《我擁群像》:船艦「屁股上的刺」──令海軍頭痛不已的「彎彎蟲」

《我擁群像》:船艦「屁股上的刺」──令海軍頭痛不已的「彎彎蟲」
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我們想讓你知道的是

這些管狀物隨處可見,從岩石、木樁、漁網到船隻上都可以發現牠們的蹤跡。描述這現象的專業術語叫做「生物附著」(biofouling),換成口語說法則是「屁股上的刺」(a pain in the ass)。

文:艾德.楊

1941年12月7日上午,一大隊日本戰鬥機突然對夏威夷珍珠港的美國海軍基地發動襲擊。亞利桑那號(Arizona)戰艦在開戰不久就陣亡,船上1000多名軍官和船員也隨之沉沒。港內的7艘戰艦,連同其他18艘船艦和300架軍機不是遭到摧毀,就是被嚴重破壞。今日的珍珠港比當年寧靜多了。雖然仍是容納幾艘巨大軍艦的重要海軍基地,但它最大的威脅已不是來自天空,而是海洋。

你可以隨意扔一塊金屬片到水中,藉此看看船體可能會發生什麼事。幾小時後,細菌開始在金屬片上面生長,藻類或許會隨之而來,也可能有蚌類或藤壺,幾天之內,上面會出現白色管狀物。這些管狀物很小,每個不過數公分長,數毫米寬,但很快就有數百、數千,甚至數萬個,最後整個金屬表面看起來就像結凍的絨毛地毯。

這些管狀物隨處可見,從岩石、木樁、漁網到船隻上都可以發現牠們的蹤跡,如果一艘航空母艦在港口停泊數月,這些管狀物就會層層積聚在船體外,形成數公分厚的結構。描述這現象的專業術語叫做「生物附著」(biofouling),換成口語說法則是「屁股上的刺」(a pain in the ass)。海軍有時會派潛水員到船下,用塑膠袋蓋住螺旋槳和其他易受影響的構造,以免被管狀物塞住。(註1)

這些白色管狀物裡面住著一隻隻動物,而這管狀物就是裡面的動物製造的。海軍的人叫牠「彎彎蟲」,夏威夷大學的海洋生物學家麥可.哈德菲爾德(Michael Hadfield)則會跟你說牠的名字是華美盤管蟲(Hydroides elegans)。其第一次被文獻記載的發現地點是在雪梨港,但地中海、加勒比海、日本沿海和夏威夷(任何有船隻停泊的溫暖海灣)都有牠的蹤跡。這個偷渡大師透過攀附人造船體,分布範圍遍及全世界。

在海軍的要求下,哈德菲爾德從1990年開始研究「彎彎蟲」,他原本就是海洋生物幼蟲方面的專家,因此海軍希望他測試各種防止生物附著的塗料,看看是否能夠逼退「彎彎蟲」。但哈德菲爾德認為,想找到牠真正的弱點,應該先弄清楚為什麼彎彎蟲決定在船體上生活,又是什麼原因讓牠們突然出現在上面?

這個問題存在已久。在那本精采的亞里斯多德傳記中,作者阿曼德.馬里耶.利萊(Armand Marie Leroi)寫道:「(亞里斯多德)說,曾經有支海軍艦隊停泊在羅得島(Rhodos),並把許多陶器扔出船外,陶器首先是積了泥,接著牡蠣也慢慢出現。由於牡蠣無法自行移動到陶器中或其他地方,所以牠們肯定是從泥土中產生的。(註2)」

這種認為生物會自發生成的觀念流行了數個世紀,但絕對是錯誤的。牡蠣和管蟲之所以會出現的背後真相其實平淡多了。這些動物(如珊瑚、海膽、貽貝和龍蝦)的幼蟲會在大洋中漂流,直到牠們找到落腳的地方。這些幼蟲非常微小,數量卻相當龐大(一滴海水可能就有一百隻),而且其長相完全無法讓人直接聯想到牠們成年後的樣子。小海膽看起來比較像一顆羽毛球,而不是牠長大後像針插一般的造型;華美盤管蟲的幼蟲看起來像長著眼睛的釘塞,而不是套著管子的長長蟲體,所以很難想像幼蟲和成蟲是同一種動物。

幼蟲會在某個時刻安定下來,告別牠年輕時的流浪歲月,變成固著的成體。這個過程稱為變態(metamorphosis),是牠們生命中最重要的時刻。科學家們曾經懷疑這些地點是任意選擇的:當牠們到了任何一個地方,如果夠幸運找到好位置安頓,就能存活下來。但事實上,幼蟲的做法具有目的性,而且會精挑細選。牠們追隨化學物質痕跡、溫度梯度甚至聲音等線索,找到最適合的變態位置。

哈德菲爾德很快便發現,吸引華美盤管蟲的是細菌,更準確地說是生物膜(biofilm),這種由細菌鋪排而成的黏稠薄膜會在水下物體的表面快速生成。當幼蟲發現生物膜時,會緊緊地將頭貼在這群細菌的表面,沿著它們游動。幾分鐘後,幼蟲會從尾巴擠出一條黏液來固定自己,並分泌出一層透明的套子將自己包裹起來。在牢牢固定住自己後,牠開始變形。曾經擺動、推著牠穿梭水中的纖毛消失,身體開始拉長,頭部周圍長出一圈觸手用來抓取食物碎片,也開始打造身上的硬管。現在的牠已經長大成蟲,永遠不會再移動,而這樣的轉變完全取決於細菌。對華美盤管蟲來說,乾淨無菌的燒杯就像彼得潘的夢幻島,住在那裡永遠不會長大。

