在，也會和其他元素形成氧化物，或是溶入水中。不過很多科學研究本來就不是以實用為目的。這些研究者建議，現在高壓技術純熟，而紅色氧的晶體很漂亮，也許可以加工變成珠寶或是裝飾的一部分。物理學家認為，高壓下產生的固體，應該以氫最有用。物理學家預測，在450 GPa的高壓下產生的固體氫，特性會像金屬一樣。這種高壓固體氫，會有非凡的超導(superconductivity)和超流(superfluidity)的特性，而且木星環上也可能有這種固體氫。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
September 19, 2006
亞馬遜河流域將面臨更頻繁的乾旱威脅
亞馬遜河流域將面臨更頻繁的乾旱威脅
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然(Nature)雜誌報導，地球上最大的原始林亞馬遜河(Amazon River)流域正面臨愈來愈頻繁的乾旱威脅。南美亞馬遜河流域屬熱帶雨林，橫跨赤道南北，是世界最大的河流。亞馬遜河集合了一千一百多條支流交匯而成。赤道線橫跨亞馬遜河口，赤道以北的流域，三月到七月是雨季；赤道以南的流域，雨季則在十月至翌年一月。雨季時河水暴漲，河水淹沒岸邊廣大區域內的植物，樹木因根部缺氧而暫時窒息，逐漸乾枯。水退之後，又冒出新葉而復甦。而在雨季外的乾季時候，森林經常發生火災，火災可以持續數星期。
去年亞馬遜河流域遭到嚴重乾旱，河水水位暴跌、魚群大量死亡，住民用來做為交通路線的河道乾枯，使上學、就醫、外出都變得非常困難。這一次乾旱引起科學家的注意，因為以往亞馬遜河都只有在「聖嬰年」 (艾尼紐、El Nio)才會發生嚴重乾旱。長久以來，南美秘魯太平洋沿岸的漁民發現，每隔幾年，太平洋海域水溫會異常升高、洋流產生異常變化、進而造成漁獲量減少和氣候劇變。因為發生的時間都在聖誕節前後，因此當地漁民就把這種海洋異常的現象稱之為El Nio，相當於英文Christ child，也就是「聖嬰現象」。「聖嬰現象」大約每二年至七年就發生一次，每次可達一年半到二年之久。發生原因主要是因為全球空氣團對流和洋流交替影響。聖嬰現象使氣候劇變，讓原本乾燥的地區降大雨、原本雨水充足的地區乾旱。
科學家推論去年亞馬遜河乾旱和全球暖化並無直接關聯，而認為主要是大西洋的溫暖洋流造成。大西洋暖流去年使得一些大西洋沿岸地區遭受強力颱風，而原本亞馬遜河西岸雨水充足區則遭遇乾旱。英國和巴西的科學家利用英國哈德利氣象預測研究中心(Hadley Centre for Climate Prediction and Research in Exeter, UK)發展出的氣象預測模型，推論在未來的五十年，這種亞馬遜河流域的乾旱將愈來愈頻繁。
英國溫福利斯生態雨水文研究中心(Centre for Ecology and Hydrology in Winfrith, UK)的Peter Ocx在2004年發表一篇論文預測2090年亞馬遜河流域65%的森林將因為乾旱而消失(P.M. Cox et al, Theor. Appl. Climatol. 78, pp.137–156, 2004)。當時他的推論飽受批評，因為他的預測模型中包含了大西洋的暖流，而那時候科學家還沒有觀察到大西洋有暖流現象。因此雖然多數科學家對Cox的預測還抱存疑惑，但已經開始重新研究Cox的觀點。
