甲殼類的分子生態學

施 習 德, 2002 新 舊 分 類 系 統 的 交 界 甲 殼 類 的 分 子 生 態 學 科 學 月 刊 388: 307-314 [ 內 容 稍 作 修 改 ] 甲 殼 類 的 分 子 生 態 學 施 習 德 目 錄 甲 殼 類 親 緣 分 析 所 使 用 的 分 子 特 徵 粒 線 體 DNA 基 因 片 段 等 位 酶 電 泳 由 遺 傳 生 化 特 徵 確 認 種 類 分 子 時 鐘 與 地 質 事 件 分 子 時 鐘 與 化 石 記 錄 生 態 環 境 的 影 響 分 子 行 為 生 態 研 究 隱 存 種 的 問 題 引 入 種 的 問 題 未 來 展 望 參 考 文 獻 甲 殼 類 屬 於 節 肢 動 物 門 的 甲 殼 動 物 亞 門 (subphylum Crustacea), 全 世 界 約 有 2 萬 7 千 多 種 甲 殼 類 不 但 有 著 引 人 的 獨 特 外 形, 與 我 們 的 生 活 更 是 息 息 相 關, 包 刮 食 用 餌 料 環 保 能 源 開 發 藥 用 健 康 等 方 面 ( 堵 南 山,1993) 分 類 學 是 所 有 生 物 學 的 基 礎, 而 親 緣 關 係 (phylogeny) 又 是 分 類 學 的 骨 架, 因 此 親 緣 關 係 是 甲 殼 動 物 學 裡 十 分 重 要 的 一 環 近 年 來, 分 子 生 物 學 的 技 術 突 飛 猛 進, 提 供 了 許 多 傳 統 形 態 分 類 無 法 突 破 的 證 據, 也 能 夠 強 有 力 的 檢 驗 舊 有 的 分 類 系 統, 使 其 更 加 的 完 善 合 理 分 子 親 緣 關 係 (molecular phylogeny) 所 涵 蓋 的 領 域 除 了 分 類 群 的 關 係 之 外, 也 包 括 交 配 系 統 族 群 遺 傳 結 構 天 擇 影 響 生 物 地 理 學 等 相 關 研 究 分 子 生 態 學 (molecular ecology) 為 近 年 來 一 門 嶄 新 的 學 科, 由 於 具 有 不 同 研 究 背 景 的 學 者 對 此 術 語 的 解 釋 不 同, 至 今 尚 未 有 一 個 明 確 的 概 念, 但 目 前 一 般 認 為 分 子 生 態 學 是 應 用 分 子 生 物 學 的 原 理 和 方 法 來 研 究 生 命 系 統 與 環 境 系 統 相 互 作 用 的 生 態 機 理 及 其 分 子 機 制 的 科 學, 是 生 態 學 與 分 子 生 物 學 相 互 滲 透 而 形 成 的 一 門 交 叉 學 科 ( 祖 元 剛 等, 1999) 整 理 Molecular Ecology 雜 誌 所 發 表 論 文 題 目 的 性 質 可 知, 分 子 生 態 學 已 經 涵 蓋 了 生 物 地 理 與 親 緣 關 係 ( 祖 元 剛 等, 1999), 甚 至 已 包 含 了 生 物 的 自 然 史 (natural history) 領 域 ( 分 類 演 化 生 態 行 為 ) 本 文 在 此 簡 介 甲 殼 類 分 子 生 態 學 的 研 究 現 況, 期 能 提 供 給 有 興 趣 的 讀 者 參 考 甲 殼 類 親 緣 分 析 所 使 用 的 分 子 特 徵 有 關 於 親 緣 分 析 所 使 用 分 子 特 徵, 早 期 多 使 用 等 位 酶 (allozyme, 又 稱 同 功 酶 isozyme) 電 泳 技 術, 近 年 來 由 於 DNA 序 列 分 析 技 術 十 分 普 及 且 簡 易, 利 用 此 技 術 研 究 甲 殼 類 親 緣 關 係 的 報 告 也 開 始 大 量 增 加 有 關 於 一 些 常 用 的 分 子 生 物 技 術 在 親 緣 關 係 上 之 應 用, 參 見 表 1 粒 線 體 DNA 基 因 片 段 在 甲 殼 類 的 種 間 研 究 上, 較 常 使 用 的 兩 個 片 段 為 16S rrna 與 COI (cytochrome oxidase I), 分 述 如 下 1

表 1 不 同 分 子 生 物 技 術 在 系 統 分 類 問 題 上 之 應 用 ( 修 改 自 Hillis et al., 1996; 黃 原, 1998) 研 究 目 的 等 位 酶 電 泳 免 疫 血 清 學 細 胞 遺 傳 學 DNA 雜 交 限 制 酶 分 析 RAPD- PCR 序 列 分 析 族 群 遺 傳 結 構 雜 合 度 ++ + 0 地 理 變 異 ++ 0 ++ + $ 關 聯 程 度 0 + + $ 分 類 學 研 究 物 種 界 線 + + ++ + + $ 雜 交 ++ ++ + + 0 親 緣 關 係 0-5 百 萬 年 前 ++ 0 0 0 + + ++ 5-50 百 萬 年 前 + ++ ++ + + + ++ 50-500 百 萬 年 前 0 0 0 0 0 0 ++ 500-3500 百 萬 年 前 ++ 註 : 不 適 合 ; 0 勉 強 ; $ 適 合 但 昂 貴 ; + 適 合 有 效 ; ++ 最 有 效 16S DNA ( 圖 1) 為 mtdna 上 一 構 造 性 的 非 編 碼 (non-coding) 基 因, 其 16Sar 和 16Sbr 引 子 (primers) 之 間 約 520 bp 的 片 段 為 甲 殼 類 系 統 分 類 學 上 最 廣 為 使 用 的 此 外, Crandall 等 人 所 使 用 的 1471 和 1472 引 子 之 間 的 16S 基 因 片 段, 相 較 於 傳 統 的 16Sar 和 16Sbr 片 段,1471-1472 在 3' 端 多 了 約 20 個 有 較 多 變 異 的 片 段 (Schubart