環境與生態

海洋小怪物-像植物也像動物

科學家過去把海洋浮游生物區分成浮游植物和浮游動物兩大類群,但現在發現其中有更大一群是兼具雙重身分的混營生物,看似雜而不精,實則佔盡生存優勢,對於穩定魚類族群甚至減緩全球暖化也扮演重要角色。

撰文/密特拉(Aditee Mitra)
翻譯/王心瑩
2018-07

環境與生態

海洋小怪物-像植物也像動物

科學家過去把海洋浮游生物區分成浮游植物和浮游動物兩大類群,但現在發現其中有更大一群是兼具雙重身分的混營生物,看似雜而不精,實則佔盡生存優勢,對於穩定魚類族群甚至減緩全球暖化也扮演重要角色。

撰文/密特拉(Aditee Mitra)
翻譯/王心瑩
2018-07


燦爛的夏日陽光遍灑於西班牙外海的溫暖水域,大海看起來平靜無波。海面附近有一大群肉眼看不見的微小浮游生物,有些是粉橘色,有些呈暗綠色,它們慵懶地繞圈游動,吸收太陽光,透過光合作用以太陽能製造養份。


突然間,一種有觸手的生物蜿蜒穿越水域,受到一些較小型生物溢漏的糖份和胺基酸吸引而來;它屬於中縊蟲屬(Mesodinium),大小約22微米,在那些吸收陽光的3微米浮游生物旁邊簡直是龐然大物。它猛然伸出觸手,捲住不幸的綠色獵物──微細鞭毛蟲(nanoflagellate),把它們整個吞下、消化。


儘管同樣殘酷,不過這種掠食者對粉色的隱芽植物(cryptophyte)比較挑剔:它把隱芽植物的大部份都消化分解掉,但完整保存其光合作用胞器。過沒幾分鐘,淡色的中縊蟲開始變成深紅色,因為體內塞滿了搶來的葉綠體與核小體,外觀、功能皆保持完好。中縊蟲無法像真正的光合作用生物一樣吸收並利用二氧化碳,因此仰賴其他生物的葉綠體來達成任務。這種生物像動物一樣獵食,同時也像植物會進行光合作用,如此的雙重策略稱為混營性(mixotrophy)。


然而中縊蟲持有這些戰利品的時間不會太長。附近還潛伏著另一種鰭藻屬(Dinophysis)的混營生物,這是渦鞭藻的一類,體型稍大且施展不同的掠食技巧。它先在中縊蟲旁繞圈,接著射出貌似魚叉的絲線,讓中縊蟲無法動彈。然後獵人發動最後一擊,用外觀和作用都像吸管的肉柄(peduncle)這種附器刺穿獵物、吸出內含物,包括搶來的葉綠體。這個「三手」的光合作用工廠被吸入新宿主體內,開始幫鰭藻努力工作,為它終生提供能量。至於中縊蟲這原本的屠夫兼強盜,遺骸早已不知漂向何方。


除了上述兩種單細胞殺手,其實還有幾十億個數不盡的混營浮游生物優游於海洋。有很長一段時間,多數海洋生物學家都把混營生物視為次要的異類;這是相對於單細胞浮游生物的兩大類群而言,一般認為這兩類是海洋食物網的基礎。兩大類群之一是類似植物的浮游植物,利用光和硝酸鹽之類的無機養份來生長、繁衍;另一個類群是像動物的浮游動物,以浮游植物為食。在這過程中,養份逐一傳遞給食物網上層的較大型動物。而歸類在這兩個類群之外的混營生物,一般認為是生長效率差的怪物,雜而不精、毫無專長。(陸地上也有一些罕見的混營生物,例如食蟲植物捕蠅草。)


