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長得有點像,但叫聲不一樣:新種「太田樹蛙」,發現!

PanSci_96
・2017/09/20 ・2569字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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  • 林思民|臺灣師範大學生命科學系教授,長年研究草蜥斷尾與候鳥掠食之間的交互作用,並發表數篇與猛禽相關的研究。
  • 王盈涵|臺灣師範大學生科系畢業,現於臺中一中擔任代理教師。
太田樹蛙(曹家銘攝影)

耳熟能詳的蛙鳴聲,隱藏著分類學上的重大秘密?

隱藏種指的是外觀非常相近,過去未經鑑定的種類;人是高度仰賴視覺的動物,鑑定物種常常首先以外觀作為首要的依據。但也有許多的物種利用其他的訊號溝通,例如:聲音(包含超音波)、氣味或費洛蒙、紫外線反射、電波或震幅。

這次的研究是透過遺傳、形態、叫聲、和行為反應,由臺灣師範大學生科系師生王盈涵、蕭郁薇、林思民等人,再度在臺灣發現新種樹蛙。這個新種樹蛙從過去大家熟知的「日本樹蛙」之中所獨立出來;本研究結果已於近日發表於國際期刊《公共科學圖書館》(PLOS ONE)。

日本樹蛙(左,梁彧禎攝)與太田樹蛙(右,曹家銘攝)。圖/臺灣師範大學提供。

鳴叫聲是蛙類求偶時吸引母蛙最重要的工具,同時也是蛙種彼此判斷同類的依據。然而,臺灣對蛙類聲學的研究尚處於起步階段;而更鮮少被應用在分類和行為的研究之中。

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本研究的主角日本樹蛙是臺灣溪流環境中最常見的蛙種,在全臺灣所有的流域,只要有乾淨的溪流,就有日本樹蛙的蹤跡。春夏之際,日本樹蛙的成蛙大量開始出現在溪流周邊,而在有些地點,牠們的族群甚至可以全年出現。但是牠們的叫聲細碎如蟲鳴,也讓大部分的人鮮少駐足仔細聆聽。然而,這麼常見的一個蛙種,牠的叫聲卻隱藏著前所未知的分類學訊息!

而透過 DNA 抽絲剝繭,也可以幫現代的生物學家發現新物種。其實早在大約五年前,透過特生中心林彥博研究員、科博館曾惠芸博士、和師大研究團隊的三方合作,研究團隊就已經知道全臺灣不同流域的日本樹蛙在分類上有很大的疑問。

從遺傳上來看,基本上從宜蘭縣往西,臺灣的西北部平原一直到雲林以北,原則上都是我們認為「正宗」的日本樹蛙。但是花東地區和臺灣南部的樹蛙,在遺傳上與前者差距多達16%以上,非常可能是另外一個尚未被科學描述的新物種。但是這兩種青蛙長相實在太過接近,我們又缺乏聲音和行為的資料,遲遲不敢進行分類上的定論。

日本樹蛙與太田樹蛙主要的形態區別在於大腿腹側的花紋。日本樹蛙為不規則的雲狀斑,太田樹蛙則為規則的小白點。圖/臺灣師範大學提供。

直到師大生科系畢業的王盈涵同學進入碩士就讀,開始利用錄音的方法檢測新種樹蛙的叫聲。結果發現叫聲才是分辨這兩種樹蛙的關鍵秘密。

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居住在臺灣西北部地區的日本樹蛙只會發出一種叫聲,聽起來宛如微細而規則的蟲鳴聲。但是東部和南部的樹蛙卻可發出另一種高低起伏、強弱參雜的曲式。利用鳴聲上、遺傳上的差異,再加上大腿腹側穩定的花紋差異,研究人員終於得以正式將這個新種命名為「太田樹蛙」。

日本樹蛙的叫聲聽起來宛如細而規則的蟲鳴,太田樹蛙則發出高低起伏的鳴聲。圖/臺灣師範大學提供。
  • 第一、二個音訊檔為太田青蛙蛙鳴,第三、四個為日本樹蛙,你聽得出來嗎?

然而,兩種青蛙是否會辨認彼此的叫聲?

這時候,現在仍就讀於師大的碩士班學生蕭郁薇同學的行為研究派上了用場。在過去兩年的暑假,蕭郁薇利用回播實驗,測試日本樹蛙和太田樹蛙對彼此聲音的判別能力。所謂回播實驗,進行的方法就是利用擴音器,對著一隻野外的青蛙播放同種或異種的叫聲各一分鐘,然後利用另一組麥克風側錄牠對入侵者的反應。

圖 / 記者會簡報截圖

當野外的公樹蛙碰到入侵者的時候,會發出回應的短鳴叫作為反擊,我們計算反擊的數量和積極程度,就知道各隻青蛙到底對哪一種聲音的反應最劇烈。

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結果非常好玩,也跟預期一樣。基本上不管是日本樹蛙或太田樹蛙,大家都對「同種」的叫聲反應最劇烈,而對「異種」的叫聲無動於衷。顯示牠們不僅在叫聲上有所區隔,在行為反應上也已經可以判斷彼此之間的叫聲差異。

太田樹蛙(曹家銘攝影)

