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探索海洋生物:海洋生物歷程的研判

101/09/13 瀏覽次數 21099
海洋占據整個地球總表面積的70%以上,海洋中的生物比陸地的生物更具多樣性。以動物來說,雖然目前在陸地上已發現命名的物種比較多,但若從高階的分類單元來看,目前已知的34個動物門中,海洋生物就包含了33個,而且其中有16個門僅分布在海洋中。由此可見海洋中的生命形態及種類遠比陸地上豐富,更何況海洋中還有許多區域沒有被人類探索過,相較於幾乎已經被探索完畢的陸地,其新物種發現的潛力應該遠比陸地大!

另一方面,目前大部分的證據都顯示地球上的生命源自於海洋,對於海洋中生物歷程的探索,除了對海洋資源的探索、開發及管理有幫助之外,也可以幫助我們更進一步了解地球上生命的起源,以及推測後續演化的方向。
漁民正在進行袋網收回作業
 
分子生物技術

分子生物技術近年來常應用在理學、醫學等應用科學上。在理學探討方面,系統分類學或族群遺傳學的研究,主要是透過分析生物體內分子層級的化學物質(如蛋白質、胺基酸或DNA)之間的變異,做為物種分類或族群分化的參考依據,因為這些分子(蛋白質或胺基酸)是由遺傳物質轉譯而來,或本身就是遺傳物質(DNA)。

在生物體遺傳的歷程中,這些分子可能有遺傳訊息發生改變的突變現象。若這些改變是中性的,或對生存機率影響不大,便可以在生物體內留傳下去。因此假定這些改變累積的速率是相等的,分析個體間這些分子的變異,便可以回推兩個個體從最近祖先分開的時間。

近年來隨著分子生物技術不斷地更新,有越來越多的研究方法開發出來,使得利用分子技術於生物歷程的探索越來越方便,促使分子生物技術的應用成為一門熱門的科學。

分子生物技術的應用起於1960年代,當時是利用免疫學的方法分析類人猿抗原之間的差異,藉以推論這些抗原間的演化關係。在同時期稍晚的時候,便發展出利用同功異構酶電泳圖譜分析蛋白質多型性的方法,藉由分析同功異構酶的多型性可以區別不同的族群或物種。

但只利用同功異構酶電泳圖譜的分析,並沒有辦法推算出兩者之間的差距有多大,或在演化上分離的時間有多久,若能知道這蛋白質的胺基酸序列,便有可能根據其序列差異的多寡來推論兩兩之間差異的多寡。因此有學者提出一個理論,假定胺基酸序列發生改變且累積在生物體內的速率是固定的,則序列之間的差異可視為這兩序列從最近的共同序列分開的時間的函數,這就是「分子時鐘」的概念。同樣的概念也可以應用在更細小分子層級的DNA序列上。

但早期很難在生物體外合成核酸,直到1971年才第一次有人成功地在生物體外利用酵素合成一小段的DNA。而真正有辦法在生物體外開始大量合成DNA還須等到1983年,把從嗜熱菌分離出的耐高溫聚合酶用於聚合酶鏈鎖反應,才使得在生物體外合成一小段的核酸成為普遍可行的事情。

從此之後,便發展出許多以這技術為基礎的分析方法。核酸定序的技術雖然很早就已經確立,不過由於過程較繁瑣且代價高昂,因此一直等到90年代晚期才開始變得普遍。如今利用核酸序列解釋生物歷程已經成為最主要的研究方法。

生物歷程的判定

一個生物體所需經歷的生命歷程,包含出生、成長、生殖、老化到死亡的過程,在個體死亡之後,這現象便畫下句點。然而生物體可以透過生殖的方式讓這歷程代代延續下去,因此廣義來說族群的延續也是生物歷程的一部分,在生物歷程的研究方面,一整個物種或一整個族群要比單一的個體來得重要。分子生物技術應用在系群結構的分析,以及物種分化的研究方面,是非常良好的工具。目前最常使用的方法,包含使用粒線體DNA及微衛星DNA做為遺傳標記(或稱微衛星標記),以解析不同物種或族群所經歷的歷史事件。

粒線體是真核生物細胞內的一項胞器,主要的功能是把細胞攝入的有機物氧化,產生的能量轉化成為ATP。在同一細胞中,依功能不同會有數百到數千個粒線體,而粒線體具有獨立的DNA可自行複製。大部分生物體的粒線體都來自於母體的卵,因此粒線體的DNA反應母系的遺傳系統。

基於數量多及母系遺傳的特點,使粒線體DNA在實驗室操作及分析上面,比起核內的DNA更為方便,目前在應用上較為廣泛。而微衛星DNA是一種廣泛分布在真核生物基因組中的簡單重複序列,每個重複單元的長度在2到6個鹼基之間。微衛星DNA有下列優點:數量多且均勻分布在基因組中,可以提供整個基因組的分析;具有豐富的多態性,且可以顯示同型合子或異型合子;檢測容易、重複性好、省時,適合於自動化分析。

應用實例一

關於分子生物技術在海洋生物歷程的研究上所扮演的角色,舉3個實際的例子加以說明。第1個例子是應用粒線體DNA的序列做為物種分類學的依據,這在海洋資源管理上相當重要。一般的生物都是以物種做為最基本的單位,而同一物種中可能有不同的族群。在資源管理的應用上,單一族群是實際上最小的管理單位,稱為「系群」。但在物種狀態不確定的情形下,並無法正確地劃分族群或系群,因此物種的區分是相當重要的課題。

以市場上常見的白帶魚為例,根據外形的特徵可以發現白帶魚有兩種型,一種俗稱為「瘦帶魚」或「白帶魚」,另一種俗稱為「肥帶魚」或「油帶魚」。典型的肥帶魚體高較高,身體左右兩側較厚,眼睛及背鰭基部呈黃色,瘦帶魚則不具上述的特徵,但有些樣本可能因不新鮮而顏色不明顯。加上瘦帶魚的個體間變異很大,有一部分的分類特徵可能與肥帶魚重疊,因此對於這兩種外形的白帶魚究竟是兩種截然不同的物種,或是單一物種的兩種不同外形,過去30年來爭議一直不斷!