美國的生態學家Daniel Nepstad (Woods Hole Research Center in Massachusetts)從1998年開始在亞馬遜河流域利用塑膠遮蓬覆蓋一片一萬平方公尺大的森林來模擬乾旱時的生態。他發現乾旱時，大棵的樹木死得比較快，每棵樹木製造的木材減少，而且森林火災會增加。Nepstad計算發現，每一次亞馬遜河乾旱引起的巨大樹木死亡和木材產量的減少，使得大氣層中增加五十億噸的二氧化碳。京都協議(Kyoto Protocol on Climate Change)要求各國致力於減少排放到大氣層中的二氧化碳，其目標是到2012年開始，每年減少十億噸。但是亞馬遜河流域因為乾旱而增加的碳排放量，卻可能使京都協議的效果大打折扣。科學家目前正努力尋求降低亞馬遜河流域乾旱的辦法，以避免地球的氣候生態遭受更大的浩劫。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據自然(Nature)雜誌報導，地球上最大的原始林亞馬遜河(Amazon River)流域正面臨愈來愈頻繁的乾旱威脅。南美亞馬遜河流域屬熱帶雨林，橫跨赤道南北，是世界最大的河流。亞馬遜河集合了一千一百多條支流交匯而成。赤道線橫跨亞馬遜河口，赤道以北的流域，三月到七月是雨季；赤道以南的流域，雨季則在十月至翌年一月。雨季時河水暴漲，河水淹沒岸邊廣大區域內的植物，樹木因根部缺氧而暫時窒息，逐漸乾枯。水退之後，又冒出新葉而復甦。而在雨季外的乾季時候，森林經常發生火災，火災可以持續數星期。
去年亞馬遜河流域遭到嚴重乾旱，河水水位暴跌、魚群大量死亡，住民用來做為交通路線的河道乾枯，使上學、就醫、外出都變得非常困難。這一次乾旱引起科學家的注意，因為以往亞馬遜河都只有在「聖嬰年」 (艾尼紐、El Nio)才會發生嚴重乾旱。長久以來，南美秘魯太平洋沿岸的漁民發現，每隔幾年，太平洋海域水溫會異常升高、洋流產生異常變化、進而造成漁獲量減少和氣候劇變。因為發生的時間都在聖誕節前後，因此當地漁民就把這種海洋異常的現象稱之為El Nio，相當於英文Christ child，也就是「聖嬰現象」。「聖嬰現象」大約每二年至七年就發生一次，每次可達一年半到二年之久。發生原因主要是因為全球空氣團對流和洋流交替影響。聖嬰現象使氣候劇變，讓原本乾燥的地區降大雨、原本雨水充足的地區乾旱。
科學家推論去年亞馬遜河乾旱和全球暖化並無直接關聯，而認為主要是大西洋的溫暖洋流造成。大西洋暖流去年使得一些大西洋沿岸地區遭受強力颱風，而原本亞馬遜河西岸雨水充足區則遭遇乾旱。英國和巴西的科學家利用英國哈德利氣象預測研究中心(Hadley Centre for Climate Prediction and Research in Exeter, UK)發展出的氣象預測模型，推論在未來的五十年，這種亞馬遜河流域的乾旱將愈來愈頻繁。
英國溫福利斯生態雨水文研究中心(Centre for Ecology and Hydrology in Winfrith, UK)的Peter Ocx在2004年發表一篇論文預測2090年亞馬遜河流域65%的森林將因為乾旱而消失(P.M. Cox et al, Theor. Appl. Climatol. 78, pp.137–156, 2004)。當時他的推論飽受批評，因為他的預測模型中包含了大西洋的暖流，而那時候科學家還沒有觀察到大西洋有暖流現象。因此雖然多數科學家對Cox的預測還抱存疑惑，但已經開始重新研究Cox的觀點。
美國的生態學家Daniel Nepstad (Woods Hole Research Center in Massachusetts)從1998年開始在亞馬遜河流域利用塑膠遮蓬覆蓋一片一萬平方公尺大的森林來模擬乾旱時的生態。他發現乾旱時，大棵的樹木死得比較快，每棵樹木製造的木材減少，而且森林火災會增加。Nepstad計算發現，每一次亞馬遜河乾旱引起的巨大樹木死亡和木材產量的減少，使得大氣層中增加五十億噸的二氧化碳。京都協議(Kyoto Protocol on Climate Change)要求各國致力於減少排放到大氣層中的二氧化碳，其目標是到2012年開始，每年減少十億噸。但是亞馬遜河流域因為乾旱而增加的碳排放量，卻可能使京都協議的效果大打折扣。科學家目前正努力尋求降低亞馬遜河流域乾旱的辦法，以避免地球的氣候生態遭受更大的浩劫。
August 17, 2006
物理學家證實聲子在高溫超導體中有作用
物理學家證實聲子在高溫超導體中有作用