很多發表新種的論文都會討論遺傳(DNA)和形態,討論叫聲的稍少一點,而討論行為反應的實驗卻非常罕見。蕭郁薇同學這部分的實驗,也成為這個新種強而有力的證據之一。

這個新物種的命名由來,則是用來表彰現今東亞地區最偉大的兩爬權威太田英利教授(Dr. Hidetoshi Ota),以感謝他對東亞及臺灣兩棲爬行動物研究的貢獻。

圖 / 記者會簡報截圖

太田教授在 1980 年代晚期與 1990 年代早期曾經長時間在臺灣進行調查,釐清許多過去分類學上的疑問,並進而發表牧氏攀蜥、呂氏攀蜥等多種臺灣特有的兩棲爬行動物。另一方面,太田教授也是二十幾年前催生很多臺灣與日本國際合作研究的推手之一,這中間也包括探討日本樹蛙分類地位最早的合作研究。

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這個研究顯示即使在臺灣這麼小的島嶼之上,生物多樣性的龐雜程度仍然被大家所低估。兩年前,由林思民教授率領的師大團隊才剛將臺灣的鈍頭蛇由一種切割為三種,同時發表了 84 年以來首次由國人自行發表的新種蛇類「泰雅鈍頭蛇」。而在今年稍早,同一團隊也證明花東一帶的「白斑石龍子」是一個獨立的特有物種。

持續進行的物種調查,顯示臺灣的物種多樣性仍然被低估。上圖為研究團隊於2015年發表的泰雅鈍頭蛇;下圖為研究團隊今年稍早由亞種提升為有效種的白斑石龍子。圖/臺灣師範大學提供。

本研究將臺灣原生的蛙類由 31 種增加為 32 種,而樹蛙科的成員則由 12 種增加為 13 種。太田樹蛙喜歡棲息在乾淨的溪流周邊,目前在花東地區和臺灣的南部有著極為龐大的族群數量,幾乎一年四季都會看到牠的行蹤。

臺灣師範大學生科系師生王盈涵、蕭郁薇、林思民等人,再度在臺灣發現新種樹蛙。研究結果已於近日發表於國際期刊《公共科學圖書館》(PLOS ONE)。圖/臺灣師範大學提供。
  • 本文改寫自國立臺灣師範大學新聞稿
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COP 15 閉幕之後,臺灣生物多樣性工作該如何推展?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/03/05 ・3970字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 李玲玲/臺灣大學生態學與演化生物學研究所教授。

Take Home Message

  • 《生物多樣性公約》(CBD)根據定期舉辦的締約方大會(COP)決定執行工作,以達成全球生物多樣性目標。
  • 去(2022)年底的 COP 15 訂下新的策略計畫與目標,以接續COP 10未完成的工作。雖更全面和具體,但未來成敗仍取決於執行狀況。
  • 臺灣過去在 CBD 的目標上有所貢獻,然而政府對 CBD 重視的程度仍不及國際公約,應繼續滾動修正並將生物多樣性納入主流。

任何關心生物多樣性現況與未來的讀者都需要了解《生物多樣性公約》(Convention on Biological Diversity, CBD)的內容與它的發展。這份在 1993 年正式生效、具有法律約束力的國際公約,目前有 196 個成員(締約方),它們共同承諾且致力於達成三項主要目標:保育生物多樣性、永續利用生物多樣性,以及公正合理分享由利用遺傳資源(genetic resources)所產生的惠益。

《生物多樣性公約》的運作

和其他國際性公約組織的運作方式類似,CBD 依據定期舉辦的締約方大會(Conference of Parties, COP)所通過的決定執行各項生物多樣性工作,並以大約每十年一期的間隔檢討生物多樣性工作的執行狀況,滾動修正下一個十年預計推動的整體策略計畫與目標。同時鼓勵締約方配合修正與執行各國的國家生物多樣性策略計畫(National Biodiversity Strategies and Action Plans, NBSAP),藉此協調眾國的努力以達成全球生物多樣性目標。因此每十年一次的策略規劃與目標設定都是一個里程碑,締約方需要檢視、累積過去成功與未能成功的經驗與教訓,調整步調使下一階段的執行成果能更接近理想目標。

例如 2002 年第六屆締約方大會(COP 6)通過了該公約的 2002~2010 年策略計畫和「2010生物多樣性目標」,預期到了 2010 年時能顯著減緩生物多樣性的流失速度,並在兩年後的COP 7通過了「2010生物多樣性目標」的 11 項具體目標與 21 項次目標。而在 2010 年的 COP 10 則在檢討「2010生物多樣性目標」的進展與缺失後,通過了「2011~2020年生物多樣性策略計畫與愛知生物多樣性目標」(以下簡稱愛知目標),設定出 20 項要在十年內達成的目標。

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2020 年原本預計舉辦 COP 15 檢討執行成果、滾動修正,並提出 2021~2030 年的策略計畫與目標,但卻因嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)疫情在全球升溫,策略計畫草案工作小組、各締約方與民間團體代表的會前協商討論無法順利進行,使得策略計畫草案的內容遲遲無法定案,最終就連 COP 15 也無法如期舉辦。會議時間不斷地延後,直到 2021 年才決定將 COP 15 分兩階段召開,第一階段的會議在 2021 年 10 月 11~15 日以線上與實體並行方式進行,重點是決定 CBD 的預算;第二階段的會議又因疫情經過兩次延宕,終於在去(2022)年 12 月 7~19 日完成實體會議。

延期數次的 COP 15 會議,最後在 2022 年 12/7-12/19 進行。圖/envatoelements

有進展卻未達目標?過去的執行情況及COP 15 的新目標

檢視全球生物多樣性的狀況與檢討各期生物多樣性策略計畫與目標進展的主要依據是「全球生物多樣性展望」(Global Biodiversity Outlook, GBO),也就是 CBD 定期出版的報告。它總結了各方和各區域、國家新發布的生物多樣性研究與評估資料,呈現出全球生物多樣性的狀況與趨勢,並提出需要採取行動的綜合證據與建議,供CBD相關決策和制定新的策略計畫與目標參考。

