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從吳郭魚到台灣鯛——科學史札記(三)

張之傑_96
・2016/03/22 ・1820字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 480 ・五年級

一九四六年,日本投降後第二年,許多被徵調到南洋的台灣兵集中在新加坡等待遣返。四月十九日,遣返的前一天,兩位年輕人越過養殖場的三層鐵絲網,脫下內衣當漁網,撈取了孵化約五天的「帝士魚」魚苗數百尾,放入帶來的空鳳梨罐中。這兩位年輕人就是吳郭魚的傳引人吳振輝和郭啟彰先生。

吳振輝與郭啟彰(左),民國四十年八月接受省主席嘉獎時留影,題「吳郭魚傳殖人」。
吳振輝與郭啟彰(左),民國四十年八月接受省主席嘉獎時留影,題「吳郭魚傳殖人」。

郭啟彰把這些魚苗裝入水桶,放在營門角落,以便次日攜返台灣,不料被同袍誤以為是髒水倒入水溝,在同伴的協助之下,好不容易才從水溝裡捉回20尾。從新加坡到基隆的十天航程中,郭啟彰以自己配給的生活用水為魚苗換水,細心照顧,回到旗津老家,只存活十三尾。這十三尾魚苗就是台灣吳郭魚的祖先。

郭啟彰(1912~2000),高雄市旗津人,生於高雄中洲魚民家庭,小學畢業後,進入高雄商業補習學校,二年畢業,任職中洲派出保甲事務所書記,第二年轉任中洲漁業組合書記,曾獲公費赴日本考察水產養殖。一九四三年,調往新加坡服役,軍方借重他的養殖經驗,分派他到養殖場養「帝士魚」。郭氏發現「帝士魚」的生態習性很適合台灣,就打定主意將這種原產東非的魚類魚引進家鄉。

吳振輝(1907~1979),屏東縣人,小學畢業後負笈東瀛,後入京都帝大農學院經濟部,畢業後任職東北滿州鐵路公司。戰時被派往蘇門答臘擔任調查員,一九四六年在新加坡等待遣返時結識郭啟彰,共同前往撈捕帝士魚苗,由郭氏帶回台灣。吳先生返台後曾任教台大,旋任職農復會及農林廳,六十五歲屆齡退休。

郭啟彰於一九四六年秋,把繁殖出的近百萬尾魚苗,分別放養於嘉南大圳、麻豆埤、嘉義紅毛埤、恒春龍泉潭等處,不久就分佈全台各地。這種源產東非的慈鯛科魚種,日本稱為「帝士魚」,剛引進時人們習稱「南洋鯽仔」。一九四八年,高雄縣縣長毛振寰先生為了感念郭啟彰在高雄縣大貝湖(澄清湖)放養成功,乃按兩人姓氏,將南洋鯽仔命名為「吳郭魚」;吳振輝年紀較長,故敘姓在前。一九四九年,台灣省政府農林廳正式發布將此魚命名為「吳郭魚」。

吳郭魚。圖/wikipedia
吳郭魚。圖/wikipedia@Destinationkho

經水產單位研究,發現吳郭魚適合水田放養。一九五一年起,農林廳開始推廣吳郭魚稻田養殖,除了收成魚獲,還可以減輕水稻的病蟲害、節省水田的肥料、減少除草的次數。一 甲稻田一年約可收穫一千台斤吳郭魚,對農民來說,是一項重要的額外收益。

然而,目前台灣養殖的吳郭魚,已非郭、吳二人引進台灣、養在水田裡的土種吳郭魚(Oreochromis mossambica)。一九六三年自非洲引進較為耐寒的「吉利種吳郭魚」(Tilapia zillii),後因肉質較差已遭淘汰。目前仍有養殖的「尼羅種吳郭魚」(Oreochromis nilotica),俗稱尼羅魚,係一九六六年由台灣水產試驗所(下稱水試所)鄧火土所長及海洋大學游祥平教授自日本引進。之後陸續引進多種吳郭魚,例如「歐利亞種吳郭魚」(Oreochromis aurea),於一九七四年由廖一久、曾文陽、黃丁郎等人自以色列引進;「賀諾魯種吳郭魚」(Oreochromis hornorum),於一九八一年由黃丁郎自哥斯大黎加引進;「黑邊吳郭魚」(Tilapia rendalli),於一九八一年由廖一久院士自南非引進。「紅色吳郭魚」(Oreochromis sp),俗稱紅尼羅魚,是一九六八年由水試所郭河所長選種雜交成功的。

