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分類:黃慶三

 

藍菌、葉綠素、及氧氣    黃慶三 

藍菌 (Cyanobacteria,blue-green bacteria) 為細菌中,以光合作用 (Photosynthesis) 來獲得能量的一門 (Phylum) 生物。Cyanobacteria這字源由其藍色外表 (Cyano- 這字首來自希臘文,意為「藍色」)。藍菌在地球上已存在約25億年 (National Geographic magazine),或說 35億年 (UC Berkeley),為已發現的世界上最古老的化石,也是目前所發現最早的光合放氧生物。雖然藍菌過去曾被歸於藻類,例如藍菌也被稱為「藍藻」(Blue algae),但藍菌沒有細胞核 (藻類則有之),與細菌非常接近,因此最近被歸於細菌類,而非藻類。

已知的藍菌約2,000種,主要分佈在含有機質較多的淡水中,部分生於海水中、潮濕和乾旱的土壤或岩石上、樹幹和樹葉上、溫泉中、冰雪上,甚至在鹽鹵池、岩石縫中。藍菌細胞內除含有葉綠素和類胡蘿蔔素外,尚含有藻藍素,部分種類含藻紅素。色素不包在質體內,而分散在細胞質的邊緣,藍菌體因所含色素種類和多寡,而呈現不同的顏色。例如「紅海」 (Red Sea) 的名字,由於有時候Oscillatoria這屬紅色品種的藍菌,大量出現 (Bloom) 的緣固;又火鶴 (Flamingo) 粉紅的羽毛等,是來自攝食含有紅色色素的螺旋藻 (Arthrospira,舊名Spiruina,也是一種藍菌,而非真正的藻類)。
當地球開始有生物時,大氣中只有極稀薄的氧氣。氧氣是光合作用所產生的「廢物」,因此必需「感謝」藍菌開始的光合作用。在原生代 (Proterozoic--約2,500?至542?百萬年前) 後期,或寒武紀 (Cambrian--約541 至 485百萬年前) 的初期,藍菌的「祖先」(古菌) 開始「進駐」以後演變成植物的細胞裡,而演生成葉綠體 (Chloroplast),以它光合作用的能力製造養分,供給宿主,以報答宿主給予的「家」,因而使植物也有光合作用。這種藍菌和植物共生的現象,稱為「內共生學說」(Endosymbiotic theory)。

除了植物外,幾乎所有的藻類也可行光合作用,而生產氧氣。這也是由於藍菌「進駐」於藻類細胞的「內共生」所致。目前藍菌每年直接生產地球約一半的氧氣,而間接經由植物、藻類「內共生」的葉綠體表兄弟,生產另一半。因此藍菌每年直接、間接負責製造、生產了地球上絕大部份的氧氣。

最初地球上的大氣原是「還元」(Reducing) 性,由於藍菌的光合作用製造氧氣,而逐漸變為有「氧化」(Oxidizing) 能力的特性。加上以後植物及藻類生產的氧氣,而戲劇性的改變地球上生物的組成:即從原先「厭氧」(Anaerobic 或Oxygen-intolerant) 的生物群,逐漸變成「喜氧」(Aerobic或 Oxygen-loving) 生物的組成 (所有動物幾乎都需氧氣才能生存--請見下列註述*)。也就因這種演變,而促成生物的多樣性,但也造成最初「厭氧」生物的銳減。因此藍菌可說扮演了「引導」地球上生物進化 (Evolution) 的過程,以及促成生態的多變。

[*註:「厭氧」生物通常是低等生物,例如一些細菌、單細胞原核生物(Prokaryotes)、和介於植物及動物之間的單細胞原生動物 (Protozoa,簡稱原蟲) 等。動物中真正「厭氧」的例子,目前只有在地中海3,000公尺深的海底,於2010 年才發現、約 1厘米 (mm) 長、屬於鎧甲動物門 (Phylum Loricifera) 的一種動物。]
此外,許多原生代石油油田,是來自藍箘 (即舊稱「藍藻」) 的存在。又有種藍箘能固定大氣中的氮,而成為水稻氮肥的重要供應者。藍菌屬中有固氮 (Nitrogen-fixing) 能力的 Anabaena azollae 「進駐」水萍蕨 (Duckweed fern,Azolla)。這種水萍蕨不祗能固氮,且生長極快,兩、三天即可增長一倍。水稻田中快速成長的水萍蕨死亡、分解、沈入水中,而成富氮的有機肥。所以千百年來,南亞洲一些水稻田,就利用水萍蕨來增進氮肥的供應。水稻田長滿的水萍蕨又可遮住陽光,使田中的雜草不易滋生;蚊子的幼蟲也不能浮出水面呼吸,而無法生存繁殖 (別名稱為「蚊蕨」,Mosquito fern),一舉數得。
有趣的是上述固氮的方法是「厭氧」的程式 (將大氣中的氮還原成氨的過程),而藍菌是種「喜氧」的生物,因此Anabaena azollae長出一種特別的異形細胞 (Heterocysts),其厚壁無法讓氧氣滲入,而可進行固氮的工作。至於豆科植物的固氮方法,則靠生存於土壤中的根瘤菌 (Rhizobium),而非生存於水中的藍菌。

