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是誰住在深海的大煙囪裡?海底熱泉的秘密

陳俊堯
・2015/12/22 ・3032字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 488 ・五年級
source:sciencedaily
source:science daily

海底,是個我們到不了看不到,只能想像的世界。而且就算你到了那裡,也還是看不到四周的景物,因為陽光照不到那樣的深度,只能依靠深海潛艇的微弱燈光觀察鏡頭前的那一點小世界。不過在累積了這些年的研究成果,我們現在知道在深海,即使不像陸地或珊瑚礁那麼熱鬧,也還是有著豐富的生命現象。而在大陸板塊的交界處(例如印度洋洋脊),比較容易有地熱活動,而在這些地區的生命活動更是活躍,在死寂的海底世界裡倒像是個綠洲一樣。

 IODP Expedition 360 計畫預計在印度洋洋脊(Indian Ridge)轉形斷層附近的 Atlantis Bank 地區進行深鑽,最終希望可以真正到達海底下 5 到 6 公里深的地方,帶些樣本回來,看看裡頭長了些什麼樣的生物。

印度洋西南洋脊(South West Indian Ridge)向兩側張裂的移動速度,是目前在各洋脊裡面是第二慢的。這也代表在這裡的地底下藏著的那個惡魔力量,相對來說比較小。但是即使是這樣,這個區域的地熱活動還是不少,目前已經有好多個海底熱泉被發現了。海底熱泉是在海底出現的熱泉(廢話),從海底的裂縫向外噴出在地底流過高溫岩層的水,像個溫泉一樣。在討論地底下有什麼生物之前,讓我們先來看看在印度洋西南洋脊的海底熱泉是個什麼樣的景觀。

正常釋放來自地底的能量

除非你是地質學家,不然我們這些生活在地表上的生物,是很難察覺到這股隱藏在地底下的能量的。不過大家對地震這種”正常能量釋放”倒是挺熟悉的,只是這種程度的能量不是生物有本事可以拿來使用的。另外一種你有機會在地面上看到的地底能量是地熱,激烈一點的以壯觀的火山爆發出場,溫和一點的可能是你熟悉的溫泉。

這些地熱活動不只釋出熱能,也把原本在地底的化學物質跟著熱水給送了出來。舉個例子來說好了,過去我在瑞穗溫泉區收集了剛從地底湧出的泉水,裝進桶子裡帶回花蓮的實驗室。瑞穗的溫泉水裡富含鐵質,有很多二價鐵離子。這些不知道在地底待了多久的鐵,在被我裝進桶子裡後碰到空氣裡的氧氣,在短時間內被氧化成三價鐵,跟氧結合變成黃色的沉澱。半小時後當我回到位於花蓮市慈濟大學的實驗室時,原本澄清的溫泉水裡就多了好多黃色的沉澱物。這也是正常能量釋放;二價鐵氧化放出能量,只是沒有生物來得及利用它們而已。

來自地底的暗黑能量讓海底熱泉成為生命之泉

印度洋西南洋脊是個板塊交界帶,難免有些裂縫。這些通往地底世界的小窗口,可能以海底火山,或是以海底熱泉的方式出現。我們先來談談海底熱泉是個什麼樣的地方。海底熱泉和你會去泡湯的溫泉完全不像,它絶對不是像溫泉池那樣光亮開闊的環境,因為沒有光可以從海面一路到達這麼深的海底,所以這裡是個一片黑暗的世界。地面上的世界由植物/藻類/細菌來把陽光裡的能量轉變成化學能,這些光合生物再利用這化學能,把二氧化碳變成葡萄糖,養活其它生物,這是我們熟知並且賴以維生的光合作用。那在沒有光的海底呢? 沒有光,就沒有光合作用的可能了。但是深海潛艇在這種環境裡的確拍到很多生物,包括有著鮮紅外鰓的管蟲,以及像精美小瓷器的螃蟹。牠們到底是吃什麼東西活下來的呢?