一九六九年,郭河所長以莫三比克吳郭魚(Oreochromis mossambicus)雌魚與尼羅吳郭魚(Oreochromis niloticus niloticus)雄魚雜交,育成「福壽魚」,從此台灣吳郭魚養殖進入快速發展階段。一九七五年,水試所更以尼羅吳郭魚雌魚與歐利亞吳郭魚雄魚雜交育成單雄性吳郭魚,俗稱「單性吳郭魚」。吳郭魚的雄魚體型較大,單性魚不但體型大,且成長迅速,使養殖成本降低、利潤提高。此後水試所大力推廣「單性吳郭魚」,使吳郭魚養殖進入商業化階段,並開始出口至歐、美、日本等國。經過多年的研究、改良與認證,逐漸成為獨特種系, 約二○○二年業者將之稱為「台灣鯛」,用於內銷及外銷日本,外銷歐美國家則稱為Taiwan Tilapia,是台灣最具經濟價值的一種養殖魚類。(作於2012年6月28日)

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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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虱目魚、吳郭魚、石斑魚,快來認識帶來餐桌美食的水產養殖!
Suzuki
・2019/11/27 ・4263字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 國立海洋生物博物館 委託,泛科學企劃執行

愛吃海鮮存在台灣人的 DNA 中,無論是巷口虱目魚粥的風味,或是夜市裡的炸蚵嗲攤都是許多人的心頭好,想著想著,乾脆週末揪一團去熱炒店大啖肥嫩的龍虎斑好了!

你知道嗎?這些餐桌上的海鮮佳餚都是來自水產養殖!多數人對水產養殖的印象,好像只停留在魚塭池和打水馬達,到底養殖漁業在養什麼?養魚有什麼眉眉角角,泛科學專訪台灣大學漁科所王永松老師來為大家解答。

台灣養殖漁業產值佔漁業總產值四成

台灣人愛吃海鮮其來有自,台灣位在全球最大的大陸棚邊緣,又有黑潮通過,所以漁獲量多、魚種多樣性也高。除了遠洋近海魚業外,養殖漁業也相當發達。去(2018)年台灣水產養殖產量高達 28.3 公噸,產值高達369 億元,佔台灣漁業總產值的四成註1

資料來源:2018 年漁業署漁業統計年報;製表:簡鈺璇

水產養殖包含觀賞魚養殖及食用魚養殖,本文主要討論食用面的水產養殖。食用魚養殖根據養殖的水質和地區分為:淡水魚塭、鹹水魚塭及海面養殖三大類。

淡水養殖與鹹水養殖都是在內陸設置魚塭,常見淡水養殖有鰻魚、泰國蝦、吳郭魚;鹹水養殖包括石斑魚、虱目魚。海面養殖則是將魚塭設於海上,像是箱網養殖或淺海養殖,牡蠣、文蛤和海鱺都屬此類。

台灣魚塭主要分布在雲林、嘉義和台南,不同魚種的養殖方式不同,以下介紹台灣常見的養殖魚種。

台南七股魚塭大多以淺坪式魚塭為主,養殖種類包括:文蛤、草蝦及虱目魚。圖/wikipedia

台灣人最愛吃的魚——虱目魚、吳郭魚

虱目魚的魚塭面積是全台之最,吳郭魚則是產量最大的魚種,兩種魚種產量相加約有 11.6 萬公噸,佔養殖魚產量的四成左右。王永松表示,吳郭魚和虱目魚屬於廣鹽類魚類,可以適應淡水和海水環境,且不容易生病,相當好養殖。

虱目魚的養殖的紀錄至少可追溯至鄭成功治台時期。民間流傳許多「鄭成功與虱目魚」的逸聞,如據傳鄭成功來台吃到虱目魚覺得好吃,就問漁民說:「什麼魚?」當地人以為鄭成功替虱目魚命名,就把它叫做「虱目魚」(什麼魚的諧音)。王永松提到,當時漁民就會把魚苗養在魚塭中,顯見虱目魚的養殖歷史悠久。

