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光之深海,深海之光:那些在幽暗深處依然閃閃發光的動物們

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/01/21 ・3524字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

本文由國立海生館BOT經營團隊海景世界企業(股)公司委託,泛科學企劃執行

  • 作者/曾柏諺

提起深海,你的印象會是什麼呢?寒冷、漆黑、寂靜,甚至還可能有些面貌猙獰的生物神出鬼沒向你問好?

人們對深海的諸多印象,大多來自於它幽冥般的漆黑,但深海為什麼會是漆黑一片?這還得追溯到一個更古老的問題:海為什麼是藍色的?

想到深海的動物,往往給人有點猙獰的印象。圖/ wiki commons

吞噬光線的海水

如果你用容器撈起一把海水,如果沒有意外應該可以預期它會是透明無色的。因為「海水」裡絕大多數的成分是水,即便溶解了些許鹽類在其中,也大多是透明無色,看起來一點也不會影響海水顏色……對吧?

其實影響海水顏色最大的因素正是「水」本身。太陽光是由許多不同波長的光所組成,不同波長的光線在水中被水分子吸收、散射的程度也不同,簡單來說,波長越長的光越容易被水分子所吸收。正因長波長的光線很快就消失殆盡,因此反射到我們眼裡的色光,就只剩下了波長較短的藍、紫色,這才顯得大海一片蔚藍呀!

科學家發現,在大約兩百公尺深左右,光線就會衰弱到再也無法負擔光合作用,因而大筆一畫,在此之上的區域稱為「表層帶」(epipelagic zone),又稱真光層、光合作用區。

圖/pixabay

不過倒也不是越此一步就漆黑無光,從兩百公尺再往下直到一千公尺深的區域,稱為中層帶(mesopelagic zone),生物還能藉由這一點點的光線,來看到東西,這裡也稱作黃昏帶(twilight zone)

離開了中層帶,再往下潛就是進入真正的深海了。在一千公尺以下,科學家依四千、六千公尺為界劃分了深層帶(bathypelagic zone)、深淵帶(abyssopelagic zone)以及超深淵帶(hadopelagic zone)等區域。

在這樣的深海之中,生物的眼睛應該沒有什麼用武之地吧?如果這麼想可就大錯特錯啦。自從寒武紀淺海中,第一隻演化出感光能力的生物打響了生存競逐的槍響,自此誰能看的清、看的準就成了兵家必爭之地。正因為光線可以擴大生物的感官範圍,能夠掌握光線就再也不必瞎子摸象,能夠精準的掌握獵食、移動、避敵的效率,因此對海洋生物而言,即使是活在暗無天日的深海中,如果能掌握「光線」以及「視覺」的攻防戰,還是能享有獨特的優勢。

海洋生物的視覺攻防戰:透明、鏡像、色素、發光

海洋生物在視覺上的攻防不脫透明、鏡像、色素以及發光四項。

透明在許多動物的幼生時期都是相當普遍的伎倆,藉由讓自己的身體處於輕薄、無色素的情況,讓獵食者在茫茫大海中一眼望過去彷若無物;而鏡像則是在表層帶比較常見的手法,將身體表層藉由嘌呤之類的色素,讓體表呈現一片銀光閃閃,就好像在身體表面帶了一層鏡子般,能將背景的景象穿在自己身上,獵食者猛然一看,還真是看不出什麼東西來。

章魚也是海中生物視覺攻防戰的好例子,藉由色素的變化可以快速的融入環境中進行偽裝。圖/pixabay

色素就相當好理解了,在我們熟悉的陸生動物身上也很常見,最後一招就是照明了,既然深海裡沒有光線,那何不自己發光呢?不過生物是怎麼發光的,或者更進一步問,生物怎麼開始發光的呢?

科學家在 1998 年曾提出假說,認為生物發光(Bioluminescenc)最重要的成份──螢光素(luciferin)最初的功能,其實是做為「抗氧化劑」使用,由於在大海中充斥著光化學產生的氧化物,以及藻類為了禦敵而衍生出的毒素,如何對抗這些無處不在的「毒物」就成了生存的大問題。

科學家發現,有些螢光素雖然美其名是螢光素,但事實上在許多不發光的部位,甚至不發光的生物身上也大量存在,尤其是皮膚、肝臟、腸道等地方更是常見。在驗證了化學活性後,科學家認為螢光素一開始的確是用來中和掉環境中無所不在的氧化物。

深海一片漆黑,那就自己來發光吧!