藍菌富含蛋白質,例如有些螺旋藻屬 (Genus Spirulina) 含有約 60% (乾重) 蛋白質。螺旋藻通常指兩種可供人類、及動物食用的節螺旋藻屬的藍菌,包括極大節螺旋藻(學名Arthrospira maxima)及鈍頂節螺旋藻 (學名A. platensis),常做成藥丸狀、片狀、及粉狀,作為人類膳食補充劑,及家禽、魚蝦養殖業的飼料添加物。

因為許多藍菌會產生藍菌毒素 (Cyanotoxins),包括神經毒素 (β-甲氨基-L-丙氨酸,即β-N-methylamino-L-alanine,簡稱 BMAA)、肝毒素 (Hepatotoxins)、及細胞毒素 (Cytotoxins) 等。尤其透過食物鏈 (Food chain),不斷累積,產生生物放大作用,即俗語所謂的「大魚吃小魚,小魚吃蝦米」的程序,蝦米、小魚所累積的毒素,最後就積存於大魚身上,而後被人類捕食,對人類的損害將逐漸增加。

例如BMAA這種神經毒,動物實驗指出它會加速動物腦神經退化,出現像老人癡呆症 (即阿茲海默症Alzheimer's disease,簡稱AD)、或巴金遜症 (Parkinson's Disease) 、肌萎縮性脊髓側索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis,簡稱 ALS,又稱路格瑞氏症--Lou Gehrig's disease)等症狀。有時發生的貝類中毒 (Sellfish poisoning) 也常因藍菌毒素所引起。因此國際間對食用藍菌門生物開始關注。又當水溫增高,及因污染等養分增加時,藍菌就會大量出現 (常稱為 ”Algae bloom”),而死亡腐爛的藍菌,消耗水中氧氣,產生腥臭味,亦會使魚類缺氧死亡;另個危害則是飲用水源受到威脅,毒素影響人類健康等。

做為中國料理的「髮菜」(學名:Nostoc commune var. flagelliforme,異名:Nostoc flagelliforme) 為藍菌門唸珠藻目的細菌,廣泛分佈於世界各地(如中國、俄羅斯、及非洲索馬利亞等)的沙漠和貧瘠土壤中。因其色黑而細長,有如人的頭髮而得名。「髮菜」和「發財」諧音,因它本身無味,食用它主要是用來圖吉利,為傳統年夜飯必備菜色。依據台灣環境資訊中心 (Taiwan Environmental Information Center) 摘錄2007年1月29日TVBS香港報導,指出香港中文大學中藥研究所分析結果,髮菜也含有BMAA這種神經毒。

因為市面上「髮菜」來自乾燥的中國西北地區,只要採摘1兩的髮菜,就會造成2座標準游泳池大小的土地沙化,也是造成中國沙塵爆的主因之一。中國早在7年前,就已經明令禁止採摘髮菜。就因來源受到限制,不肖之徒常以假貨冒充,例如以玉米鬚加以有害人體的色素染黑、外加添加劑製成;或用海產的褐藻 (Phaeophyta) 替代。褐藻顏色從暗褐色至橄欖綠,可能也需用黑色色素染製而成。

國家地理雜誌 (National Geographic,February 2013) “Toxic Shark Fins?” 這文指出,由University of Miami神經科教授 Deborah Mash的分析,有七種沙魚的魚翅,含有神經毒 BMAA。這也是由於海洋中,由捕食藍菌起始的食物鏈所累積而來的毒素。(01/27/2013)

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藍菌 (Wikipedia)

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膳食補充品螺旋藻錠 (Wikipedia)

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火鶴粉紅的羽毛 (Wikipedia)

 

 

 

 

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