不過,早期養殖技術不佳得撈野生魚苗來養,魚苗的來源受制於野生族群因此十分不穩定。一直到 1979 年才發展人工繁殖方式,以賀爾蒙催熟虱目魚,讓魚提早性成熟,現行則改以飼料調配讓魚自然產卵,這才讓虱目魚成功走上穩定量產之路註2

虱目魚是台灣常見的魚種。圖/wikipedia

相較於虱目魚需要五、六歲才能性成熟,需特別培育種魚育種,吳郭魚在四個月就能達到性成熟,可以一直生一直生,很快地池子就會塞滿魚。此時,養殖業者又頭痛了。王永松表示,母魚產卵後成長速度就變慢,加上池子內魚太多,大家營養不良,價格就不好。

因此,吳郭魚必須要「公母」分開養殖,且以體型較大的公魚作為主要的經濟魚種,母魚僅是交配的種魚。王永松提到,常見方式有以超雄性(YY)的吳郭魚和母魚配種,生出來的就都是公魚,抑或是在魚苗時期以含有激素的飼料控制魚的性徵,確保魚苗皆呈現雄性的性狀。

吳郭魚是台灣常見魚種。圖/農委會

然而,吳郭魚土味重不受大家歡迎,王永松表示,部分業者會讓淡水養殖的吳郭魚販賣前「過海水」兩三天、去土味。之後養殖業者改良飼養方式,以乾淨海水養殖吳郭魚,鹹魚翻身變「潮鯛」,肉質鮮美可作為生魚片,成功進軍日本市場註3

好料上菜 產值最高的魚種——石斑魚

每當餐桌上出現清蒸石斑,就知道這場宴客不簡單,不是婚宴就是重要的家庭聚會。常見的石斑魚種類有青斑(點帶石斑魚)、龍膽石斑(鞍帶石斑魚),及老虎斑和龍膽石斑混種的「龍虎斑」,皆以鹹水魚塭養殖為主。

石斑養殖皆以海水養殖,而這是石斑魚養殖池。圖片提供/王永松

魚種不同,價格也落差很大。根據去年漁業署資料,青斑池邊均價一公斤大約 240 元左右,龍膽石斑則是 375 元註4。隨著中盤商、零售商到餐廳,石斑魚的價格節節升高,到餐桌上一尾膠質肥厚的 90 公分龍膽石斑,喊價一公斤 800 元也是有可能的。

「石斑魚價格高昂,除了肉質鮮美外,最主要是牠很難養,又要養很久。」王永松表示,石斑魚苗從孵化到長成 2 吋苗這段期間,容易被神經壞死病毒和虹彩病毒感染,一旦養殖池環境不好、魚免疫力降低,病毒就易好發,死亡率高達八成以上。

為了分散風險,王永松以龍膽石斑為例,說明石斑養殖業者發展出「三階段」的養殖型態:

  1. 魚苗孵育場:受精卵至孵化為白身苗,大約 48 天,一尾約 8-16 元。
  2. 中間育成場:白身苗養至2吋魚苗,大約 48 天,一尾約 32 元。
  3. 成魚養殖場:2 吋魚苗至成魚至運銷端,養殖期 2-3 年,一公斤 375 元。

(上述價格為池邊交易價)

圖為石斑魚孵出三天的樣貌,全身透明狀尚未染色,又稱為白身苗(圖片提供/王永松)。

王永松表示,養魚賺頭大,風險也高。舉例來說,面臨颱風來襲,養殖業者就得做好準備,備好發電機、蓋好帆布,稍有不慎就可能百萬的心血付之一炬。因為數量太少無人收購。許多漁民看到價格差,甚至寧可放水流,重養一批。除此之外,養殖的日常也十分辛苦,王永松開玩笑表示,養殖業者曾歡迎他去養魚,「不過四點就要起床餵魚,一天要餵五餐!」可見養殖業並不輕鬆呢!

