海边戏水要小心!一次带你认识刺毒鱼类,与被刺伤後的自救方法

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刺毒鱼类是什麽?有刺的鱼 ≠ 刺毒鱼类

海洋是生命的发源地,其环境复杂多样,孕育出多种多样的海洋生物。在漫长的演化过程鱼类发展出多样适应环境的机制,包括物理性、化学性及生物性的调适,其中刺毒(venoms)属於较为复杂的化学性防御机制。

然而具有尖刺的鱼类就等於是刺毒鱼类吗?答案是「否」的。

刺毒鱼类的硬棘上附有毒腺,除了能为掠食者带来物理性(刺伤)伤害以外,并会造成化学性(毒液)的二次伤害,毒腺所分泌的毒液会使伤口产生更为强烈的疼痛感,是一种特殊的防御机制。

可能比你想像中多:世界上的刺毒鱼类有多少?

全世界的鱼类约有 30,000 多种,曾被报导过的刺毒鱼类约有 2,500 多种(表 1),约占所有鱼类的 8%,其主要可分为四大类,分别为:

  • 软骨鱼类中的银鲛目(Chimaeriformes)、异齿鲨科(Heterodontidae)、角鲨科(Squalidae)、燕魟亚目(Myliobatoidei)
  • 硬骨鱼类中的鲶形目(Siluriformes)、鳍棘鱼类(Acanthomorphs)

(Smith and Wheeler 2006;邵广昭 2021)

第一类刺毒软骨鱼类的毒刺主要分布於背鳍上,数量 1 至 2 根。

第二类为魟类,现生种类约 200 多种,毒刺分布於尾柄上(Nelson et al. 2016),当其尾柄上的毒刺击中掠食者後,毒液会经由外皮鞘(integumentary sheath)的破坏而全数释出(Fenner 2004)。着名的电视节目主持人鳄鱼先生 Steve Irwin 就是被大型魟类尾部的毒刺伤及心脏而丧命的。

第三类为鲶形目鱼类,大多为淡水种类,其中有毒的种类大约为 1,500 种,毒刺分布於胸鳍及背鳍(Wright 2009),其毒刺外缘具锯齿(图 1A)。

鲶形目鱼类在美洲具较高的多样性,占所有种类的 60%(Nelson 2006)。台湾产12种;

  • 淡水的种类有:
    钝头鮠科(Amblycipitidae)1 种
    鲶科(Siluridae)1 种
    胡鲶科(Clariidae)2 种
    鱨科(Bagridae)2 种,鱨科的种类因背鳍(1 根毒刺)、胸鳍(2 根毒刺)具毒刺,故俗称为三角姑。
  • 海水的种类有:
    鳗鲶科(Plotosidae)1 种
    海鲶科(Ariidae)5 种,两者的俗称分别为沙毛及成仔丁,毒刺的位置与鱨科一致。

A. 线纹鳗鲶(Plotosus lineatus)胸鳍硬棘。 B. 瞻星鱼(Uranoscopus sp.)匙骨上的棘。C. 褐臭肚鱼(Siganus fuscescens)背鳍硬棘。 D. 托尔逆鈎鰺(Scomberoides tol)背鳍硬棘。缩写:gr,groove 沟槽。

第四类为鳍棘鱼类,由六个类群所组成,分别为:

  • 蟾鱼目(Batrachoidiformes)
  • 鮋亚目(Scorpaenoidei)
  • 刺尾鱼亚目(Acanthuroidei)
  • 䲁亚目(Blennioidei)
  • 逆沟鰺亚科(Scomeroidinae)
  • 鳄亚目(Trachinoidei)

虽然仅有 585 至 650 种,但相对於前面的三个大类群,毒刺的形态则显得更为多样化,毒腺可发现於牙齿、主鳃盖骨(opercle)、匙骨(cleithrum) (图 1B)、背鳍、腹鳍和臀鳍多个部位(Smith and Wheeler 2006)。

A. 中华鬼鮋(Inimicus sinensis )背鳍硬棘。 B. 魔鬼蓑鮋(Pterois volitans )背鳍硬棘。C. 眉须鳞头鮋(Sebastapistes strongia)背鳍硬棘。 D. 眉须鳞头鮋头部的棘。缩写:gr, groove 沟槽;vg, venom gland 毒腺。

台语有云:「一魟、二虎、三沙毛」

在海岸活动频繁的台湾,亦不乏关於刺毒鱼类的谚语:一魟、二虎、三沙毛、四斑五、五象耳、六倒吊,或者是四臭肚、五变身苦;四变身苦、五成仔丁。

不管何种版本,「魟、虎、沙毛」均是刺毒危险程度的前三名。

谚语中的魟,是泛指所有尾部具有毒刺结构的燕魟亚目鱼类,身体呈圆盘形,大部分种类尾巴为细长的鞭状,依不同种类尾部毒刺的数量可达 2 根或以上,大部分渔民在捕获後,均会把尾部的毒刺去除。多数的魟类为底栖性鱼类,部分种类更具潜藏於沙中的习性,因此在沙滩嬉水游玩时,须多加注意脚下情况以免误踩而被其刺伤。

