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全球暖化使耐熱珊瑚出現

葉綠舒
・2012/03/30 ・999字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

去過綠島或澎湖浮潛的朋友們,可能會被珊瑚美麗的色彩給吸引。其實,珊瑚美麗的色彩來自於與他們共生的藻類蟲黃藻(zooxanthellae),而蟲黃藻除了使珊瑚變得多采多姿以外,它還會進行光合作用,提供珊瑚養分。當海水溫度上升到臨界值的時候,高溫使得珊瑚蟲排出與他們共生的蟲黃藻,讓珊瑚變白;如果海水溫度持續維持在高溫,最後珊瑚蟲就會(因營養不良而)死亡。由於珊瑚對維持海洋生態系的多樣性非常重要,因此這些年珊瑚的生存受到高度的關注,也使得白化珊瑚的照片經常出現在全球暖化的相關報導中。

這些年來,由於全球暖化加劇,白化的珊瑚越來越多;不過最近在雪梨的新南威爾斯大學的 James Guest 教授發現,有些珊瑚,如生長快速的鹿角珊瑚(Acropora spp.),似乎較能適應暖化的氣候。

前面是鹿角珊瑚;後面白化的珊瑚為濱珊瑚。(圖片來源:ScienceNOW)

Guest 教授以及他的研究團隊,在 2010 年的珊瑚白化事件中,探查了三個珊瑚礁生長的地方。其中在印尼的這個區域,過去不曾發生過白化事件;而在新加坡與馬來西亞的這兩個點,則在 1998 年曾經發生過珊瑚礁白化事件。

結果 Guest 教授的團隊發現,在印尼那裡,所有的珊瑚都白化了;可是在新加坡與馬來西亞,卻只有長得慢的濱珊瑚(Porites spp.)發生白化,長得快的鹿角珊瑚並沒有白化。因此 Guest 教授的團隊認為:這或許代表了長得快的珊瑚(包括鹿角珊瑚以及菜花珊瑚 Pocillopora)相對比較耐高溫。當然,究竟這個耐高溫的現象是由於珊瑚蟲或是蟲黃藻演化出耐高溫的機制,目前還不大清楚,而這是許多科學家們很想知道的。

不過,雖然這個觀察發現了並不是所有的珊瑚都會在海水溫度上升時死去,但暖化顯然對長得比較慢的珊瑚影響比較大,可能幾次海水溫度上升會使得海洋裡面的珊瑚礁都被長得快的種類給取代,這對於生態平衡也不是好事;畢竟維持生物多樣性(biodiversity)是很重要的,維持海洋中珊瑚的種類多樣也是重要的;再者,新加坡與馬來西亞的這兩個點,距離上次發生暖化事件(1998)已超過十年,如暖化的現象加劇,海水溫度上升的頻率也會提高,在那樣的狀況下,鹿角珊瑚與菜花珊瑚是否還耐得住、生長的速度是否能趕得上呢?所以耐熱珊瑚的出現並不見得就是一個好消息,也不代表全球氣候暖化對珊瑚礁的威脅已經解除,「轉彎說」也不適合用在這些事情上,不是嗎?

參考資料:
Some Corals May Adapt to Warmer Seas—ScienceNOW [12 March 2012]

本文發表於作者部落格

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

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)。

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。

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。

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。

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!

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。

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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勸你別碰!認識可愛又致命的「菟葵」
Evelyn 食品技師_96
・2022/06/25 ・3139字 ・閱讀時間約 6 分鐘

到海邊戲水時,不知大家是否曾注意過,海水漲退潮之間的潮間帶,可能會出現一朵朵黃綠、青褐或帶些紫色,像小菊花般的生物?只要輕輕一碰,牠的觸手就會迅速縮起,所以也被稱作「海中的含羞草」。 

這個生物的名字叫做菟葵 (zoanthid) ,俗稱「鈕扣珊瑚」,是介於珊瑚與海葵的生物[1]。因爲具有美麗的色彩,故常被用來作為水族箱的裝飾;但其實菟葵並不如牠的外表和別稱這麼可愛,反而暗藏著能致命的劇毒!