石斑魚是肉食性的兇猛魚種,易有彼此相食的現象,一殘殺起來,池裡的魚就更少了,所以養石斑魚就要讓牠們吃飽。

圖為龍虎斑,牠集合「老虎斑」會吃、肉細緻,以及「龍膽石斑」體型大隻、肉膠質多的優點,是現行很夯的養殖魚種(圖片提供/王永松)。

解不開的秘密  台灣努力30年仍無法人工繁殖鰻魚

儘管石斑魚產值這麼高,那麼養鰻魚產值不就更高嗎?在日本一份蒲燒鰻魚飯 500 元起跳呢!王永松表示,鰻魚價格高是因為至今全世界還沒有找到人工繁殖鰻魚苗的方式,所以目前飼養的鰻魚,都是在出海口抓準備進入河川長大的玻璃鰻(鰻線),來作為鰻苗來養殖。

當玻璃鰻無法回到河川長大,再返回大海產卵,漸漸地鰻魚苗就會減少,價格也就提高了,目前常用來作為蒲燒鰻的日本鰻,已被國際自然保護聯盟(IUCN)評為瀕危物種。

為什麼鰻魚生殖秘密難以被破解呢?為什麼日本鰻難以完全人工養殖呢?

王永松表示,以日本鰻來說,牠一生只會產一次卵、一次精子,但難以掌握牠「性腺發育」的時機,過往從未有人看過一隻抱卵的野生母鰻魚,我們僅推知牠在台灣、日本或韓國河中長大後,會再回到太平洋中產卵,而現行人工飼養的鰻魚若不使用特殊的方法催熟,牠一輩子都不會性腺成熟。

人工繁殖鰻魚抱卵時,母鰻魚肚子膨脹很大,一次可產出100-600萬顆卵,鰻魚產卵、產精後就會死亡(圖片拍攝/簡鈺璇)。

王永松提到,早在 20、30 年前就有用「鮭魚腦下垂體」混合「促進性腺激素」注射催熟日本鰻,確實讓鰻魚性成熟,並成功孵出不到 5 釐米的透明小鰻魚,可是大都在 6、7 天就夭折了!

鮭魚腦下垂體常用於鰻魚催熟(圖片拍攝/簡鈺璇)。

人工孵化 42 小時的鰻魚,不到 5 釐米、魚身相當纖細,得用顯微鏡才看得清楚(圖片提供/王永松)

至今學界都還在努力解開難題,而台灣也努力了快 30 年,今年日本宣佈已成功將鰻卵成功養殖成鰻註五。對此,王永松卻保守地認為,日本應該不算完全成功,一是還不知道養殖方式,二則是鰻魚一次可產卵 100 萬顆至 600 萬左右,若只有幾隻可以長至成熟的鰻魚,也許有些是機率的問題。

鰻魚吃什麼、何時變態、喜歡在什麼環境產卵,還有好多事情是未知的。王永松表示,在未解開鰻魚之謎以前,保育工作要先做好。

養殖業者與科學家在養殖上投注許多心力,為了就是保護自然生態,避免野生魚源枯竭,破壞生態平衡,當我們有了這個省思後,就不必執著於吃野生現撈了,因為養的「嘛足 tshinn」(台語「很新鮮」的讀音)啊!!

參考資料

  1. 2018年漁業署漁業統計年報
  2. 水產試驗所特刊第9號
  3. 漁業署《漁業推廣》雜誌第284期
  4. 2018.10.29漁業署新聞稿
  5. 財經新報〈日本研究機構實現鰻魚完全人工養殖,朝向能量產的「完全飼養」目標邁進

「水產養殖實境探索」特展 10 月 25 日海生館登場

教育部技職司與國立社教館所辦理的職業試探體驗計畫,由國立屏東科技大學與國立海洋生物博物館合作的「水產養殖實境探索」特展,將於 10 月 25 日在海生館世界水域館 3 樓盛大開幕,藉由特展中介紹水產養殖業的各項面貌與科技化經營模式,吸引更多學生投入相關職涯產業。

台灣為生物多樣且水產養殖種類繁多的海島國家,根據政府統計資料顯示水產養殖從業人口逐年老化,年輕人投入此產業相當有限。目前國內大多數人對於水產養殖相關工作,停留於做苦力與低階工作的印象,事實上隨著國人對於環境保育與食物衛生安全的注重、生活水準提升,與產業科技進步,水產養殖生產模式逐步改變為精緻性且為技術導向,並著重管理的新興產業。