et al., 2000), 也 十 分 適 合 於 無 脊 椎 動 物 無 脊 椎 動 物 ( 豐 年 蝦 ) L(UUR) K G ANE H T S(UCN) L(CUN) V M WOY CO1 CO2 A 8 A6 CO3 N D 3 ND5 ND4 ND4L N D 6 Cytb A + T ND1 16S 12S ND2 D 脊 椎 動 物 ( 魚 類 ) Ser(UCN) Lys R F S(AGN) Ser(AGY) Gly Arg His Leu(CUN) P Glu Phe Val Leu(UUC) Ala Asn IC Cys CO1 CO2 A 8 A6 CO3 N D 3 ND4L ND4 ND5 N D 6 Cytb D- loop 12S 16S ND1 ND2 Asp Thr Pro Ile Gln Met Trp Tyr 圖 1 無 脊 椎 動 物 ( 豐 年 蝦 Artemia) 與 脊 椎 動 物 ( 魚 類 ) 之 mtdna 基 因 排 列 比 較 ( 修 改 自 Staton et al., 1997) COI (cytochrome oxidase I) ( 圖 1) 則 為 mtdna 上 的 編 碼 (coding) 基 因, 亦 廣 泛 使 用 於 甲 殼 類 的 親 緣 分 析 上 (Schubart et al., 1998a; Chu et al., 1999; Harrison & Crespi, 1999), 其 中 使 用 COIa 和 COIf 引 子 所 夾 出 約 640 bp 的 片 段 為 甲 殼 類 研 究 上 較 常 使 用 的 由 於 COI 片 段 的 變 異 性 比 16S 大 兩 倍 之 多 (Schubart et al., 1998a; Chu et al., 1999), 因 此 對 於 相 近 種 類 甚 至 族 群 之 間 的 遺 傳 變 異, 將 具 有 較 佳 的 解 析 度 2

等 位 酶 電 泳 等 位 酶 電 泳 (allozyme electrophoresis) 對 族 群 的 雜 合 度 (heterozygosity) 地 理 變 異 (geographic variation) 物 種 界 線 (species boundaries) 雜 交 (hybridization) 以 及 0 至 50 百 萬 年 的 親 緣 關 係 是 適 合 且 有 效 率 的 ( 表 1), 因 此 仍 廣 泛 應 用 於 系 統 分 類 學 的 研 究 上 特 別 是, 由 於 無 脊 椎 動 物 的 16S rrna 和 COI 的 變 異 度 不 高, 大 多 僅 用 於 種 間 或 屬 間 的 比 較 研 究 ; 但 在 探 討 無 脊 椎 動 物 族 群 遺 傳 結 構 時, 由 於 尚 未 找 出 如 脊 椎 動 物 變 異 性 極 高 的 D- loop DNA 控 制 區 部 位, 因 此 仍 採 用 等 位 酶 或 以 限 制 酶 片 段 (restriction fragment) 分 析 的 方 法 ( 表 1), 同 時 此 法 可 迅 速 分 析 大 量 的 族 群 遺 傳 樣 品, 在 無 脊 椎 動 物 方 面 仍 有 其 應 用 價 值 在 此 簡 述 等 位 酶 電 泳 方 法 如 下 由 冰 凍 或 新 鮮 標 本 中 摘 取 組 織, 加 入 萃 取 緩 衝 液 於 超 音 波 研 磨 器 上 均 質 化, 離 心, 以 濾 紙 片 沾 萃 取 液, 插 入 已 製 好 的 澱 粉 凝 膠 (starch gel) 一 端, 在 電 泳 槽 上 以 4 進 行 電 泳, 一 段 時 間 後 將 凝 膠 切 成 數 片 薄 片, 浸 於 欲 分 析 酵 素 的 染 劑 中, 待 凝 膠 顯 色, 拍 照 或 記 錄 顯 示 的 酶 譜 (zymogram) ( 圖 2) 每 一 片 凝 膠 可 放 置 數 十 個 濾 紙 片 一 起 電 泳, 而 每 片 凝 膠 又 可 切 成 數 片 薄 凝 膠, 以 不 同 酵 素 的 染 色 劑 染 色, 因 此 利 用 等 位 酶 方 法 可 大 量 迅 速 分 析 族 群 遺 傳 特 徵 相 較 於 DNA 序 列 實 驗, 等 位 酶 電 泳 的 儀 器 耗 材 較 為 便 宜, 是 一 項 非 常 實 用 的 族 群 分 析 方 法 通 常 每 一 族 群 以 30 個 個 體 15-20 種 酵 素 分 析 最 佳 判 斷 此 酵 素 的 結 構 性 質 ( 單 體 monomer 二 聚 體 dimer 或 tetramer 四 聚 體 等 ), 記 錄 每 個 個 體 的 等 位 基 因 頻 率, 於 軟 體 ( 例 如 Biosys) 中 分 析, 再 由 遺 傳 距 離 求 取 親 緣 關 係 樹 然 而 等 位 酶 分 析 的 結 果 較 容 易 受 到 環 境 的 影 響 而 有 所 變 化, 例 如 溫 度 食 物 成 分 等, 因 此 難 以 提 供 其 他 研 究 人 員 參 考 比 對, 同 時 必 須 採 用 新 鮮 或 冷 凍 標 本, 對 於 跨 國 性 的 研 究 困 難 度 較 高 由 遺 傳 生 化 特 徵 確 認 種 類 傳 統 上, 要 訂 定 一 個 新 種, 僅 須 找 出 足 以 分 離 兩 類 群 體 的 外 形 特 徵 即 可, 並 不 須 解 釋 這 類 的 差 異 是 否 達 到 種 間 的 程 度 ; 更 有 甚 者, 某 些 分 類 學 家 會 僅 以 一 兩 個 個 體 的 微 小 差 異 即 訂 定 新 種, 此 即 採 用 模 式 種 的 觀 念 (typological