==密集恐懼症警告!】==

==【會害怕的大家趕緊撤離!】==

外表可愛 (?), 實則暗藏劇毒的菟葵。 圖/wikimedia

神秘的外表下隱藏劇毒?!

菟葵泛指所有「群體海葵目」的生物,故又稱群體海葵;其下游物種繁多,主要分布於熱帶及亞熱帶海域。牠們的體內的共生藻類除了可提供宿主能量之外,也使得牠們體表色彩豐富多變[2, 3]

不過菟葵並不像珊瑚,擁有分泌堅硬石灰質骨骼的能力,所以為了保護自身組織,菟葵會在其所附著的地方分泌黏液,這些黏液會隨著時間變硬,形成幾丁質外殼,以作為替代骨骼[2, 3]

菟葵單體含有一個直徑約 10 毫米的開口,為平滑且寬大的口盤,外圍處有兩圈短小觸手,並透過共肉組織 (coenenchyme) 聚集在一起[3]

這些觸手一經碰觸就會像含羞草似地收縮,埋入共肉組織裡,因此常引起前來潮間帶戲水的遊客或潛水員的好奇觸摸,但部份的菟葵含有「菟葵毒 (palytoxin; PLTX)」,很容易就不小心引起中毒[4]

瘤狀菟葵 (Palythoa tuberculosa)。圖 / 參考資料 4、6

中毒的後果不堪設想

摸到菟葵而中毒到底會有多嚴重呢?

2008 年德國 1 名男子於家中清理水族箱時,手指不慎碰觸到菟葵後,感到四肢無力、肌肉疼痛、顫抖,隨後出現暈眩及言語障礙等症狀,經治療 4 星期後才完全康復[3]

除了直接觸摸之外,菟葵毒素也會經由食物鏈,蓄積於高階生物體當中,所以會食用菟葵或藻類的生物,如螃蟹、河魨或其他魚類等,體內都有可能蓄積毒素。在臺灣,就發生過多起人類食用水產品所造成的中毒案例[2]

臺灣最嚴重的中毒案例發生於 2011 年,臺東縣 1 位漁民捕獲俗稱青鱗仔的小沙丁魚,分送給親友們食用,結果有 2 人食用後感到舌頭麻痺,出現嘔吐、胸痛及全身刺痛等中毒症狀,其中 1 人死亡[3]

台東曾出現食用青鱗仔後,出現菟葵毒素中毒的案例。圖/Totti,

還有 2000 年,臺灣 1 名歲男子食用 3 尾米點箱魨 (Ostracion meleagris) 後感到不適、冒汗和呼吸困難,送醫後出現呼吸衰竭、血壓下降且心律不整等症狀,經醫院緊急治療後,心臟功能才恢復正常。但由於橫紋肌溶解症,導致急性腎衰竭、寡尿症狀持續 20 天之久,一個月後才康復出院[3]

塗在矛上的劇毒

這麼可怕的毒素,被研究者發現的時間其實並不長,約 40 年左右而已。

當初發現的由來,是源自於夏威夷 Muolea 地區,當地湖泊裡,生長著擁有劇毒的藻類,原住民會採集該毒藻塗抹於矛上製成毒矛,其毒性足以使獵物致命。後來經過許多學者前往採樣進行調查,1971 年終於成功純化出毒素,確認為——菟葵毒[5]

之後學者陸續發現,菟葵毒存在於許多生物體內,例如 Palythoa 屬及 Zoanthus 屬之菟葵及 Ostreopsis 屬的渦鞭毛藻皆有,與菟葵生活區鄰近的海洋生物,如海星、軟珊瑚或多毛蟲等,體內亦有發現菟葵毒[3]

不過有研究指出,從菟葵 (Palythoa caribaeorum) 分離出的細菌裡,發現具有類似菟葵毒之溶血活性。此外,也有學者從其他種細菌中分離出菟葵毒,所以大家推測,細菌也可能是菟葵的毒素來源[3]

