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海洋美食街上的覓食策略--《科學月刊》

陳俊堯/慈濟大學生命科學系助理教授,熱愛細菌的細菌人,研究領域為微生物生態,對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣,近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。

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珊瑚礁。Source: wikimedia

珊瑚礁被認為是海洋中的雨林,是生物多樣性極高的地方。除了魚蝦貝類會選擇這裡棲身,海綿、海星、海膽也是住民。數量更多的是肉眼看不見的微生物,像是藻類、細菌、病毒們,也選擇在這裡安身立命。早在多細胞動物出現之前,細菌已經在海洋裡待了20 億年了。動物在充滿細菌的環境裡誕生成長,自然得跟它們交朋友。但上一代的好朋友不能傳給下一代,新生的個體需要自己去認識新朋友。世世代代的海洋生物靠著與身上的細菌在時間長河中所達成的默契,在每一代的時光中重新找到對方。

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夏威夷短尾烏賊。Source: wikipedia

像夏威夷短尾烏賊靠著體內的費雪弧菌發光,藉以打破自己滑過珊瑚礁的身影輪廓,以求躲過掠食者的偵測。這種烏賊必須在出生後的一兩天內召喚海水裡的費雪弧菌,這輩子才能得到細菌朋友的幫助來保命。短尾烏賊會在這段時間分解體內的幾丁質,用這氣味吸引海水中路過的費雪弧菌,讓它們循著化學氣味游進還在發育中的發光器裡,並長久住下。一切就像熟知彼此暗號的老朋友那般自然。

海洋美食街

珊瑚的健康也得仰賴微生物盟友的幫助。例如,甲藻是珊瑚主要的共生藻,在表皮下行光合作用,並將製造的養份分享給珊瑚。有趣的是,這些甲藻會合成小分子的二甲基硫基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate, DMSP) 來對抗海水的高滲透壓,但這些DMSP 不會只留在甲藻體內,而會不斷的往外漏,於是只要珊瑚身上有甲藻存在,附近海水裡就會有DMSP 的累積。於是,珊瑚便成了不打烊的美食街,持續釋出DMSP、胺基酸和醣類,加上珊瑚的黏液也是醣蛋白,都是細菌可以利用的養份,進而吸引了更多的微生物。

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飛燕角甲藻。Source: baidu

在過去的研究中,海洋微生物學家已經知道珊瑚的黏液或DMSP 能吸引某些海洋細菌。雖然海洋環境裡有各式各樣的細菌,但並不是每一種都甘願被人類豢養在實驗室裡。所以,即便我們知道某些實驗室裡培養的海洋細菌對珊瑚的味道有反應,但是真正住在珊瑚礁一帶的海水細菌到底會不會這招,特別是那些從來不曾在人類實驗室裡出現過的菌種,還真的是個謎。

對養份反應大不同

托特(Jessica Tout)等人今年發表在《國際微生物生態學會期刊》(Journal of International Society for Microbial Ecology)的研究提供了最直接的答案。他們在澳洲採集珊瑚區的海水,連同水裡所有細菌全部帶回實驗室。他們把想要測試的養份放進注射針筒,再把針尖放進所收集來的海水裡,看看海水裡的細菌會不會受到養份氣味吸引,順著注射針往針筒內游。實驗結果發現DMSP 和色胺酸(Tryptophan)、酪胺酸(Tyrosine)都能吸引珊瑚區的細菌往來源游動,而非珊瑚區海水裡的細菌則對這些氣味興趣缺缺,顯示這兩區內的細菌對養份的需求反應很不一樣。

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澳洲大堡礁珊瑚帶。Source: 北方網

不過把海水帶回實驗室後,溫度、光照這些條件都跟珊瑚礁原來的環境不一樣了,要怎麼樣才能知道在真實環境裡的狀況呢?研究人員這次使用了一種名為「原位化學趨性測試(In Situ Chemotaxis Assay, ISCA)」的特殊設備來回答這個問題。ISCA 是個塑膠製的盒子,裡頭放著要測試的養份,留有小開口跟外界接觸。研究人員把它放在珊瑚表面,看看住在這裡的細菌會不會受到養份吸引而游進這盒子裡。30 分鐘後研究人員回收ISCA 盒,取出留在裡面的細菌來計算數量、菌種及基因組成。結果很有趣,他們發現住在珊瑚旁的細菌對這些測試的養份很有反應,但是住得離珊瑚很遠的細菌則對這些味道沒太大的興趣。進一步分析珊瑚區細菌們到底有哪些基因,他們發現這些細菌具有比較多與化學趨性相關的基因,顯示它們在環境中尋找特定養份的能力比較好。

細菌生存的最適策略

到底這些在珊瑚礁裡討生活的細菌,用的是什麼樣的生存策略呢?他們分析了在裝有胺基酸、醣類、DMSP 或可以當做氮源的氯化銨之ISCA 盒裡所誘捕到的細菌,比對後找出各種細菌對哪些養份有反應。他們發現只有4.3% 細菌是每種養份都愛,但有高達76.4% 的細菌只對其中一類養份有反應。顯示在海洋環境裡當個全才可能沒有太大的優勢,必須要專精於某一類養份的偵測與利用,減少跟其它細菌競爭相同養份的困擾,才是在茫茫大海中比較有利的生存策略。

不過,這些對珊瑚氣味有反應的細菌,究竟只是聞香而來的路人,還是原本就蟄伏在珊瑚上的食客呢?例如紅細菌科裡有不少成員對珊瑚氣味有反應,這群菌常是健康珊瑚上最優勢的菌群,同時也會附著在珊瑚的幼生體表。這樣的狀況到底是珊瑚不斷的從海水裡用氣味徵召它們進來服役,或者細菌是珊瑚初生時就接收自親代的禮物,這得等後續的研究來解答了。

近年來珊瑚的問題引起全球關切,近十年來也有大量的人力投注在附生微生物的研究上。直接定序DNA 幫微生物點名的方法固然可以得到很多寶貴的線索,但是光靠一張點名單,並不足以認識全班同學的特質。有些研究人員將細菌群聚裡的所有基因定序,希望利用所找到的基因類型來猜測它們會做什麼;有些人則進一步分析細菌群聚裡的基因表現(亦即所製造出的蛋白質種類)來看它們正在做什麼。

托特的這項研究則是乾脆把觀眾席從實驗室搬到了海洋現場,看看真正參與運作的是哪些細菌。面對環境裡動物與微生物間的複雜互動,學術界還在瞎子摸象的階段,幸運的是來摸象的有一大群人,而且忠實地留下記錄讓後人參考。經由這些研究,未來我們將能更容易瞭解這些微小生物的性格和生存策略。

參考文獻:

  • Tout, J. et al., Chemotaxis by natural populations of coral reef bacteria, ISME Journal, Vol. 9(8):1764-77, 2015.

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〈本文選自《科學月刊》2015年12月號〉

延伸閱讀:
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珊瑚的小型共棲生物

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