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一次搞清楚造礁珊瑚與寶石珊瑚

活躍星系核_96
・2016/04/18 ・3061字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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文/戴昌鳳|台灣大學海洋研究所教授

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圖/thinkpanama @ flickr

大陸漁船在東沙大量採撈珊瑚、魚貝類和海龜的事件,再度讓珊瑚是否應禁止採捕成為關注焦點;另一方面,臺灣的珊瑚漁業也是眾人關心的議題。這兩件事看起來相似,事實上卻大不相同。前者採撈的是生長在淺海珊瑚,包括造礁珊瑚和紅扇珊瑚;後者則是生長在深海的寶石珊瑚;兩者的物種、價格、生態環境和採撈方法都大不相同。

珊瑚泛指會堆積碳酸鈣骨骼或骨針的刺細胞動物,包括水螅珊瑚、六放珊瑚和八放珊瑚等三大類,其中,水螅珊瑚的珊瑚蟲個體很小,呈細毛狀,觸手不明顯,而且種類較少;六放和八放珊瑚則是珊瑚類的大宗,牠們的珊瑚蟲和觸手都比較明顯,區別在於六放珊瑚的觸手是六的倍數,八放珊瑚則剛好八隻。在地理分布上,兩者從熱帶到寒帶、從淺海到深海都有分布,而以熱帶淺海的種類最多,最密集。當許多珊瑚的鈣質骨骼聚集和膠結在一起,形成堅固的立體結構,可以抵抗波浪,也可以讓許多生物居住或當作避難所,就成為珊瑚礁。 珊瑚礁是海洋中的綠洲,也是生機旺盛的海洋生態系,至少有數萬種生物依賴珊瑚礁生存,因此被認為是全球海洋保育的焦點。

造礁珊瑚多分布於淺海  但深海珊瑚也會造礁

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珊瑚礁。圖/Julie Gentry@Public Domain Pictures

珊瑚礁主要分布在熱帶至亞熱帶淺海;由於造礁珊瑚體內有共生藻,需要充足的陽光來行光合作用,以支持牠們的生長和造礁,因此幾乎都生長在水深 50 公尺以淺的海域。這些造礁珊瑚以六放珊瑚為主,牠們生長快,一年可生長數公分以上;八放珊瑚雖然也是淺海珊瑚礁的主要成員,但只有少數種類具有造礁功能,包括藍珊瑚、笙珊瑚和一些指形軟珊瑚等。

深海珊瑚是指分布在水深 50 公尺以深海底的珊瑚,包含六放和八放珊瑚種類;這些珊瑚體內沒有共生藻,完全仰賴捕食浮游動物或有機顆粒維生;牠們的生長緩慢,通常一年只長 1~2 公釐,因此長期以來被認為不會造礁,無重要生態功能;但是近二十年來,許多先進國家的深海探測都發現這些深海珊瑚可形成大型礁體,構成生物多樣性豐富的深海生態系,而且是許多海洋生物和漁業資源生存繁衍的關鍵棲地。這種深海珊瑚礁在大西洋、太平洋和印度洋都有發現,由於這些生態系普遍受到拖網漁業和環境污染的衝擊,因此受到廣泛重視,目前多處已被劃設為海洋保護區。

寶石珊瑚美麗的代價

深海珊瑚中最受矚目的就是寶石珊瑚。廣義上,任何可被當作珠寶販售的珊瑚,包括黑珊瑚、竹珊瑚,都可算是寶石珊瑚;狹義上則專指八放珊瑚亞綱的紅珊瑚科(Coralliidae)成員,牠們的價值高,也是珊瑚漁業的主要目標物種。紅珊瑚科全球共有 40 餘種,牠們通常生長在水深 100~2000 公尺之間的深海,只有分布在地中海的紅珊瑚(Corallium rubrum)可在水深僅 10 公尺的淺海發現;由於較易採集,早在二千年前就有地中海漁民採集紅珊瑚,當做珠寶販售的紀錄,這就是珊瑚漁業的起源。早期地中海的紅珊瑚經由絲路傳入中國,也經由海上貿易傳入印度和日本。此時期的寶石珊瑚由於產量稀少,而且是舶來品,價格非常昂貴。珊瑚被列為佛教七寶之一,代表佛祖化身;隨著佛教盛行,珊瑚在中國、日本和西藏都被當作寶物,代表財富與身分地位的象徵。

