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從發育找演化答案,破解脊索動物腹背翻轉之謎:原來嘴巴在哪邊是關鍵?

研之有物│中央研究院_96
・2019/11/27 ・3939字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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

  • 採訪編輯|歐宇甜、美術編輯|林洵安

大家都知道人類是脊索動物,但你可能不曉得:脊索動物的演化過程中腹背曾經翻轉,只是到底如何翻轉,困擾了科學家一百多年。

中研院細胞與個體生物研究所蘇怡璇副研究員以及臨海研究站游智凱主任,從玉柱蟲研究找到線索,推論脊索動物祖先在演化過程中,原本腹部的口部曾經消失,後來又在背部演化出新嘴巴,因為嘴巴位置定義哪裡是腹部(以及相對的背部),就這樣造成了腹背翻轉,最終演化出脊索動物。
精彩論文已於 2019 年 6 月刊登在《美國國家科學院院刊 》(PNAS),跟著研之有物一起來了解!

翻過來的龍蝦像脊索動物?

脊索動物,是動物界中的一門,包括人類、鳥類、魚類等等。脊索動物有個重要特徵:神經管位於背部、腸胃等消化系統位於腹部。以文昌魚為例:

圖為脊索動物代表——文昌魚。脊索動物門包含頭索動物、尾索動物、脊椎動物,共同特徵是在個體發育過程或某時期有(支撐身體的)脊索、背神經管(神經集合成一束)和分節的肌節,脊椎動物(如人類)又多了脊椎骨和發達的頭部。
圖片來源│游智凱  圖片重製│林洵安

其他動物的神經或是散漫分布(如水螅),或是環繞身體(如海膽)。蝦子和蚯蚓與脊索動物一樣身體左右對稱,神經集中成一束,但牠們的腸子卻在背部(如蝦子背上黑黑的腸線),神經管位於腹部,跟脊索動物剛好相反。

1822 年,法國自然學家聖伊萊爾 (Geoffroy Saint-Hilaire) 就曾盯著龍蝦發想:如果把龍蝦翻過來,不就很像脊索動物(神經管在上、腸子在下)嗎?那麼,動物的腹背是否曾經發生翻轉呢?

龍蝦一樣有神經管,把牠翻過來,神經管在上、腸子在下,很像脊索動物。
圖說設計│黃曉君、林洵安

可惜的是,在聖伊萊爾的時代,人們仍堅信「創造論」,認為每種動物是各自獨立出現在地球上,彼此沒有關係。像聖伊萊爾這種超越時代、類似「演化論」的想法被斥為無稽之談。直到 1859 年,達爾文發表《物種起源》,科學家才開始從演化的角度,探究脊索動物腹背翻轉的謎團。

1894 年,科學家戈斯登 (Walter Garstang) 注意到棘皮動物半索動物幼體的嘴巴皆圍繞一圈神經,推想這圈神經後來集中成束,演化成脊索動物的神經管。

後人接棒推測:這圈神經繼續往腹部集中,腹部的嘴巴卻慢慢移動到背部,因為嘴巴決定腹部的位置,就這樣造成腹背翻轉……

「但這些『推想』都沒有實際證據,像神經往腹部集中、嘴巴移動到背面的說法,簡直匪夷所思,我決定從半索動物玉柱蟲下手,好好研究這個問題」,蘇怡璇說。

玉柱蟲是什麼?可以吃嗎?

玉柱蟲是一種海洋底棲的半索動物 (hemichordates),身體兩側對稱,吻部碩大,因此名為「玉柱」。

牠們喜歡躲在海灘的沙堆,靠著吞食沙子以攝取有機物維生,排出「沙便」,習性很像蚯蚓。全世界的玉柱蟲有一百多種,小的僅 10 公分、小指粗,大的可達 1 公尺,先來瞧瞧本尊:

因為玉柱蟲和脊索動物都屬於後口動物,具有鰓裂,口部附近又有類似脊索的構造,被認為是最接近脊索動物者,常用來研究脊索動物的起源。

脊索動物和玉柱蟲都屬於後口動物。若胚胎發育出現的第一個開口變成嘴巴,稱為原口動物,若第一個開口變成肛門,腸子往前觸到另一邊打開成為嘴巴,稱為後口動物,像海膽、玉柱蟲、文昌魚以及人類。
資料來源│蘇怡璇   圖片來源│蘇怡璇、維基百科   圖說重製│林洵安

蘇怡璇和游智凱打算怎麼開始?找出玉柱蟲和脊索動物之間的過渡型態?非也非也!他們採取了演化發育生物學 (Evolutionary Developmental Biology 或簡稱 Evo-Devo) 的研究進路。

演化發育生物學:從發育找演化答案

過去大多數演化學家認為:研究演化可以尋找生物的中間型態。

因為生物演化要累積很多小小的突變,其中必存在物種轉變的中間型態。但實際上,不同動物門之間型態差異可能很大,根本找不到中間型態。

演化發育生物學提供另一種思考:

比較不同生物的胚胎、幼生發育,推想牠們共同祖先的發育調控機制,並探討在演化過程中發育調控機制發生了什麼事 ,以至於演化出非常不同的動物型態。

「從發育看演化,靠譜嗎?」這就得說到動物的發育調控機制和演化的關係……

在演化的過程中,動物即使型態差異很大,從共同祖先繼承的發育調控機制卻幾乎一樣,就像有張基本藍圖,決定了動物如何發育 。比方說:具有親緣關係的海膽和海星,外表看起來很不一樣,但兩者部分的發育調控機制卻是雷同的,所以胚胎和幼生也很相似。