2020 年出版的 GBO 5 指出,20 項愛知目標中有 10 項目標進展顯著,有六項目標可算部分實現,包括實行良好漁業管理的地區,海洋魚類族群豐度得以維持或恢復(目標6);成功清除外來入侵種的島嶼數和鎖定優先處理的外來入侵種進入途徑以避免再度入侵的案例數增加(目標9);2000~2020 年,陸域保護區面積從 10% 增加到 15%,海洋保護區面積從約 3% 增加到 7% ,同時對生物多樣性具有特別重要意義區域的保護也從 29% 增加到 44% (目標 11);《名古屋議定書》(Nagoya Protocol已在至少87個國家和國際間充分運作(目標 16);170個國家已根據《2011~2020年生物多樣性策略計畫》更新了 NBSAP (目標 17);各界可獲得的生物多樣性資料和資訊大幅增加(目標 19);透過國際資金流動使生物多樣性可用財務資源加倍(目標 20)。然而整體而言,全球生物多樣性仍在流失中,沒有任何一項愛知目標被完全實踐。

根據 GBO 5的總結及針對諸多未達標的分析所提出的改善建議,再經過多方的諮詢、協商、討論,甚至辯論,COP 15 終於通過了雖不能讓所有締約方滿意,卻勉強能接受的「昆明-蒙特婁全球生物多樣性框架」(Kunming-Montreal Global Biodiversity Framework, GBF)作為 2022~2030 年全球推動生物多樣性工作的依據。

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GBF 的內容涵蓋了《 2050 年願景》和《 2030 年使命》,以及希望在 2030 年能夠實現的 23 項目標。這 23 項目標可歸類為:減少對生物多樣性的威脅(目標 1~8)、透過永續利用和惠益分享滿足人們的需求(目標 9~13)以及執行和使生物多樣性主流化的工具和解決方案(目標 14~23)。希望在未來十年(到 2030 年時)逐步減緩生物多樣性喪失的趨勢,並在往後的 20 年扭轉此一現象,改善生物多樣性、恢復自然生態系,以實現 2050 年「一個與自然和諧相處的世界」的願景。

根據長期觀察 CBD 發展的媒體分析:除延續愛知目標中尚待達成的目標外,GBF 比愛知目標更包容、更全面、具體,但也更複雜。特別是目標 2 和 3 比以前的目標更具企圖心,分別是到 2030 年前確保至少 30%的退化陸地、內陸水域、沿海和海洋生態系得到有效恢復(愛知目標是 15% );以及透過保護區和其他有效的區域保護措施,有效保護 30% 的陸地、內陸水域、沿海和海洋區域(愛知目標分別是陸域17%、海域 10%)。

GBF 目標2和3企圖確保 30%退化陸地、內陸水域、沿海和海洋生態系得到有效恢復。圖/envatoelements

而目標 12 增加城市地區藍綠空間面積並改善它們的品質與生態連通性;目標 15 要求大型跨國公司和金融機構對業務、供應和價值鏈及投資組合監測、評估和透明地披露風險、依賴性和對生物多樣性的影響,均是愛知目標沒有提到的項目;目標 19 則有更明確、量化的資源調動目標。此外,COP 15 還為了配合GBF通過相關的指標與監測架構、能力建構和發展的長期策略框架等決定,以及規劃、監測、報告和審查的機制,以利締約方執行。但無論 GBF 的內容如何,成敗仍取決於未來實際的執行狀況。

臺灣生物多樣性的目標與執行,跟得上國際公約嗎?

臺灣雖非 CBD 締約方,但行政院自 2001 年通過《生物多樣性推動方案》以來,相關單位皆持續追蹤 CBD 的進展,並檢視國內生物多樣性狀況,先後於 2007 年與 2015 年依據《 2010 生物多樣性目標》與愛知目標,滾動修正臺灣 NBSAP 的內容,並透過 22 部會共同執行,至今已有相當豐碩的成果。對大部分愛知目標的達成也都有所貢獻,包括減緩棲地流失(目標 5)、保護脆弱生態系(目標 10)、保存基因多樣性(目標 13)、更新 NBSAP(目標 17),以及累積、分享、應用生物多樣性資訊與知識(目標 19)等,其餘各項目標大都有程度不一的進展,唯有目標 16(遺傳資源的獲取與惠益分享立法)與目標 20(增加生物多樣性工作的預算比率)較無進展。

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然而在國際間紛紛倡議加強保護自然以達成全球永續發展目標、氣候變遷減緩與調適、巴黎協定等目標的同時,臺灣政府對 CBD 重視的程度遠不及氣候變遷綱要公約。無論在國家永續發展目標、氣候變遷減緩調適、淨零排放、水資源管理、防減災等重要政策的推動上,生物多樣性可以扮演的角色與可以發揮的潛力卻嚴重被忽視。投入生物多樣性工作的人力與資源更遠不足氣候變遷相關事務,包括政府尚無具體的生物多樣性監測架構,也從未評估整體生態系服務,因此仍無法掌握生物多樣性與生態系服務變化的趨勢,以及變化趨勢對達成上述各項重要政策的影響。

因此在 GBF 定案後,臺灣除了需要繼續依據 GBF 滾動修正 NBSAP 的內容外,還需注意以下重點: 