對此,本次特展透過 360 度 VR 虛擬實境探索的方式,幫助民眾了解台灣水產養殖的在地特色與養殖方式,以水產養殖相關的互動遊戲,了解養殖達人在實際操作漁具時的小技巧與藉由大自然結合產出的知識,並在現場以 IOT 物聯網科技的方式,執行養殖場的管理與操作,讓養殖變得更加便利與精簡,以翻轉社會大眾對於水產養殖產業的刻板印象。

「水產養殖實境探索」展期為 108 年 10 月 25 日至 110 年 12 月 19 日,歡迎蒞臨海生館世界水域館3樓,以實境方式探索水產養殖產業。

本文由 「國立海洋生物博物館」委託,泛科學企劃執行

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海洋「酸民」的生存之道
研之有物│中央研究院_96
・2017/09/13 ・4414字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

隨著人類大規模排放廢氣與污染物,海洋環境趨向高溫和高酸度,台灣周遭的海洋生態也因此逐漸變化。中研院細胞與個體生物學研究所的曾庸哲助研究員,透過對多種台灣臨海生物的生理學、生態學研究,發現「代謝能力的演化」是適應極端化環境的關鍵。

礁溪海邊神秘基地:臨海研究站

宜蘭礁溪 191 縣道兩側遍佈魚塭與田野,在零星農舍之間,矗立著幾棟潔白的三層建築,最寬闊的主建築牆上漆著「中研院臨海研究站」。 攝影/林婷嫻

迄今成立十五年,和中研院隔著雪山山脈,距離海岸僅兩公里的臨海研究站是許多台灣生物學工作者、甚至中研院同仁也還不知其名的低調單位。

臨海研究站具備室外的十多個戶外養殖池,在室內有許多游泳池大小的養殖池,有些水深及腰,在走道上可以看見池內將近一米長的石斑整群游動。隔壁池則是可以調節體色、隱匿在池水中的軟絲、花枝。深達四米的巨型池尚未啟用,未來將作為海底生態系的模擬實驗空間,甚至需要潛水到巨型池裡做研究。

中研院臨海研究站的部分環境。 攝影/林婷嫻;圖說重製/張語辰

這裡簡直是相關研究的天堂!我們的設備完全不輸國外研究站,我們需要的是能讓設備動起來的人才。

曾庸哲是研究站最年輕的助研究員,但他對臨海研究站的學術定位以及發展藍圖卻有著宏大的想像。在他的心中,台灣是海島國家,在海洋研究上有很明確的優勢,去年被派駐到臨海研究站,對自己設定的目標就是──讓這裡成為具有國際競爭力與知名度的研究單位。

台灣應該要發展的是,有地方特色的基礎生物學研究。我們不應該再繼續用別人、別的地方的標準套在自己身上。

曾庸哲對臨海研究站的期許並不只是本著新任研究員的熱血,他強調,宜蘭外海處在亞熱帶與熱帶區域交界處,也是重要的鰻魚洄游場,具有豐富的生物多樣性。當地沿岸有黑潮與湧升流交會,來自深海的湧升流帶給黑潮豐富的營養鹽,滋養大量浮游生物,成為其他海洋生物的重要營養來源,是值得投入精力研究的複雜生態系統。

被問到為何在臨海研究站進行研究,曾庸哲說:「我想了解活著的生物的樣子,不只是死掉以後。」 攝影/林婷嫻

他研究台灣周遭的海洋生物如何適應逐漸極端化的環境,並以動物行為學、演化生理學、解剖學、生態學等多面向的角度,建構宏觀的系統生物學,從中尋找可協助人們面對極端氣候的知識。

他曾經以台灣近海的海水進行研究後投稿,卻被編輯質疑「為何使用已酸化的海水實驗?」曾庸哲說:「在地的生物學研究不應該為了符合外地標準而改變實驗條件,中國的大量排廢早已影響鄰近的海洋酸度了。於是我直接回答『因為台灣周遭的海水實際上就是酸度較高。』後來那篇研究反而得到很多引用次數。」

