珊瑚小心機:對抗氣候變遷的秘密 | 環境資訊中心

珊瑚小心機:對抗氣候變遷的秘密

2015年06月30日
作者:楊姍樺(中央研究院國際研究生學程 分子與農業生物科學博士候選人)、馮加伶(中央研究院生物多樣性中心研究助理)
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2015世界地球日Google首頁遊戲。

還記得世界地球日Google首頁的心理測驗嗎?5個問題,就能透露你內心深處是哪一種動物,而其中一種就是珊瑚──您的內在美吸引了很多追求者。潛入海中,俯視那絢麗奪目的珊瑚礁,除了珊瑚,還是魚類、蝦蟹與其他生物的天堂。在海洋的世界裡,生物多樣性最高的地方莫過於珊瑚礁,難怪這裡會有海洋的熱帶雨林之稱。

不過,在珊瑚礁裡,除了肉眼看得到的生物之外,珊瑚體內,也藏著許許多多的微生物,讓珊瑚成為同時具有動物、植物和礦物特性的奇妙生命。

珊瑚的結構

讓我們先從珊瑚的結構開始講起吧!珊瑚和近親海葵一樣都是刺絲胞動物,它們有著一樣的簡單結構,叫做珊瑚蟲(Polyp),是珊瑚的基本生存單位。珊瑚蟲的一端有開口,口部周圍圍繞著一圈觸手,而觸手上有著刺絲胞(Nematocysts),可以用來捕食靠得夠近的浮游生物,內部有著消化腔和生殖組織。珊瑚蟲結構簡單,型態差異卻很大,從數公釐到數公分皆有;有的珊瑚是由單獨一隻珊瑚蟲構成,有些則是許多珊瑚蟲聚集在一起,成為珊瑚群體。

珊瑚蟲。圖片來源: Schmahl, NOAA FGBNMS。
珊瑚蟲。圖片來源: Schmahl, NOAA FGBNMS。

珊瑚好朋友:共生藻

珊瑚雖然有觸手可以捕食,但是對於棲息在淺層的珊瑚而言,那並非主要的能量來源,絕大部分的能量來源都是依靠居住在珊瑚蟲體內的一種微生物──共生藻。共生藻利用珊瑚蟲代謝所產生的含氮、含磷廢物和二氧化碳來進行光合作用,並將它所合成的有機物質提供給珊瑚作為養分。對共生藻來說,珊瑚蟲提供它們一個保護環境與行光合作用所需的物質;對珊瑚蟲而言,共生藻提供養分作為回報。這樣的共生關係讓棲息於淺層的珊瑚生長速度較快、累積碳酸鈣的白色骨骼,能夠形成巨大的珊瑚礁。

共生藻的種類很多,不同種類的珊瑚,也有著不同的共生藻。 圖片來源:Todd LaJeunesse, Penn State University
共生藻的種類很多,不同種類的珊瑚,也有著不同的共生藻。圖片來源:Todd LaJeunesse, Penn State University。

珊瑚上的其他微生物

除了共生藻之外,珊瑚也是其他微生物的家。這些微生物包括了真菌、細菌、古細菌或是病毒。如果細看珊瑚裡的微生物,會發現他們的種類或功能可能不一樣。

一般聽到宿主上的微生物,可能多少會聯想到疾病。的確,有些微生物會讓珊瑚生病,但就像人身上的微生物一樣,儘管有致病菌,也有益生菌。有些在珊瑚身上的微生物對珊瑚來說,可是挺有幫助的。

前面提到共生藻會提供珊瑚有機碳作為養分,其他的微生物,則可提供其他的養分,像是含氮化合物。在養分貧瘠的珊瑚礁近海區域中,獲取足夠的含氮化合物並不簡單,對不會移動的珊瑚個體,更是個挑戰。儘管珊瑚蟲可用觸手捕食,但能獲得的含氮養分可能有限。科學家認為,某些與氮循環相關的細菌,可能會幫助珊瑚宿主得到較多的含氮養分。而且,這些與氮循環相關的細菌,或許會隨著海水中養分與溫度的不同,調節氮循環,進而影響珊瑚蟲以及共生藻。