species concept) (Mayr & Ashlock, 1991) 事 實 上, 許 多 物 種 的 族 群 間 甚 至 個 體 間 ( 不 同 性 別 變 態 體 變 異 體 等 ) 都 存 在 著 變 異, 訂 定 一 個 新 種 必 須 有 足 夠 的 嚴 謹 度, 至 少 檢 視 過 一 系 列 標 本, 才 能 較 合 理 的 涵 蓋 各 類 變 異, 否 則 即 落 入 眾 矢 之 的 的 細 分 者 (splitter, Mayr & Ashlock, 1991) 為 減 少 這 種 現 象, 現 今 生 物 分 類 命 名 中 已 增 加 十 多 種 的 模 式 標 本 類 型, 包 括 正 模 副 模 配 模 新 模 地 模 等, 共 有 18 類 之 多, 以 期 反 映 物 種 的 真 實 特 徵 ( 同 號 文, 1995) 這 種 細 分 的 現 象, 在 淡 水 動 物 ( 圖 3) 的 分 類 上 特 別 嚴 重, 主 要 原 因 是 淡 水 環 境 的 多 樣 性 不 高 ( 因 此 天 擇 壓 力 變 異 小, 造 成 形 態 特 徵 分 化 程 度 低 ), 但 各 淡 水 環 境 之 間 又 存 在 許 多 明 顯 的 隔 離 機 制 ( 山 系 河 系 都 可 能 造 成 種 化 ), 因 此 淡 水 動 物 學 家 常 基 於 些 許 細 微 的 形 態 差 異 就 訂 定 許 多 新 種, 使 得 一 般 研 究 人 員 無 法 清 楚 的 辨 認 種 類, 阻 礙 了 其 他 領 域 的 研 究 事 實 上, 河 川 襲 奪 的 現 象 在 地 質 史 上 不 斷 發 生, 某 些 物 種 的 遷 移 能 力 也 超 出 我 們 所 能 想 像, 淡 水 生 物 分 類 學 家 必 須 以 更 嚴 謹 的 態 度 來 確 認 種 類, 這 不 單 是 為 了 個 人 的 學 術 聲 譽, 也 為 了 其 他 研 究 得 以 同 步 的 深 入 研 究 淡 水 生 物 自 然 史 3

圖 2 四 種 招 潮 蟹 (UF, 台 灣 招 潮 Uca formosensis; UA, 弧 邊 招 潮 U. arcuata; UB, 北 方 呼 喚 招 潮 U. vocans borealis; UL, 清 白 招 潮 U. lactea lactea) 鰓 組 織 之 異 檸 檬 酸 去 氫 酶 (IDHP) 譜 帶 表 現 除 了 釐 清 這 些 細 微 形 態 差 異 在 族 群 內 是 否 足 夠 穩 定 之 外, 許 多 淡 水 甲 殼 類 分 類 學 家 為 保 險 起 見, 已 開 始 採 用 分 子 遺 傳 的 證 據 以 支 持 所 訂 定 的 新 種 例 如 南 非 的 Stewart 與 Daniels 實 驗 室 的 成 員 運 用 等 位 酶 證 據, 支 持 他 們 所 發 表 的 一 系 列 新 種 淡 水 蟹 ( 例 如 Daniels et al., 1998; Stewart & Cook, 1998); 而 Schubart et al. (1998b) 也 應 用 16S rrna 片 段 支 持 所 發 現 的 牙 買 加 新 種 淡 水 蟹 (Sesarma ayatum) 在 海 洋 甲 殼 類 方 面, 包 括 Carcinus, Menippe, Sesarma, Brachynotus, Scylla, Callinectes 等 都 已 有 報 告 指 出 分 生 特 徵 能 夠 清 楚 的 確 認 種 類, 以 補 形 態 之 不 足 在 此 舉 出 兩 例 說 明 鋸 緣 青 蟳 (Scylla serrata) 我 們 通 稱 紅 蟳, 是 很 常 見 的 食 用 梭 子 蟹 類, 長 久 以 來 我 們 均 認 為 僅 有 一 屬 一 種, 雖 然 漁 民 早 已 指 出 內 含 不 同 的 種 類, 但 學 界 一 般 認 為 只 是 個 體 間 的 顏 色 變 異, 不 應 分 為 不 同 種 但 近 年 來, 澳 洲 的 Keenan 等 人 (1998) 利 用 等 位 酶 16S rrna COI 的 分 子 特 徵, 確 認 了 這 四 種 青 蟳 (S. serrata S. olivacea S. paramamosain S. tranquebarica) 的 形 態 特 徵 都 具 有 遺 傳 的 基 礎, 還 原 了 當 初 命 名 者 的 種 名 美 青 蟹 (Callinectes) 為 分 布 於 熱 帶 與 亞 熱 帶 美 洲 的 重 要 經 濟 性 蟹 類, 熱 帶 西 大 西 洋 已 記 錄 有 9 種, 其 中 馬 拉 開 波 美 青 蟹 (C. maracaiboensis) 為 1969 年 發 表 於 南 美 委 內 瑞 拉 馬 拉 開 波 潟 湖 的 新 種 蟹 類, 後 來 也 在 加 勒 比 海 和 巴 西 被 發 現, 但 由 於 與 其 他 種 類 的 形 態 差 異 過 於 模 糊, 因 此 Schubart et al. (2001) 利 用 16S rrna 的 序 列 證 實 此 蟹 其 實 是 一 無 效 種, 為 常 見 種 C. bocourti 的 同 物 異 名! 4