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(H.K. Onnes)利用液態氦將汞降到4.15K的低溫時，發現汞的電阻突然消失。之後多種其它金屬被觀察到在不同溫度的低溫時，也都會產生這種無電阻傳導現象。這種狀態被稱為超導態(superconducting state)，成為超導態的金屬稱為超導體(superconductor)。產生超導態改變的溫度稱為臨界溫度(critical temperature，簡稱Tc)。1933年麥斯納(W. Meissner)和奧生菲德(R. Ochsenfeld)發現超導體內部的感應磁場強度為零，具有完全抗磁性，稱之為麥斯納效應(Meissner effect)。零電阻和完全抗磁性為超導體兩個基本性質。1950年物理學家發現臨界溫度與原子量的平方根乘積為一定值，意即如果以較重的同位素取代超導體中的原子，則 Tc 會降低，稱為同位素效應。這個發現指出了超導體中電流的傳導，不僅和電子有關，也和晶格的震動有關。晶格震動能量的量子化，稱為聲子(phonon)。 1956年，庫柏(L.N.Cooper)提出超導體中，電子會兩兩成對在一起，產生相互作用。兩兩成對的電子稱為庫柏電子對(cooper pair)。形成庫伯對的電子彼此自旋相反，而動量和守恆。因為電子對的自旋總合為零，不違反包立不相容原理(Pauli exclusion principle )，因此可以有無限多組的電子對存在同一個量子態上，使這些電子對可以都同調(coherent)進行。聲子的角色類似接合劑，電子對會因聲子而”黏"在一起，產生相互作用，克服彼此間的庫倫排斥力。要把一對電子從超導電流中拆出來的能量稱為超導能隙(superconducting energy gap)，當越來越多電子形成庫柏對後，超導能隙也會跟著增加，超導電流範圍也跟著變大。未形成庫柏對的電子則徘徊在周圍。聲子不會干擾庫柏電子對，但是會把還沒成對的電子拉走。1957 年，伊利諾大學厄巴拿香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)巴定(B.D. Bardeen)、庫柏(L.N. Cooper)和史瑞福(J.R. Schrieffer)發表了著名的超導微觀理論，稱為BCS理論。BCS理論利用庫伯電子對理論解釋了超導現象，三人因此獲得物理諾貝爾獎，其中巴定是第二次拿物理諾貝爾獎。但是之後二十多年金屬的超導體的臨界溫度遲遲無法突破23.2K。
1986 年，瑞士IBM蘇黎士研究所的貝德諾茲(G. Bednorz)和繆勒(A. Muller)發現鑭鋇銅氧類的氧化材料，其 Tc高達35 K。1987年，吳茂昆與朱經武發現 Tc 高達90 K以上的釔鋇銅氧類超導體，首度將 Tc 提高到液態氮溫度(77 K)以上。貝德諾茲和繆勒因此拿到物理諾貝爾獎。這類超導體無法用BCS理論的庫柏對和聲子觀點解釋，稱為高溫超導體(high-temperature super conductor)。朱經武教授的團隊後來改變材料和壓力造出Tc高達145K的超導體，已經高於冷媒(四氟化碳)沸點。因為BCS理論預測聲子和庫柏電子對的作用力愈強，則臨界溫度愈高。因此當高溫超導體的臨界溫度動輒數十度K時，BCS理論已經無法適用。因為要達到那種臨界溫度，需要的聲子和庫柏電子對的作用力會強到讓超導體內部崩潰。因此許多物理學家認為聲子和高溫超導體的超導電流傳遞無關。