但這種關於海洋食物網的傳統觀點是錯的。我和同事針對浮游生物族群進行實驗、觀察並建立模型,最近已找到證據,顯示多數的單細胞浮游生物既非純粹類似植物、也不是純粹吃植物,事實上大多數都是混營生物。這就表示,食物網從底層乃至上層的一切,並非如我們認定的方式來運作。如果多數的浮游生物真是混營生物,它們的數量就不會明確受限於光合作用,而是可透過進食而增加。此外它們若能運用太陽能,也可對依賴進食的生長過程提供額外助力。這些能力帶來許多漣漪般的效應,對大氣乃至魚類都造成影響。例如混營生物的活動規模若較大,將會增進海洋的固碳效率,有助吸取海水和空氣中造成暖化的二氧化碳、將之固定於海底沉積層;混營生物也可能較不易受到隨季節消長的陽光所影響。這樣的靈活度和恢復力都是優點。有益的混營生物族群可為更多魚苗提供食物,進而增加人類的食物供應量。不過也可能導致負面後果,有些混營生物會產生有害的藻華,霸佔貝類的孵化場,並導致魚類大量死亡。


如果這種新的海洋生物學觀點是合理的,即如同我最近的發現和其他科學家所揭示的,那就表示原本視浮游動物和浮游植物為海洋食物網基礎的海洋生態學理論不再經得起考驗──海浪之間漂浮著一群古怪而且強大的獨特生物。


電腦模擬踏出第一步


混營生物簡直像是出自科幻小說的角色。英國作家溫登(John Wyndham)於1951年寫了著名科幻小說《食人樹》(The Day of the Triffids),而鰭藻身上的魚叉狀絲線和吸管狀肉柄就像是書中征服地球的植物所擁有的特徵,只是尺度小得多。食人樹的根部可從土壤吸收養份並且到處行走,但也具備有毒的螫刺,可當做鞭子刺瞎甚至殺死人類,然後再大啖腐爛的遺體。


我第一次聽說混營浮游生物是在10多年前,當時我正在進行博士論文研究,主題是小型浮游動物。(如果類似植物就叫小型浮游植物。)教科書把混營生物描繪成罕見的怪異海洋生物,但它們可行光合作用又會獵食,單細胞生物集這樣的雙重能力於一身,真可說是自然界的完美怪物。演化向來偏好高效率,因此混營生物在自然界並不普遍,這件事讓我很驚訝。我試著搜尋更多資訊,發現美國馬里蘭大學角岬實驗室(Horn Point Laboratory)的浮游生物生態學家斯托克(Diane Stoecker)曾發表一系列令人興奮的論文。她的研究領域和實驗室工作顯示海洋浮游生物具有混營性。我與斯托克聯絡,經過一番討論後,我深信還有更多的混營生物,可是到底有多少?又表現出什麼樣的行為?


我的專長是建立食物網的數學模型,藉以了解其中不同生物的行為,基本上是運用電腦進行模擬。透過海洋生態模型做研究時,我找不到一種模型能夠模擬混營生物採行的雙重生活型態,也找不到經費支持這樣的計畫,因為科學審查委員會不認為混營生物很重要。於是,我白天在英國威爾斯的布立真德(Bridgend)地方政府底下的生物多樣性研究機構工作,晚上則與我的丈夫海洋生物學家弗林(Kevin Flynn)一起鑽研模型。2009年春天,我們得到一個合理的模擬結果,可代表不同的混營生物族群,其中有些較常表現掠食行為,有些則進行較多的光合作用;這項研究發表在該年的《浮游生物研究期刊》。


我們的目標是找出一種模型,能夠涵蓋具有雙重特性的浮游生物,且比起其他只把海洋族群區分成掠食者和生產者的模型,更能模擬海洋的真實生態狀況。我們逐步調整模型內的混營特性,直到模擬結果能夠符合養份在食物網內流動的真實狀況,以及其他類型的浮游生物(例如細菌和橈足類這類微小的甲殼類)之間的互動情形。這些食物網的動態變化研究發表於2010年的《海洋系統期刊》,與傳統一分為二的浮游生物模型非常不一樣。......