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紅珊瑚。圖/Arturo Donate@flickr

東亞的紅珊瑚採集顯然起步較晚。日本在 1870 年代發現琉球群島海底生產寶石珊瑚,於是發展出「纏繞網」來採撈這些深海紅珊瑚。這種網具使用石塊當作重錘,用來打落珊瑚,然後利用附掛的網子把珊瑚撈上來;當珊瑚漁船到達預定漁場,就放下網具,讓它隨海流漂動而打落、纏繞和採撈附著在海底山表面的珊瑚。這種漁法雖然不像拖網具有強大的破壞力,但是對於生長在底質表面的珊瑚和其他生物來說,仍然會造成嚴重的傷害;更何況這些珊瑚的生長速率緩慢,被開採過的漁場,往往需要很長時間才可復原。也正因為如此,每個新開發的珊瑚漁場都只有短暫的榮景,當產量大幅下降,就必須尋覓開拓新漁場。

日本珊瑚漁船沿著琉球島弧往南開拓漁場,1923 年在臺灣北部彭佳嶼海域發現寶石珊瑚,引進纏繞網採撈珊瑚,也開啟了臺灣的珊瑚漁業。初期以臺灣東北部和北部的海底山為漁場,並以南方澳為主要基地;然而榮景只維持數年,產量就銳減,於是再往南尋找新漁場;1934 年在澎湖海域發現有寶石珊瑚分布,又啟動澎湖南方的珊瑚漁業。

日治時期的臺灣珊瑚漁業,幾乎都掌握在日本人手中。二次大戰後,隨著日人撤離,臺灣珊瑚漁業曾經一度沉寂,其後藉著與日本人合作才逐漸恢復榮景,並且靠著臺灣漁民的勤奮和打拼精神,於 1960 至 70 年代達到生產高峰,珊瑚藝品加工技術也更為精進,建立臺灣為「珊瑚王國」的美譽。此時臺灣珊瑚漁船的採撈海域已經往南拓展到南海的東沙島附近。但是沒多久,珊瑚生產再度面臨困境,於是積極向外尋找拓展漁場的機會。

1980 年代,臺灣珊瑚漁船在夏威夷群島西北方的中途島和天皇海山鏈(Emperor Seamounts)發現豐富的寶石珊瑚資源,吸引大批漁船前往採撈,於是產量大增。根據聯合國世界糧農組織(FAO)的統計資料,臺灣珊瑚漁業在 1984 至 1986 年間的年產量都超過 350 公噸,產量大反而導致價格暴跌,其後隨著資源減少和美國政府的管制措施,產量在 1988 年之後就大幅滑落。其後,臺灣寶石珊瑚年產量大多低於 10 公噸,資源枯竭的警訊早已顯現。

國際上,自 2007 年起,美國和歐盟數度提議將寶石珊瑚列入華盛頓公約(CITES)二級保育物種,但是都被其他國家代表提出質疑,由於缺乏具體基礎資料而未能通過;然而,隨著國際海洋保育意識升高,資料逐漸累積,寶石珊瑚被列為保育物種應是遲早的事。原本我國漁業署也有意藉著珊瑚漁船逐漸汰舊不換新的方式,讓珊瑚漁業逐漸走入歷史。

停止開採 寶石珊瑚才有重新生長的機會

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死亡的珊瑚。圖/prilfish@flickr

但是在近年兩岸三通之後,由於寶石珊瑚深受中國大陸遊客喜愛而價格飛漲,自 2009 年以來,五年之間就飆漲約十倍。面對龐大的經濟利益和漁民請求,農委會漁業署改採開放登記及嚴審嚴管政策,於 2009 年訂定「漁船兼營珊瑚漁業管理辦法」,規定每艘漁船每年限捕 200 公斤,並限制在臺灣經濟海域內的五處漁區作業,作業時應開啟船位回報器,並填報漁撈日誌。雖然漁業署訂定的年總採撈量為六公噸,但是實際採撈量僅約三公噸;而且所採得的珊瑚中,90% 以上是「蟲枝」,也就是在海底死亡已久,被許多鑽孔生物蛀洞的分枝;其次是枯枝,即死珊瑚分枝;只有不到 2% 屬於活枝。從這些採撈記錄就可看出深海寶石珊瑚資源枯竭的慘狀,已經不是嚴格管理可以挽救,更不用談永續利用。

