2011年12月25日

賣場裡的演化奇蹟-冰魚

大賣場裡有許多有趣的知識,我曾經在裡頭找生態學,也找過種源中心的資訊,當然裡頭也可以看到動植物的生理結構

賣場裡有來自世界各地的食物,甚至南極。




裘氏鱷頭冰魚(Mackerel icefish),學名Champsocephalus gunnari



牠也曾經上過郵票封面

圖片來源 http://stamps.livingat.org




牠的分佈地點十分遙遠,遠在地球之南。牠何時被捕捉,如何從南極到台灣,這些我都想知道,不過目前沒答案。

圖片來源 http://eol.org/data_objects/15275010


寒冷南極怎麼活

牠,生活在非常寒冷的海水中,水溫甚至在攝氏零度以下。咦,寒帶的水怎麼會到零度以下呢?冰層底下不是可以保持4℃嗎?

「在4℃時,體積最小;在4℃以上水的體積會隨溫度上升而膨脹;在4℃以下體積也會隨溫度下降而膨脹。亦即水的密度在4℃時達到最大值。此特性對寒冷地區的生物很重要。當水面的溫度逐漸下降至4℃時,因為密度變大而下沉。因此湖水在結冰時由表面開始結冰,而密度大的水沉在底層而可保持4℃左右,讓水中的生物維持生命渡過寒冬。」http://tao.nuk.edu.tw/demo/ic91/ic47/lin2.htm



資料來源http://tao.nuk.edu.tw/demo/ic91/ic47/lin2.htm


是啊,淡水是這樣啊,但南極的水可不是淡水啊。鹽度越高,凝固點愈低啊,那裡的海水可以到達零下2度呢。




圖片來源 http://140.112.68.243/chap3/node4.htm

抗凍蛋白
住在零下的水裡,怎麼不怕被凍死呢?之前寫過一篇「從龜山蘋果拳到抗凍劑」就是在討論生物的抗凍機制。冰魚既然能住在這裡,身體當然不能太差,牠們的血漿裡也有抗凍蛋白啊。

抗凍蛋白能幫助降低魚體內的冰晶生長臨界溫度,避免自己被凍成魚冰棒。這類蛋白質的結構很特別,只由三種胺基酸重複排列四至五十五次。而且這組抗凍基因是是從另外一組負責消化的基因改變而來的。有一小部分基因碼從該組基因脫落,移動到這些魚類的另外一個基因組上,在這一小組僅有九碼的基因碼中,延伸出另外一組形成抗凍蛋白的基因碼。


沒有血紅素
冰魚最出名的是-牠沒有血紅素,所以血不是紅色的。
下圖右是另外一種冰魚(Pseudochaenichthys georgianus)的新鮮血液。

圖片來源  http://www.mnhn.fr/glecointre/Collections.html



不知道我手邊的冰魚什麼時候還是活的,我只能等牠退冰之後,再拿根針筒抽血,雖然沒辦法看到清澈的血液,但至少也看得出來牠不是紅色的血液。




缺少血紅素的脊椎動物非常少,目前已知除了冰魚以外,只有一種鰻(Anguilla anguilla) 、蛙( Xenopus laevis)和慈鯛(Cichlasoma severum)。
.http://www.springerlink.com/content/n117k68763v90pv7/fulltext.pdf


沒有血色的鰓
牠的鰓,因為沒有血紅素,所以和其他的魚類非常不同。



沾了不少沙子的魚鰓






血紅素是運送氧氣的,沒有血紅素怎麼運送氧氣呢?這又和南極的水有關係了,南極天寒地凍,水也非常冰冷。這樣的水溫使得溶氧量大為增加,愈低溫,溶氧量愈高。



圖片來源 http://www.waterwatch.org.au/publications/module4/temperature.html


血液不只沒血紅素,牠們的血還很稀,黏度很低。人類的血球容積比(hematocrit; 血液中血球所占的比例)大約是45%,紅血的南極魚類的血球容積比大約是15-18%,但是冰魚只有1%的血球細胞(都是白血球,但有些有紅血球的殘存痕跡)。


雖然稀,但血量是紅色血液魚類的3-4倍,比起紅血魚類有更大的心輸出量。



冰魚有相對巨大的鰓(魚鰓相對於魚身),以及沒有鱗片的外皮,密佈微血管,增加冰魚從環境中吸收氧氣的能力。下圖為冰魚的皮膚,看不見鱗片,只看得見色素細胞。




南極冰魚的演化適應不只如此,牠們的肌肉也沒有肌紅蛋白,甚至心臟也沒有肌紅蛋白,而且心臟還比其他魚類大,這讓心臟看起來又大又白。(白大心?派大星?)