康乃爾大學(Cornell University)的J.C. Seamus Davis團隊在自然(Nature)雜誌上發表論文(J. Lee et al, Nature, vol. 442, p.546-550, August 3, 2006)，指出利用電子掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope、STM)來偵測氧化鉍鍶鈣銅高溫超導體(bismuth strontium calcium copper oxide、Bi2Sr2CaCu2O8+)。電子掃描穿隧顯微鏡的探針在氧化鉍鍶鈣銅上面游移，可以偵測從超導體上跳到探針的電子形成的微小電流。研究團隊在超導體不同的位置，改變探針和超導體之間的電壓，然後紀錄電流變化的速率，這樣研究者就能知道探針和超導體之間，有多少個電子能夠躍遷的量子能階。當他們提高電壓，他們觀察到能階數目突然劇減，這個劇減的能量差就是超導能隙(superconducting energy gap)，代表電子形成庫柏對。在能隙的兩端，研究者觀察到「擺幅」(wiggles)，這是聲子和庫柏對子對有作用的特徵。他們用氧同位素18來替換超導體材料中的氧16，結果晶體質量增加，而他們觀察到「擺動」的能量減少，也就是晶格震動的頻率降低，證明和庫柏電子對產生交互作用的是材料的晶格震動，也就是聲子(phonon)。
可是用同位素替換材料中的元素，並不會改變高溫超導體的臨界溫度，這也是為何許多物理學家認為在高溫超導體中，聲子和庫柏電子對的形成沒有關係。不過其它物理學家利用X光測量高溫超導體中的電子速度可以量到電子速率減少，證明了電子和聲子之間有交互作用。 Davis認為，在高溫超導體中，聲子本身不足以促成庫柏電子對的形成，但是晶格震動/聲子卻在高溫超導態佔有重要的地位。
那為何先前的物理學家都沒有觀察到這現象？這主要是因為先前氧化鉍鍶鈣銅高溫超導材料在奈米尺度無法做得非常均勻。這個不均勻會使得材料中不同位置的超導能隙變化極大，這也會使聲子的能量跟著被影響。儀器測量量取的數值是將一段數個奈米以上範圍的測量值做一平均，聲子的能量變化也會因此被平均掉而得到不同的結論。看來聲子在高溫超導態中的地位，還需要更多的實驗才能夠被完全確定。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
1911年，荷蘭物理學家昂尼斯(H.K. Onnes)利用液態氦將汞降到4.15K的低溫時，發現汞的電阻突然消失。之後多種其它金屬被觀察到在不同溫度的低溫時，也都會產生這種無電阻傳導現象。這種狀態被稱為超導態(superconducting state)，成為超導態的金屬稱為超導體(superconductor)。產生超導態改變的溫度稱為臨界溫度(critical temperature，簡稱Tc)。1933年麥斯納(W. Meissner)和奧生菲德(R. Ochsenfeld)發現超導體內部的感應磁場強度為零，具有完全抗磁性，稱之為麥斯納效應(Meissner effect)。零電阻和完全抗磁性為超導體兩個基本性質。1950年物理學家發現臨界溫度與原子量的平方根乘積為一定值，意即如果以較重的同位素取代超導體中的原子，則 Tc 會降低，稱為同位素效應。這個發現指出了超導體中電流的傳導，不僅和電子有關，也和晶格的震動有關。晶格震動能量的量子化，稱為聲子(phonon)。 1956年，庫柏(L.N.Cooper)提出超導體中，電子會兩兩成對在一起，產生相互作用。兩兩成對的電子稱為庫柏電子對(cooper pair)。形成庫伯對的電子彼此自旋相反，而動量和守恆。因為電子對的自旋總合為零，不違反包立不相容原理(Pauli exclusion principle )，因此可以有無限多組的電子對存在同一個量子態上，使這些電子對可以都同調(coherent)進行。聲子的角色類似接合劑，電子對會因聲子而”黏"在一起，產生相互作用，克服彼此間的庫倫排斥力。要把一對電子從超導電流中拆出來的能量稱為超導能隙(superconducting energy gap)，當越來越多電子形成庫柏對後，超導能隙也會跟著增加，超導電流範圍也跟著變大。未形成庫柏對的電子則徘徊在周圍。聲子不會干擾庫柏電子對，但是會把還沒成對的電子拉走。1957 年，伊利諾大學厄巴拿香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)巴定(B.D. Bardeen)、庫柏(L.N. Cooper)和史瑞福(J.R. Schrieffer)發表了著名的超導微觀理論，稱為BCS理論。BCS理論利用庫伯電子對理論解釋了超導現象，三人因此獲得物理諾貝爾獎，其中巴定是第二次拿物理諾貝爾獎。但是之後二十多年金屬的超導體的臨界溫度遲遲無法突破23.2K。