而發光的契機,則發跡自生物向深海移動的路上。還記得前面提過的深海環境特徵嗎?無光、低溫與缺氧的條件,讓光化學與藻類在這邊毫無用武之地;同時也因為生物的新陳代謝降低,氧化物帶來的生存壓力大幅滑落,正是在這樣的環境中,這套抗氧化系統逐漸演化出了新的可能。

因為深海無光的環境,釋出的光線意外成為了生物在生存競爭上的新武器,至此,海洋生物開啟了新的生存競賽。

生物發光的用途相當廣泛,在防禦方面,生物可以在身體各處發出點狀、帶狀的光源,讓自己的輪廓顯得破碎,讓天敵認不出來眼前正是「食物的形狀」,因而錯過了一頓大餐;又或者當天敵靠近時,突然爆出一陣強光,就好像在一片漆黑的房間中開了一盞大燈,讓天敵睜不開眼,看不清楚眼前的視線,這時發光生物當然就可以逃之夭夭啦。

另外,有防守自然也有出擊啦!在月黑風高的路上如果看到遠方的燈火,是不是很吸引人呢?在海洋中生物也會利用光線來吸引獵物,讓獵物自己找上門來。

自備手電筒的燈眼魚與採用鏡像伎倆的櫛水母

燈眼魚就是個特別有趣的例子。在燈眼魚科 (Anomalopidae)家族下一共有六屬九種成員,這些魚的眼眶下方有著能翻轉的發光器,裏頭養著許多發光細菌。燈眼魚就像是我們用眼皮眨眼一樣,靠著遮蓋發光器與否,如同在海中帶了把可以自行開關的手電筒。

  • 影片說明:成群的燈眼魚在海裡游動,光點就像海中的螢火蟲。

燈眼魚帶著這個手電筒做什麼呢?曾經有人認為燈眼魚是為了與同伴溝通,才像燈塔一樣打著明明暗暗的光線,當作通訊訊號。不過在 2017 年,科學家在研究燈眼魚的成員之一的燈頰鯛( Anomalops katoptron)時發現,當周遭環境中出現食物時,燈眼魚會從一閃、一暗的打光模式,切換到長時間「開燈」的情況,這讓研究團隊推斷,燈眼魚其實是用這副手電筒尋找浮游生物來飽餐一頓。

燈眼魚除了打著燈用餐外,還有一套「閃帶跑」(blink and run) 的功夫,讓天敵措手不及。科學家在 1975 年就曾經藉由研究另一種燈眼魚──眼燈眼魚 (Photoblepharon palpebratus) 時發現,燈眼魚在游泳時會先「開著燈」,讓光線在水中畫出一套軌跡;緊接著馬上把燈關掉,這時捕食者按著軌跡推理,想必燈眼魚就在軌跡末端的前方了對吧?

想得美!燈眼魚早在「關燈」的那一剎那,轉身朝著反方向遊走!依據研究團隊所述,「根本無法推測關燈後的游泳方向」,是不是很讓人佩服燈眼魚的這一套光把戲呢?

另外,雖然同樣看起來像有發光,在櫛水母 (Ctenophores)身上就是個完全不同的故事了!櫛水母最知名的就是牠在泳動時,身上擺動的櫛板輝映著彩虹的光芒,讓人以為櫛水母正不斷「發出」彩色的光。

  • 影片說明:櫛水母在泳動時,身上擺動的櫛板輝映著彩虹的光芒。

還記得前面提過的「鏡像」伎倆嗎?櫛水母雖然也有自己的螢光素與螢光素酶,但一種螢光素與螢光素酶的搭配,往往只能放出單色的螢光,無法造成彩虹般的效果呀!我們在櫛水母身上看到的這層彩虹,其實是在白光的照映下被結構精細的櫛板反射、折射,就像是光碟反面一般映照出多彩的顏色。在漆黑無光的深海裡,生物們利用光線,讓彼此間的競爭提升到了新的維度。除了文章中提到的例子,你還能想到哪些用光線過招的生物呢?

深海可以講的故事實在太多了。因為環境所限,一般人難以親身進行觀察、體會這些生物奧妙之處。國立海生館今年度新開展了深海特展,首度在館中展出深海中的「夜光俠」燈眼魚。而在「究境海洋探索科技展覽」也展現了我們近年來對於深海的新發現。連假期間不妨去走走,親眼了解一下奇妙的「光之深海」吧!

參考資料

  • Bessho-Uehara, M., Yamamoto, N., Shigenobu, S., Mori, H., Kuwata, K., & Oba, Y. (2020). Kleptoprotein bioluminescence: Parapriacanthus fish obtain luciferase from ostracod prey. Science Advances, 6(2), eaax4942.
  • Haddock, S. H., & Dunn, C. W. (2015). Fluorescent proteins function as a prey attractant: experimental evidence from the hydromedusa Olindias formosus and other marine organisms. Biology open, 4(9), 1094-1104.
  • Hellinger, J., Jägers, P., Donner, M., Sutt, F., Mark, M. D., Senen, B., … & Herlitze, S. (2017). The flashlight fish Anomalops katoptron uses bioluminescent light to detect prey in the dark. PloS one, 12(2), e0170489.
  • Johnsen, S. (2014). Hide and seek in the open sea: pelagic camouflage and visual countermeasures. Annual review of marine science, 6, 369-392.
  • Morin, J. G., Harrington, A., Nealson, K., Krieger, N., Baldwin, T. O., & Hastings, J. W. (1975). Light for all reasons: versatility in the behavioral repertoire of the flashlight fish. Science, 190, 74-76.
  • Rees, J. F., De Wergifosse, B., Noiset, O., Dubuisson, M., Janssens, B., & Thompson, E. M. (1998). The origins of marine bioluminescence: turning oxygen defence mechanisms into deep-sea communication tools. Journal of Experimental Biology, 201(8), 1211-1221.

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》