  1. 深刻了解維護與改善生物多樣性與生態系服務對於提升人類福祉、氣候變遷減緩與調適及達成永續發展目標的重要性,並將它主流化。也就是說,需改變公私部門以往「將生物多樣性只視為自然保育部門業務」的錯誤認知。在規劃和執行與永續發展目標、氣候變遷減緩調適、淨零排放、綠能、國土計畫、水資源、防減災等重要政策、策略、行動時,應納入維護、改善生物多樣性與生態系服務的思考,同時注意部門間縱向與橫向的協調整合,以及從中央政策規劃到地方落實執行的連貫性,以協調一致的方式推動生物多樣性相關工作。
  1. 落實維護良好的生態系、恢復退化的生態系以逐步達成 CBD 2030 目標及 2050 年願景。「維護良好的生態系與恢復退化的生態系」是 GBF 目標 2 與 3 的重點,也是聯合國將 2021~2030 年定為生態系恢復十年、並鼓勵各國致力於恢復劣化生態系、增加自然資產與強化生態系服務,以提升人類福祉的目的。然而臺灣的農田、淺山、流域、海岸、海洋生態系仍持續劣化中,從中央到地方都輕忽生態系維護與恢復的重要性。此方面的工作應是後續 NBSAP 特別需要加強的工作。
  1. 無論永續發展目標或是生物多樣性目標的達成,都需要政府和全社會進行必要的變革,包含確定生物多樣性與國家發展目標的關聯,將自然的價值內化,並依此規劃整合性策略、優先行動,盡快調整相關政策、法規、制度、組織,合理分配財務和其他資源,加強能力建設、研發適當的政策工具。

註解:

  • [註1]根據 CBD 第二條,遺傳資源是指具有實際或潛在價值的遺傳材料;遺傳材料則是指任何植物、動物、微生物或其他來源中含有遺傳功能的材料。
  • [註2]《名古屋議定書》的全名為「關於遺傳資源獲取與公平平等分享使用惠益的名古屋議定書」,是 CBD 的第二份議定書,目的在以公平合理的方式分享對遺傳資源的利用所帶來的惠益。
  • [註3]詳見閱讀 GBF 目標內容:https://www.toolskk.com/qrcode-scanner
  • [註4]詳見閱讀「2020 生物多樣性國家報告」:https://reurl.cc/ZXQ1zV
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 3 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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你怎麼知道春天來了?樹蛙會大聲告訴你——《傾聽地球的聲音》 
商周出版_96
・2022/12/13 ・3434字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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被放大存在感的叫聲

春雨樹蛙的發聲方式,是從肺部抽入一陣氣流送向氣管內的聲帶,喉囊收到爆衝而來的聲音和氣流鼓脹起來,將聲音向四面八方播送出去。

緊接著彈性十足的氣囊把空氣送進肺部,春雨樹蛙因此不需要打開鼻孔吸氣,就能夠再叫一聲。兩棲動物沒有肋骨和橫膈膜,所以牠們靠核心肌群推送空氣,這些核心肌群的重量占雄蛙體重的百分之十五。

為什麼要這麼大費周章? 一隻春雨樹蛙的叫聲可以傳到至少五十公尺外,方圓大約七千八百平方公尺內都聽得見。而牠的體長只有二.五公分,占用的地面也只有四平方公分。

台北樹蛙。圖/wikipedia

透過叫聲,春雨樹蛙將自己在森林裡的存在感放大將近兩千萬倍,這還沒算上聲音往上傳送到枝頭聽眾的耳朵。聲音讓動物在複雜的環境裡找到彼此,促進物種繁衍,否則物種的傳承將會面臨考驗。

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從陸地上的蛙類、昆蟲和鳥類,到大海裡的魚類、甲殼動物和海洋哺乳類,聲音通訊帶來諸多益處,間接幫助發聲動物完成各自在生態中所扮演的角色。

春雨樹蛙也有安全社交距離

春雨樹蛙不只宣揚牠的存在與所在,還透露牠的體型大小、健康狀態,或許還有個別身分。這些資訊是遠距社交的媒介。相互競爭的雄蛙在沼澤區彼此保持距離,降低面對面衝突的危險。

雌蛙不只藉此找到伴侶,還能評估對方,不需要冒著受傷或感染疾病的風險接近對方。因此,聲音增加了動物行為中身體距離與意思表達的細緻度,取代爭奪領域時的直接戰鬥,對潛在配偶的觀察也比耳鬢廝磨時更全面、更仔細。

當雌春雨樹蛙從落葉堆裡的冬季藏身處出來,一面等待充滿防凍糖分的身體回溫,一面根據聲音線索獲知繁殖沼澤的位置。她或許也還記得這片土地的輪廓與氣味,因為她已經在這處森林裡棲息兩年以上,吃著蜘蛛和昆蟲,才長成有繁殖能力的成蛙。

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春雨樹蛙們在春天才會從冬季藏身處出來,現身在森林中。圖/pixabay

科學家研究其他蛙類發現,牠們有極佳的空間記憶和找路的能力,尤其擅長尋找繁殖地點。春雨樹蛙或許也是如此。雌蛙在記憶(當然還有聲音)的引導下,出發前往溼地。在她生命旅程的這個階段,聲音引導她前往潛在對象的所在。

如何增加尋覓配偶的準確度

繁殖鳴聲最原始的功能,可能就是為了在廣大的環境中找到伴侶。對於森林裡的嬌小動物而言,聲音方便牠們在幾分鐘內找到伴侶。

如果漫無目標以肉眼搜尋,恐怕要花上幾星期。某些物種也靠氣味軌跡覓偶,留下線索讓嗅覺靈敏的追求者跟隨,但聲音能傳得更遠,也更容易追蹤。

物種特有的聲音也增加尋覓配偶的準確度,降低被獵食的風險。尋找潛在配偶的過程也可能遇上掠食者。聲音遠距離表明身分,尋找配偶的危險性因此大幅降低。但有些掠食者會利用獵物的求偶信號,增加獵物誤認配偶身分的危險。例如澳洲的掠食螽斯會模仿母蟬的求偶聲,讓多情的公蟬自投羅網。