沙毛指的是线纹鳗鲶(Plotosus lineatus),广泛分布於台湾沿海并常被钓获,其体表光滑无鳞不易被抓住,故处理时须多加注意以免被刺伤;其幼鱼常成聚集成群,被称为鲶球。

二虎:多样性丰富的刺毒鱼类大家族

虎鱼泛指台湾产鮋亚目(Scorpaenoidei)的种类,其英文俗名有 scorpionfishes、stonefishes 、 waspfishes 等,有关 scorpionfishes 名称的由来,或许命名者对其毒刺如蝎子螫到的触感有着很深刻的体会。

除了虎鱼这俗名外,石狗公、石头鱼亦为牠们常见的中文俗称,因其伪装(camouflage,一些种类会利用特化的皮瓣伪装成礁石及表面的生物)或保护色,致使体态、体色与栖地环境极为相似而得名。

该类群是着名且危险的刺毒鱼类,毒刺十分发达(图 2),虽然鮋亚目鱼类的头部具有不少的棘(图 2D),但具毒腺的部位仅为背鳍、腹鳍及臀鳍之硬棘(图 2A-C) (Nelson et al. 2016),为海洋刺毒鱼类的最大宗(Low et al. 1993;Church and Hodgson 2002;Vetrano et al. 2002;Fenner 2004),台湾大约有 42 属 100种(邵广昭 2021)。

多数种类为底栖性鱼类,栖息於沿海岩礁地形,行动缓慢并常静止於礁石上,即使靠近之亦不动如山,其体色与环境十分相似不易被察觉,因此在潮间带或岩礁海岸活动时,稍一不慎则有可能误踩而遭其刺伤。目前被刺伤的个案仅国外有报导,被刺伤者大部分为渔业从事人员(Haddad et al. 2003),台湾虽暂无相关学术文章报导,但大部分地区的海洋活动亦相对频繁,相信有不少被刺伤的个案。

鮋亚目鱼类毒素均为蛋白质(Kiriake et al. 2013),结构并不稳定,遇热後因蛋白质变性而失去毒性(伍汉霖 2006),亦有研究显示斑点鮋(Scorpaena guttata)的毒素在 50°C 的条件下处理,短期内即失去活性(Schaeffer et al. 1971),表示鱼肉在加热煮熟後可食用。

俗称狮子鱼(Lionfish, Turkeyfish)的危险刺毒鱼类亦同属於鮋亚目家族的成员(蓑鮋类 Pteroini),但与石狗公、石头鱼的不同之处在於其十分花枝招展的外观,平常毫不躲藏、并徐徐地游弋於礁石间。

因其华丽的外观而常见於观赏鱼市场,亦因此经由水族观赏鱼途径被弃养放生(Hamner et al. 2007;Betancur et al. 2011;Johnson et al. 2016),魔鬼蓑鮋(Pterois volitans)自 1980 年起现踪於佛罗里达(Florida) (Freshwater et al. 2009),延长及发达的毒刺使其在当地几乎没有天敌,并逐渐扩张遍布整个大西洋西岸形成稳定的族群(Betancur et al. 2011;Ferreira et al. 2015;Johnson et al. 2016),而其惊人的食量对当地鱼类族群造成极大的威胁,与另一种狮子鱼—斑鳍蓑鮋(P. miles)为知名的入侵物种。

毒刺的部位、结构及释出毒液的机制

刺毒鱼类的毒刺结构可发现於胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍、尾柄、牙齿、主鳃盖骨、肩带上的匙骨等部位。大部分毒刺均由硬棘(spine)、沟槽(groove)及毒腺(venom gland)所组成。刺毒鱼类这类用毒动物不同於河魨,其毒素由自体产生(河魨毒素由食物累积於体内),经毒腺分泌,藉由硬棘导引或注射到防御对象身上(Bulaj et al. 2003;Fenner 2004;Smith and Wheeler 2006)。

毒腺附着於硬棘上,硬棘具沟槽。毒液的释放是一种被动形式,并不能主动发射,当毒腺受压迫时,毒液释出并沿着沟槽导流至防御对象的伤口上。被刺後伤口附近立刻产生剧烈疼痛感,随後延伸扩散,会伴随恶心、呕吐、呼吸困难等症状(伍汉霖 2006)。疼痛感可持续数小时之久,过敏体质者更会休克、甚至死亡。

如何预防刺伤,刺伤後应该如何处理?