日本沖繩本島東北海岸聚集許多瘤狀菟葵。圖 / 參考資料 6

菟葵毒分子結構龐大又複雜,比河魨毒更毒

菟葵毒為無色、易吸濕之非結晶性固體,外觀沒有固定形狀,為水溶性,具耐熱性。

其化學式為 C129H223N3O54,分子量為 2680.13 Da,結構複雜且分子量龐大,並存在著許多異構體以及結構類似物[註 1]

菟葵毒分子結構及其結構類似物。圖 / 參考資料 7

而在毒理學中,半數致死劑量 (lethal dosage 50%; LD50) 是描述有毒物質的常用指標之一,意為動物實驗中,能致使實驗動物產生百分之五十比例之死亡所需要化學物質之劑量。通常毒素給予實驗動物的方式,分為口服、靜脈注射和腹腔注射,不同的給予方式,毒性亦略有差異。

那麼菟葵毒的毒性到底有多強?其實它在非蛋白質類的生物毒中是最強的,就小鼠腹腔注射之 LD50 來看,為 0.15~0.72 μg/kg (體重)[3],大約是河魨毒素 (tetrodotoxin) 之 20~80 倍[註 2],毒性強度遠高於之前筆者所介紹過的麻痺性貝毒及河魨毒。

延伸閱讀

《在海產店吃盤「塔香西施舌」然後就死掉了?——來認識致命的「麻痺性貝毒」》
《推理系動畫毒殺利器!——認識致命的「河魨毒」》

不知道的海洋生物不要摸也不要吃

令人眼花撩亂的菟葵毒及其各類似物,毒性雖略有差異,但致毒機制大致相同。

身為神經毒素的菟葵毒,其引起中毒主要的症狀為發燒、噁心、嘔吐、呼吸困難、心律不整,或橫紋肌溶解所造成之肌肉疼痛,亦會引發其它藥理反應,如骨骼肌、平滑肌和心肌的收縮,及血小板的聚集等[2, 3]

菟葵毒的毒性不但猛烈,菟葵本身分佈的地區也不算少數——太平洋地區、西印度群島、牙買加、波多黎各及巴哈馬,以及臺灣的東北角、墾丁與綠島,均有出現的記錄[2]

此外,菟葵毒的研究歷史,不如麻痺性貝毒、河魨毒來得悠久,還有許多未知的地方。故呼籲大家,在進行夏日戲水活動時,請不要隨意觸摸不知名的海洋生物,也不要食用自行捕撈或來路不明的水產品,以避免菟葵毒中毒。

註解

  1. 結構類似物 (structural analog),是指一系列的化合物在主結構上大致相同,但部分結構會有一個或多個原子、官能基或子結構不同,造成它們之間的化學特性不太一樣。
  2. 河魨毒素 (tetrodotoxin) 之腹腔注射之 LD50 是 12.5~16 μg/kg (體重)[8]

參考資料

  1. 鄭源斌,2021。美麗菟葵 新藥寶庫?。科學人,230: 12。
  2. 吳尚宜,2017。基隆產珊瑚菟葵種屬的基因鑑定及其毒素對細胞毒性之探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  3. 葉子寧,2018。基隆產菟葵 Palythoa tuberculosa 之季節毒性分析及菟葵毒萃取液之細胞毒性探討。國立台灣海洋大學食品科學所碩士學位論文。基隆。
  4. 社團法人台灣環境資訊協會,2016。海中的有毒含羞草—菟葵。台灣珊瑚礁體檢志工快訊。
  5. Moore, R. E. and Scheuer, P. J. 1971. Palytoxin: a new marine toxin from a coelenterate. Science 172: 3982 495-498.
  6. Aratake, S., Taira, Y., Fujii, T., Roy, M. C., Reimer, J. D., Yamazaki, T. and Jenke-Kodama, H. 2016. Distribution of palytoxin in coral reef organisms living in close proximity to an aggregation of Palythoa tuberculosa. Toxicon 111 86-90.
  7. Pelin, M., Brovedani, V., Sosa, S. and Tubaro, A. 2016. Palytoxin-containing aquarium soft corals as an emerging sanitary problem. Marine drugs 14: 2 33.
  8. Abal, P., Louzao, M. C., Antelo, A., Alvarez, M., Cagide, E., Vilariño, N., Vieytes M. R. and Botana, L. M. 2017. Acute oral toxicity of tetrodotoxin in mice: Determination of lethal dose 50 (LD50) and no observed adverse effect level (NOAEL). Toxins 9: 3 75.
Evelyn 食品技師_96
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40 年珊瑚之謎終於揭密——「滿月後的黑暗」是同步產卵的關鍵
研之有物│中央研究院_96
・2022/05/09 ・5967字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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/林承勳、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