科學家推測,珊瑚體內氮循環在不同環境下,會有不同的表現
科學家推測,珊瑚體內氮循環在不同環境下,會有不同的表現。圖A,B與C分別表示,在養分貧瘠、優氧與溫度升高的情況下,氮循環路徑在珊瑚內外的情況。在圖B與圖C中,粗的箭頭表示,相較圖A中同個反應路徑,這個化學反應更容易產生;虛線代表的是,相較圖A中同個反應路徑,這個化學反應較不易產生。圖片來源:Rädecker et al. (2015) 。

另外,有的微生物,則可能具有保護珊瑚的功能,藉由產生抗菌物質,維持珊瑚宿主的健康,或是協助幼生的珊瑚找尋良好的棲地。甚至,科學家推測,在珊瑚成長的整個過程中,珊瑚身上的微生物,可能都扮演著不容被忽視的角色。這也是為什麼科學家們越來越重視微生物與珊瑚的關係。近年來的研究報告中,『Coral holobiont』這個意旨『珊瑚共生的全體生物』一詞出現的機會,越來越頻繁,這代表著科學家們已經了解到,在研究珊瑚的同時也得更加注意珊瑚身上的微生物們。

失去共生藻 珊瑚的人生很黑白

如果珊瑚身上的微生物不見了,會對珊瑚造成甚麼樣的危害?共生藻,是個典型的例子。

共生藻除了提供珊瑚營養,連珊瑚身上的繽紛顏色,也是由共生藻提供的,加上珊瑚本身的螢光蛋白,聯手構成了珊瑚如此鮮豔多樣的顏色。當環境變化時,如水溫過高或是過低、水中沈積物過多、污染、過度曝曬等因素,會讓珊瑚及共生藻感到壓力。共生藻會因壓力而失去色素或是暫停光合作用的進行,珊瑚就只能靠自己捕食維生,又得額外提供能量給共生藻。如此一來,共生藻的存在變成了珊瑚的負擔,珊瑚就會開始消化或將共生藻排除體內。沒有了共生藻,珊瑚的顏色逐漸變淡、失去顏色,珊瑚變得蒼白。這個因壓力導致珊瑚和共生藻共生關係瓦解的現象,就稱作「珊瑚白化」。

珊瑚白化時,因為缺乏共生藻提供能量,原本正常的生理運作受到影響,變得非常虛弱。如果造成珊瑚緊迫的因子移除或是環境恢復,新的共生藻就會再次進入珊瑚體內,珊瑚還有可能會重新恢復顏色。但若白化時間太長、珊瑚在長時間失去由共生藻提供養分的情況下,最終則會死亡。

珊瑚白化過程示意圖。 圖片來源:NOAA
珊瑚白化過程示意圖。圖1,在健康珊瑚中,珊瑚和共生藻(zooxanthellae)形成共生關係,共生藻是珊瑚主要的營養來源,也構成了珊瑚的顏色。圖2,當珊瑚緊迫時,共生藻就會離開珊瑚。圖3,珊瑚白化,沒有共生藻的珊瑚,失去了主要的營養來源,顏色變淺或是白色,此時珊瑚非常脆弱。 圖片來源:NOAA。

珊瑚與微生物的合作參與氣象調節

珊瑚與身上的共生藻們不僅在養分的角度上幫助彼此,他們精密的合作,也影響著氣象。在珊瑚與共生藻合作的過程中,會產生一種重要的化合物,二甲基巰基丙酸,簡稱DMSP。

科學家們發現,浮游的光合微生物與珊瑚內的共生藻會產生DMSP。DMSP透過海洋細菌,轉化具揮發性的氣體二甲基硫化物──DMS,可說是DMSP的親戚。當一部分的DMS被釋放到大氣之後,會形成一種促成雲霧凝結的微小大氣塵埃(sulfate aerosols),有助於雲霧的形成,進而為珊瑚礁遮擋一些陽光,降低表層的水溫。另外,科學家也發現,當珊瑚面對環境壓力而白化時,珊瑚自己會合成DMSP,DMSP轉化成DMS後,可能會幫助珊瑚減少體內有害物質的累積,協助珊瑚度過難關。

