浮游生物多样性与研究方法简介水世界微小而繁多的生

浮遊生物多樣性與研究方法簡介—水世界微小而繁多的生命楊樹森新竹教育大學應用科學系副教授全球變遷及浮游生物美國國家實驗室(LLNL)的某些科學家認為，人類之所以能在氣候溫和的地球上演化，也許要歸功於那些碳酸鈣貝殼和具有碳酸鈣骨骼的海上浮游生物。5億年前這些生物出現之後逐漸繁多壯大，大約2億年前，具有碳酸鈣外殼的的海上浮游動物在阻止地球被冰封的過程中起了相當重要的作用。當這些生物體死亡後，具有碳酸鹽的貝殼和浮游動物骨骼沈入海底形成沈積，一部份則溶解在海水中，最後這些沈積物幫助控制海洋與大氣中二氧化碳的化學反應。研究人員利用電腦模擬大氣和地表的關係，觀察大氣中的二氧化碳變化如何促成冰河的生長。電腦模擬發現，冰河形成初期海洋從大氣中大量吸收二氧化碳，使得地球表面溫度逐漸降低促成更冷的冰河時期。當模擬過程中往海洋添加具有碳酸鈣貝殼和海上浮游生物時，海洋從大氣吸取二氧化碳化學反應變得緩和，大氣中維持足夠的二氧化碳使得大氣候能維持溫和，這些海洋生物幫助阻止地球在冰河時期變成嚴重的全球冰封形成一個大雪球。。雖然海上浮游生物對於地球氣候穩定性具有重要作用，然而在2003年9月25日出版《科學》雜誌中，有一項相關研究發現，現代人無節制地向大氣中排放礦物燃料燃燒後的二氧化碳，將嚴重威脅這些維持氣候穩定性的海上浮游生物的生存。美國太空總署公佈的一項研究表明，受全球氣候變化的影響，全世界海洋中浮游生物的含量自1979年至2000年間平均下降約6％。就地域而言，北部海洋的浮游生物含量下降尤爲顯著，北太平洋的浮游生物下降了30％多，北大西洋下降了14％。但赤道地區的海域正好相反，在北印度洋和赤道地區的大西洋裏，浮游生物的含量增加了50％。浮游生物對全球環境至關重要，因爲它是整個海洋食物鏈中最基礎的一環；而且植物性浮游生物還可以吸收大氣中的二氧化碳，通過光合作用製造氧氣。浮游生物浮游生物(Plankton)的定義：生活在水中不具有泳動能力或是泳動能力微弱無法抵抗水流，其移動方式大至為隨波逐流進行橫向長距離移動，上下遷移則是例用身體密度的調節或是利用微弱的泳動能力完成。一般依其大小將浮游生物分為：picoplanktonultraplankton2μmnanoplankton2-20μmmicroplankton20-200μmmacroplankton200-2000μmmegaplankton2000μm依其生活史而言：holoplankton永久性meroplankton階段性tychoplankton暫時性依其生活型態知營養方式：分成兩大類：phytoplankton行光合作用的浮游植物zooplankton浮游動物epiplankton*pleuston*neustonmesoplanktonhypoplankton*nekton*benthos細菌：ultraplankton；nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer細菌是一群不具細胞核的原核生物，大部分的種類大小約在1至100微米（μm）之間，一部好的顯微鏡是觀察細菌必須的工具。細菌雖然無法由肉眼觀察，但是在我們的生存環境中無所不在，如果生存環境適宜且營養豐富，細菌大約每20分鐘就可以分裂一次，也就是說1個細菌在12個小時之內會增殖成數百億個細菌。細菌在地球生態圈中上扮演者極為重要的角色，依照細菌營養的方式可行光合作用的自養細菌及無法行光合作用的異養細菌。自養細菌如藍綠細菌(以往稱為藍綠藻)，這些細菌在20-30年前就已經極為發達，當時行光作用所產生的氧氣建構了現在大氣中的氧氣及同溫層中的臭氧層，使得地球表面成為好氧生物的天堂。除此之外，許多自養的藍綠細菌還能行固氮作用，將游離的氮氣轉變成生物能直接利用的氮氧化物，對生態系的營養有極大的貢獻。