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二氧化矽（silicon dioxide, SiO₂）是玻璃、石頭的主要成分，但植物也會在某些情況下累積二氧化矽、製造矽晶體，例如芒草葉邊緣最銳利的部分就有矽晶體累積。近日，由中興大學物理系、生命科學系、前瞻理工研究中心組成的跨領域團隊，發掘出卷柏科植物的葉表含有矽晶體，產生的光學效應在生物學上具有一定的重要性。

卷柏類植物在葉表會有多種不同形式與大小的矽晶體，這些向外突出而且透明的矽晶體，會如何影響透過葉表進入葉綠體的光線呢？團隊認為這些矽晶體可能有如窗戶，會增進植物對光線的吸收。為了驗證「窗戶假說」（window hypothesis），團隊從植物採集、矽晶體觀察及特徵量測，再結合幾何光學與物理光學的模擬推導。歷時四年的時間，團隊發現任何形態大小的矽晶體都會讓光線重新分布，但矽晶體的大小扮演了關鍵的角色。當矽晶體夠小，接近400∼700奈米（nm）的可見光波長時，光線受到物理光學的影響較大，會出現顯著的干涉與繞射現象；當矽晶體較大時，光線比較受到幾何光學影響，如反射與折射，此時矽晶體的形狀會顯著的影響光線分布。

舉例來說，若以全緣卷柏（Selaginella delicatula）乳突狀的矽晶體進行模擬，可以發現光線會被矽晶體匯聚到它底下約0.5微米（μm）處，且光場強度約為入射光的25倍，這個位置也剛好是葉綠體的上部區域。異葉卷柏（S. moellendorffii）與紅卷柏（S. erythropus）的矽晶體為角錐形，根據模擬顯示也有類似匯聚光線的效果，皆有利於葉綠體進行光合作用。

過去也有研究指出，水稻葉表的矽晶體可能影響光線的吸收，會使葉表的光線更均勻的散射入葉肉組織中。但由於卷柏的葉子相對較薄，主要進行光合作用的位置就位在表皮細胞的葉綠體，因此如全緣卷柏那樣乳突狀、聚集光線的矽晶體，可以有效在低光時收集更多的光量，讓葉綠體光合作用更有效率；而此類矽晶體能有效的將光線集中在細胞的某處，因此在植物遭遇短暫強光時，葉綠體也可以移動到低光區，以免遭受強光的傷害。

此研究除了揭開卷柏葉表矽晶體的作用與功能，或許也能對在低光環境下獲取光線的技術有所啟發，可作為太陽能或是光線感測的相關參考。

（123RF）

新聞來源
國立中興大學，〈中興大學研究團隊解密卷柏矽晶體的特殊光學效應〉，2022年7月14日。