挽救深海寶石珊瑚資源的唯一途徑,其實就是停止採撈,讓牠們有重新生長和復育的機會;即使如此,恐怕也需數十年或百年以上時間,資源才會有些起色。但是在產業界每年高達百億的經濟利益和上萬從業人員可能失業的壓力之下,漁政官員無人願意承擔停止寶石珊瑚採撈的風險,最終結局可能是產業和資源兩敗俱傷。當海底的寶石珊瑚資源完全枯竭,珊瑚產業又將如何延續?

寶石珊瑚產業的解決方案也許是替代商品。寶石珊瑚的成分說穿了就是碳酸鈣和角質素(或稱珊瑚素),以現代科技生產人造珊瑚,其實並非難事;事實上,現今市場上販售的寶石珊瑚多有贗品,真假已難區分;如果利用工業生產而使寶石珊瑚回歸合理價格,並使深海珊瑚生態獲得生息和復原機會,應該是最佳方案。

原刊登於作者臉書網誌,經作者授權轉載。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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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

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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

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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。

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大堡礁——蘊藏無限奧秘的珊瑚礁│環球科學札記(54)
張之傑_96
・2021/11/24 ・2296字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 作者/張之傑

七月二十日的《船內新聞》刊載,七時正開放七樓船橋甲板,讓大家觀賞大堡礁景致。我們準時來到七樓船橋甲板,和平號沿著澳洲大陸東岸向北航行,右(東)側星羅棋布的島嶼就屬於大堡礁。這時雖已日出(是日六時三十四分日出),但船橋上很冷,風很大。可是當太陽昇起後,變得沒有風,也不冷了,變化之大難以想像。

大堡礁北起澳洲與巴布亞新幾內亞之間的托雷斯海峽,南至布里斯本以北的弗雷澤島(Fraser Island),綿亙二三○○公里(直線距離一九一五公里),面積三十四萬餘平方公里,即使在外太空也可看到,一九八一年列入世界自然遺產名錄。澳洲已把它列為國家海洋公園和海上自然保護區,每年吸引的觀光客無以計數。

大堡礁衛星圖片,NASA公佈。圖/Wikipedia

珊瑚礁有裾礁(裙礁)、堡礁和環礁等三類。裾礁,亦稱裙礁,沿著陸地生長發育,猶如陸地的衣襟或裙子的邊緣。堡礁,生長在距離陸地較遠的海上,有如城堡般座落在陸地外圍。環礁,一般由火山島的裾礁演化而成,當火山島因風化而消失,就剩下一圈花環狀的珊瑚礁。

大堡礁是世界上最大的珊瑚礁群,約有二九○○座礁石,以及九百座大小島嶼,其中約有六百座大陸島與三百座珊瑚島。大陸島原屬大陸的一部分,由於地殼下沉或海平面上升而與大陸分隔而成島嶼。至於珊瑚島,則由造礁珊瑚形成,也就是由珊瑚蟲的群體形成的。

大堡礁的南端,離海岸較遠,最遠處有二四一公里;北端較近,最近處僅十六公里。在海岸與礁群之間,就是航道,和平號沿著這條航道駛往凱恩斯。船橋廣播稱,八時至十二時和平號將經過大堡礁的降靈群島(Whitsunday Islands,又譯聖靈群島)。大堡礁由若干島群構成,其中以降靈群島風光最美。