雖然目前並不清楚在一般的情況下,珊瑚會不會自行產生DMSP,但是由上述的過程中,可以看出珊瑚與共生微生物,以及周遭的浮游微生物之間的緊密合作,竟然能牽扯到大氣,這似乎已經超出過去我們對珊瑚的了解。

珊瑚礁與DMSP的關係圖。圖片來源:Graham Jones (2013).
珊瑚礁與DMSP的關係圖。左圖表示在一般環境下DMSP轉化成DMS,釋放到大氣候,有助於雲霧的產生,進而減少射入海水的光線。右圖表示,當珊瑚白化的時候,DMSP轉化成的DMS,推測可以減少活性氧化物(ROS)對珊瑚的傷害。圖片來源:Graham Jones (2013). 

氣候變遷對珊瑚的影響

隨著二氧化碳排放增加,越來越多的二氧化碳不只進入了大氣,也溶解進海洋,在海水中形成碳酸,使得海水的酸度增加,也就是近來耳熟能詳的海洋酸化現象。海洋酸化對珊瑚礁的影響不小,因為珊瑚的骨骼是碳酸鈣,碰到了碳酸,像是將骨頭放在可樂一樣,就會變脆弱。許多科學家已經預測,到了2050年的時候,大部分的珊瑚礁可能會因為海洋酸化而消失。

海洋酸化除了直接影響珊瑚骨骼的堅硬度之外,最近科學家利用封閉的實驗系統發現,較酸的海水會產生較少的DMS。或許會因為這樣,一來減少了可阻擋光線的雲霧的形成,無法有效地降低海水的溫度;再來,DMS的減少,也可能會影響珊瑚度過難關的過程。

如何協助珊瑚應對氣候變遷?

為了因應氣候變遷對珊瑚礁生態系造成的影響,開始有科學家討論起透過人為選殖和基因改良的方法,加速珊瑚的演化,使珊瑚更能對抗環境壓力。像是選擇生長快速的珊瑚進行插枝復育;或是趁珊瑚尚未有共生藻入住的幼生時期,接種較耐熱的共生藻品系與珊瑚建立共生關係;或是利用UV光、X光或是某些化學物質,誘導共生藻產生突變,人工選殖出更耐熱、更穩定的共生藻品系,再接種到珊瑚身上。

然而,我們已經知道珊瑚同時也是許多微生物的家。每個珊瑚都有上百至上千種不同的微生物,它們能協助養分的代謝和參與珊瑚免疫,對珊瑚的營養及健康狀態而言非常重要。在我們探討如何用人為的方式協助珊瑚應對氣候變遷時,必須也同時想到這些與珊瑚共生的微生物。牽一髮而動全身,該如何操控或是穩定這些微生物,讓珊瑚的抗壓力更好,依然是個難解的謎題,值得投入相關的研究。

【延伸閱讀】

【參考資料】

  • Charlson et al. 1987. Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate. Nature 326, 655–661.
  • Graham Jones. 2013. Marine biology: Coral animals combat stress with Sulphur. Nature 502, 634-635. doi: 10.1038/nature12698.
  • Katharina et al. 2013. Global warming amplified by reduced sulphur fluxes as a result of ocean acidification. Nature Climate Change 3, 975–978.
  • Van Oppen et al. 2015. Building coral reef resilience through assisted evolution. PNAS 112, 2307–2313. doi: 10.1073/pnas.1422301112.
  • Rädecker et al. 2015. Nitrogen cycling in corals: the key to understanding holobiont functioning? Trends in Microbiology. doi: 10.1016/j.tim.2015.03.008.

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※ 本文與 行政院農業委員會 林務局   合作刊登