海洋微生物與我們有什麼關係？

文──海生館企劃研究組 副研究員 郭傑民

       地球的表面有70%以上是海洋，35億年前，地球上的第一個生命在海洋裡誕生，在地球存在的三分之二時間裡，微生物都是星球上唯一的生命形式，所有其他形式生命的發展和維持，都與海洋微生物過去和現在的活動息息相關。然而，絕大多數人類，包括許多海洋科學家，多「小看」了海洋微生物的重要性，在全球快速變化的時期，海洋微生物有可能「小兵立大功」，幫助我們應對諸如人口增加、漁業過度開發、氣候變化、海洋酸化和海洋污染等問題的能力。

        海洋微生物即是指生活於海洋環境的微生物，這些體型極小無法以肉眼看到，需藉助顯微鏡才能觀察的微小生物，他們的大小小於0.1公釐左右，而種類包括：古菌（archaea）、細菌（bacteria，如圖1）、真菌（fungi，如黴菌與酵母菌，圖2）、原生動物（protozoa，如草履蟲與變形蟲）、單細胞藻類（unicellular algae）與病毒（viruses）。

圖1.由海水中培養出來的海洋細菌，此圓實際直徑為4.7公分。（楊聿婷 攝）

圖2.海洋真菌（呂寧 攝）

圖3.單細胞藻類（洪國凱 攝）

海洋微生物的分佈

        海洋的平均深度為3,800公尺，總體積約1.4x10¹²立方公尺註1，不同水層的環境也有所不同，而海洋微生物為適應與生長於此，也演化出繁多的數量與種類，以進行各種不同的代謝反應。有人估計，海洋中所含的微生物約有100萬種，總數估計約有3.67×10³⁰個。在不同的海洋環境下，優勢微生物種類與族群數也不相同。一般來說，外海微生物族群數以海面最高，平均約10⁶個體/毫升，至水深100公尺處，微生物濃度則會相對減少為水面的約十分之一。

註1. 10¹²稱為10的12次方，意指10×10×…，乘以12次，等於單位中的「兆」。

        而海底裡有由海面或是陸地沉降的有機與無機沉澱物，海底沉積物（sediments）含有可以使微生物生長的營養鹽，而不同沉積物也會使不同的微生物生長，其微生物分佈約10⁵至10¹²個體/毫升。而在沿海地帶，特別是港口附近或人口稠密的區域，由於有許多來自陸地的有機物質，其微生物的濃度約大於外海一個數量級（約10倍）以上。在貧營養（oligotrophic）海域異營微生物濃度約為10¹個體/毫升，而優養化（eutrophic）海域異營微生物濃度約為10⁸個體/毫升。

海洋微生物的研究

        微生物學家對於海洋微生物的研究較晚開始，至1950年後才有較多的研究人員關注海洋微生物的相關問題，儘管已有科學家做了許多出色的研究，但其進展仍十分緩慢，仍有許多技術性上的困難待解決。例如：只有約不到1%的海洋微生物可以在實驗室中培養（圖4），使得單是瞭解微生物的種類數就不可能達成。直到分子生物學的進步，可以在不培養微生物的方式下，直接分析海洋微生物的特定片段DNA序列，才算初步解答了這個問題。

圖4.此圖為使用不同培養基，以細菌生產具抗癌與抗菌活性的紅色靈菌紅素。（吳俊錡 攝）

        這裡以一個例子來說明海洋微生物研究的困難與有趣的結果：在1990年的馬尾藻海中，科學家Giovannoni等人以分子生物學的方法研究首次發現「SAR11群菌」，後來的研究發現SAR11群菌群應該是海洋甚至地球中數量最多的細菌，其總數約有10²⁸個，占所有海洋浮游微生物約25%。但儘管其數量如此地多，但科學家在實驗室卻一直培養不出SAR11群菌，直到2002年才有科學家於實驗室中培養出，並命名為「遍在遠洋菌（Pelagibacter ubique）」，他們是已知最小的不需寄生生物（長度0.37至0.89微米），其基因體也是自由生物體中最小的，只有1,354個基因。研究人員也因此提出一個「基因體精簡」的理論來解釋這一現象，即生物可通過進化來消除非必要的基因，而獲得生長較快速的好處，而上述特徵都是他們如此成功的適應貧營養鹽的遠洋環境的演化結果。