根據粒線體DNA細胞色素b序列分析的結果,可以發現兩者之間的序列有相當顯著的差異,且兩者間序列的分布並不連續而有一個間隙。對照DNA的序列發現兩者的外部形態可以有部分重疊,因而造成過去分類上的混亂,而在DNA的序列上兩者並不會混雜。

應用實例二

第二個例子是應用粒線體DNA的序列做為系群劃分的依據。以台灣附近海域經常食用的魩仔魚為例,魩仔魚是一群以鯷科魚類為主的仔稚魚群體,其成魚隨著洋流來到台灣近海產卵、孵化、成長,然後再返回攝食成長的區域,其中日本鯷是台灣北部所捕獲的最主要物種。漁民正在進行袋網收回作業
魩鱙漁業作業的漁獲物—魩仔
 
目前台灣北部以宜蘭灣(大溪、梗枋、南方澳)及台灣海峽北部(八里、永安)為最主要的魩仔魚捕獲區域,每年的春秋兩季都有漁獲的高峰。根據漁獲資料紀錄,漁季明顯分為春秋兩季,另外還有明顯的地理區隔,因此根據常理推測,日本鯷可能有多個系群存在。

若想要驗證這推測,傳統的方法必須進行標放,同時配合生殖腺的採樣檢測,找出其洄游路徑及產卵場,才能驗明其系群的結構。但這種小型魚類不易進行標放作業,因此其生殖洄游的路徑一直難有明確的推論。現在可以利用分子生物的技術,較為輕鬆地驗證是否符合這樣的假設,配合洋流的資料便可能推測其生殖的洄游模式。

根據粒線體DNA細胞色素b序列分析的結果,發現一個很有趣的現象。同時分析3個不同時間、空間的群體,分別來自宜蘭灣春季、秋季及台灣海峽北部春季的樣本,結果發現宜蘭灣秋天捕獲的群體與台灣海峽北部春天捕獲的群體,在遺傳的相似性上最高,檢定上並沒有顯著的差異,與同樣來自宜蘭灣春天的群體卻有顯著的遺傳差異。魩鱙漁業作業的漁獲物—魩仔
魩鱙漁業作業的漁獲物—鱙仔
 
根據這結果,把日本鯷區分為兩個系群,一是沿岸群,另一是陸棚邊緣群。春天時,沿岸群會到達台灣海峽北部產卵,同時陸棚邊緣群會到達宜蘭灣產卵,而秋天時因季風的改變,沿岸群會被帶往宜蘭灣再度產卵。

應用實例三

最後一個是鯖魚的應用例子。台灣剛好位於熱帶與亞熱帶的交會區域,因此在台灣附近的海域可以同時捕獲到兩種鯖魚,一種來自北方的白腹鯖,另一種是來自南方的花腹鯖。兩種鯖魚的外觀相似度很高,主要可用以區分的特徵是腹部是否有花紋,但不新鮮時,花腹鯖的花紋有時並非十分明顯,而可能誤判為白腹鯖,因此兩者是否是有效物種的爭議一直不斷。魩鱙漁業作業的漁獲物—鱙仔
鯖魚鯖魚
利用粒線體的DNA及微衛星DNA分析兩種不同外觀特徵的鯖魚,發現兩種不同鯖魚的基因組成並不相同,說明兩種鯖魚各自有獨立的基因庫,因此可以確定兩者是各自獨立的物種。此外,發現花腹鯖在南海及東海兩海區之間的遺傳差異已經達到顯著分化的程度,說明兩族群之中有已有分化的現象。

生命條碼

目前分子生物技術還有一項重要的應用,就是利用一小段的DNA做為生命條碼,它的概念類似於圖書出版的全球通用碼或商品的條碼。每個物種都有其獨特的DNA序列,透過廣泛收集各個物種的小片段DNA序列建立起生命條碼資料庫,便可以做為物種比對及鑑定之用。這方法可應用於仔稚魚的鑑定、加工過的產品鑑定、新物種的探索等。

目前全球已有四十多個國家、一百多個學術機關正在進行這項工作,典藏的存證標本及DNA條碼也正快速累積中,將來若欲鑑定物種,可能只要透過像條碼機一樣的機器刷一下就可以解決。

在現今陸地上的資源幾乎都已經開發完全的時代,海洋資源的開發利用顯得更為重要,海洋生物歷程的研究會有助於了解海洋中這些資源的分布受歷史因素左右的情形,對開發、利用及管理這些資源有很大的助力。最重要的是可以協助我們訂出適當的管理策略,適切地使用這些資源。任何的資源都非取之不盡用之不竭,唯有適當的管理與合理的應用,才可能達到資源永續利用的境界。


深度閱讀
  1. 史托克(Mark Y. Stoeckle)、赫伯特(Paul D. N. Hebert)(民97)生命條碼,科學人81,72-77。
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