這些生物如何適應這麼劇毒、嚴峻的環境,未來的海洋環境可能就是這樣,我們有必要了解牠們是如何適應,以瞭解未來生態系的演變。

海底火山劇毒環境的居民:烏龜怪方蟹

宜蘭外海的龜山島是一座年輕的活火山,周遭海底還藏有將近 60 處噴口,間歇地湧出超過攝氏 110 度的強酸性硫磺泉與火山濃煙。噴口熱泉含有純度高達 99% 的元素硫以及有毒火山氣體,使噴口周邊的海水 pH 值遠低於其他海域,硫磺礦覆蓋著海床,幾乎沒有動植物可以適應如此高溫強酸的環境。

物理條件嚴酷、缺乏初級生產者的龜山島周邊海床,卻是曾庸哲與國際團隊合作的研究對象「烏龜怪方蟹 (Xenograpsus testudinatus)」的密集棲地。 圖片來源/Strong Ion Regulatory Abilities Enable the Crab Xenograpsus testudinatus to Inhabit Highly Acidified Marine Vent Systems

牠們從海平面下 3 公尺的淺海床,分佈到 20 公尺下的較深海底,每一平方公尺平均超過 300 隻。烏龜怪方蟹體寬 2~3 cm,相對於人們印象中的螃蟹,牠們體態嬌小、動作溫馴緩慢,甲殼並不特別厚實、雙螯也短小,卻是該棲地的最優勢物種。

曾庸哲和團隊成員在採集烏龜怪方蟹的過程儘管有潛水裝備保護,依然飽嘗環境的艱辛。他笑著說:「湧泉的氣味非常臭,烈日曝曬下,我幾乎把胃裡的食物全部吐出來。回家休息時,棉被枕頭都是硫磺味。就算洗過澡也一樣。」

個頭小小,卻能憑著「代謝能力」適應高溫、強酸、劇毒環境的烏龜怪方蟹。 攝影/林婷嫻

烏龜怪方蟹真的很弱,人就算被牠們夾到手指也不會喊痛。牠們缺少捕食能力,靠著撿食落到「海洋雪」維生。海洋雪是淺海浮游生物在海流較弱時,被垂直上升的高濃度火山口噴出物殺死,死去的浮游生物如雪片般沉降到海床上。此時烏龜怪方蟹就會從礁岩隙縫中蜂擁而出,撿食海洋雪。一旦海流增強,火山噴出物隨之轉向,海洋雪就會停止。

「海洋中有很多食腐動物,只有怪方蟹適應這裡的淺海熱泉噴口區域。我最好奇的是,牠們怎麼能夠適應這麼高濃度的硫以及如此酸的海水?」曾庸哲透過生理學實驗發現,烏龜怪方蟹可以製造碳酸氫根,螯合體內的氫離子,以調節體內的酸鹼值。並有很強的排硫能力,甚至可以將「硫」轉換成類似硫磺酸的能量來源。

烏龜怪方蟹體內的「氫幫浦」假設模型。資料來源:Strong Ion Regulatory Abilities Enable the Crab Xenograpsus testudinatus to Inhabit Highly Acidified Marine Vent Systems 。圖說重製/林任遠、張語辰

烏龜怪方蟹貌不驚人,但運用「碳酸氫根離子」調節「氫離子」的生理能力是一般魚類的 50 倍左右,而牠們的鰓代謝能力也比其他螃蟹更強、更豐富。我們正在探索這些能力的來源。

海水酸化後,軟絲、花枝會怎麼生存?

罕見的烏龜怪方蟹之外,台灣餐桌上常見的軟絲(萊氏擬烏賊,Sepioteuthis lessoniana)、花枝(虎斑烏賊,Sepia pharaonis)和吳郭魚(Oreochromis mossambicus)也是曾庸哲的研究物種。

曾庸哲說,軟絲活動量非常大、移動能力強,代謝率平均是一般魚類的兩倍,足以在海裡和魚類競爭食物。牠們可以透過體色變化和配偶溝通,並且在產卵後會有清理、移動卵囊等育幼行為。下面影片中可看到,與軟絲同為頭足類的花枝爸媽,正將卵囊移動到環境比較好的地方,例如氧氣比較充足之處。

曾庸哲強調,軟絲、花枝這些頭足類非常聰明,堪稱「海中的靈長類」。對棲地很敏銳,根本不會前往劣化的環境繁殖,可以視為一種環境指標。軟絲喜歡棲息於淺海礁岩區,特別是珊瑚礁地形,牠們會將條狀的白色卵鞘產在珊瑚分枝或海草之間。但近年來台灣週遭海域前來產卵的軟絲族群明顯地減少,正是環境污染破壞珊瑚礁生態,進而影響軟絲行為的結果。