那麼,為什麼會演化出型態很不一樣的後代呢?「當共同祖先調控發育的基因出現些微突變,改變了發育機制,就可能演化出外觀差異很大的後代,例如海膽與海星。」游智凱補充道。

玉柱蟲和脊索動物具有親緣關係,可能與脊索動物的起源有關。如果能找到某種方法改變玉柱蟲的發育調控機制,使牠朝向脊索動物的型態發育,也許就能破解脊索動物腹背翻轉的之謎。

什麼方法?蘇怡璇和游智凱聯想到一種可以調控動物發育的物質:骨骼形成蛋白 BMP

BMP:決定腹背的關鍵蛋白質

動物的骨骼形成蛋白 BMP (Bone Morphogenic Protein),是一種可控制動物胚胎骨骼發育、神經發育、背腹體軸發育的蛋白質。

以青蛙胚胎來說,腹部的 BMP 濃度較高,背部有另一種會抑制 BMP 的物質 chordin,所以 BMP 濃度較低。青蛙背部和腹部的細胞分別接收到不同濃度的 BMP,就知道自己所在地是背部還是腹部,然後開啟不同的基因,讓背部順利長出神經管。

另一方面,研究果蠅胚胎的科學家也發現,果蠅背部有一種跟 BMP 分子很像的蛋白質 DPP,也會影響神經發育,腹部有另一種物質 sog 跟 chordin 類似,會抑制 DPP 功能。不過因為 DPP 在果蠅背面的濃度比較高、腹面濃度比較低,所以果蠅跟青蛙相反,是在腹面長出神經管。

青蛙的神經管長在背面、果蠅在腹面,正是因為控制背腹體軸發育的蛋白質濃度分布不一樣。
資料來源│蘇怡璇  圖片來源│維基百科、Unsplash  圖說設計│黃曉君、林洵安

「那麼,BMP 對玉柱蟲的神經發育有什麼影響?是否跟背腹體軸的翻轉有關?」游智凱和蘇怡璇設計實驗來破解。

脊索動物腹背翻轉的關鍵:BMP 影響神經系統位置

他們在玉柱蟲胚胎的嘴巴和神經系統即將形成的關鍵期,加入 BMP,讓濃度在幾個小時內突然提高。結果發現,正常的胚胎會在腸子的腹側打開一個嘴巴,但加了 BMP 的胚胎雖然也有腸子,嘴巴卻消失了!而且因為腹部的 chordin 會抑制 BMP,導致 BMP 濃度比較低,於是圍繞口部的神經統統聚集到腹部。

他們用海膽幼生做一樣的實驗,得到相同結果:嘴巴消失,神經系統都集中到腹部!

於是他們大膽推測:

玉柱蟲和海膽的祖先有相同的發育機制,在胚胎發育期由於 BMP 濃度改變,導致腹部的嘴巴消失,神經系統集中到腹部,成為類似像脊索動物神經管的先驅。

後來,胚胎又在背部長出了新嘴巴,因為嘴巴定義了腹部位置,於是具有神經管的腹部就「變成」背部,更合理解釋脊索動物背腹體軸翻轉的過程。

精彩的研究成果,已於 2019 年 6 月獲刊於《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

玉柱蟲的正常胚胎以及加了 BMP 的胚胎比較圖。上列顯示:正常玉柱蟲的神經系統分布於腹背兩側之間,以控制纖毛擺動,幫助攝食。下列顯示:加了 BMP 後的玉柱蟲胚胎,嘴巴無法形成,神經聚集在腹面。
圖片來源│蘇怡璇   圖說重製│林洵安

蘇怡璇表示,「實驗的執行本身並不難,難的是實驗的設計與看到結果時,能否理解代表的意義,畢竟其中牽涉的理論是幾個世代的科學家,苦思了一、兩百年依然持續爭論的問題。」

只是,在漫長的演化長河中曾出現無嘴的動物型態,還是令人匪夷所思!牠們可以存活?真的會長出新嘴巴?於是蘇怡璇繼續飼養那些「沒有嘴巴」的玉柱蟲幼生,餵食帶螢光的藻類。

結果發現:牠們可以存活至少十日,而且體內變得亮亮的,表示真的有藻類進入!可惜沒有看到新嘴巴的生成,推測玉柱蟲可能找到新開口來攝取藻類。

「我們是透過實驗證據提出另一個想法,不敢說一定是對的,畢竟沒有人知道五億年前演化到底怎麼發生。」游智凱總結。

在演化的世界裡,永遠有無限的謎團,等待一代代的科學家接棒破解。

蘇怡璇和游智凱是一對夫妻研究員, 蘇怡璇研究海膽,游智凱研究文昌魚,這次合作親緣相近的玉柱蟲,揭開脊索動物腹背翻轉之謎。平常兩人常常帶著研究團隊進行讀書會,研討論文、演化相關書籍,透過彼此激盪,才能逐步拼湊線索,構想出全新的理論。
攝影│林洵安

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為人類祖先嘴巴曾經消失又出現?揭開脊索動物腹背翻轉之謎,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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