這裡一切的養份來源都要靠住這裡的化學自營細菌(chemolithoautotroph)來提供。在這個環境裡,化學自營細菌取代了綠色植物的功能,擔負起養活整個生態系的責任。從地底源源不絶流出來的水裡富含一些在被氧化後可以放出能量的分子,包括硫化氫、甲烷、氫氣、小分子有機酸等等。

住在這裡的細菌利用這些分子反應後放出來的能量,就像綠色植物利用光能來生活一樣。綠色植物利用這些能量來把二氧化碳變成葡萄糖餵養自已和動物,細菌也利用地底能量來做相同的事,成為養活這裡各種動物的食物。我們把這個重要性等同於光合作用的反應稱為化合作用(chemosynthesis),在沒有光的海底世界,這個作用支撐著這裡數量龐大的生物族群。

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在東北太平洋海底的 Sully 黑煙囪,以及附近成群的管蟲。 Source: NOAA

印度洋西南洋脊的海底熱泉

海底熱泉不停向外噴出熱水。而這些熱水遇到冰冷的海水立刻降溫,裡面的溶質就沉澱了下來,在泉水噴口附近堆成小山狀的”煙囪”。科學家在印度洋西南洋脊已經找到一些海底熱泉,這些海底熱泉跟過去在其它地方研究過的海底熱泉不太一樣。這裡的泉水溫度較低,噴出來的水裡富含硫化氫。因為硫化氫是黑色的,所以這樣的熱泉被歸類為”黑煙囪”(black chimney, black smoker)。一群來自香港和中國的科學家前陣子發表了一篇研究報告,仔細”解剖”了一個編號 S35 的黑煙囪,以及一個顏色略偏褐色、編號 S32 的褐煙囪,研究煙囪裡每個部位裡有些什麼細菌,想辦法知道住在那裡的細菌在做什麼。

他們研究的這個黑煙囪噴出的水,溫度大約是在 80 度左右。因為水裡有很多硫化氫,所以住這裡的細菌不意外的以能利用硫化氫的菌種居多。泉水從黑煙囪噴出來之後就直接接觸到煙囪外部,於是在那個地方就有很多能氧化硫化氫的細菌等著利用這些好料。這些細菌把硫化氫氧化放出能量,再利用這能量來把二氧化碳變成有機物存下來。而住在這裡的動物們,例如 Shinkaia crosnier 柯氏絨鎧蝦,就拿這些細菌來當食物

柯氏絨鎧蝦身上長了很多這些能利用硫化氫的細菌,細菌直接在殼的外面生長,相連拉成細絲狀,像是全身掛滿了流蘇裝飾。柯氏絨鎧蝦這樣把食物種在自己的身上其實很方便,餓了就把這些細菌條一根根扯下來當點心吃。在很多海底熱泉環境都可以看到管蟲,牠們更厲害,直接在身體裡養這些細菌,靠這些共生細菌來提供養份,連腸子都不需要自己長了。

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柯氏絨鎧蝦 (Shinkaia crosnieri). Source: Daiju Azuma (CC BY-SA 2.5)

沒有氧氣,誰還在呼吸?

在黑煙囪結構的外層,因為能接觸到大量剛從煙囪排出的硫化氫,這裡出現的是拿硫化氫當能量來源的細菌,會把硫化氫氧化掉變成硫再變成硫酸。我們來談談住在黑煙囪的另一類細菌。氧氣對動植物的存活來說很重要。我們細胞裡的能量有一部份是靠電子傳遞鏈來提供,而電子傳遞鏈需要有氧氣的持續供應才能正常運作。在黑煙囪結構的深處,因為碰不到有氧氣的海水,又有細菌不停消耗氧氣,於是這裡慢慢就變成了個沒有氧氣的環境。住在黑煙囪裡的細菌也要呼吸,只是當環境裡沒有氧氣時,它們轉而使用硫酸根離子來維持電子傳遞鏈的運作。這也是一種呼吸作用,只是不用氧氣,所以被稱做無氧呼吸(anaerobic respiration)。

住在黑煙囪內層的是靠無氧呼吸來生活的細菌。這些細菌可以從湧出的泉水裡得到煙囪裡的氫氣及有機養份,能量滿滿,但是需要像硫酸根這種硫的氧化物來維持電子傳遞鏈正常運作,被利用完的硫酸根變還原成硫化氫丟棄。而這人家丟掉的硫化氫,正是在黑煙囪外層的細菌期待著的能量來源。內層外層沒多遠,但是住著的是截然不同的兩類細菌。從能量上來看,這裡真的是一個極度貧富不均的社會。如果我們把能量和細菌改由錢和人類來想像,這裡的細菌社會裡有一群有錢得要死的人(內層的異營性細菌),它們把用完剩下不要的東西(硫化氫)當垃圾丟掉。而有一些賺錢辛苦的人(外層的化學自營細菌),把別人丟掉的東西(硫化氫)撿回來,當做養份來養家活口。只要能活下去,細菌什麼都可以做呢。

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。


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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。

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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》