1986 年，瑞士IBM蘇黎士研究所的貝德諾茲(G. Bednorz)和繆勒(A. Muller)發現鑭鋇銅氧類的氧化材料，其 Tc高達35 K。1987年，吳茂昆與朱經武發現 Tc 高達90 K以上的釔鋇銅氧類超導體，首度將 Tc 提高到液態氮溫度(77 K)以上。貝德諾茲和繆勒因此拿到物理諾貝爾獎。這類超導體無法用BCS理論的庫柏對和聲子觀點解釋，稱為高溫超導體(high-temperature super conductor)。朱經武教授的團隊後來改變材料和壓力造出Tc高達145K的超導體，已經高於冷媒(四氟化碳)沸點。因為BCS理論預測聲子和庫柏電子對的作用力愈強，則臨界溫度愈高。因此當高溫超導體的臨界溫度動輒數十度K時，BCS理論已經無法適用。因為要達到那種臨界溫度，需要的聲子和庫柏電子對的作用力會強到讓超導體內部崩潰。因此許多物理學家認為聲子和高溫超導體的超導電流傳遞無關。
康乃爾大學(Cornell University)的J.C. Seamus Davis團隊在自然(Nature)雜誌上發表論文(J. Lee et al, Nature, vol. 442, p.546-550, August 3, 2006)，指出利用電子掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope、STM)來偵測氧化鉍鍶鈣銅高溫超導體(bismuth strontium calcium copper oxide、Bi2Sr2CaCu2O8+)。電子掃描穿隧顯微鏡的探針在氧化鉍鍶鈣銅上面游移，可以偵測從超導體上跳到探針的電子形成的微小電流。研究團隊在超導體不同的位置，改變探針和超導體之間的電壓，然後紀錄電流變化的速率，這樣研究者就能知道探針和超導體之間，有多少個電子能夠躍遷的量子能階。當他們提高電壓，他們觀察到能階數目突然劇減，這個劇減的能量差就是超導能隙(superconducting energy gap)，代表電子形成庫柏對。在能隙的兩端，研究者觀察到「擺幅」(wiggles)，這是聲子和庫柏對子對有作用的特徵。他們用氧同位素18來替換超導體材料中的氧16，結果晶體質量增加，而他們觀察到「擺動」的能量減少，也就是晶格震動的頻率降低，證明和庫柏電子對產生交互作用的是材料的晶格震動，也就是聲子(phonon)。
可是用同位素替換材料中的元素，並不會改變高溫超導體的臨界溫度，這也是為何許多物理學家認為在高溫超導體中，聲子和庫柏電子對的形成沒有關係。不過其它物理學家利用X光測量高溫超導體中的電子速度可以量到電子速率減少，證明了電子和聲子之間有交互作用。 Davis認為，在高溫超導體中，聲子本身不足以促成庫柏電子對的形成，但是晶格震動/聲子卻在高溫超導態佔有重要的地位。
那為何先前的物理學家都沒有觀察到這現象？這主要是因為先前氧化鉍鍶鈣銅高溫超導材料在奈米尺度無法做得非常均勻。這個不均勻會使得材料中不同位置的超導能隙變化極大，這也會使聲子的能量跟著被影響。儀器測量量取的數值是將一段數個奈米以上範圍的測量值做一平均，聲子的能量變化也會因此被平均掉而得到不同的結論。看來聲子在高溫超導態中的地位，還需要更多的實驗才能夠被完全確定。
August 14, 2006
科學家計畫以基因工程改良稻米解決糧食缺乏問題
科學家計畫以基因工程改良稻米解決糧食缺乏問題
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據科學(Science 28 July 2006, Vol. 313, no. 5786, p. 423)雜誌報導，國際性的農業生物學家計畫利用分子生物和基因工程的新技術來改良稻米，使得稻米的產量可以增加50%。這個目標非常艱難，但是農業生物學家們認為這是必須要面對的挑戰，因為稻米的產量目前已經達到極限，但是亞洲的人口依然持續大幅增加，未來40-50年亞洲人口將增加50%，所以有必要改良稻米的基因來確保糧食的充足。