        另外，SAR11也被發現有能利用光能的「菌紫質（bacteriorhodopsin）」基因，使得他們雖然不能固定空氣中的二氧化碳，但卻能利用光能作為能量的來源。接著的研究更發現更多種類的海洋微生物含有菌紫質基因，這些「曬太陽的細菌」廣泛存在海洋，這改變了傳統教科書對海洋只有浮游藻類才能利用太陽光能的說法。而這些微生物是如何獲得利用光能的基因呢？研究發現，這些基因應該是海洋病毒感染了會行光合作用的藍綠菌後，將藍綠菌利用光能的基因轉導（transduce）至其他海洋微生物，這是不是很神奇呢？海洋病毒在海洋中也扮演著改造其他細菌的角色。經由這些例子，你是不是覺得海洋微生物像孫悟空一樣，有著令人捉摸不到的複雜與功能呢？

海洋微生物的應用

        海洋微生物所產的代謝物可作為藥物使用，是其最受重視的應用之一。自從1929年英國人傅雷明（Alexander Fleming）由青黴菌發現抗生素以來，使用微生物所生產的天然物（natural products）作為藥物的來源，就成為一股潮流，其中又以抗生素類型的藥品最為人所重視。此外，因陸地微生物資源產出活性天然物的逐漸減少，海洋微生物資源便日益受到重視。海洋微生物因需適應與陸地不同的物理與化學環境，使其有與陸源微生物完全不同的生化代謝途徑，可產生新結構的化合物，極有潛力作為藥物使用。

        約從1970年開始，科學家開始大量的從海洋微生物篩選新天然物，結果進展相當快速，到2020年為止，已有9,598種新海洋微生物天然物被發現！其中約有40%是來自放線菌（圖5），40%來自真菌，剩下的20%才由其他細菌產生。這些新發現的海洋化合物不乏許多具有抗細菌（圖6）、抗真菌、抗病毒、抗氧化、抗發炎與抗腫瘤等活性，由此可知海洋細菌的代謝物能以與陸地生物產生代謝物不同機制或結構來達到治療疾病或抑制致病菌的效果。

圖5.海洋放線菌（楊聿婷 攝）

圖6.海洋微生物生產之天然物的抗菌活性測試。培養皿中塗有致病菌（白色膏狀物），上面放沾有紅色具抗菌活性天然物的紙錠，周圍產生了抑菌圈；而白色紙錠為控制組，不會有抑菌圈產生。（黃琮瑜 攝）

        最近，對於海洋天然物的研究發現，海洋無脊椎動物如海綿（圖7）、苔蘚蟲類（bryozoans）、被囊動物（tunicates）與海鞘（ascidians）所分離的天然物，有相當高的比率具有顯著的藥物活性，可做為抗生素或抗腫瘤藥物使用。有一些研究也顯示，許多存在於海洋無脊椎動物的活性物質，事實上為其共生（symbiotic）微生物，包括細菌、真菌與藻類等所生產。例如：早在1969年，就由紅樹海鞘（Ecteinascidia turbinata）分離出來的抗腫瘤藥物Ecteinascidin 743（ET-743），在2001年發現其化學結構與三株細菌所產天然物相似，因此研究人員推測ET-743可能是由紅樹海鞘共生細菌所生產。

        在科學家們分析紅樹海鞘中所含細菌的天然物生產基因後，才確定是一株共生細菌Candidatus Endoecteinascidia frumentensis所生產。值得注意的是，由於Candidatus Endoecteinascidia frumentensis在實驗室還是培養不出來，且紅樹海鞘中所含ET-743的量也相當的少，因此這種藥物目前還是以半化學合成方式生產。

圖7.海綿體內有許多微生物，這些微生物很多可以產生具有生物活性的天然物，可作為藥物使用，圖中為斯文豪蒂殼海綿（Theonella swinhoei）。

        海洋微生物種類繁多，其應用也有無限的可能。臺灣四面環海，地處熱帶與亞熱帶交界，擁有複雜的海洋環境與系統生態，如此得天獨厚的環境將讓臺灣在未來海洋微生物資源的研究與應用有無窮的潛力。