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2015-12-01海洋美食街上的覓食策略
552 期
Author 作者
陳俊堯／慈濟大學生命科學系助理教授，熱愛細菌的細菌人，研究領域為微生物生態，對環境微生物社會的興趣遠大於對人類社會的興趣，近年來亦致力於科普寫作的實踐與推廣。
珊瑚礁被認為是海洋中的雨林，是生物多樣性極高的地方。除了魚蝦貝類會選擇這裡棲身，海綿、海星、海膽也是住民。數量更多的是肉眼看不見的微生物，像是藻類、細菌、病毒們，也選擇在這裡安身立命。早在多細胞動物出現之前，細菌已經在海洋裡待了20億年了。動物在充滿細菌的環境裡誕生成長，自然得跟它們交朋友。但上一代的好朋友不能傳給下一代，新生的個體需要自己去認識新朋友。世世代代的海洋生物靠著與身上的細菌在時間長河中所達成的默契，在每一代的時光中重新找到對方。像夏威夷短尾烏賊靠著體內的費雪弧菌發光，藉以打破自己滑過珊瑚礁的身影輪廓，以求躲過掠食者的偵測。這種烏賊必須在出生後的一兩天內召喚海水裡的費雪弧菌，這輩子才能得到細菌朋友的幫助來保命。短尾烏賊會在這段時間分解體內的幾丁質，用這氣味吸引海水中路過的費雪弧菌，讓它們循著化學氣味游進還在發育中的發光器裡，並長久住下。一切就像熟知彼此暗號的老朋友那般自然。
海洋美食街
珊瑚的健康也得仰賴微生物盟友的幫助。例如，甲藻是珊瑚主要的共生藻，在表皮下行光合作用，並將製造的養份分享給珊瑚。有趣的是，這些甲藻會合成小分子的二甲基硫基丙酸（Dimethylsulfoniopropionate,DMSP）來對抗海水的高滲透壓，但這些DMSP不會只留在甲藻體內，而會不斷的往外漏，於是只要珊瑚身上有甲藻存在，附近海水裡就會有DMSP的累積。於是，珊瑚便成了不打烊的美食街，持續釋出DMSP、胺基酸和醣類，加上珊瑚的黏液也是醣蛋白，都是細菌可以利用的養份，進而吸引了更多的微生物。
在過去的研究中，海洋微生物學家已經知道珊瑚的黏液或DMSP能吸引某些海洋細菌。雖然海洋環境裡有各式各樣的細菌，但並不是每一種都甘願被人類豢養在實驗室裡。所以，即便我們知道某些實驗室裡培養的海洋細菌對珊瑚的味道有反應，但是真正住在珊瑚礁一帶的海水細菌到底會不會這招，特別是那些從來不曾在人類實驗室裡出現過的菌種，還真的是個謎。
對養份反應大不同
托特（Jessica Tout）等人今年發表在《國際微生物生態學會期刊》（Journal of International Society for Microbial Ecology）的研究提供了最直接的答案。他們在澳洲採集珊瑚區的海水，連同水裡所有細菌全部帶回實驗室。他們把想要測試的養份放進注射針筒，再把針尖放進所收集來的海水裡，看看海水裡的細菌會不會受到養份氣味吸引，順著注射針往針筒內游。實驗結果發現DMSP和色胺酸（Tryptophan）、酪胺酸（Tyrosine）都能吸引珊瑚區的細菌往來源游動，而非珊瑚區海水裡的細菌則對這些氣味興趣缺缺，顯示這兩區內的細菌對養份的需求反應很不一樣。
不過把海水帶回實驗室後，溫度、光照這些條件都跟珊瑚礁原來的環境不一樣了，要怎麼樣才能知道在真實環境裡的狀況呢？研究人員這次使用了一種名為「原位化學趨性測試（In Situ Chemotaxis Assay,ISCA）」的特殊設備來回答這個問題。ISCA是個塑膠製的盒子，裡頭放著要測試的養份，留有小開口跟外界接觸。研究人員把它放在珊瑚表面，看看住在這裡的細菌會不會受到養份吸引而游進這盒子裡。30分鐘後研究人員回收ISCA盒，取出留在裡面的細菌來計算數量、菌種及基因組成。結果很有趣，他們發現住在珊瑚旁的細菌對這些測試的養份很有反應，但是住得離珊瑚很遠的細菌則對這些味道沒太大的興趣。進一步分析珊瑚區細菌們到底有哪些基因，他們發現這些細菌有比較多與化學趨性相關的基因，顯示它們在環境中尋找特定養份的能力比較好。
細菌生存的最適策略
到底這些在珊瑚礁裡討生活的細菌，用的是什麼樣的生存策略呢？他們分析了在裝有胺基酸、醣類、DMSP或可以當做氮源的氯化銨之ISCA盒裡所誘捕到的細菌，比對後找出各種細菌對哪些養份有反應。他們發現只有4.3%細菌是每種養份都愛，但有高達76.4%的細菌只對其中一類養份有反應。顯示在海洋環境裡當個全才可能沒有太大的優勢，必須要專精於某一類養份的偵測與利用，減少跟其它細菌競爭相同養份的困擾，才是在茫茫大海中比較有利的生存策略。不過，這些對珊瑚氣味有反應的細菌，究竟只是聞香而來的路人，還是原本就蟄伏在珊瑚上的食客呢？例如紅細菌科裡有不少成員對珊瑚氣味有反應，這群菌常是健康珊瑚上最優勢的菌群，同時也會附著在珊瑚的幼生體表。這樣的狀況到底是珊瑚不斷的從海水裡用氣味徵召它們進來服役，或者細菌是珊瑚初生時就接收自親代的禮物，這得等後續的研究來解答了。
近年來珊瑚的問題引起全球關切，近十年來也有大量的人力投注在附生微生物的研究上。直接定序DNA幫微生物點名的方法固然可以得到很多寶貴的線索，但是光靠一張點名單，並不足以認識全班同學的特質。有些研究人員將細菌群聚裡的所有基因定序，希望利用所找到的基因類型來猜測它們會做什麼；有些人則進一步分析細菌群聚裡的基因表現（亦即所製造出的蛋白質種類）來看它們正在做什麼。托特的這項研究則是乾脆把觀眾席從實驗室搬到了海洋現場，看看真正參與運作的是哪些細菌。面對環境裡動物與微生物間的複雜互動，學術界還在瞎子摸象的階段，幸運的是來摸象的有一大群人，而且忠實地留下記錄讓後人參考。經由這些研究，未來我們將更容易瞭解這些小生物的性格和生存策略。
延伸閱讀
Tout, J. et al., Chemotaxis by natural populations of coral reef bacteria, ISME Journal, Vol. 9(8):1764-77, 2015.