分 子 時 鐘 與 地 質 事 件 圖 3 淡 水 蟹 的 形 態 差 異 極 小, 目 前 多 加 入 分 子 生 物 證 據 以 檢 驗 不 同 分 類 群 之 間 的 遺 傳 隔 離 圖 為 廣 布 於 高 屏 山 區 溪 澗 中 的 蔡 氏 澤 蟹 (Geothelphusa tsayae) 率, 以 此 速 率 則 可 推 估 其 他 相 似 物 種 的 分 化 年 代 目 前 欲 推 估 生 物 演 化 的 時 間 證 據, 僅 有 化 石 生 物 地 理 分 子 特 徵 三 類 數 據 ( 黃 原, 1998), 然 而 分 子 時 鐘 (molecular clocking 或 分 子 定 年 molecular dating) 有 許 多 的 假 設 與 不 足 之 處, 若 能 由 化 石 與 生 物 地 理 證 據 尋 求 支 持, 將 會 更 具 有 說 服 力 在 分 子 時 鐘 的 研 究 上, 最 常 用 的 地 質 年 代 為 巴 拿 馬 地 峽 (Panama Isthmus) 的 封 閉 年 代 ( 約 3.1 百 萬 年 前 ), 因 此 地 峽 兩 側 海 洋 物 種 的 隔 離 應 該 至 少 有 三 百 萬 年 由 這 個 確 定 的 年 代, 比 較 兩 類 物 種 的 遺 傳 距 離, 假 設 分 化 速 率 (divergence rate) 是 一 致 的, 就 可 以 推 斷 出 每 一 百 萬 年 物 種 的 分 化 速 例 如 Sturmbauer et al. (1996) 推 估 招 潮 蟹 的 16S rrna 分 化 速 率 為 每 百 萬 年 0.9%; Schubart et al. (1998a) 估 計 牙 買 加 的 海 域 相 手 蟹 類 (Sesarma) 的 16S rrna 為 0.65%,COI 為 1.66%; 陸 域 相 手 蟹 類 為 0.88%,COI 為 2.33%, 顯 然 陸 域 環 境 的 隔 離 機 制 效 果 大 於 海 洋 環 境 ; 此 外,Knowlton et al. (1993) 估 計 巴 拿 馬 槍 蝦 的 COI 為 2.2-2.6% 然 而,Stillman & Reeb (2001) 對 異 尾 類 的 岩 瓷 蟹 類 (Petrolisthes) 所 做 的 估 計 則 有 較 大 的 變 異 範 圍 (0.53-1.36%) 分 子 時 鐘 與 化 石 記 錄 甲 殼 類 由 於 具 有 幾 丁 質 的 外 骨 骼, 質 地 堅 硬, 因 此 常 能 在 地 層 中 保 存 下 來 ( 圖 4) 最 早 的 甲 殼 類 化 石 出 現 在 古 生 代 的 寒 武 紀 ( 註 : 近 年 來 已 有 報 導 發 現 前 寒 武 紀 的 甲 殼 類 化 石 ), 而 我 們 熟 知 的 大 型 十 足 類 ( 蝦 蟹 寄 居 蟹 ) 化 石 更 是 常 見 於 許 多 地 層 當 中 其 中 短 尾 類 ( 即 蟹 類 ) 的 最 早 化 石 出 現 在 侏 羅 紀, 多 屬 於 綿 蟹 派 (section Dromiacea) 蟹 類 ; 白 堊 紀 則 包 含 真 蟹 派 (section Eubrachyura) 的 早 期 分 化 群, 特 別 是 異 孔 亞 派 (Subsection Heterotramata); 而 現 今 蟹 類 的 輻 射 演 化, 特 別 是 胸 孔 亞 派 (subsection Thoracotremata), 則 起 始 於 始 新 世 (Schram, 1986) 至 於 淡 水 蟹 則 是 在 第 三 紀 末 的 上 新 世 以 後 才 有 化 石 的 出 現 (Ng & Rodriguez, 1995) 除 了 由 地 質 事 件 來 檢 驗 或 支 持 分 子 時 鐘 之 外, 也 能 夠 使 用 化 石 年 代 當 作 證 據 化 石 的 年 代 可 由 所 存 在 的 地 層 年 代 來 判 斷, 也 可 以 直 接 測 定 化 石 的 年 代 ( 例 如 放 射 性 物 質 的 衰 減 程 度 ) 若 現 生 種 類 有 可 信 賴 的 化 石 記 錄 年 代, 則 能 較 準 確 的 了 解 物 種 親 緣 關 係 與 生 物 地 理 的 相 關 研 究 例 如 Harrison & Crespi (1999) 探 討 廣 泛 分 布 於 太 平 洋 與 大 西 洋 的 黃 道 蟹 屬 (genus Cancer) 之 親 緣 關 係, 使 用 COI 與 形 態 數 據 建 立 親 緣 樹, 並 用 其 化 石 年 代 加 以 檢 驗 5

圖 4 化 石 是 檢 驗 物 種 分 化 年 代 十 分 有 用 的 證 據, 但 必 須 確 定 其 發 現 的 地 層 年 代 圖 A 為 白 堊 紀 的 中 國 蝦 類 化 石 ; 圖 B 為 嘉 義 觸 口 所 發 現 的 蟹 類 化 石 標 本 由 國 立 自 然 科 學 博 物 館 程 延 年 博 士 所 提 供 生 態 環 境 的 影 響 目 前 有 關 甲 殼 類 的 分 子 親 緣 關 係 多 偏 重 於 親 緣 地 理 學 (phylogeography) 的 研 究, 有 關 生 態 天 擇 壓 力 造 成 遺 傳 分 化 的 研 究 報 告 並 不 多, 僅 舉 一 例 說 明 此 為 Schubart et al. (1998a) 針 對 牙 買 加 產 非 海 洋 性 蟹 類 所 做 的 分 子 親 緣 研 究, 使 用 16S rrna 與 COI 兩 基 因 片 段 牙 買 加 有 許 多 十 分 特 殊 的 陸 生 蟹 與 淡 水 蟹, 由 於 棲 息 環 境 迴 異 ( 例 如 洞 穴 溪 流 碎 石 鳳 梨 科 植 物 葉 腋 蝸 牛 殼 內 ), 因 此 造 就 出 許 多 特 殊 的 物 種 不 同 的 環 境 也 產 生 不 同 形 態 適 應 的 蟹 類, 例 如 扁 平 體 型 的 Metopaulias depressus 就 適 合 鑽 入 鳳 梨 科 植 物 的 葉 腋 中 此 外, 親 代 的 撫 育 行 為 對 於 環 境 的 適 應 也 