不過,管蟲卻不是對任何的存在已久的微生物都有反應。哈德菲爾德發現,夏威夷海域的眾多菌株中,只有少數能誘導變態,而且只有一種能力較強,它有個拗口的名字—黃紫色假異單胞菌(Pseudoalteromonas luteoviolacea)(還好哈德菲爾德把它簡稱為「小紫」〔P-luteo〕)。「小紫」比其他微生物更擅長將幼蟲轉變為成蟲。如果沒有它或其他細菌,管蟲永遠不會成年。(註3)

管蟲不是特例,當某些海綿幼蟲遇到細菌時,也會附著在表面並開始變形。貽貝、藤壺、海鞘(sea squirt)和珊瑚也是如此,牡蠣也算喔(抱歉了,亞里斯多德)!貝螅(Hydractinia)是水母和海葵長了觸手的親戚,當牠接觸到寄居蟹殼上的細菌時就會「轉大人」。海洋裡住著一群群只有在與細菌接觸時才能完成生命週期的動物小寶寶,而且這些細菌通常都是「小紫」。(註4)

如果這些微生物突然消失,會發生什麼事?剛剛提到的那些動物都會滅絕、無法成熟或繁殖嗎?海洋中物種最多的珊瑚礁生態系會因為沒有細菌先行探路,而無法找到合適的表面發展嗎?「我不會把它們捧得那麼重要,」哈德菲爾德以科學家特有的謹慎說道。令我驚訝的是,他卻繼續補充道,「但這個說法還算公道。雖然不是所有海中的幼蟲都需要細菌刺激,也有很多動物的幼蟲還沒測試過,但現在管蟲、珊瑚、海葵、藤壺、苔蘚蟲(bryozoan)、海綿,還有很多很多類群的動物裡,都有用細菌做為啟動關鍵的例子。」

有些人可能又會問:動物為什麼要依賴來自細菌的提示?可能是因為微生物能增進幼蟲對表面的附著能力,也能提供阻止病原體進攻的分子,但哈德菲爾德認為細菌的價值對動物來說其實沒那麼複雜。生物膜的存在能向動物幼蟲傳達以下重要訊息:第一,這裡有堅硬穩固的表面。第二,這個表面已經存在好一陣子。第三,這裡沒有太大的毒性。第四,有足夠的養分支持微生物。這些都是代表該地適合安居的好理由,所以其實動物的問題應該是,為什麼不依賴細菌的提示?或更應該問:如果不依賴細菌,動物還能有什麼選擇?

「當第一批海洋動物的幼蟲準備定居時,根本沒有乾淨的表面,」哈德菲爾德呼應著羅爾斯和金的想法說道,「到處都被細菌覆蓋,因此,不同的細菌群落變成是否適合定居的線索,這一點也不奇怪。」

註釋

  1. 詳見 Hadfield, 2011。
  2. Leroi, 2014, p. 227。
  3. 哈德菲爾德幾乎花了十年才發現細菌如何促使管蟲蛻變,而且答案出人意料地殘暴。和加州理工學院的尼克.西庫瑪(Nick Shikuma)一起,哈德菲爾德發現「小紫」會製造一種被稱為細菌素(bacteriocin)的毒素,向其他微生物發動戰爭(Shikuma et al., 2014)。每個「小紫」都是臺簧壓打洞器,能在其他細胞上穿孔,造成致命外洩。一百個細菌素會合併成大型的穹頂形簇團,並將危險的一端全部朝外。這些穹頂像地雷一樣散佈在「小紫」的生物膜上,哈德菲爾德認為,當管蟲幼蟲碰到這些地雷時,「轟!」它的細胞猛然被炸出一堆孔。那也許足以觸發緊張的訊號,告訴管蟲:該長大了。
  4. Hadfield, 2011; Sneed et al., 2014; Wahl et al., 2012.

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書籍介紹

《我擁群像:栽進體內的微米宇宙 看生物如何與看不見的微生物互相算計、威脅、合作、保護 塑造大自然的全貌》,臉譜出版
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作者:艾德.楊
譯者:田菡、楊仕音、劉蓉蓉

你知道嗎?當你伸手觸摸桌子,微生物會從你的手飄到桌面上;當你開口說話,它們會像吐出的霧氣一樣從嘴裡噴出來。這些看不見的小居民以難以想像的數量住在我們的皮膚、腸道、口腔等各個身體部位裡,既能幫助我們建立免疫系統,但也可能讓我們生病,微生物與動物的互動關係其實就像八點檔,充滿愛恨情仇。

這是一個以微生物為中心的未來,這是一本縱橫微生物學研究的著作。作者艾德‧楊整理了數百篇的學術論文,先是徹底翻轉我們對這個微小宇宙的認知,再帶我們探進密集、複雜又絢麗的花花世界,最後,楊還將為你換上截然不同的眼睛與腦袋,讓你不僅看自己不再是自己,還能瘋狂想像微生物主演的未來。

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Photo Credit:臉譜出版

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航