這些農業生物學家認為，要促成綠色革命，應當改變稻米的基本結構。有些科學家建議，可以將稻米改良成半侏儒(semi-dwarf)的高度，因為這樣子稻子可以吸收較多的肥料，而且一旦改良品種讓穀粒重量增加時，也不會像現在正常高度的品種容易傾斜折彎。另外一個切入點，就是增進稻子光合作用的效率。
植物的光合作用分為光反應和暗反應兩個步驟。光反應中，植物葉綠體內的葉綠素等色素在陽光下，吸收680nm和700nm波長的光子作為能量，分解水分子，並將光的能量，轉換成從水分子裂解而來的電子的能量。然後將這些電子透過電子傳遞鏈，逐漸釋放出能量，產生能供生物體使用的能量--輔酶NADP。同時，裂解水分子所產生的氫離子，植物也利用其細胞內氫離子的濃度差，將位能轉化為ATP的化學能。NADP和ATP兩種化學能，則用來固定大氣中的二氧化碳，將二氧化碳轉化成為能夠充當暗反應(或稱為克爾文循環、Calvin cycle)的原料，最終將二氧化碳中的碳轉變為生物可以利用的原料---葡萄糖。依據暗反應起始原料的不同，植物可以區分成C3、C4和CAM三個種類。
稻和麥是屬於C3植物。也就是說稻子利用一種稱為Rubisco (Ribulose Bisphosphate Carboxylase)的酵素將大氣中的二氧化碳轉換成為三個碳原子的3-PGA(3-Phosphoglycerate)，成為固定碳(carbon fixation)反應的第一個原料。C3植物接著會利用光化學反應所生成的ATP以及NADPH，將3-PGA合成G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate)，接著經過一連串步驟生成葡萄糖，完成光合作用。植物會再將葡萄糖轉換為澱粉或蔗糖等儲藏。但是Rubisco也會和氧結合。 C3植物在又熱又乾的情況下會將氣孔關閉，以減少水分蒸發。但是相對的，植物能獲得的二氧化碳也跟著減少。這時候植物體內氧的濃度就會相對增加， Rubisco也會跟一些氧作用，稱為光呼吸。光呼吸不會產生ATP或葡萄糖，反而會減少光合作用的產物，因此從農業的觀點來看是一種浪費。
相對來說，演化中適應乾旱燥熱地帶的C4植物，例如玉米，它們還有一種酵素PEP carboxylase。這種酵素會先將大氣中的二氧化碳固定成四個碳原子的Oxaloacetate。經過一系列的轉化，將這些四碳的原料交由 Rubisco固定，變成能進行暗反應的原料。這個多出來的過程，可以大舉增加Rubisco附近二氧化碳的濃度，減少氧相對的濃度，抑制光呼吸反應，也就能避免光合作用產物產量的降低。C4植物光合作用的效率比C3植物高約50%。因此理論上如果能夠利用基因工程將稻米改造成C4植物，其需要的水和肥料會減少，而且光合作用產率可以提高50%。
農業科學家相信在演化上，C3植物轉變成為C4植物，因此有一些C3植物已經具備某些C4植物需要的基因。因此國際稻米研究中心(International Rice Research Institute、IRRI)決定從其種子銀行中的6000種野生稻米，篩選出已經開始慢慢演化成C4植物的稻子。並依此為基礎，再利用分子生物和基因工程的方式引入C4植物的其他必要基因，來製造C4稻米。科學家樂觀地預期，2010年應該可以確定這個計畫的可行性。一旦確認，則會尋求國際經費支援，開始進行一個約需耗時十二年、耗費五千萬美金的稻米改造計畫。科學家認為這是最可能解決亞洲人口爆炸所產生的糧食危機的計畫。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