有 很 大 的 關 係, 例 如 M. depressus 演 化 成 縮 短 型 不 進 食 的 幼 體 期, 雌 蟹 將 子 代 產 於 鳳 梨 科 植 物 充 滿 水 的 葉 腋 中, 除 了 會 協 助 移 除 垃 圾 碎 屑 之 外, 雌 蟹 也 會 循 環 水 流 供 應 子 代 氧 氣, 甚 至 會 帶 來 空 蝸 牛 殼 放 入 葉 腋 的 水 中, 以 補 充 鈣 質 並 充 當 酸 鹼 緩 衝 液 (ph buffer); 此 外, 雌 蟹 也 會 保 護 子 代 抵 擋 敵 人, 例 如 豆 娘 的 若 蟲 和 蜘 蛛 Sesarma jarvisi 則 將 子 代 產 於 空 蝸 牛 殼 內, 雌 蟹 會 將 蝸 牛 殼 倒 立 以 盛 接 雨 水 或 將 水 帶 入 殼 內 這 兩 種 雌 蟹 都 會 餵 食 子 代, 餵 食 時 間 長 達 數 個 月 由 Schubart 等 人 所 得 的 分 子 親 緣 關 係, 並 結 合 地 質 事 件, 顯 示 相 手 蟹 類 是 在 3.4 百 萬 年 前 入 侵 牙 買 加 的 陸 域 和 淡 水 棲 地 的, 而 在 上 新 世 後 期 (Late Pliocene, 約 3.4-1.9 百 萬 年 前 ) 才 有 快 速 的 適 應 性 輻 射 演 化 的 ( 圖 5), 這 與 地 質 事 件 造 成 多 樣 的 棲 息 環 境 與 演 化 出 親 代 的 撫 育 行 為 有 很 重 要 的 關 聯, 在 長 期 的 隔 離 下, 演 化 出 許 多 不 同 的 種 類 分 子 行 為 生 態 研 究 Kitaura et al. (1998) 利 用 12S 至 16S rrna 的 mtdna 片 段 探 討 沙 蟹 科 中 毛 帶 蟹 亞 科 (subfamily Dotillinae) 之 類 源 關 係, 使 用 猴 面 蟹 (Camptandriinae) 亞 科 當 作 姊 妹 群 (sister group), 而 沙 蟹 亞 科 當 作 外 群 (outgroup) 結 果 顯 示 毛 帶 蟹 亞 科 的 成 員 是 單 源 的 (monophyletic), 但 泥 蟹 屬 (genus Ilyoplax) 的 親 緣 關 係 卻 是 多 源 的 (polyphyletic), 共 可 分 為 三 個 譜 系 (lineages) ( 圖 6 左 ) 此 外, 由 於 毛 帶 蟹 亞 科 蟹 類 有 不 同 的 使 用 泥 塊 領 域 行 為 (mud-using territorial behavior), 包 括 洞 口 堵 塞 (burrow plugging) 路 障 建 造 (barricade 6

building) 籬 笆 建 造 (fence building) ( 參 見 圖 5 右 下 方 圖 示 ), 尤 以 泥 蟹 屬 成 員 表 現 最 多 樣 化 以 簡 約 法 則 分 析 此 行 為 特 徵 的 親 緣 關 係 ( 圖 6 右 ), 顯 示 此 行 為 特 徵 在 泥 蟹 屬 內 也 是 多 次 連 續 演 化 的, 由 此 親 緣 樹 可 得 出 以 下 的 演 化 順 序 : 洞 口 堵 塞 最 為 原 始, 之 後 演 化 成 路 障 建 造, 最 後 演 化 成 籬 笆 建 造 由 圖 6 可 得 知 行 為 特 徵 的 演 化 關 係 與 分 子 特 徵 的 演 化 是 能 夠 互 相 支 持 的 聚 落 形 成 聚 落 形 成 S. windsor ( 洞 穴 或 溪 流 ) S. verieyi ( 洞 穴 ) Metopaulias ( 鳳 梨 科 植 物 ) S. dolphinum ( 溪 流 ) S. fossarum ( 溪 流 ) S. jarvisi ( 碎 石 ) S. cookei ( 碎 石 ) S. bidentatum ( 溪 流 ) S. sp. ( 溪 流 ) 牙 買 加 變 色 龍 西 部 和 中 部 東 部 聚 落 形 成 牙 買 加 離 趾 蛙 28 26 24 14 12 10 8 6 4 漸 新 世 中 新 世 上 新 世 牙 買 加 浮 現 全 島 岩 溶 地 形 斷 層 開 始 藍 山 聳 起 2 0 更 新 世 8 4 0 每 百 萬 年 間 的 種 化 事 件 百 萬 年 前 +200 公 尺 +100 公 尺 海 平 面 地 形 圖 5 九 種 牙 買 加 陸 蟹 的 親 緣 關 係 與 適 應 性 輻 射 演 化, 以 及 基 於 分 子 時 鐘 所 估 算 的 分 化 時 間 此 外, 並 加 入 牙 買 加 蜥 蜴 ( 變 色 龍 Anolis) 和 蛙 類 ( 離 趾 蛙 Eleutherodactylus) 之 親 緣 樹 當 作 分 化 時 間 的 比 較 直 條 圖 表 示 此 三 類 動 物 每 百 萬 年 間 的 種 化 事 件 總 數, 海 平 面 改 變 亦 顯 示 於 圖 上 ( 修 改 自 Schubart et al., 1998a) 此 外,Kitaura et al. (2002) 亦 利 用 12S 至 16S rrna 的 基 因 以 及 揮 舞 展 示 (waving display) 交 配 系 統 (mating systems) 的 差 異, 判 斷 澳 洲 的 日 本 大 眼 蟹 (Macrophthalmus japonicus) 應 該 為 一 獨 立 的 新 種 ; 而 韓 國 與 日 本 的 萬 歲 大 眼 蟹 (M. banzai) 也 可 能 是 不 同 的 種 或 亞 種 隱 存 種 的 問 題 在 某 些 情 況 之 下, 不 同 族 群 間 的 隔 離 已 經 達 到 種 間 的 地 步 ( 可 由 其 遺 傳 距 離 差 異 判 斷 ), 但 也 許 其 生 存 的 生 態 環 境 壓 力 仍 然 相 同, 造 成 外 部 形 態 特 徵 不 見 得 反 應 他 們 的 隔 離, 這 就 是 隱 存 種 (cryptic species) 的 問 題 在 甲 殼 類 方 面, 這 類 現 象 的 發 現 已 逐 漸 增 多 此 時, 分 類 學 家 通 常 會 絞 盡 腦 汁 試 圖 尋 找 這 些 族 群 是 否 有 微 小 的 穩 定 差 異, 幸 運 的 話, 就 可 能 找 到 足 以 支 持 新 種 的 形 態 特 徵 例 如 Schubart et al. (1998b) 基 於 16S rrna 的 差 異, 在 尋 找 出 形 態 7