解開 40 年珊瑚同步產卵謎團

早在 1980 年代科學家就發現,珊瑚彼此之間很有默契,會在短時間內一起繁殖,附近水域瀰漫大量珊瑚卵,形成令人歎為觀止的壯麗畫面。對於珊瑚同步產卵現象,過去學者推測是受到溫度、潮汐、光線等因素影響,但觸發產卵的關鍵原因一直都沒有被確認。

經過 40 年,在中央研究院生物多樣性研究中心團隊努力下,終於揭開秘密!中研院「研之有物」專訪野澤洋耕副研究員與林哲宏博士後研究員,他們發現珊瑚同步產卵的關鍵就在於日落到月昇的黑暗時間

野澤洋耕的團隊在臺灣綠島進行長期觀察和研究,終於發現珊瑚同步產卵的關鍵因素。珊瑚繁殖季(南臺灣約 4-6 月)滿月過後,日落到月昇之間的黑暗期觸發了珊瑚產卵的條件。圖片為正在產卵的環菊珊瑚。圖/林哲宏

奇怪的知識增加了:原來珊瑚是一群型態差異相當大的動物!

由於珊瑚只能附著在固定位置、無法移動,因此曾被誤認為是植物。而且珊瑚的外觀又很容易誤導民眾,直覺認為一大株珊瑚就是一個生物體。但事實上,大多數的珊瑚其實是一群珊瑚蟲的聚落;只有少數像蕈珊瑚科(Fungiidae)部分種類,才是一隻巨大珊瑚蟲為一株珊瑚個體。

以造礁珊瑚為例,珊瑚蟲聚落可分成非生物與生物兩個部分:成分為碳酸鈣的珊瑚石是保護殼和居所;覆蓋在珊瑚石上面的就是無數隻活跳跳的珊瑚蟲。

珊瑚蟲被分類在刺絲胞動物門,牠們外觀跟同門的海葵相似,有著圓筒身軀、一個開口,開口周圍分布數隻觸手,觸手上密布著刺絲胞,能捕撈浮游生物來吃。珊瑚蟲另一種食物來源是由互利共生的蟲黃藻提供,蟲黃藻會行光合作用產生養分與氧氣,同時也為白色的珊瑚石、透明的珊瑚蟲帶來繽紛色彩。

造礁珊瑚(又稱石珊瑚)的珊瑚蟲聚落,最初都是從一隻珊瑚蟲開始,透過緩慢持續的生長過程,才逐漸長成我們看到的珊瑚礁。圖/iStock

在海裡看到大大小小的珊瑚,最初都是由一隻體積微小的珊瑚蟲,分裂再分裂而來,珊瑚蟲們不斷進行無性生殖,經年累月分裂出大量個體。為數眾多的珊瑚蟲們世世代代分泌的碳酸鈣逐漸堆積,一直到如城堡般巨大,就形成所謂的「珊瑚礁」。珊瑚礁被科學家們認為是海中的熱帶雨林,提供魚類、甲殼類等生物棲息地與豐富食物、能量。

中研院副研究員野澤洋耕認為,珊瑚是種非常神奇的生物,從原本微小到肉眼無法辨認的一隻珊瑚蟲個體,居然能不停分裂生殖,最後數以億計隻珊瑚蟲群聚成唯一能夠從外太空觀察到的地球生命:大堡礁。

