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台湾研究海蛇的先驱杜铭章:海蛇的起源故事与“特异功能”

2020/4/30 19:16:00 移动版

属于「真海蛇」的饭岛氏海蛇(Emydocephalus ijimae)的鼻孔有瓣膜。 摄影:杜铭章


属于「真海蛇」的饭岛氏海蛇(Emydocephalus ijimae)的鼻孔有瓣膜。 摄影:杜铭章

据国家地理网址(杜铭章):“我第一次知道黑背海蛇的皮肤能协助呼吸是在硕士时期,那时对于这样的能力真是惊奇万分......”


上一篇文章我们谈到海蛇为何无法扩散到大西洋。原因除了地理屏障,也和它们的演化地区息息相关。 海蛇主要分布在西太平洋和东印度洋的热带及副热带海域,其中印太海域的珊瑚大三角不但是海蛇种类最多的地区,也是海蛇的种源与扩散中心。


分子生物学的证据显示全世界的海蛇(共约70种)并非来自共同祖先。 大约在2000万至1500万年前,东南亚的陆栖环蛇(雨伞节为典型代表)演化成两个分支。 其中一个分支演变成现今的「海环蛇」(sea krait),并继承了卵生的特性,所以必须回到陆地产卵。 也许就是这种限制让它们无法全面适应海洋生活,所以到目前只演化出八个种类。 另一个分支则进入澳洲大陆成为现今澳洲陆栖毒蛇的祖先。 大约在800万至600万年前,某种胎生的澳洲陆栖毒蛇又进入海洋演化成现今的「真海蛇」(true sea snake)。 胎生的特性让它们完全不受陆地限制,并快速扩散与辐射演化出约60个种类,其中一种甚至能随着洋流漂泊各处,也就是我们上一篇提到的黑背海蛇(Pelamis platurus)。 科学家估算这种海蛇大约在300万至100万年前才演化出来,比巴拿马地峡(Isthmus of Panama)完全隔开太平洋和大西洋的时间点(约450万年前)还晚了约150万年以上。


海环蛇和真海蛇虽来自不同祖先,却要面对相同的环境挑战,导致它们的形态适应路径趋同,只是调整的程度有所差异。 其中一种特化是腹鳞的缩小,好让它们的身体能左右压缩。 这种侧扁的身形和尾巴能提高它们在水中的推进力。 有些真海蛇的腹鳞甚至小到和旁边的体鳞无法区分,因此丧失了上岸爬行的能力。


为了避免鼻腔入水,这两类海蛇都能控制鼻孔的开阖。 其中真海蛇的鼻孔不但有瓣膜,位置也移到了吻部上方。 海环蛇的鼻孔则还在吻部侧面,也没有瓣膜,靠得是内部组织的收缩来开关鼻孔。 延长潜水闭气的时间也很重要。 蛇类的肺多只剩下右肺,左肺则退化。 一班来说,若两个肺同时存在于蛇细长的体内,它们的管径必然会太小而影响气体的进出。 细长的蛇身让右肺也相对长很多,导致呼吸时肺后端的气体无法顺利进出呼吸道。 蛇类的肺部因此多分为前后两段,前段密布血管的部位称为血管肺是实际进行气体交换的部位。 后段没有血管且多半很薄的部位则称为气囊,并可储藏一些气体。 海蛇的气囊有明显较厚的肌肉围绕,可有效地将储藏在后段的空气挤压到血管肺。


海蛇憋气时间的长短会因活动和种类不同而有很大的不同。 海环蛇在快速活动时每隔二至三分钟就需要换气一次,如果是缓缓的在水底活动一般都可以维持30分钟左右,如果在水下休息不活动则可以达到一小时左右。 真海蛇的憋气时间通常可达二至三小时,最长的是黑背海蛇的24小时。 目前已知有些真海蛇的表皮能参与呼吸作用;最近的研究更发现青环海蛇(Hydrophis cyanocinctus)的头骨有个特殊的孔洞,让头皮上密布的血管汇集后直接进入脑部,应该和脑部的供氧有关,而且这些氧气应该是从皮肤而非从肺部获得。 真海蛇从皮肤所获取的氧气量多在10%左右,占比较高的种类是剑尾海蛇(Aipysurus laevis)和黑背海蛇,有高达22%的氧气是由皮肤获得。


我第一次知道黑背海蛇的皮肤能协助呼吸是在硕士时期,那时对于这样的能力真是惊奇万分,于是想测试我研究的阔带青斑海蛇(Laticauda semifasciata)是否也有这样的特异功能。 我把水灌满一个透明的箱子并测量水中的氧气含量,接着再将海蛇放入箱内。 我很快就发现它想到水面换气,但换不到气,动作也愈来愈急躁! 正当我我犹疑着是否要中断实验时,它已开始缓缓下沉! 我紧急取出瘫软无反应海蛇,甚至帮它作人工呼吸,幸好不久后它就恢复活动了。


在研究期间实验动物有时会被牺牲,但海蛇的生态研究也因经常在潮间带和水底活动,风险相当高。 不久前我们的一位博士生才因为研究海蛇被大浪卷入海里,一个年轻热情的生命就此殒落让人惋惜不已。 我自己研究海蛇期间也多次出生入死,和死亡最接近的一次只隔数秒,限于篇幅容我下一篇再聊。


老杜本名杜铭章,他是台湾研究海蛇的先驱,1986年在中山大学海洋生物研究所攻读硕士时选择海蛇作为他的论文。 深知海蛇研究的困难与高风险,1994年自美国取得博士回国后只从事陆栖蛇类的研究,直到2008年因缘际会又重回海蛇的研究,持续研究六年直到2014年从师大生命科学系退休。 目前定居台东经营有机生态农场并继续推广蛇类保育,在台湾的海蛇或蛇类的生态研究上,他都算是老字号的人物,虽然实际年龄与心理年龄他离老还有一段距离。

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