的 特 徵 之 後, 將 牙 買 加 的 Sesarma bidentatum 分 離 出 一 新 種 S. ayatum 若 是 無 法 找 出 形 態 的 差 異, 也 只 能 暫 時 不 加 以 描 述 新 種, 例 如 墨 西 哥 灣 的 相 手 蟹 (Sesarma reticulatum) 對 蝦 (Penaeus spp.) 龍 蝦 (Panulirus argus); 在 其 他 節 肢 動 物, 例 如 蜘 蛛 (Aptostichus simus, Nesticus spp.) 也 發 現 此 類 現 象 圖 6 左 : 根 據 1416 個 12S 到 16S rrna 鹼 基 序 列 所 繪 製 的 15 種 毛 帶 蟹 亞 科 ( 包 含 泥 蟹 屬 [ 有 底 線 者 ] 毛 帶 蟹 屬 拜 佛 蟹 屬 股 窗 蟹 屬 ) 之 親 緣 樹 ( 極 似 然 樹, maximum-likelihood tree) 猴 面 蟹 亞 科 當 作 姊 妹 群, 而 沙 蟹 亞 科 當 作 外 群 虛 線 表 示 此 位 置 乃 由 另 一 分 析 所 得 ; 每 一 分 支 的 數 字 表 示 統 計 上 可 信 賴 的 百 分 比,(-) 則 表 示 統 計 上 是 不 顯 著 的 ;α, β, γ 表 示 另 一 分 析 所 得 之 同 樣 的 分 支 群 (clade),a, B, C 表 示 所 得 泥 蟹 的 三 個 譜 系 右 : 毛 帶 蟹 亞 科 蟹 類 使 用 泥 塊 的 領 域 行 為 ( 以 矩 形 框 表 示, 圖 示 於 右 下 方 ), 以 簡 約 法 則 所 構 成 的 極 似 然 樹 與? 表 示 缺 乏 或 未 知 泥 塊 領 域 行 為 ( 修 改 自 Kitaura et al., 1998) 引 入 種 的 問 題 物 種 出 現 於 某 一 地 區 並 非 全 然 由 於 自 然 的 因 素, 例 如 擴 散 (dispersal) 或 隔 離 分 化 (vicariance), 人 為 或 非 人 為 的 引 入 物 種 也 是 我 們 在 解 釋 親 緣 地 理 因 子 時 必 須 注 意 到 的 甲 殼 類 的 外 來 種 問 題, 尤 以 淡 水 產 的 種 類 特 別 嚴 重 例 如 俗 稱 大 閘 蟹 的 中 華 絨 螯 蟹, 原 本 產 於 中 國 大 陸, 具 有 洄 游 的 習 性, 幼 體 必 須 在 河 口 附 近 度 過 浮 游 時 期 在 航 運 發 達 以 後, 停 靠 吳 淞 江 口 的 輪 船 抽 取 壓 艙 水 時, 連 帶 抽 進 大 閘 蟹 的 幼 體, 因 此 隨 著 輪 船 遠 渡 重 洋 在 德 國 定 居, 幾 十 年 來, 已 經 分 布 到 北 歐 了 ( 劉 瑞 玉, 1976) 然 而, 更 嚴 重 的 問 題 在 於 絨 螯 蟹 是 具 有 高 經 濟 價 值 的 水 產 物, 養 殖 戶 從 其 他 地 區 引 8

入 種 苗 養 殖 以 滿 足 人 們 的 大 量 需 求, 此 舉 已 完 全 打 亂 了 原 本 的 分 布 型 式 台 灣 的 絨 螯 蟹 類 有 兩 種, 一 是 俗 稱 毛 蟹 的 日 本 絨 螯 蟹, 另 一 是 俗 稱 青 毛 蟹 的 台 灣 扁 絨 螯 蟹, 基 本 上 兩 前 者 在 台 灣 西 部, 後 者 在 台 灣 東 部 由 於 飽 含 膏 黃 的 繁 殖 期 各 自 不 同, 蟹 販 很 容 易 載 運 東 部 的 青 毛 蟹 至 西 部 販 售, 逃 逸 或 瘦 小 被 丟 棄 的 可 能 性 無 法 排 除, 也 許 這 就 是 近 年 來 在 西 部 發 現 青 毛 蟹 的 原 因 淡 水 澤 蟹 雖 非 經 濟 食 用 種, 但 也 難 逃 商 販 的 魔 掌, 目 前 已 在 高 雄 市 區 發 現 有 攤 販 販 售 疑 似 屏 東 所 產 的 澤 蟹 供 小 朋 友 飼 養 把 玩, 逃 逸 而 定 居 的 機 率 極 高 淡 水 蝦 類 也 有 類 似 問 題, 例 如 原 產 於 美 國 西 南 的 克 氏 原 蝲 蛄 ( 俗 稱 美 國 螯 蝦 ) 與 原 產 於 泰 國 的 羅 氏 沼 蝦 ( 俗 稱 泰 國 蝦 ), 都 是 台 灣 溪 流 常 見 的 外 來 種 蝦 類 圖 7 僅 有 一 屬 一 種 的 椰 子 蟹 (Birgus latro) 雖 然 廣 泛 分 布 於 印 度 - 西 太 平 洋 的 熱 帶 島 嶼 上, 各 地 的 族 群 仍 有 一 定 的 遺 傳 隔 離, 然 而 走 私 來 台 放 生 後, 已 經 打 亂 本 地 的 族 群 遺 傳 結 構 屬 於 異 尾 類 的 椰 子 蟹 ( 圖 7) 也 潛 藏 著 外 來 種 的 問 題, 據 悉 由 於 椰 子 蟹 是 保 育 類 動 物, 在 海 關 沒 入 走 私 的 椰 子 蟹 時, 均 