除了藍綠細菌之外絕大部分的細菌均為異養的分解者，主要任務是將環境中的有機碎屑分解成水及二氧化碳，促使物質能夠循環，若缺乏這些細菌將有許多的有機物質如動、植物的屍體長時間的堆積在地表，現在的地球表則會呈現另一種不同的景象。眼蟲生物界：眼蟲(裸藻)nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer眼蟲具有1-2條鞭毛，鞭毛擺動使個體能相當快速移動。體內具色素體內葉綠素a、b、類胡蘿蔔素及葉黃素等，每一個色素體中含有一澱粉核(pyrenoid)。細胞口側面有眼點(stigma)和伸縮泡(contractilevacuole)，眼點具有感光的功用，鞭毛近眼點位置膨大形成對光極為敏感的鞭毛瘤(flagellarswelling)，眼點的感光對此處可能具有光保護作用，避免光線直射鞭毛基部。眼蟲細胞內具有粒腺體、液泡、高爾基體等胞器。大部分種類的眼蟲可以行形光合作用，少部分為不行光合作用的異養生物，即使是可行光合作用的種類在沒有光線的環境中仍能生存，此時細胞內的葉綠體逐漸分解消失，完全賴有機化合物為碳素的來源，當再度接受光線照射時又可回覆行光合作用的能力。眼蟲在受到污染而充滿有機質的水域中相當普遍，河川的下游，養魚的池塘及校園的水生生物池均很容易發現眼蟲的蹤跡，一般觀察也相當容易，先用40微米網目的細篩網將水樣濃縮，然後用吸管吸取一低的濃縮水樣致入凹曹波片在100-200倍觀察；或是製成一般的蓋波片。膜泡生物界：雙窩鞭藻nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer雙渦鞭藻類是淡水或是海水表層相當常見的光合浮游植物，在水域生態系中是相當重要的生產者，但是許多種類在水中營養鹽過剩實會大量滋生造成藻華現象，使水面呈紅棕色或是黃紫色，藻華產生後釋出的微量藻毒，毒性甚強的藻毒即便是微量的釋出也會造成大量的魚蝦貝類死亡，特別是在沿岸的海域因為污染使水中營養鹽增加，在高溫的季節則長引發雙渦鞭藻類大量滋生。某些雙渦鞭藻類也會在夜間發出微弱的螢光，例如海洋表面常見的夜光蟲(Noticula)，當沿岸的夜光蟲大量發生時，在沒有月光的情形下，海水表面也會發出雖者波浪而閃亮的螢光。數千種的雙渦鞭藻類中大部份均為單細胞自由生活或與其他生物共生，也有部分種類會聚集成群，每一種雙渦鞭藻因為細胞外層由纖維加強的板片所組成，因而行成特殊的紋理結構，形似外被盔甲，故又常稱之為甲藻，甲藻細胞具有一橫溝，橫溝內有兩條鞭毛為其旋渦運動的動力來源。某些種類的雙渦鞭藻會與珊瑚共生，在珊瑚礁體內行光合作用，提共造礁珊瑚足夠的生存能量，當海水混濁或是溫度升高不利這些共生藻生存時，共生藻逐漸衰亡的結果使得珊瑚蟲也隨之死亡，因此這些雙渦鞭藻是建造珊瑚礁的重大功臣之一。一般水域的浮游植物採樣中均或多或少可以發現雙渦鞭藻類，野外採集通常直接取1公升的水或是以40微米網目的細篩網將水樣濃縮，然後用吸管吸取一滴的濃縮水樣置入凹曹波片在100-400倍觀察；或是製成一般的蓋波片覆蓋的觀察。膜泡生物界：纖毛蟲nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer單細胞的纖毛蟲類體表具有發達的纖毛用於運動及捕食，纖毛的構造與眼蟲及渦鞭藻等生物的鞭毛類似，但是外形短小許多，纖毛則以數量取勝成千上萬的分布在細胞表面，某些種類的纖毛會特殊化互相癒合成板片狀或是成特殊形狀，纖毛的分佈依不同的種類而有相當大的差別，是分類實的重要依據。數量眾多的纖毛根基植入細胞膜的底部，由細胞骨架支稱，並由微管形成的協調系統一分配每一根纖毛擺動的時間及方向等，纖毛動物體內通常具有一大一小的細胞核，大核含有較多的RNA是管理日常生活的中心，再進行接合生殖時會退化消失，小核內僅有DNA，在接合生殖時會形減數分裂。大部分的纖毛蟲類均生活在淡水中，海洋性的種類較少。淡水生的種類具有發達的伸縮泡借以排出細胞內過多的水分用以維持細胞的形狀及滲透壓。