大堡礁由迤邐成群的堡礁構成,圖為從船橋望向大堡礁。圖/作者攝

降靈群島位於布里斯本以北約九百公里處,由七十四個大小不一的島嶼組成,面積二八二點八二平方公里。其中聖靈島以「白色天堂」沙灘著名,有澳洲第一灘之稱。最大島漢密爾頓島(面積一九八點七五平方公里)有商店、餐廳、高級度假村等,甚至擁有機場,整座島嶼像座觀光小鎮。

和平號經過降靈群島時,我們從船上遙望,只看到一座座大小不一的島嶼從視線中逐一向後退去,有幾座隱約可以看到碼頭狀建築物和遊艇。過往的船橋觀光,通常會以廣播不停地解說,這天除了告訴大家八時至十二時將經過降靈群島,幾乎沒說什麼。由於看不出所以然,船橋上的人愈來愈少,連我也回房休息去了。

既然船橋上看到的大堡礁都是一個模樣——一座蒼翠的島嶼,那就調過筆來談談珊瑚和珊瑚礁吧。要特別說明的是:這裡所說的珊瑚,是指珊瑚蟲群體及其骨骼的通稱。珊瑚屬於腔腸動物門、珊瑚蟲綱,這一綱還包含海葵。珊瑚蟲的構造和海葵相似,不過體型較小,會分泌碳酸鈣,過群體生活。

珊瑚蟲構造示意圖,NOAA繪。圖註已改為中文。圖/Wikipedia

每隻珊瑚蟲只有幾公釐大小,每一群體由無以計數的珊瑚蟲構成。珊瑚蟲的基部會分泌碳酸鈣骨骼,形成一個類似花萼的保護層。珊瑚蟲不斷地在既有的鈣質骨骼上分泌新的骨骼,一代又一代,巨大的珊瑚礁就是這樣一點一滴的營建起來的。

珊瑚礁上還著生一種體質堅硬的紅藻——珊瑚藻(又稱鈣化藻),一般呈粉紅色,有些呈紅色、紫色、黃色、藍色、白色或灰綠色。它們的葉狀體上含有石灰質,可以填補珊瑚礁的空隙,對珊瑚礁的營建功不可沒。

圖/Wikipedia

一般珊瑚生活在水面至六十公尺深處,原來珊瑚蟲體內有一種單細胞的共生藻——蟲黃藻(Zooxanthella),它們受到珊瑚蟲的保護,利用光合作用將珊瑚蟲排出的二氧化碳和水轉化成醣類,作為彼此的養份,使得珊瑚只能在透光區內生長。

珊瑚之所以呈現五顏六色,其實與體內的共生藻有關。當水溫升高,共生藻便會分泌有毒的過氧化氫,珊瑚蟲為了自保,不得不將海藻排出體外。共生藻提供珊瑚蟲百分之九十的營養,一旦失去共生藻,珊瑚蟲就會失去顏色,逐漸走向死亡。目前各地的珊瑚礁,包括大堡礁,都受到白化現象的威脅。

珊瑚礁只占海洋面積的百分之一左右,卻棲息著無以計數的生物,包括世界上超過百分之二十五的魚類,堪稱世界上生物最繁盛的地方,蘊藏著無限的自然奧秘,不是漂亮、美麗等凡俗字眼所能說明其萬一。珊瑚礁的破壞與死亡,是海洋生態系統的巨大威脅。

既然珊瑚只能在海平面下生長,那麼珊瑚礁是如何高出海面,成為珊瑚礁島嶼的?地殼隆起或海平面下降,都可能將珊瑚礁抬升至海平面之上。以台灣為例,台灣位於菲律賓海板塊的隱沒帶上,約六百萬年前,菲律賓海板塊向北移動,撞向歐亞板塊,將中國東南邊緣的大陸斜坡抬高。這一造山運動迄今仍在進行,致使中央山脈每年約升高三公分。

既然中國東南邊緣的大陸斜坡可以抬高為台灣島,海平面下的珊瑚礁為什麼不能抬高為島嶼?地球是個活生生的行星。地函的熱對流,和外部的大氣作用、地質作用,無時無刻不在形塑、改變著地球。有道是:時間可以改變一切,只要加上時間的維度,任何意想不到的變化都可能發生。

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。