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Apr. 29 2020

【老杜聊海蛇】海蛇的起源故事與「特異功能」

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  • 屬於「真海蛇」的飯島氏海蛇(Emydocephalus ijimae)的鼻孔有瓣膜。攝影:杜銘章

  • 飯島氏海蛇打開的鼻孔瓣膜。攝影:杜銘章

  • 黃唇青斑海蛇(Laticauda colubrina)屬於「海環蛇」,牠的鼻孔沒有瓣膜。攝影:杜銘章

  • 黃唇青斑海蛇的鼻孔雖沒有瓣膜,但仍可以關閉。攝影:杜銘章

  • 黑背海蛇的腹鱗已經小到難以和旁邊的體鱗區隔。攝影:杜銘章

  • 腹部鱗片縮小讓海蛇的身體更容易變扁。攝影:杜銘章

  • 黑頭海蛇(Hydrophis melanocephalus)的腹鱗已經明顯變小但仍比旁邊的體鱗大。攝影:杜銘章

  • 黃唇青斑海蛇的腹鱗已經比陸棲蛇類的腹鱗小,但仍比真海蛇大許多。攝影:杜銘章

"我第一次知道黑背海蛇的皮膚能協助呼吸是在碩士時期,那時對於這樣的能力真是驚奇萬分……"

上一篇文章我們談到海蛇為何無法擴散到大西洋。原因除了地理屏障,也和牠們的演化地區息息相關。海蛇主要分布在西太平洋和東印度洋的熱帶及副熱帶海域,其中印太海域的「珊瑚大三角」不但是海蛇種類最多的地區,也是海蛇的種源與擴散中心。

分子生物學的證據顯示全世界的海蛇(共約70種)並非來自共同祖先。大約在2000萬至1500萬年前,東南亞的陸棲環蛇(雨傘節為典型代表)演化成兩個分支。其中一個分支演變成現今的「海環蛇」(sea krait),並繼承了卵生的特性,所以必須回到陸地產卵。也許就是這種限制讓牠們無法全面適應海洋生活,所以到目前只演化出八個種類。另一個分支則進入澳洲大陸成為現今澳洲陸棲毒蛇的祖先。大約在800萬至600萬年前,某種胎生的澳洲陸棲毒蛇又進入海洋演化成現今的「真海蛇」(true sea snake)。胎生的特性讓牠們完全不受陸地限制,並快速擴散與輻射演化出約60個種類,其中一種甚至能隨著洋流漂泊各處,也就是我們上一篇提到的黑背海蛇(Pelamis platurus)。科學家估算這種海蛇大約在300萬至100萬年前才演化出來,比巴拿馬地峽(Isthmus of Panama)完全隔開太平洋和大西洋的時間點(約450萬年前)還晚了約150萬年以上。

海環蛇和真海蛇雖來自不同祖先,卻要面對相同的環境挑戰,導致牠們的形態適應路徑趨同,只是調整的程度有所差異。其中一種特化是腹鱗的縮小,好讓牠們的身體能左右壓縮。這種側扁的身形和尾巴能提高牠們在水中的推進力。有些真海蛇的腹鱗甚至小到和旁邊的體鱗無法區分,因此喪失了上岸爬行的能力。

為了避免鼻腔入水,這兩類海蛇都能控制鼻孔的開闔。其中真海蛇的鼻孔不但有瓣膜,位置也移到了吻部上方。海環蛇的鼻孔則還在吻部側面,也沒有瓣膜,靠得是內部組織的收縮來開關鼻孔。延長潛水閉氣的時間也很重要。蛇類的肺多只剩下右肺,左肺則退化。一班來說,若兩個肺同時存在於蛇細長的體內,它們的管徑必然會太小而影響氣體的進出。細長的蛇身讓右肺也相對長很多,導致呼吸時肺後端的氣體無法順利進出呼吸道。蛇類的肺部因此多分為前後兩段,前段密佈血管的部位稱為「血管肺」是實際進行氣體交換的部位。後段沒有血管且多半很薄的部位則稱為「氣囊」,並可儲藏一些氣體。海蛇的氣囊有明顯較厚的肌肉圍繞,可有效地將儲藏在後段的空氣擠壓到血管肺。

海蛇憋氣時間的長短會因活動和種類不同而有很大的不同。海環蛇在快速活動時每隔二至三分鐘就需要換氣一次,如果是緩緩的在水底活動一般都可以維持30分鐘左右,如果在水下休息不活動則可以達到一小時左右。真海蛇的憋氣時間通常可達二至三小時,最長的是黑背海蛇的24小時。目前已知有些真海蛇的表皮能參與呼吸作用;最近的研究更發現青環海蛇(Hydrophis cyanocinctus)的頭骨有個特殊的孔洞,讓頭皮上密佈的血管匯集後直接進入腦部,應該和腦部的供氧有關,而且這些氧氣應該是從皮膚而非從肺部獲得。真海蛇從皮膚所獲取的氧氣量多在10%左右,占比較高的種類是劍尾海蛇(Aipysurus laevis)和黑背海蛇,有高達22%的氧氣是由皮膚獲得。

我第一次知道黑背海蛇的皮膚能協助呼吸是在碩士時期,那時對於這樣的能力真是驚奇萬分,於是想測試我研究的闊帶青斑海蛇(Laticauda semifasciata)是否也有這樣的特異功能。我把水灌滿一個透明的箱子並測量水中的氧氣含量,接著再將海蛇放入箱內。我很快就發現牠想到水面換氣,但換不到氣,動作也愈來愈急躁!正當我我猶疑著是否要中斷實驗時,牠已開始緩緩下沉!我緊急取出癱軟無反應海蛇,甚至幫牠作人工呼吸,幸好不久後牠就恢復活動了。

在研究期間實驗動物有時會被犧牲,但海蛇的生態研究也因經常在潮間帶和水底活動,風險相當高。不久前我們的一位博士生才因為研究海蛇被大浪捲入海裡,一個年輕熱情的生命就此殞落讓人惋惜不已。我自己研究海蛇期間也多次出生入死,和死亡最接近的一次只隔數秒,限於篇幅容我下一篇再聊。

 

上篇:【老杜聊海蛇】大西洋中為何沒有海蛇? 讓我們從黑背海蛇聊起……

下篇:【老杜聊海蛇】高風險的海蛇研究!

老杜本名杜銘章,他是臺灣研究海蛇的先驅,1986年在中山大學海洋生物研究所攻讀碩士時選擇海蛇作為他的論文。深知海蛇研究的困難與高風險,1994年自美國取得博士回國後只從事陸棲蛇類的研究,直到2008年因緣際會又重回海蛇的研究,持續研究六年直到2014年從師大生命科學系退休。目前定居臺東經營有機生態農場並繼續推廣蛇類保育,在臺灣的海蛇或蛇類的生態研究上,他都算是老字號的人物,雖然實際年齡與心理年齡他離老還有一段距離。

AUG. 2020

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