珊瑚與共生藻脂質體 雙贏策略!

珊瑚礁生質能源的秘密2012-5-2 作者：陳啟祥 生質能源之開發是當今世界科技研究中極重要的一環。面臨地球能源將被劇烈地消耗殆盡，人類業已開始轉向發展不製造廢物、不增加自然界負擔，並且能夠再生的能源生產及使用方式。藻類，尤其是綠藻，乃是重要的生質能源材料，因為藉由光合作用，它們能將太陽能轉換成大量的油脂，並儲存在其細胞內。  現今，科學家們利用基因調控以及特殊的培養方法，嚐試使這些綠藻能夠製造高能量的油脂，並希望將之萃取出來以供使用；雖然仍舊成果不彰，卻是近年來產業以及學術界中積極研究與發展的目標。但其實，這個生質能源生產策略，早已被人類之外的其他生物捷足先登而完成了。  在自然界中，已經有許多生物利用生質能源的原理而生存的例子。海洋中造礁珊瑚與渦鞭毛藻（或俗稱共生藻）之間的共生，就是一個最具創意並且重要的例子。珊瑚屬於二胚層動物，其身體組織僅包括外胚層與內胚層。在內胚層的細胞裡，生長著許多共生藻，此類一種物種生長在另一物種的細胞內的現象，叫做胞內共生。其實，這種胞內共生的現象早在1960年代就開始被研究了，但直至今日，半個世紀已過，這個現象的細胞調控機制仍然無法真相大白……，目前大概可以知道的是，共生藻在珊瑚細胞內依然能進行光合作用，並將其光合作用產物（例如醣以及油脂）供應給珊瑚宿主使用，而成為珊瑚成長所需能量的主要來源。  為什麼一個植物，能夠生長在一個動物的細胞內呢？因為在我們哺乳類來看，我們免疫系統對於外來物一定要起而攻之，不將其驅逐出體外，誓不干休，而這種珊瑚與共生藻間之共生關係與我們免疫系統正好相反；反而，如果在海洋環境不好情況下（例如海水溫度過高或者汙染）共生藻就會離開珊瑚宿主，進而造成所謂的「 珊瑚白化」現象，最終並可能導致珊瑚死亡。  為什麼共生藻竟然變成如此重要呢？我們從研究結果發現：原來，珊瑚在長期演化的過程中，已經將在其細胞內的共生藻變成是一種非常有效率的生質能源材料了，而珊瑚宿主細胞自己就是這位製造生質能源的專家。早在1931年，有研究學者利用光學顯微鏡觀察，發現在珊瑚細胞內的共生藻內部富含油脂、蠟脂，及游離脂肪酸類等重要的生質材料。這些油脂在非共生情況下的藻類，是很少從藻細胞排放出來的。然而在共生情況之下，我們發現在珊瑚細胞的細胞質裡，因為有共生藻的關係，就會形成一至數顆的「脂質體」，直徑約0.5~4μm大小。經過數年來的研究，海生館的珊瑚共生研究發現，要解答這種獨特的共生機制，必須先了解珊瑚與共生藻間如何製造並使用「脂質體」。  脂質體到底是什麼？顧名思義，它是由脂質所構成的一個胞器。珊瑚的脂質體在西元1980年代即已被發現，但其組成、特性及功能幾乎未知，而遭忽視長達30年之久，直到海生館的研究團隊發現：珊瑚的脂質體是一種唯有在共生情況之下才會出現的獨特胞器。這些脂質體內含至少7種脂質，包括高量的三酸甘油脂、蠟脂、固醇類及脂肪酸。研究結果更進而鑑定出，脂質體蛋白質成分有42種之多，並且具有多種能量儲存代謝調節功能、逆境反應、胞膜循環、細胞骨架動態平衡，以及珊瑚發育等重要機轉。脂質體除了在成份上如此特殊之外，並且具備獨特的超微結構，密切反映出珊瑚細胞與共生藻細胞間複雜的交互調控作用。  在白化的珊瑚體內，脂質體不僅數量非常少而且小。而珊瑚白化的程度，也就反應在這個胞器的變化上了。利用此脂質體的存在與否及其大小多寡變化，就能偵測出珊瑚與共生藻之間的共生狀態是否正常，也因此可以做為評估珊瑚是否健康的重要指標。總而言之，脂質體是珊瑚宿主細胞調控其內之共生藻，使共生藻細胞所合成的光合作用產物（即油脂），輸送出來並儲存在珊瑚宿主細胞質的一個胞器。因此，在某種意義之下，珊瑚可說是一位絕頂聰明的生質能源專家，牠不僅知道該如何利用共生藻來為牠製造生質能源，更重要的是——牠知道如何命令這些共生藻，將其所含的能源給釋放出來，並將之儲存在珊瑚的細胞質內以供使用！仿生學是一門重要的學門。長期以來科技界一直在研究發展的藻類生質能源製造，所花的成本極高，而效益一直不彰。如何命令藻類為我們製造油脂，並且主動輸送出來，就變成是一個重要的里程目標。我們驚異的發現，珊瑚在幾百萬年來就已經知道怎麼做了！這也是為什麼珊瑚適合生長在所謂貧營養鹽的海域，因為它本身就有用之不盡、取之不竭的能量來源。了解珊瑚如何做到這些，並將其運用在共生藻中，來為我們製造能源，就變成是我們所負的重要任務了。  （任職國立海洋生物博物館）