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當雌蛙橫越森林地面抵達溼地,聲音的功能就改變了。現在她聆聽隱藏在個別聲音裡的資訊。雄蛙彼此相隔十到一百公分,所以她或緩行或游泳,穿過各種洪亮的鳴聲和鼓脹的喉囊。

諸羅樹蛙鳴叫。影/Youtube

大多數的叫聲是嗶,但如果雄蛙彼此距離太近,就會用粗嘎的哩對決,以聲音爭奪領域。有別於人類只有一片耳膜,雌春雨樹蛙的內耳跟所有蛙類一樣,有三簇對聲音靈敏的毛細胞。其中一簇毛細胞對應雄蛙的音頻,另一簇接收的頻率比較寬,可能是為了偵測森林的各種聲響,第三簇只接收低頻振動。

有趣的是,雄蛙的耳朵聆聽的音頻比牠們自己的叫聲來得高。也許是為了適應漫漫長夜的噪音,或者偵查更高頻的窸窣聲,辨識逼近的危險。另一種可能是,雄蛙的耳朵在尋找聲音結構的細微差異,藉此辨識周遭動物的身分。

牛蛙能辨認熟悉的叫聲,對陌生蛙類的反應比較強悍。雄春雨樹蛙能記住鄰居的攻擊性格,如果對方突然來勢洶洶,牠們就會哩哩喝斥。牠們也會跟鄰居輪唱,同步調整鳴叫的時間,變成一隻蛙帶頭,其他立即跟上,嗶,嗶嗶,嗶。

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莫氏樹蛙鳴叫聲。影/Youtube

這種同步對唱有時會擴大為群體活動,每組最多五隻雄蛙,節奏幾乎一致。至於春雨樹蛙能不能辨認個別聲音,現階段我們還不清楚。

雌春雨樹蛙的擇偶條件

雌春雨樹蛙偏好響亮、快速重複的叫聲。演化於是依據這種偏好塑造嗶聲的強度和速度,從豌豆大小的肺臟激發出最大的聲響。在比冰點略高的溫度裡,雄蛙每分鐘大約叫二十聲。

而在溫和的夜晚,牠們嗶嗶叫的速度提高到每分鐘八十聲。不過,無論夜風沁涼或溫暖,總有某些雄蛙的叫聲比別人快上兩倍。雌蛙察覺這差異,於是朝叫聲比較快的那些游或跳過去,選中沼澤地裡最健康的雄蛙。

鳴叫是費力的活動,有些雄蛙一個晚上叫了一萬三千聲,每一聲都靠肌肉收縮提供力道,這些肌肉裡儲存的脂肪,供應了百分之九十鳴叫所需的能量。肌肉脂肪存量不足的雄蛙耐力比較差。

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相較於軟弱無力的鄰居,叫聲迅猛的雄蛙通常比較重、比較年長,心臟比較大,血球裡的血紅素含量比較高,肌肉也儲存更多用來燃燒脂肪的酵素。牠們通常每晚出現,而不是整個春季偶爾露個臉。

繁殖後代的必要條件

她做出選擇,主動接近雄蛙,拍拍牠。在連串肢體動作後,雄蛙爬上她背部,前腿緊抱她頸子。雌蛙划過水面,把胡椒粒大小的卵黏附在水中的植被上,再以背上雄蛙的精子為每一顆卵子授精。

大多數蛙類把成團的卵堆在一起,春雨樹蛙卻不然,牠們一顆一顆安置,或許是為了避免被掠食者找到、一口氣吃光。將受精卵安置好以後,雌蛙和雄蛙轉身離開,放任受精卵自生自滅。

蝌蚪從父母身上得到的,只有卵黃的營養素和DNA。雌蛙偏好極高速叫聲,可以讓她的基因跟強健雄蛙的基因結合,對她的後代有實質好處。短期內她自己也可能得到好處,也就是避免生病的雄蛙趴在她背上時把疾病傳染給她。

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整個繁殖季當中,雌春雨樹蛙的產卵量高達上千枚。她消耗自己辛苦儲存的脂肪和營養素,給每一顆卵留下一份卵黃。早春食物匱乏,所以這些東西是在昆蟲繁多的溫暖秋天儲存下來的。

卵黃提供胚胎發育和蝌蚪孵化時所需的營養素。雄蛙的鳴叫也勞神費力,既消耗牠儲存的能量,也容易被掠食者察覺。牠的付出沒有為下一代提供食物或其他實質好處,卻讓雄蛙與雌蛙之間的溝通多了點真誠。

只有健康雄蛙的鳴叫能響亮、快速又持久。任何雄蛙都能輕鬆鳴叫,但這樣的叫聲音不會隱含有關體格與狀態的可靠訊息。

既然鳴叫的成本如此高昂,那麼春雨樹蛙的叫聲必然攜帶有價值的資訊。雌蛙利用聲音挑選配偶,藉此確保她選中的雄蛙的基因品質對她的後代有利。由於鳴叫附帶成本,雌蛙的偏好和雄蛙的鳴聲因此成為春雨樹蛙繁殖活動的核心。

