破珊瑚白化新進展 嫌疑犯「超氧化物」有了新定位 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

破珊瑚白化新進展 嫌疑犯「超氧化物」有了新定位

建立於 2016/12/28
作者:馮加伶

還記得今年(2016年)3月澳洲大堡礁珊瑚大白化的事件嗎?這個全世界最大最長的珊瑚礁群,因為夏季水溫居高不下,讓9成的珊瑚礁都受到白化影響。澳洲的珊瑚研究團隊還出動直升機和調查船,進行大規模的海空調查。

圖一、研究人員於2016年4月在大堡礁木礁(Wood Reef, the Great Barrier Reef)所拍攝的照片,照片中白色、淡黃色或是粉色的珊瑚,都是正在白化或已經白化的珊瑚。不只表層,連較深水域的礁體也有珊瑚白化的情形。圖片來源:郭兆揚。

這樣慘況不是只有發生在大堡礁,台灣的水下攝影師 Yorko Summer 於今年(2016年)4月拜訪塞席爾(位於非洲東部印度洋的群島國家)時,也目睹了大規模的珊瑚白化事件。

【影片】 一眼望去整片的白化珊瑚,看似夢幻,卻是珊瑚病危的警訊。

影片來源:Yorko Summer,臉書粉絲專頁"好嗨 HiExplocean”

珊瑚白化是什麼?

俗話說一白遮三醜,亞洲女性都嚮往有著一身白皙透亮的肌膚,但是在珊瑚的世界裡,可完全不是這麼回事,當珊瑚變白的時候,通常都是生病或是狀況不好的時候。

要了解珊瑚白化是什麼,我們要先從珊瑚的結構開始看起,無論是高達數公尺的大珊瑚團塊或是幾公分的小珊瑚,它們都有著一樣的基本結構,都是由一隻一隻的珊瑚蟲個體所構成的。珊瑚蟲(polyp)是珊瑚的基本生存單位,珊瑚蟲的上半部為開口,開口周圍有著一圈觸手,觸手表面有刺絲胞可用來捕食海水中的浮游生物,再將食物送入口中,內部有著消化腔和生殖組織(可以產生精子、卵子或是精卵束),珊瑚蟲的底部則是珊瑚的骨骼,珊瑚生長時會分泌碳酸鈣,經年累月逐漸累積,形成珊瑚礁。

圖二、珊瑚蟲的示意圖:珊瑚蟲的上半部為開口,開口(mouth)周圍有著一圈觸手(tentacles),觸手表面有刺絲胞(nematocyst)可用來捕食海水中的浮游生物,再將食物送入口中,內部有著消化腔(gastrovascular cavity)和生殖組織(可以產生精子、卵子或是精卵束),底部則是珊瑚的骨骼(skeleton)。圖片來源:大英百科全書,1999。

雖然珊瑚可以自行捕食,但是功力有限,如果不開外掛就無法打贏這場生存戰役。為了生存,珊瑚有一群超級好夥伴──共生藻,這些單細胞藻類住在珊瑚蟲觸手的細胞裡面,利用珊瑚產生的廢物當作養分和陽光進行光合作用,再將光合作用產生的物質分給珊瑚,像是脂質、葡萄糖和胺基酸等物質,供應了珊瑚絕大部分(近八成)的營養來源。除了共生藻,珊瑚也是其他微生物的家,像是真菌、細菌、古細菌或是病毒,這些微生物也能夠提供珊瑚營養,還會產生抗菌物質,協助維持珊瑚宿主的健康。

圖三、珊瑚蟲和共生藻:(A)光學顯微鏡下的珊瑚蟲,一顆顆黃褐色的圓點都是共生藻;(B)螢光顯微鏡下的珊瑚蟲,紅色圓點都是共生藻,藍色和綠色則是珊瑚蟲自己的螢光蛋白。圖片來源:(A)Chuya Shinzato,OIST沖繩科學技術大學院大學;(B)Christine Farrar,Hawaii Institute of Marine Biology夏威夷大學海洋生物研究所。

當陽光、水溫、水質等一切的條件都正好的時候,珊瑚和好夥伴共生藻彼此合作無間,除了提供珊瑚營養,還讓珊瑚增添色彩,不同種類的共生藻加上珊瑚本身的螢光蛋白,讓珊瑚礁有著繽紛亮麗的各種面貌。

圖四、 澎湖東吉島的薰衣草森林,一整片的紫色鹿角珊瑚,讓人驚豔。
圖片來源:Marco Chang,Marco Chang Underwater Photography 臉書粉絲專頁

但是珊瑚對環境變化很敏感,海水溫度的改變(低溫或高溫)、混濁的水質和污染等環境因素,都會讓珊瑚與共生藻感到壓力,共生藻因此停止工作、慢慢死亡或是離開珊瑚蟲,珊瑚的顏色也會變得越來越淡,最後只剩下透明的珊瑚蟲與白色骨骼,這個現象稱作『珊瑚白化』。珊瑚絕大部分的營養來源都是由共生藻所供給,如果白化的時間持續過久,珊瑚就會因饑餓而導致死亡。有時候生病的珊瑚也會出現局部白化的現象,總之,珊瑚真的不是越白越漂亮,而是珊瑚健康出狀況的一個警訊。


圖五、自從西元1980年代,氣候變遷和汙染加劇之後,珊瑚疾病和白化的情況就越來越嚴重,圖片中的珊瑚局部白化為白帶病(white band syndrone),曾經讓加勒比海地區的珊瑚大量死亡。圖片來源:Neal Cantin,Wood Hole Oceangraphic institution 伍茲霍爾海洋研究所。