只是,珊瑚蟲用分裂生殖新增的,是跟上一代基因、外形一模一樣的個體,這類無性生殖無法增加基因多樣性,還會讓族群失去面對環境變動的適應能力。因此珊瑚必須要另外花費時間、能量排精產卵,行有性生殖製造具有嶄新基因的後代。

珊瑚可以透過無性生殖和有性生殖繁衍個體。圖/研之有物(資料來源│Global Foundation for Ocean Exploration

珊瑚也懂投資?雞蛋分籃放與孤注一擲的產卵選擇

不像魚類可以找到配偶後再產卵受精,固定不動的珊瑚只能直接把精卵釋放到海水中。為了克服無法移動的劣勢,牠們會採取同步策略,約好在短時間內一起排出數量驚人的精卵。如此一來就能大大提高精卵濃度來增加受精成功率,即使有掠食者在旁想趁機飽餐一頓,也會頓時眼花撩亂、顧此失彼。

人們眼中珊瑚產卵的美景,同時也是生物為了繁衍而克服大自然困境的努力。

珊瑚同步產卵還能再細分成兩種模式,野澤洋耕指出,珊瑚一年只產卵一次,有些種類偏好分散風險,群體內珊瑚同時產卵,各群體間則是彼此錯開,可能往前往後幾天;另外有些珊瑚則是孤注一擲,約好「全部」一起生。相對來說後者受精機率當然更大,但當天要是碰到暴雨、颱風等天氣因素攪局,該年可能幾乎不會有後代成功生存。

看起來風險很高,只是既然會演化出不同方法,就代表雙方各有優勢。」野澤洋耕解釋地說。但不管是謹慎還是賭性堅強的種類,無法移動、不能彼此溝通的珊瑚,到底是用什麼方法約好一起產卵?自從 1980 年同步產卵現象被發現後,這謎團足足讓世人困惑了 40 年之久。

七年田野調查資料顯示,關鍵因子藏在月週期裡

從 2010 年開始,野澤洋耕的研究團隊每年都會在珊瑚繁殖季(南臺灣通常是四、五、六月),來到綠島潛水調查。調查期間,團隊每晚下水記錄珊瑚種類、數量與排卵時間,在累積七年的調查資料後,博士後研究員林哲宏發現每一種珊瑚都有明顯的生殖模式。

根據研究團隊現有紀錄,隸屬於繩紋珊瑚科(Merulinidae)的珊瑚是採取分散風險策略,不同群體分批同步產卵。雖然群體間產卵日子錯開,但時程非常固定,都是在「滿月」之後五到八天;綠島還有另一大宗珊瑚,是分在軸孔珊瑚屬(Acropora)下的一些種類,牠們是「全部」約好在同一天產卵,但到底是哪一天,每年觀察到的日期都不太一樣。

「繩紋珊瑚科就是固定在滿月後五到八天產卵;軸孔珊瑚屬也是在滿月後,但毫無規則可言。」林哲宏說。即使如此,兩者都是在滿月後產卵,研究團隊於是鎖定月週期的因子:月光,來進行檢驗。

繩紋珊瑚科 vs 軸孔珊瑚屬。圖/研之有物(資料來源:Wikipedia、iStock)

室內室外重複操作結果都顯示:夜間光源會抑制珊瑚產卵

由於繩紋珊瑚科的環菊珊瑚(Dipsastraea speciosa)在綠島很常見,觀察、樣本取得都很容易,加上生殖時間又有跡可循,團隊就選擇該物種來進行實驗。「將月光遮住後,環菊珊瑚就提早產卵了。」野澤洋耕表示,初步實驗結果意味著滿月後的黑暗,就是通知珊瑚準備產卵的環境訊號

環菊珊瑚隸屬於繩紋珊瑚科,群體間大量產卵通常發生在滿月之後五到八天。圖/林哲宏

為了避開其他環境因子干擾,實驗首先是在研究室的水缸中進行;接著團隊來到綠島北邊的公館附近,要確認珊瑚不論是在人工環境或自然棲地中,都會因為黑暗籠罩提前產卵。「我們每天都下水,在滿月前三天、前一天,還有滿月後一天幫珊瑚蓋上不透光的鋁箔布或透明布。」林哲宏說。結果符合預期:珊瑚越早被蓋上黑布,就會越快產卵,很規律地在接收到黑暗訊號之後的五到八天大量產卵。