淡水中最常見也最為人們熟知的纖毛動物就是草履蟲及喇叭蟲等，普遍生存在高腐植質的受污染水體中，河川中下游、污水池、污水道、校園水生生物池均很容易發現其蹤跡。纖毛蟲類在實驗室內培養也極為容易，取適量的乾草將其剪碎泡入水中，置於窗台上任期腐敗，約在一星期後取水樣滴在玻片上再蓋上蓋玻片，然後在顯微鏡下以100-400觀察。野外採集通常可以發現的種類較多，一般纖毛蟲的密度極高，可以直接以吸管吸取污水觀察，也可先用40微米網目的細篩網將水樣濃縮，然後用吸管吸取一低的濃縮水樣致入凹曹波片在100-400倍觀察；或是製成一般的蓋波片覆蓋的觀察。羽鞭生物界，矽藻：nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer矽藻或成硅藻大致呈黃色或是棕色是海洋及淡水中相當普遍的微小生物，矽藻類最特殊的地方在於其細胞壁由含水的矽質(玻璃的成分)所構成。細胞的外觀構造如一個便當盒，由一個比較大的盒蓋覆蓋在稍小的盒子上，然後在接縫處緊緊的癒合在一起稱為環帶，某些細胞較大型的種類上有其它次生的細胞壁增強細胞的構造。由於細胞壁是矽質的結晶，因此每一種矽藻均會形成形狀相當固定而且表面紋路華麗的細胞矽藻類的生殖方式大致可以分成營養繁殖、無性繁殖及有性繁殖三種，其中以細胞分裂的營養繁殖最常見，細胞每分裂一次，新生的細胞分得原來細胞1/2的細胞質，因此細胞會愈來愈小。當細胞愈來愈小到達一定程度時則產生復大孢子，復大孢子的形成可以由以下三種方式：1).兩個小細胞減數分裂形成2個配子，在由不同細胞的配子接合，形成2個復大孢子；2)兩個小細胞減數分裂形成1個配子，然後接合形成1個復大孢子；3)兩個小細胞直接靠近然後形成兩個復大孢子。某些矽藻類會經由多次的分裂形成小孢子，長成的小孢子具有1-4條鞭毛，小孢子互相接合形成接合子再萌發成新的個體。根據矽藻殼的形狀及殼面的花紋，矽藻類分為中心藻及羽紋藻兩大類。中心藻類的花紋呈同心圓放射狀排列，羽紋藻的花紋則是左右對稱呈羽紋狀排列。羽鞭生物界，金黃藻：nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水；phytoplanktonordecomposer常見於淡水(海洋種類較少)的單細胞藻類，某些種類會聚集成群體生活，金黃藻因其細胞內含有大量的胡蘿蔔素及葉黃素等而呈現金黃色。金黃藻細胞通常具有1-3條鞭毛能自由運動，2條鞭毛最常見，但某些種類不具鞭毛。其生活方式大部分為行光合作用的自養生存，某些種類除行光合作用之外能自水中攝取溶解性的有機物質，因此常出現在某些特定水域之中。比較寒冷的區域因為水污染造成的赤潮常常因為是金黃藻大量滋生的結果。有孔蟲：nanoplankton；microplankton分佈：海洋及河口域；zooplanktonordecomposer有孔蟲(Foraminiferans)具有發達的鈣質外殼，網狀的偽足由殼內向外延長，運動及覓食均由外露的偽足完成。有孔蟲主要分佈在海洋中行浮游生活，有孔蟲死亡之後鈣質外殼因為海水的鹼性不易被分解而沉降至海底儲存在底泥中，透過分析海底沉積物可以大致了解有孔蟲分的種類及其生存的年代，進一步可以解讀古海洋環境的特性其長時間的變遷。放射蟲：nanoplankton；microplankton分佈：海洋及河口域；zooplanktonordecomposer放射蟲(Actinopoda)的外殼為鈣質或是矽質，偽足針狀細長由細胞本體向外放射延長，與有孔蟲的分佈相同以海洋為主，行浮游生活，放射蟲死亡之後留下的外殼極為華麗，沉降至海底之後亦儲存在底泥之中。有孔蟲及放射蟲在古老的海洋中數量極為豐富，死亡之後的屍體在缺氧的海床中經過長時間的地殼作用慢慢變成今日所使用的原油，石油的探勘即經常根據地殼中出現的有孔蟲及放射蟲種類作為是否有石油的指標。綠色植物，綠藻生物界：nanoplankton；microplankton分佈：海洋及淡水phytoplankton綠藻具有深綠色的葉綠體使得藻體與常見的綠色植物相同因而稱之為綠藻