海洋微生物知多少 & 臺灣海洋科學研究:半世紀的風華

<海洋微生物知多少>

海洋微生物種類繁多,包括自營細菌、異營細菌、古細菌、病毒、纖毛蟲、鞭毛蟲、真菌、藻類等等,最早可追溯到 35 億年前的細菌化石。本講次回顧海洋微生物探索史的重要里程碑,以及目前已確定的一些關於海洋微生物的事實。

講師:謝志豪|臺灣大學海洋研究所教授

細菌是海洋中重要的分解者,但是除此之外,人們對於海洋細菌的絕大部分了解,都是近 50 年才陸續建立起來的。首先是海洋細菌吸收有機物的效率,是在 1970 年代利用放射性同位素 C14 ,標定各種有機物培養實驗,才確定細菌大約可吸收 70% 的有機物;海洋中的細菌數量同樣是在 1970 年代,藉由螢光顯微鏡確認一公升的海水,大約含有 10 億個細菌。細菌的生長速率則是到了 1980 年代,利用放射性同位素三原子氫,標定細菌生長所需的 DNA 原料;另外利用培養實驗,測量細菌消耗的氧氣量,估算細菌的呼吸率,推算出細菌的代謝率佔系統整體代謝率超過 50% 。

在缺乏營養的環境中也能生長得很好的藍綠菌,是海洋主要的基礎生產者,佔海洋整體生產量的 60% 。鞭毛蟲則是細菌的主要捕食者,它同時也會被浮游動物捕食,因此形成一個海洋微生物食物圈 (microbial loop) 。到了 1980 年代末期,科學家利用流式細胞儀跟電子顯微鏡,不但發現了世界上最小的藍綠菌原綠球藻,還發現一公升的海水大約含有 100 億個病毒,這些平時處於休眠狀態的病毒,不時會活化起來,把細菌裂解成有機物,從而衍生出病毒圈 (viral loop) 的概念。海洋微生物食物網的想法與結構,這才完整地建立起來。

大部分的海洋微生物都無法培養,想要知道海洋裡有多少微生物,各有什麼功能,又要如何著手做研究?這就是分子生物學發揮擅場之處了,舉凡 16S RNA 基因序列分析、基因複製庫研究、標的基因高通量定序,分子生物學家祭出各種研究手法,逐漸得出海洋細菌的多樣性很高,但是大部分菌種的數量都很少的事實。海洋細菌對於生物地球化學的功能,則是反映在海洋的碳、氮、磷等等元素的循環,對於海洋酸化以及地球整體氣候,具有關鍵性的影響。這是屬於範圍更廣的生態系統海洋學研究領域,不過那就是另一個有待來日的故事了。

 

<臺灣海洋科學研究:半世紀的風華>

綠色能源、漁業資源、海洋汙染、氣候變遷,這些許多人關心的迫切議題,都與海洋科學研究息息相關。台灣這個四面環海的島國,在海洋研究的領域中,走過了哪些篳路藍縷的歷程,未來又有何展望?

詹森|臺灣大學海洋研究所教授

台灣參與海洋研究,起步得力於美國的大力協助。 1968 年台灣大學成立海洋研究所,是美國顧問建議促成的,第一艘海洋研究船「九連艦」也是美國海軍退役轉贈。當時國家高度重視海洋研究,副總統嚴家淦多次視察台大海研所與九連艦;不過實際上在上個世紀結束之前,長達三十多年的期間,台灣僅有一些零星的國際合作海洋研究案。

台灣第一個參與的國際合作海洋研究案,是 1960 年代就著地利之便,參與聯合國教科文組織主導的「聯合探測黑潮計畫」 (CSK) ;不過隨著台灣退出聯合國,未再參與後續研究計畫,學界也跟著陷入研究人才青黃不接的窘境。直到 1980 年代,台大海洋所培育出來的研究人才逐漸充實,兼之海研一號適時完工下水,促成「黑潮邊緣交換過程研究計畫」 (KEEP) ,海洋研究的巨輪才又開始轉動。到了 1990 年代,海研二號、三號先後服役,台灣也順勢加入「世界海洋環流實驗」 (WOCE) 以及「南海季風實驗」 (SCSMEX) 等國際合作計畫,海洋研究逐漸醞釀能量。

台灣的海洋研究在進入 21 世紀之後蓬勃發展,不但與美國海軍研究處共同合作「亞洲海域國際聲學實驗」 (ASIAEX) 、「南海內波實驗」 (IWISE) 、「颱風實驗」 (ITOP) 、「黑潮緣起」 (OKMC) 等計畫,自身也開始進行「東海長期觀測與研究」 (LORECS) 。隨著海研五號加入研究船隊,台灣的海洋研究足跡拓展到遠洋週邊海域,研究範疇也因此更為全面。

台灣這五十年來的海洋研究成果,濃縮成為科技部的「海洋學門資料庫」。這個完全屬於我們自己的海洋研究資料庫,彙整了各艘海研船以及海洋錨碇儀器的探測結果,進行系統性分析後,做成水文、海流、水深、震測、聲納、重力、化學、生物等等各式資料,以供產業界與學術界運用。未來隨著新一代海洋研究船加入遠洋海研行列,第二、第三代的海研人才接力投入之下,台灣的海洋研究將產生新思維,拓展出前所未有的可能性。

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