珊瑚礁的生物多樣性極高,是許多珊瑚礁魚類和無脊椎動物的家、也是許多大型迴游性魚類的孵育場,這些海洋生物是人類賴以為生的糧食來源; 珊瑚所分泌的天然物質是許多現代醫學的寶物,有些成分具有美白、保濕,甚至還開發成為抗癌和阿茲海默症的藥物; 珊瑚的碳酸鈣骨骼,既堅硬又兼具透氣排水的特性,被許多沿海地區的居民當作建材,像是澎湖地區著名的雙心石滬和石厝。有著美麗珊瑚礁的地區,也經常是受歡迎的觀光景點,帶來了龐大的經濟收益。除此之外,珊瑚礁的複雜結構可以削弱海浪對陸地的衝擊,是最天然的消波塊,無時無刻保衛著我們的家園。

圖六、整片的珊瑚就像盛開的花團,深深吸引著來自世界各地的潛水員。 圖片來源:Marco Chang, Marco Chang Underwater Photography 臉書粉絲專頁。

珊瑚礁所提供的服務和好處,佔據了我們食醫住行(旅行)的各個層面,但是這些好處,都有個先決條件,那就是它們必須是健康的。因此,許多科學家都特別關注珊瑚白化的成因和機制,希望能找到預防和減緩珊瑚白化的方法。

最近,科學界有個出人意表的新發現,超氧化物(Superoxide),一種存在於所有耗氧生物體內的天然毒素,以前都被視為是造成珊瑚白化的罪魁禍首,現在除了洗刷罪名,還被發現可能對珊瑚的健康有助益,可說是重獲新生。

什麼是超氧化物?

超氧化物是含有超氧離子(超氧根離子,O2−)的一類化合物,是生物進行有氧代謝過程中所產生的副產品,這些粒子非常微小,加上有著不穩定分子結構(未配對的自由電子),因此十分活躍,很容易就和其他化學分子互動,在細胞內進行化學反應。如果這些超氧化物的濃度太高,很容易造成細胞的壓力和損壞。

過往,科學家認為珊瑚體內的超氧化物,就像非常活潑到處搗蛋的小頑童,跑到細胞膜會讓細胞膜氧化,在細胞內部會讓蛋白質變性或是讓核酸受損,甚至可以引發細胞自殺的指令。這些種種破壞行徑,都會消耗珊瑚和共生藻的能量,使其失去活力、變白和容易生病。

這篇發表於今年(2016年)12月的文章,則提供了不同以往的觀點,這些來自美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)的科學家發現,如果這些超氧化物是在珊瑚表面產生的,不在珊瑚的細胞內,反而對珊瑚的健康和韌性*( resilience)有所助益。


圖七、紅色小字的O2-,就是超氧化物。當超氧化物在珊瑚細胞內濃度過高的時候,會讓共生藻的數量減少,而產生白化現象(上半部插圖)。但是當這些超氧化物在珊瑚體外形成時,反而像是一道防禦圍牆,協助珊瑚對抗白化(下半部插圖)。
圖片來源:Eric Taylor,Woods Hole Oceanographic Institution 伍茲霍爾海洋研究所。

科學家在珊瑚經歷白化事件時,利用化學冷光的分析儀器實際測量珊瑚表面的超氧化物濃度,同時利用俗稱為PAM(攜帶型葉綠素螢光光合作用分析設備)來推估珊瑚體內共生藻進行光合作用的程度。這也是研究最困難的地方之一,因為超氧化物的測定相當困難,這些化學分子相當活躍,在自然環境中大約只有30秒的壽命,無法在野外採樣再帶回實驗室進行分析。

為了克服採集上的困難,這群科學家想出了在野外及時採樣的方法,他們將分析儀器帶到船上,還設計了一個特殊的吸頭,收集珊瑚表層的海水,測量水流的速度,盡可能加快分析的時間,減少超氧化物濃度測量的誤差。

研究發現這些珊瑚對抗白化的能力和珊瑚表面的超氧化物有關,某些對白化抵抗力特別差的珊瑚種類,它們表面的超氧化物濃度都很低。相反的,韌性很高,能夠存活下來的白化珊瑚,其表層超氧化物的濃度都很高。

圖八、研究人員(右1)利用浮潛的方式,將採集小管放置於珊瑚上方,船上的研究人員則利用船上的儀器及時的分析水樣,才能在超氧化物與其他物質進行反應前測得數值。圖片來源:Amy Apprill,Woods Hole Oceanographic Institution伍茲霍爾海洋研究所。

除此之外,研究結果顯示,珊瑚表面超氧化物的濃度和光線強度、珊瑚體內共生藻濃度和珊瑚白化程度等因子,沒有任何直接的關聯,反而是與珊瑚的種類和其體內細菌的組成有關。這些結果揭露了珊瑚的另一面,那就是它們與其體內的微生物,都具有調控周圍環境的能力,也讓我們知道原來超氧化物對珊瑚健康和生理狀態的影響,可是「種類限定」的。

雖然這些珊瑚表層的超氧化物從何而來?作用機制為何?都還是尚未解開的謎題。但是這個嶄新的發現,讓我們重新思考珊瑚白化的成因和機制,也給超氧化物這個毒素一個新的定位。未來,或許還能成為對抗珊瑚白化的一帖良藥。

【註】生態韌性( ecological resilience):受到環境干擾後的珊瑚礁生態系的恢復能力,尤指維持或恢復與干擾前相同的結構或功能狀態。參考資料:http://e-info.org.tw/node/201419

※ 本文與 行政院農業委員會 林務局  合作刊登