於 墾 丁 國 家 公 園 的 龍 坑 保 護 區 放 生, 雖 然 椰 子 蟹 在 印 度 - 西 太 平 洋 均 屬 同 種, 但 外 來 族 群 的 基 因 勢 必 打 亂 台 灣 椰 子 蟹 的 族 群 遺 傳 結 構 然 而, 由 於 台 灣 從 未 研 究 過 椰 子 蟹 的 族 群 遺 傳, 因 此 影 響 的 程 度 勢 必 永 遠 不 得 而 知 未 來 展 望 在 甲 殼 類 方 面, 目 前 已 有 成 果 或 正 在 進 行 的 分 子 親 緣 地 理 研 究, 包 括 絨 螯 蟹 類 ( 中 華 絨 螯 蟹 Eriocheir sinensis, 日 本 絨 螯 蟹 E. japonica, 合 浦 絨 螯 蟹 E. hepuensis, 狹 顎 新 絨 螯 蟹 Neoeriocheir leptognathus 和 台 灣 扁 絨 螯 蟹 Platyeriocheir formosa) 的 分 子 親 緣 關 係 ; 以 及 台 灣 與 東 亞 島 嶼 淡 水 蟹 ( 澤 蟹 屬 Geothelphusa 清 溪 蟹 屬 Candidiopotamon) 與 淡 水 蝦 ( 沼 蝦 屬 Macrobrachium) 的 親 緣 地 理 學 正 如 前 述, 對 於 形 態 差 異 極 小 的 淡 水 蝦 蟹 類, 未 來 應 傾 向 以 利 用 遺 傳 證 據 支 持 形 態 差 異 的 態 度 來 從 事 研 究 在 遺 傳 證 據 方 面, 除 了 16S rrna 與 COI 之 外, 也 應 嘗 試 找 出 更 多 適 宜 的 基 因 片 段 來 佐 證, 例 如 已 應 用 於 其 他 動 物 的 ITS-1 (first internal transcribed spacer) 深 海 蝦 蟹 的 親 緣 地 理 是 另 一 個 值 得 探 討 的 主 題, 除 了 採 集 標 本 獲 得 DNA 序 列 以 瞭 解 解 種 間 的 親 緣 關 係 之 外, 配 合 地 質 事 件 洋 流 地 形 生 活 史 等 因 素 的 探 討, 將 有 助 於 釐 清 深 海 物 種 的 種 化 (speciation) 與 生 物 多 樣 性 的 問 題 9

同 號 文, 1995 有 關 物 種 概 念 與 劃 分 中 的 一 些 問 題 古 生 物 學 報 34: 761-776 堵 南 山, 1993 甲 殼 動 物 學 科 學 出 版 社, 北 京 黃 原, 1998 分 子 系 統 學 原 理 方 法 及 應 用 中 國 農 業 出 版 社, 北 京 祖 元 剛 孫 梅 康 樂 主 編, 1999 分 子 生 態 學 理 論 方 法 和 應 用 高 等 教 育 出 版 社, 北 京 劉 瑞 玉, 1976 十 足 類 簡 介 科 學 普 及 出 版 社, 北 京 Chu, K. H., J. Tong & T.-Y. Chan, 1999. Mitochondrial cytochrome oxidase I sequence divergence in some Chinese species of Charybdis (Crustacea: Decapoda: Portunidae). Biochem. Syst. Ecol. 27: 461-468. Daniels, S. R., B. A. Stewart & M. J. Gibbons, 1998. Potamonautes granularis sp. nov. (Brachyura, Potamonautidae), a new cryptic species of river crab from the Olifants River system, South Africa. Crustaceana 71: 885-903. Harrison, M. K. & B. J. Crespi, 1999. Phylogenetics of Cancer crabs (Crustacea: Decapoda: Brachyura). Mol. Phylogenet. Evol. 12: 186-199. Hillis, D. M., C. Moritz & B. K. Mable, 1996. Molecular Systematics. 2nd edition. In: Sinauer Associates Inc., Massachusetts, U.S.A. Keenan, C. P., P. J. F. Davie & D. L. Mann, 1998. A revision of the genus Scylla de Haan, 1833 (Crustacea: Decapoda: Brachyura: Portunidae). Raffles Bull. Zool. 46: 217-245. Kitaura, J., M. Nishida & K. Wada, 2002. Genetic and behavioral diversity in the Macrophthalmus japonicus species complex (Crustacea: Brachyura: Ocypodidae). Mar. Biol. 140: 1-8. Kitaura, J., K. Wada & M. Nishida, 1998. Molecular phylogeny and evolution of unique mud-using territorial behavior in ocypodid crabs (Crustacea: Brachyura: Ocypodidae). Mol. Biol. Evol. 15: 