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這並非成本影響演化的一貫模式。春雨樹蛙身體(從趾端的吸盤到捕捉昆蟲的黏性舌頭)的構造沒有浪費能量和原料。但對於牠們的叫聲,成本卻是信號功能的關鍵。少了這些成本,整個溝通網絡就會瓦解。

那麼,鳴叫的成本有兩個相對的影響。對於行動緩慢又欠缺防衛力的物種,發出響亮聲響可能是自取滅亡。不管那聲音能傳遞多少有關鳴唱者的健康資訊,這樣的成本對所有聲音傳訊系統都太高昂。

但如果是能跳躍或飛離危險的物種,發聲的成本確保聲音有意義,因此受到演化偏愛。演化賦予春雨樹蛙的信號不至於極端到為牠們招致死亡,卻會讓春雨樹蛙費勁展現自身的活力。

本文摘自《傾聽地球之聲》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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低調卻又無所不在:你我身邊熟悉的陌生人,臺灣森林裡的「野生釀酒酵母菌」
研之有物│中央研究院_96
・2022/07/11 ・6154字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣「野生釀酒酵母」的多樣性研究

釀酒酵母,一種被人類廣泛利用的微生物,釀酒、做麵包都會用到,此外也被大量用於科學研究。可以說不論在食品或學術上,釀酒酵母早已進入你我的生活。然而,釀酒酵母除了人類常用菌株(strain)是來自原有已知的幾個馴化譜系(domesticated lineage)之外,其實還有非常多野生譜系不為人知。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心蔡怡陞副研究員,他與研究團隊尋覓臺灣野生的釀酒酵母,意外發現臺灣島的面積雖然相比之下較小,野生釀酒酵母的遺傳多樣性卻是世界最高!論文已於 2022 年 3 月 31 日發表於《基因組研究》(Genome Research)。

不管釀酒還是做麵包,都不可或缺的釀酒酵母

釀酒酵母的學名叫作 Saccharomyces cerevisiae(簡稱 S. cerevisiae),它在釀酒或烘焙等食品業中最具代表性,也是最常見的模式生物之一。釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表,大量用於學術研究,蔡怡陞團隊的成果即是一例。

至於釀酒酵母的產業應用,例如常見的愛爾(Ale)與拉格(Lager)啤酒來說,前者發酵溫度在 20℃ 左右,菌株就是上述的 S. cerevisiae,味道較濃郁;後者的特色是低溫發酵 10℃ 左右,菌株是人類特別選殖的雜交品系(註 1),味道較清爽。

常溫發酵的愛爾啤酒較濃郁、顏色深,低溫發酵的拉格啤酒較清淡、顏色淺。圖/Pexels

有趣的是,世界各地的人、歷史與文化也許有別,愛酒的心卻都一樣,歐洲培育出發酵啤酒的品系,日本也獨立馴化獲得釀造清酒的酵母菌。

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除了釀酒之外,製作麵包也需要釀酒酵母,故 S. cerevisiae 也稱作麵包酵母。仰賴小規模手工業的古時候,麵包師都有自己的獨家酵母,師傅教徒弟時,傳承的不只技術,也包括酵母麵團。

邁入近代社會以後,各行各業都走向標準化,釀酒酵母也不例外。如今不同麵包師大都使用同一種量產酵母。

釀酒酵母不只用於釀酒,烘焙業也常拿來讓麵團發酵,做出好吃的麵包。圖/Unsplash

啤酒與麵包這些案例鮮活地說明,釀酒酵母深受人類影響,這也是大部分酵母菌演化研究關注的主題。

然而蔡怡陞實驗室則不同,他關心的對象是處於人類影響以外、還沒有被馴化的野生釀酒酵母們。這些野生釀酒酵母們和食品業常用的菌株是同一物種(species),學名都是 S. cerevisiae,但是為不同菌株(strain)。

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由於釀酒酵母的產業運用和微觀機制探討已經相當成熟,但是人們對於釀酒酵母在生態中的角色依然所知有限,以前人們甚至懷疑過,真的有野生的釀酒酵母嗎?後來才知道不但有,而且多樣性還不小,與人類密切接觸的只是少數幾款。

那麼,蔡怡陞團隊是如何找出低調的臺灣野生釀酒酵母呢?

看不到卻無所不在:臺灣野生釀酒酵母的探尋之旅

蔡怡陞過去就對酵母菌相當有興趣,因為這是他在倫敦帝國學院就讀博士班的起家主題!當時他研究的是釀酒酵母最近的親戚 Saccharomyces paradoxus

回到中研院後,他決定在臺灣再度開啟野生釀酒酵母的研究,與博士生李佳燁、助理劉育菁、柳韋安等人多年奮鬥後,有了出乎意料的發現!如今回首 6 年來的探索過程,並不容易。

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要研究野生的釀酒酵母,第一步當然是去野外採集,可是人的眼睛看不見酵母菌,所以沒辦法用視覺辨識直接採樣,要把樣本帶回實驗室,初步處理後浸入培養液,等待兩個星期才能得知結果:釀酒酵母是否存在。

實驗室使用特製培養液,有利於釀酒酵母生長,不利其他微生物。理想上,即使釀酒酵母原本的存在感很低,也能在培養液中放大。

因為酵母菌肉眼不可見,研究團隊需在廣大森林中採樣,並將處理後的樣本浸入培養液長達兩週,之後嘗試分離微生物並鑑定,才能確認是否成功採集到釀酒酵母。圖/研之有物(酵母菌圖源/蔡怡陞提供、腦海工作室製圖)

假如等待一段時間後,培養液長不出酵母菌, 也許是一開始就真的沒有,但是有沒有可能是因為採樣和培養時有缺失,害得酵母菌長不出來?或是釀酒酵母確實存在,卻由於數量太少而無法見到?