研究團隊在綠島設置實驗觀察環菊珊瑚產卵,人工控制在滿月前三天、前一天和後一天都不照月光,發現珊瑚越早蓋上布,就會越早觸發產卵時機。圖/PNAS

不同光譜的光源,都會有相同的抑制效果

除了照光與否,林哲宏還加入光源光譜與密集度的試驗。因為 2006 年刊登在《Science》期刊的一篇論文指出,珊瑚可能會偵測月光。野澤洋耕提到,論文中說明珊瑚只要照到月光,體內的 cry 基因就會表現,而且 cry 基因對藍光特別有反應。

所以團隊再回到研究室內,用人工光源模擬月光強度,分別給予紅、藍、綠三種不同色光,想確認是否真的如文獻資料敘述,不同光譜光源會給珊瑚帶來不同程度的刺激。但實驗證實,三種色光照下去,珊瑚都一樣不產卵。也就是說,目前蒐集到的線索都指向:黑暗是珊瑚產卵的關鍵

40 年珊瑚之謎,謎底就是日昇與月落之間的黑暗時段

經過一連串抽絲剝繭,終於確認夜間光線會抑制珊瑚產卵。然而團隊想進一步了解,珊瑚於漫漫長夜中只要一瞬間照到光就會被干擾,還是要有多長曝光才能達到抑制效果。因此團隊在實驗室環境中,個別探討了整晚黑暗、整晚照光、前半夜(日落到午夜)照光,還有下半夜(午夜到日出)照光等四種情形。

結果顯示,下半夜照光跟整晚保持黑暗的組別一樣,珊瑚在五天之後同步排卵;前半夜照光,效果與整晚照光相同,會讓珊瑚延遲生產且產卵同步率下降。「看到這現象,我們推測珊瑚感應光線的受器應該有『營業時間』。」林哲宏笑著說,受器營業時間大概是在日落後到午夜,不過不同珊瑚個體還是存在著些許差異。

答案終於揭曉:以環菊珊瑚來說,只要連續兩個夜晚,於日落後有一小時左右的黑暗時段,就達成同步產卵的要件。這也解釋了珊瑚為什麼都挑在滿月後繁殖,林哲宏指出,因為地球自轉同時月球又繞地球轉的緣故,每天月球升起的時間會延遲約莫 30-70 分鐘[註1]。對照繁殖季四月的月週期,月初時月球升起會落在下午兩點多,之後每天延遲直到滿月,月球才會於日落後升起,而中間的黑暗期就是在告訴珊瑚:可以準備生產了。

選在滿月後生產是有其優勢的,野澤洋耕提醒說,環菊珊瑚產卵適逢黑暗、小潮,昏暗的環境能稍微蒙蔽掠食者目光,加上小潮時海浪沒那麼強,精卵不至於馬上被沖散。

研究團隊經過長年自然觀察以及實驗條件的控制,終於找出珊瑚同步產卵的秘密,關鍵就在繁殖季的滿月日之後的黑暗期。圖1顯示滿月日之前,月光會抑制珊瑚產卵,圖2顯示滿月日之後,日落月昇中間的黑暗期,觸發了珊瑚產卵的條件。圖/PNAS

收到「暗」示後,珊瑚卵需要五天催熟

至於繩紋珊瑚科固定在滿月後五到八天產卵的微觀機制,研究團隊還在努力研究中,有可能與精、卵的成熟機制有關,以下是研究團隊針對觀察現象的推測。

繩紋珊瑚科是雌雄同體,珊瑚蟲體內先產生精子與尚未成熟的卵子,當珊瑚接收到連續兩天黑暗的刺激,卵子的細胞核就會逐漸往卵細胞邊緣移動。整個過程稱作胚核遷移(germinal vesicle migration, GVM),需要花費五天左右。