626-637. Knowlton, N., L. A. Weigt, L. A. Solórzano, D. K. Mills & E. Bermingham, 1993. Divergence in proteins, mitochondrial DNA, and reproductive compatibility across the Isthmus of Panama. Science 260: 1629-1632. Mayr, E. & P. D. Ashlock, 1991. Principles of Systematic Zoology. In: McGraw-Hill Inc., New York. Ng, P. K. L. & G. Rodriguez, 1995. Freshwater 參 考 文 獻 crabs as poor zoogeographical indicators: a critique of Banarescu (1990). Crustaceana 68: 636-645. Schram, F. R., 1986. Crustacea. Oxford University Press, New York. Schubart, C. D., R. Diesel & S. B. Hedges, 1998a. Rapid evolution to terrestrial life in Jamaican crabs. Nature 393: 363-365. Schubart, C. D., J. Reimer & R. Diesel, 1998b. Morphological and molecular evidence for a new endemic freshwater crab, Sesarma ayatum sp. n., (Grapsidae, Sesarminae) from eastern Jamaica. Zool. Scrip. 27: 373-380. Schubart, C. D., J. E. Neigel & D. L. Felder, 2000. Use of the mitochondrial 16S rrna gene for phylogenetic and population studies of Crustacea. Crust. Issues 12: 817-830. Schubart, C. D., J. E. Conde, C. Carmona-Suárez, R. Robles & D. L. Felder, 2001. Lack of divergence between 16S mtdna sequences of the swimming crabs Callinectes bocourti and C. maracaiboensis (Brachyura: Portunidae) from Venezuela. Fish. Bull. 99(3): 475-481. Staton, J. L., L. L. Daehler & W. M. Brown, 1997. Mitochondrial gene arrangement of the horseshoe crab Limulus polyphemus L.: conservation of major features among arthropod classes. Mol. Biol. Evol. 14: 867-874. Schubart, C. D., J. E. Conde, C. Carmona-Suárez, R. Robles & D. L. Felder, 2001. Lack of divergence between 16S mtdna sequences of the swimming crabs Callinectes bocourti and C. maracaiboensis (Brachyura: Portunidae) from Venezuela. Fish. Bull. 99: 475-481. Stewart, B. A. & P. A. Cook, 1998. Identification of a new species of river crab (Decapoda: Brachyura: Potamonautidae) from South Africa using morphological and genetic data. J. Crust. Biol. 18: 556-571. Stillman, J. H. & C. A. Reeb, 2001. Molecular phylogeny of Eastern Pacific porcelain crabs, genera Petrolisthes and Pachycheles, based on the mtdna 16S rdna sequence: phylogeographic and systematic implications. Mol. Phylogenet. Evol. 19: 236-245. Sturmbauer, C., J. S. Levinton & J. Christy, 1996. Molecular phylogeny analysis of fiddler crabs: test of the hypothesis of increasing behavioral complexity in evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 10855-10857. 10