依據科學(Science 28 July 2006, Vol. 313, no. 5786, p. 423)雜誌報導，國際性的農業生物學家計畫利用分子生物和基因工程的新技術來改良稻米，使得稻米的產量可以增加50%。這個目標非常艱難，但是農業生物學家們認為這是必須要面對的挑戰，因為稻米的產量目前已經達到極限，但是亞洲的人口依然持續大幅增加，未來40-50年亞洲人口將增加50%，所以有必要改良稻米的基因來確保糧食的充足。
這些農業生物學家認為，要促成綠色革命，應當改變稻米的基本結構。有些科學家建議，可以將稻米改良成半侏儒(semi-dwarf)的高度，因為這樣子稻子可以吸收較多的肥料，而且一旦改良品種讓穀粒重量增加時，也不會像現在正常高度的品種容易傾斜折彎。另外一個切入點，就是增進稻子光合作用的效率。
植物的光合作用分為光反應和暗反應兩個步驟。光反應中，植物葉綠體內的葉綠素等色素在陽光下，吸收680nm和700nm波長的光子作為能量，分解水分子，並將光的能量，轉換成從水分子裂解而來的電子的能量。然後將這些電子透過電子傳遞鏈，逐漸釋放出能量，產生能供生物體使用的能量--輔酶NADP。同時，裂解水分子所產生的氫離子，植物也利用其細胞內氫離子的濃度差，將位能轉化為ATP的化學能。NADP和ATP兩種化學能，則用來固定大氣中的二氧化碳，將二氧化碳轉化成為能夠充當暗反應(或稱為克爾文循環、Calvin cycle)的原料，最終將二氧化碳中的碳轉變為生物可以利用的原料---葡萄糖。依據暗反應起始原料的不同，植物可以區分成C3、C4和CAM三個種類。
稻和麥是屬於C3植物。也就是說稻子利用一種稱為Rubisco (Ribulose Bisphosphate Carboxylase)的酵素將大氣中的二氧化碳轉換成為三個碳原子的3-PGA(3-Phosphoglycerate)，成為固定碳(carbon fixation)反應的第一個原料。C3植物接著會利用光化學反應所生成的ATP以及NADPH，將3-PGA合成G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate)，接著經過一連串步驟生成葡萄糖，完成光合作用。植物會再將葡萄糖轉換為澱粉或蔗糖等儲藏。但是Rubisco也會和氧結合。 C3植物在又熱又乾的情況下會將氣孔關閉，以減少水分蒸發。但是相對的，植物能獲得的二氧化碳也跟著減少。這時候植物體內氧的濃度就會相對增加， Rubisco也會跟一些氧作用，稱為光呼吸。光呼吸不會產生ATP或葡萄糖，反而會減少光合作用的產物，因此從農業的觀點來看是一種浪費。
相對來說，演化中適應乾旱燥熱地帶的C4植物，例如玉米，它們還有一種酵素PEP carboxylase。這種酵素會先將大氣中的二氧化碳固定成四個碳原子的Oxaloacetate。經過一系列的轉化，將這些四碳的原料交由 Rubisco固定，變成能進行暗反應的原料。這個多出來的過程，可以大舉增加Rubisco附近二氧化碳的濃度，減少氧相對的濃度，抑制光呼吸反應，也就能避免光合作用產物產量的降低。C4植物光合作用的效率比C3植物高約50%。因此理論上如果能夠利用基因工程將稻米改造成C4植物，其需要的水和肥料會減少，而且光合作用產率可以提高50%。
農業科學家相信在演化上，C3植物轉變成為C4植物，因此有一些C3植物已經具備某些C4植物需要的基因。因此國際稻米研究中心(International Rice Research Institute、IRRI)決定從其種子銀行中的6000種野生稻米，篩選出已經開始慢慢演化成C4植物的稻子。並依此為基礎，再利用分子生物和基因工程的方式引入C4植物的其他必要基因，來製造C4稻米。科學家樂觀地預期，2010年應該可以確定這個計畫的可行性。一旦確認，則會尋求國際經費支援，開始進行一個約需耗時十二年、耗費五千萬美金的稻米改造計畫。科學家認為這是最可能解決亞洲人口爆炸所產生的糧食危機的計畫。
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