胚核遷移完成後,卵細胞核會開始瓦解,耗時約莫三到四個小時,稱作胚核破裂(germinal vesicle breakdown, GVBD),此時卵細胞幾乎已經為受精做好準備。接著,成熟的卵子與精子會被打包在一起,變成叫做「精卵束」的構造。野澤洋耕提到,精卵束被珊瑚排出體外後,會一路浮到水面,畢竟精卵在二維的海面相遇機率要比在三維的水下空間來得大些。

精卵束在水面破裂,釋出的卵子只剩最後一個步驟:擠出細胞內的極體(polar body),就可以跟精子結合了。有趣的是,年輕的卵會優先跟不同珊瑚的精子結合;但時間一長,即使是同一個珊瑚的精子也會接受。「不然再等下去,不是被沖散就是被吃掉,受精機會只會越來越渺茫。」林哲宏補充地說。

成功受精後受精卵會沉到水裡,並發育成一隻具有纖毛、可以自由活動的實囊幼蟲。實囊幼蟲會花好幾天在海底尋尋覓覓,待找到合適的地點,就附著、變態成為再也無法隨意移動的珊瑚蟲。接著珊瑚蟲會不停地分裂、分泌碳酸鈣,長成一株株珊瑚。

野澤洋耕副研究員解釋目前正在研究中的珊瑚產卵微觀機制。圖/研之有物

奇妙機緣讓多年研究心血登上國際期刊

「說起來實在幸運,原本稿子都投到其他期刊去了。」論文第一作者林哲宏笑著說,前一陣子日本學者高橋俊一來臺灣訪問交流,意外讓這次珊瑚產卵新發現得以刊登在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

琉球大學教授高橋俊一在中研院停留時,順道拜訪同鄉人野澤洋耕的研究室,閒聊之下發現兩人居然還是大學同學。「大學時我們僅是點頭之交,畢業後再也沒有對方消息了。」野澤洋耕表示,高橋俊一後來在琉球大學進行熱帶生物基因、分子領域研究;自己則是在中研院、綠島兩邊奔走,做珊瑚生態、行為調查,沒想到老同學會偶然在學術圈再度相遇。

在高橋俊一的建議之下,雙方合作將實驗擴展得更加完善。林哲宏提到,高橋提供一些安排實驗、投稿期刊的秘訣,像是在實驗室內與自然環境中重複出相同結果,增加成果的說服力;撰寫論文時盡量保守,只寫已經確定的內容,不要節外生枝;還有花心思修飾文字段落安排,保持耐心與審查委員溝通等等。

巧妙的緣分促成臺日研究團隊跨國合作,也讓野澤洋耕與林哲宏等人多年來勤奮研究的成果有機會能夠被刊登在重量級期刊中,讓珊瑚產卵真相可以得到更多注意。

珊瑚產卵研究需要長時間投入,野澤洋耕副研究員(中)與林哲宏博士後研究員(右)團隊多年研究成果,終於刊登在美國國家科學院院刊(PNAS)。圖/研之有物

艱難的生態研究柳暗花明,組成跨國團隊再出發

回想起當初因為潛水的興趣才選擇珊瑚當作研究主題,經過 20 多年後,野澤洋耕慢慢開始期待自己的研究,能為持續減少的珊瑚族群帶來些貢獻。野澤洋耕提到:「很開心可以在這裡研究,中研院的支持讓我沒有後顧之憂。」

解開環菊珊瑚的同步產卵之謎後,林哲宏接下來要到現任老闆的老同學:高橋俊一在琉球大學的實驗室,展開新的珊瑚研究計畫。而野澤洋耕表示,他還是會繼續協助林哲宏的博士後研究,因為這次主要聚焦在環菊珊瑚,他們還想知道同樣是繩紋珊瑚科的其他種類,是否也是因為黑暗刺激同步產卵;還有軸孔珊瑚滿月後不規律的產卵模式,以及缺乏光照反而不產卵的現象,背後是否有更多秘密。

