海洋生物去哪兒？一個只有海洋泡泡的展示缸

一座座不起眼的石頭是由層層疊疊的光合作用菌沉澱累積而成的

文、圖—陳勇輝—海生館科教組

海洋生物去那兒？

對遊客來說，欣賞海洋生物活靈活現的樣態與有趣的行為是到水族館參觀時最讓人期待的事。然而在世界水域館的入口卻有一個水族缸中完全看不見任何活體生物，只有幾顆不起眼的石頭三不五時冒出些許氣泡來。很多觀眾只以為那些水族缸正在維修中，直到看到解說牌寫著充滿氧氣的海洋，才會恍然大悟，原來這個水族缸的展示品其實就是那些其貌不揚的石頭-「疊層岩」。

氧氣的誕生

大約在38～42億年前遠古海洋形成之初，水中並沒有任何生物生活。地球在逐漸冷卻的過程中，大氣層中充滿了有毒氣體，遠古空氣的組成中幾乎不見氧氣的成份；當時的大氣組成以氫氣、氦氣、甲烷與氨氣為主，之後火山爆發噴出水蒸氣、氮氣與二氧化碳，而海洋處於近乎無氧的狀態，與當今的海洋和大氣層性質大相逕庭。

遠古的水生生態系中僅存在一些異營性單細胞生物如藍綠細菌等散佈於水域中，利用周遭的有機分子作為原料與能量的來源，並無法利用陽光進行光合作用。之後有些細菌演化出能夠用陽光為能量，將水與二氧化碳當成原料，合成有機物質與能量的自營性物種。

光合作用的出現改變了遠古海洋與大氣層的組成。光合作用能將水與二氧化碳當成燃料，利用光能產生一連串的化學反應，將分子分解之後，重新合成富含能量的有機分子-葡萄糖類並同步產生氧氣。大約25億年前，當時大氣中游離氧氣突然大量增加至約30％的比例，之後又降至20％左右，古氣候學家稱此為「大氧化事件」，大氧化事件引發臭氧層的形成，大幅降低太陽紫外線的照射，避免細胞受到傷害亦促進生命演化的腳步。

光合作用藻的源起

1905年，俄國科學家康斯坦丁·梅列施柯夫斯基（Konstantin Mereschkowski）提出內共生學說（Symbiogenesis）主張真核生物細胞內的一些有膜包覆的自主胞器-遠古的葉綠體與粒線體的祖先其實是共生於真核細胞生物內的原核生物；原核生物的定義就是沒有細胞核，所有體內的胞器都分佈在同一胞膜中的生物，而真核細胞指的是具有細胞核的生物。換句話說，葉綠體與粒線體在牠們與真核生物共生之前，本身就是一個獨立的生命個體（單細胞生物），之後葉綠體與粒線體逐漸演化，以胞內共生的形成共同存在同一藻類細胞之內，此後藻類才具有穩定進行光合作用的能力。

光合作用的歷史證據-疊層岩

葉綠體就是光合作用運作的工廠。世界水域館古海洋入口遇到的第一個水族缸，就是展示這些具有光合作用能力的藻類，只是這些原始的藻類層層疊疊地隱藏在石頭中，也就是所謂的疊層岩。疊層岩具有許多不同外形，圓錐狀、層狀、分枝狀、圓頂狀或圓柱狀等。最近澳洲科學於格陵蘭島發現當今最古老的疊層岩其歷史可追溯至37億年前，比目前地球上發現的生命化石還要提早2.2億年左右。

疊層岩其英文名Stromatolite源自於希臘文，字原義為從單一起點逐漸增生聚集石化之後形成巨大構造。當藍綠菌行光合作用，周圍的二氧化碳逐漸減少，隨後產生碳酸鈣的沉澱。沉澱物又被另一層細菌的菌落沾粘，這種生物作用帶動沈積的過程反覆不斷進行，最終就形成了層層疊疊的菌體和沉澱物的組合體-疊層石，簡單來說就是藍綠菌（藻）進光合作用沈積堆疊而成的證據。

這些比寒武紀生命大爆發時代更早出現在地球的疊成岩正是藍綠藻開創生命演化里程碑的最佳證據，這也是古海洋展示中在「遠古海洋形成」展示缸之後，接續的就是「充滿氧氣的海洋」了，其缸中的展示物件就是頗不顯眼的疊層岩，從岩石中不時冒出的氣泡其實就是氧氣進入海洋的象徵，展示生物就是隱藏在岩石中的藍綠菌（藻）。

字解說版上說明藍綠菌行光合作用讓海洋充滿了氧氣

重力與浮力交互作用的冒泡機制

為了能夠表現從岩石中冒出間歇性氣泡的效果，設計師先使用了一般的飼養水族的打氣馬達，但是氣泡不斷地從岩石中冒出，與氣泡偶而間斷性冒出的展示效果相異；由於光合作用所產生的氧氣量很小，要等到無數微小氣泡逐漸合成一個小氣泡時，才會突然由石頭中冒出，因此持續不斷地冒出氣泡與需要的展示效果不符。後來筆者建議仿造水族造景的巧妙設計，在出氣口加裝一個重力蓋，等收集到一定量的氣體之後，產生足夠的浮力，蓋子會突然打開，累積的氣體瞬間向上噴出產生一串串的氣泡串，重力蓋在浮力消失之後，隨即蓋回出氣口阻擋氣體冒出，這種利用重力與浮力相互作用的機制，巧妙地呈現出遠古時候光合作用的軌跡。

設計師利用重力與浮力的交互作用，讓石頭間歇性地冒出氣泡，象徵光合作用產物-氧氣的產生。

生命演化里程碑

充滿氧氣的海洋驅動了生命的演化，亦成為建構以碳循環為主的生態系基礎，相對於光合作用，大量氧氣的出現，同步驅動呼吸作用的形成。前者消耗大量的二氧化碳，產生大量的氧氣和將光能轉化成化學能量（醣類），而後者則是藉著消耗大量氧氣（如燃燒）將化學能轉成各種維持生命的能量，並產生大量二氧化碳，兩種作用交互運作，推動能量與物質之間相互轉換與循環利用，讓生命得以生生不息。雖然這個充滿氧氣的海洋水族展示缸並無任何肉眼可見的活體生物，然而其所展現的意涵卻是驅動生命演化最基礎的原動力，深遠意義與影響不可小覷。

下一次來海生館，經過這些「沒有生物」的展示缸時，也別忘了停下腳步，認識地球創造生命的奇蹟！