脊椎動物體內的肌紅蛋白是由單一基因所構成。白色心臟的冰魚,牠們的肌紅蛋白基因產生插入(?)的突變,使得肌紅蛋白無法產生。


冰魚的演化
Sean B. Carroll 寫的書《打造天生贏家─ DNA 和演化的強力證據》,第一章「第1章 布維特島的無血魚」就是在探討冰魚的適應與演化(這裡這裡有試讀檔)

除了上面提到的心臟、血液和抗凍蛋白的改變外,他們細胞裡的微小管也與眾不同。「哺乳類的微小管在華氏50度以下會變得不穩定,南極魚類的微小管可在冰點之下正常組成,並且依舊維持穩定結構。」

透過以上種種基因的DNA序列檢驗,對應南極大陸的地質事件,科學家推論這些基因上的改變都發生在最近幾千萬年而已。




圖片來源 打造天生贏家─ DNA 和演化的強力證據


我實在很難想像,來自這麼遙遠的地方,擁有這麼特別的演化奇蹟的生物,居然在大賣場就買得到了。

來自南極的食物鏈


我在閱讀EOL的資料時,突然想到應該可以來觀察這個來自南極的食物鏈吧。這是第一尾冰魚膨大的胃。


不知道為什麼,只有滿胃的砂



解剖第2隻和第3隻的時候,才看到胃裡有著小型的動物。



Main 等人在2009年,研究超過2000條冰魚的胃之後。他們發現在不同的年份和年齡,牠們攝取的食物有很明顯的不同。通常來說,牠們的食物主要是南極磷蝦 (Antarctic Krill ,Euphausia superba ),以及端腳目的Themisto gaudichaudii。比較年輕的個體胃中,有比較高比例的T. gaudichaudii,以及較小的磷蝦( Thyanoessa sp 和 Antarctic Krill)

這就是南極磷蝦 Euphausia superba

圖片來源:http://eol.org/pages/509426/overview


而這是端足目的Themisto gaudichaudii. 

圖片來源 http://www.marinespecies.org/aphia.php?p=image&pic=19048


這條餐桌上的冰魚,胃裡有什麼呢?




身上也有不同狀態的色素胞


尾部


從這些特徵看來,這隻冰魚吃的都是Themisto gaudichaudii。在所有胃內含物中,找到的只有兩隻完整的端足目,剩下的都是殘缺的,後半段通常都已經溶解消失了。

我本來想要從這些端足目的腸子裡頭再找看看有沒有牠們的食物,不過看了三隻都只看到滿滿的油滴。如果可以找到的話,就可以順利建構出這條南極地區的食物鏈了,從藻類、端足目到冰魚,只是最後的終點居然是到了亞熱帶地區的人類。


在以下幾篇大家吃冰魚的網誌裡,發現大家看到冰魚胃裡有生物的反應十分兩極,有人覺得賺到了,有人則是覺得噁心。

我更好奇的是,他們看到的是磷蝦還是端足目的生物?光看照片不太能確定,我覺得有些是磷蝦,有些則是端足目的。我細看了發表日期,發現他們都是3月4月的時候寫的網誌,也許那時候我再買幾條冰魚來看看,說不定可以找到其他的生物。


最後這幾尾冰魚,本來我想收一下牠們的顱骨和水晶體,不過卻沒料到,牠們的顱骨居然幾乎全是軟骨。而水晶體的質地也比其他我收過的魚類更鬆,一咬就破損了。
頭骨.JPG

從腹面看顱骨,還能見到右眼的視神經
頭骨03.JPG


脊椎骨上的「刺」,彎曲的形狀很特別
脊椎01.JPG