臨海研究站獨有的巨大室內養殖空間,讓曾庸哲得以養育數對軟絲,觀察牠們的適應能力。他說,「頭足類需要非常乾淨的海水,研究站裡的海水從兩公里外以高壓幫浦運送,再行過濾和臭氧殺菌並控溫,可以讓軟絲的卵免於氧化壓力。」

透過酸化適應力實驗,曾庸哲發現軟絲可以有效利用「銨離子」調節體內的酸鹼值,而相對於章魚等其他頭足類生物,軟絲有更強的酸化適應力。

在 pH 8.1 的海水中,軟絲在鰓管腔進行銨離子調控,讓體內血液維持在 pH 7.4 。 資料來源:Branchial NH4+-dependent acid–base transport mechanisms and energy metabolism of squid (Sepioteuthis lessoniana) affected by seawater acidification 。圖說重製/林任遠、張語辰

但是酸化的環境,卻仍然會使軟絲的卵難以順利孵化。曾庸哲提醒:即使我們刻意將竹叢丟進東北角沿海,吸引軟絲來產卵,但海洋酸性卻一直提升,那麼恐怕難以讓軟絲回來。

和軟絲同為頭足類的花枝寶寶,住在像嬰兒房的卵囊裡。若海水溶解過多二氧化碳而酸化,花枝寶寶會透過銨離子調控平衡體內酸鹼,但最後整個卵被包在充滿阿摩尼亞的液體中,難以孵化。 圖片來源/曾庸哲實驗室

一代不如一代?吳郭魚的生存策略

在軟絲的養殖槽隔壁,就是吳郭魚的養殖區。曾庸哲對吳郭魚的研究起點是養殖業者的實際困難──寒害。他說:「漁政單位經常在寒害前呼籲養殖業防寒,但是目前沒有真正具備優越效果、成本划算的實際辦法。於是我想到了最傳統的方式,也就是育種。」

經過長期實驗,你才會透過跨世代研究了解生物告訴你的故事。沒有想當然耳的演化。

曾庸哲在中研院觀察到四分溪裡的魚會逆流,得到的啟發不是「人要奮發向上」,而是透過測試逆流能力,來培育耐低溫的吳郭魚品系。四年來,他持續在不同溫度進行實驗,發現野生種的吳郭魚在攝氏 22 度的逆流能力,只有 27 度時的一半左右。而能適應低溫的吳郭魚品系,到第三代時血液中的「游離胺基酸」等生理數值確實開始出現變化,到了第四代,他卻有了意外的發現。

「耐低溫品系的第四代,不論是在常溫或是低溫下,逆流能力的表現都比野生種更弱。我們原本的假設是會愈來愈強,結果居然相反。」這種變化的原因還不確定,但是目前曾庸哲如此假設:耐低溫品系的親代可能會傳遞化學訊息給子代,讓子代發育成「比較擅長保留能量」以適應低溫逆境的性狀。因為逆流能力強、能量消耗較高的個體,較難在低溫下生存。

跨世代研究,找出生理演化的原因

曾庸哲說,透過跨世代的遺傳性狀觀測,人們才能發現酸化、暖化的海洋對生物的實際影響,這些影響經常在我們的意料之外。例如酸化的海水會使某些魚類的子代排酸能力大幅增強,但是再下一代的個體在酸化環境之中會變得非常緊張,難以正常行動。

他強調:「我們可以發現某些生物對逆境是耐受型,另外一些是敏感型,這不代表下一代就會更為耐受或更敏感。」因此,曾庸哲團隊正以跨世代實驗,研究酸化是否會影響海洋生物的行為、棲地的範圍,以及其卵子、精子的環境耐受性與游動能力。

知道去哪裡找到答案,知道知識在哪裡,比死背知識重要。

研究橫跨多領域的曾庸哲說,自己是個大器晚成型的學生,在大學時花費更多時間在課外娛樂,到博士班階段才開始大量閱讀,累積知識形成未來研究主題。他覺得學生最重要的特質不是知識的多寡,而是求知慾的高低。他說,「不懂不代表笨,問就好了。」

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