蔡怡陞回憶,開始這項計畫的第一年,幾乎一無所獲。根據歐洲與美洲的研究經驗,野生釀酒酵母常常於橡樹表面生長,橡樹屬於殼斗科植物,所以一開始多半以市區外圍森林,如殼斗科的樹皮為目標,卻不斷失敗。

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後來往更廣的範圍採樣,並與生多中心研究人員鍾國芳黃仁磐等實驗室合作,這才克服難關,順利從多種植物的果實、樹葉、樹幹、地面、甚至是地衣等來源獲得酵母菌,並且訝異地得知,釀酒酵母在臺灣的森林其實非常普遍。

蔡怡陞歸納出的模式是:臺灣野外森林中,釀酒酵母普遍存在,但是比例非常低,可謂低調卻無所不在。

釀酒酵母在顯微鏡下的照片。釀酒酵母有人類馴化過的菌株,也有野生譜系。野生的釀酒酵母在自然界中普遍存在,但是比例相當低。
圖/Wikimedia

如何歸納出以上結論呢?這要利用如今基因體學的新工具:總體基因體學(metagenomic)。原理是取得環境樣本後,直接定序其中所有 DNA 片段,或是所有物種都有的擴增子(amplicon),再與資料庫對照;如此一來,便能估計目標佔整體的比例,蔡怡陞團隊就是去估算釀酒酵母佔其生長環境中的比例。

從環境採樣培養出釀酒酵母以後,由中研院定序核心實驗室的呂美曄,回頭定序該樣本的擴增子,接著由蔡怡陞實驗室的林渝非分析。野外採集的樣本中,絕大部分是細菌,通常高達至少 99% 之多;剩下多半為真菌(和原生生物等等),其中只有極低比例是釀酒酵母,最多也只佔 0.012%。因此同樣是細菌、真菌等微生物,釀酒酵母的存在感是低於 1% 中的 0.012% 以下,換句話說,不超過百萬分之 12!

透過總體基因體學的分析,能夠量化釀酒酵母在天然環境下的存在感。蔡怡陞也強調培養液很重要,否則無法讓低調的酵母菌現形。抓到目標後就能分離酵母菌,培育建立新的菌株,並且經由團隊成員李昕翰、柯惠棉的定序、組裝獲得完整的基因組。藉此獲得一百多個臺灣各地的菌株及其遺傳訊息,用於進一步研究。

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蔡怡陞實驗室中,放入培養液和樣本的 6 支試管。培養液相當重要,負責讓低調但無處不在的釀酒酵母現身。圖/研之有物

釀酒酵母的多樣性,臺灣竟然世界最複雜?

要了解蔡怡陞實驗室新論文的意義,必須先認識別人過去的研究。

2018 年就有研究者從世界各地收集超過一千個釀酒酵母品系,探討親緣關係。分析發現野生釀酒酵母們彼此的變化差異還不小,東亞的中國為最多變之處;將所有酵母菌擺在一起畫演化樹,中國採集到的品系能歸類到不同譜系(lineages),包括與同類最早分家,差異最大的譜系。

演化樹是一種建構親緣關係的工具,所有樣本中,兩個樣本假如有最近的共同祖先,通常遺傳上的差異也會愈少,便會被歸類到一塊;這一批和其次相近的另一批樣本們,又會被歸類到一群,就這樣一直向前回溯(見下圖),形成看似樹狀的關係。而這棵樹上愈早分離的譜系,也就代表差異愈大,愈早和其他樣本分家。

演化樹與地理關係的示意圖,通常有兩種情況,左邊表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上有明確先後次序,可推論出如何在地理上傳播;右圖表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上無明確先後次序,傳播路徑交織在一起。圖/研之有物

中國採集的釀酒酵母們,不但有些被歸類到較晚分家的不同群,幾個樣本更自成一群,形成最早分出的演化樹枝。這些證據有力地支持:中國是釀酒酵母的起源地。然而,案情並不單純!

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將臺灣的一百多個菌株擺進演化樹,驚奇的事發生了!臺灣存在的釀酒酵母們,竟然也被歸類進各大譜系,並有新的譜系,這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高。而且還有一款進入之前於中國採集到,與同類最早分家的那一群。

驚奇之處在於,擺在全世界的尺度下看,臺灣只是一個很小的島,地處東亞大陸邊緣。中國面積龐大,釀酒酵母具備全世界最高的多樣性並不意外,也被認為很可能是發源地;可是小小的臺灣,竟然也存在一樣高的複雜度。

簡化過的野生釀酒酵母演化樹示意圖,蔡怡陞團隊採集到的臺灣野生釀酒酵母譜系中,發現有一款和先前中國採集樣本都是最早分家的一群(黃框處),地理傳播也交織在一起。這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高,兩者皆為世界第一。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

有沒有可能臺灣多變的品系,並非起源自當地,而是被人類無意間帶來的呢?應該不可能,因為根據遺傳差異估計,那些野生譜系們分家後衍生的年代,都早於人類在附近活動的時間;由此可以推論,目前的分佈狀況,非常可能是自然傳播的結果(或許是隨著殼斗科森林)。

所以我們可以說,臺灣是釀酒酵母最初的起源地嗎?不行。符合已知證據,比較合理的解釋是,釀酒酵母於東亞發跡,所以在東亞地區的遺傳多樣性也最高;而臺灣也包含於此一交流範圍之內,從最早的始祖開始,從古至今逐漸分家的釀酒酵母們,可能陸續,或是在同一段交流時期進入臺灣,一直低調默默生存到現在,仍保持原鄉的面貌。