另外值得一提的是,珊瑚產卵的成果發表後,野澤洋耕收到來自以色列巴伊蘭大學學者 Levy Oren 的來信。Levy Oren 是在紅海研究光害對於當地珊瑚族群的影響,他對這次刊登的研究內容非常感興趣,更期待有機會能合作。原本珊瑚產卵的主題,因為一年只有一次觀察產卵機會,還要天天夜間潛水調查,風險之高、過程之辛苦,讓許多學者望之卻步。如今野澤洋耕與林哲宏等人多年來的堅持有了回報,而且橫跨紅海、綠島、琉球三地的搶救珊瑚大冒險,就在前方等待著他們。

註解

註 1:因為月球繞地球轉的軌道不是正圓,因此每天月亮升起的延遲時間會依照月相時間(新月/滿月)和季節而有所變化,延遲時間大約從 30-70 分鐘不等。

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
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全球暖化使耐熱珊瑚出現
葉綠舒
・2012/03/30 ・999字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

去過綠島或澎湖浮潛的朋友們,可能會被珊瑚美麗的色彩給吸引。其實,珊瑚美麗的色彩來自於與他們共生的藻類蟲黃藻(zooxanthellae),而蟲黃藻除了使珊瑚變得多采多姿以外,它還會進行光合作用,提供珊瑚養分。當海水溫度上升到臨界值的時候,高溫使得珊瑚蟲排出與他們共生的蟲黃藻,讓珊瑚變白;如果海水溫度持續維持在高溫,最後珊瑚蟲就會(因營養不良而)死亡。由於珊瑚對維持海洋生態系的多樣性非常重要,因此這些年珊瑚的生存受到高度的關注,也使得白化珊瑚的照片經常出現在全球暖化的相關報導中。

這些年來,由於全球暖化加劇,白化的珊瑚越來越多;不過最近在雪梨的新南威爾斯大學的 James Guest 教授發現,有些珊瑚,如生長快速的鹿角珊瑚(Acropora spp.),似乎較能適應暖化的氣候。

前面是鹿角珊瑚;後面白化的珊瑚為濱珊瑚。(圖片來源:ScienceNOW)

Guest 教授以及他的研究團隊,在 2010 年的珊瑚白化事件中,探查了三個珊瑚礁生長的地方。其中在印尼的這個區域,過去不曾發生過白化事件;而在新加坡與馬來西亞的這兩個點,則在 1998 年曾經發生過珊瑚礁白化事件。

結果 Guest 教授的團隊發現,在印尼那裡,所有的珊瑚都白化了;可是在新加坡與馬來西亞,卻只有長得慢的濱珊瑚(Porites spp.)發生白化,長得快的鹿角珊瑚並沒有白化。因此 Guest 教授的團隊認為:這或許代表了長得快的珊瑚(包括鹿角珊瑚以及菜花珊瑚 Pocillopora)相對比較耐高溫。當然,究竟這個耐高溫的現象是由於珊瑚蟲或是蟲黃藻演化出耐高溫的機制,目前還不大清楚,而這是許多科學家們很想知道的。

不過,雖然這個觀察發現了並不是所有的珊瑚都會在海水溫度上升時死去,但暖化顯然對長得比較慢的珊瑚影響比較大,可能幾次海水溫度上升會使得海洋裡面的珊瑚礁都被長得快的種類給取代,這對於生態平衡也不是好事;畢竟維持生物多樣性(biodiversity)是很重要的,維持海洋中珊瑚的種類多樣也是重要的;再者,新加坡與馬來西亞的這兩個點,距離上次發生暖化事件(1998)已超過十年,如暖化的現象加劇,海水溫度上升的頻率也會提高,在那樣的狀況下,鹿角珊瑚與菜花珊瑚是否還耐得住、生長的速度是否能趕得上呢?所以耐熱珊瑚的出現並不見得就是一個好消息,也不代表全球氣候暖化對珊瑚礁的威脅已經解除,「轉彎說」也不適合用在這些事情上,不是嗎?

參考資料:
Some Corals May Adapt to Warmer Seas—ScienceNOW [12 March 2012]

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。