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然而,好的研究不只要知道有多少已知,更要知道還有多少未知。蔡怡陞提醒我們,目前研究有個盲區:東南亞地區的取樣仍十分有限。根據已知的樣本,最早與同類分家的酵母菌,它們的後裔位於中國和臺灣,故推論東亞地區是起源地。

可是取樣匱乏的東南亞,會不會住著更早分家前輩的後裔呢?這是目前無法回答的問題。

野生釀酒酵母在中國與臺灣的實際採樣分布,發現臺灣譜系的數量是全世界同尺度地區中最高的。其中 TW1 和 CHN-IX 皆為最早分家的一群,證明了台灣是發跡地之一。小小的臺灣卻擁有如此高的多樣性,就是讓人驚奇之處。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)
釀酒酵母實際的演化樹,這是從樹狀圖捲曲起來的另一種表達形式,其中 TW1 和 CHN-IX 皆為野生樣本,且是最早分家的一群。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

你我所不知道的小世界,野生釀酒酵母的生殖、生態學

總之根據現有的資訊,臺灣釀酒酵母的多樣性在同樣尺度下比較確實為世界最高

大量取樣下還能觀察到,距離非常近的採集地點,竟然同時住著遺傳上差異很大,不同譜系的菌株(甚至在同一棵樹!)。相比之下,中國酵母的多樣性也高,但是分佈並不密集,相近的地理範圍內通常存在遺傳上類似的菌株。

不同研究的手法不同,這會不會是中國研究者採集較為稀疏,取樣方式導致的偏誤呢?蔡怡陞表示,的確無法排除前述可能性;但是他反而認為過去的採集方式,說不定都忽略了微生物近距離的分佈與多樣性,所以更需要反思過往認知微生物的生物地理關係。

不過他也認為中國的釀酒酵母確實住的比較分散;因此差異大的品系住在附近這回事,搞不好真的是臺灣特色,至少是率先在臺灣觀察到。

了調查臺灣野生釀酒酵母的多樣性,蔡怡陞團隊也發現野生的釀酒酵母大部分是採取無性生殖,不同品系之間雖然會有遺傳交流,但是相當有限。圖/研之有物

另一件有趣的發現是遺傳交流。釀酒酵母是單細胞真核生物,實驗室環境下可以無性生殖,自己複製自己;也可以隨時切換成有性生殖,和同類一起生寶寶。利用菌株間的遺傳差異,可以預測自然界的釀酒酵母,大部分時候採行無性生殖(這是蔡怡陞博士班時期努力的主題!)。

既然臺灣存在許多遺傳有別的野生品系,有時候又住的很近,它們之間會遺傳交流嗎?

比對基因組得知,會,不過不常見,大約每幾百到幾萬次無性生殖才有 1 次有性生殖。這證實蔡怡陞對酵母菌生殖的推論,替釀酒酵母生態學新添一分認識。

讓學術研究結合產業應用,找到野生釀酒酵母之後

有趣歸有趣,但是研究臺灣野生釀酒酵母有什麼意義呢?

從學術上來說,蔡怡陞指出,臺灣生態系複雜,本次透過基因體學手法得到量化證據,支持釀酒酵母這種微生物,在臺灣的多樣性很高。這項在臺灣採樣的本土研究,也大幅增進全世界對釀酒酵母的認識,並可更進一步開始探討釀酒酵母在自然界所扮演的角色。

從產業上來說,在蔡怡陞團隊的辛苦調查與記錄之後,未來我們是否可以期待廠商用臺灣在地的野生釀酒酵母做啤酒呢?

釀酒酵母是與人類互動最密切的微生物之一,但是人們對野生的釀酒酵母了解卻很有限,可謂無比熟悉的陌生人。蔡怡陞採集到眾多野生的菌株品系,不論學術研究或產業應用,都可能有進一步發展。

目前實驗室正在把這些菌株「帶」回實驗室,開始量化相關的表現型(phenotypes)。等到時機成熟,他歡迎各界合作,一起探索臺灣自然資源的潛力。

蔡怡陞與實驗室團隊合影,前排由左往右為:李佳燁、柯惠棉;後排由左往右為:蕭禎、劉育菁、蔡怡陞、林渝非。這次論文中公開的眾多野生釀酒酵母菌株,不論學術研究或產業應用,都有相當的發展潛力。圖/研之有物

註解

  1. 拉格啤酒採用的菌株是 Saccharomyces pastorianus,為 S. cerevisiae 及 S. eubayanus 兩者雜交而成。

參考資料

  1. 蔡怡陞(2017)。〈多樣性決定味覺豐富度,釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」〉,《環境資訊中心》。
  2. Lee, T. J., Liu, Y.-C., Liu, W.-A., et al. (2022). Extensive sampling of Saccharomyces cerevisiae in Taiwan reveals ecology and evolution of predomesticated lineages. Genome Research.
  3. Peter, J., De Chiara, M., Friedrich, A. et al. (2018). Genome evolution across 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates. Nature, 556, 339–344.
  4. Duan, S. F., Han, P. J., Wang, Q. M. et al. (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat Commun, 9, 2690.
  5. White, C., & Zainasheff, J. (2010). Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation. Brewers Publications.
  6. Tsai, I. J., Bensasson, D., Burt, A., & Koufopanou, V. (2008). Population genomics of the wild yeast Saccharomyces paradoxus: Quantifying the life cycle. PNAS, 105(12), 4957–4962.

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研之有物│中央研究院_96
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