刺毒鱼类并不会主动利用毒刺进行攻击,因此进行海岸活动或沿海作业时,应注意随时周遭环境并穿戴相关保护措施(如手套、涉水鞋等)避免身体裸露、降低被刺伤的机会;若在必要情况下须接触具尖刺且种类不明的鱼类时,应避免徒手直接捕捉并藉由工具谨慎处理之。

刺毒鱼类另一个对人类造成危害的地方,在於其造成的伤口可能会因为细菌感染而产生二次伤害,严重者会导致局部组织坏死、败血症,甚至感染创伤弧菌(Vibrio vulnificus),而创伤弧菌感染後恶化快速,其所引致的并发症通常具较高的死亡率。

刺毒鱼类的毒性依种类及释放量而有所不同,而毒素主要为蛋白质,其结构不稳定,易受热、酸硷所破坏而失去毒性。遭刺伤後应尽快移除毒刺,在适当的条件下挤出毒液,使用热、酸、硷条件处理伤口,破坏毒素的活性,并做好伤口的清洁及消毒的工作,防止细菌的感染。

刺毒鱼类所造成的伤害反应因人而异,经过现场初步处理後,应尽早送医处理。

野外活动时要注意

刺毒鱼类约占所有鱼类的 8%。牠们形态多样,彼此并非姐妹群关系,亦即起源於多个祖先,换言之,刺毒机制是多次独立演化出来的,刺毒鱼类一共可分为四个大类群,软骨鱼和硬骨鱼各占两大类,包括:

  • 软骨鱼:
    银鲛目、异齿鲨科、角鲨科
    燕魟亚目
  • 硬骨鱼:
    鲶形目
    鳍棘鱼类

毒刺结构可发现於多个部位,如胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍、尾柄、牙齿、主鳃盖骨、肩带上的匙骨等。

因为台湾为海岛地形,海岸线曲折漫长,周边海域均有刺毒鱼类的分布,民众於海域进行经济或休闲活动时均有机会接触到刺毒鱼类。虽然刺毒多为被动的防御机制,并不是主动攻击的手段,但部分刺毒鱼类具备十分良好的伪装能力,在静止的状态下难以被察觉,因此在野外活动时应随时注意周遭环境是否存在刺毒鱼类,并穿戴相关防护衣物、鞋子,避免误触而受伤,增加海域活动的安全性。

若不幸被刺毒鱼类刺伤,在现场进行紧急处理後,应尽早求医,以策安全。

自主式水下载具的未来:可在海中追踪鱼类的「仿生鱼」

  • 本文转载自科技大观园,原文为《水下载具的新星——仿生鱼的设计与未来应用》
  • 作者 / 科技大观园特约编辑|吴谨安

地球地表有 70% 被水体所覆盖,但湛蓝水面下的广袤区域却鲜少有人类踏足,水中的压力、密度与温度变化更构成许多潜在危险。而水下载具便提供相对安全的方式协助人类进行水下活动,早期遥控式水下载具(Remotely operated Vehicles,ROV)主要执行「粗工」类型的工业活动,母船以缆线供电并传输资讯给载具,对操作灵活度、节能的要求较低。直到近年水下载具逐渐被赋予水下探勘、调研等任务,在大范围移动前提下,开始发展无缆线的自主式水下载具(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)。但AUV在海中移动同样会受到操作灵活性的挑战,并且缺少缆线供电使得节能也成为一大难题。

针对水下载具的限制,台大工程科学及海洋工程学系郭振华教授便指出,若能研发出仿生鱼,模仿在水中长期演化的鱼类的力学系统—即仿生型自主式水下载具(Biomimetic Autonomous Underwater Vehicle,BAUV)。将有助於克服现行水下载具在海中所遭遇的节能与操作限制。

一般水下载具面对的挑战:灵活度与节能

一般 AUV 以刚性机体搭配螺桨作为驱动,在活动时会受到许多挑战与限制—(1) 灵活度:螺桨驱动的载具无法做到灵巧的回旋,而浅水层或近岸水流通常较为强劲,更不利於刚性高的 AUV 活动。(2) 螺桨潜在故障风险:海洋垃圾与水生植物可能卷入螺桨导致故障。(3) 能源使用效率:螺桨驱动载具过於耗能,使得载具活动时间受限无法长期在水下独立作业。

郭教授也提到,BAUV 吸引人之处在於近岸作业时非常好用。一般 AUV 受限於环境与自身结构的限制,在近岸作业时常绑手绑脚。相较之下,BAUV 柔软的身躯可以在狭小空间内回旋自己的身体,并且透过摆动尾鳍、胸鳍或是排水等方式推进,没有螺桨卷入水草与垃圾的问题。

不过,BAUV 在设计上也需要考虑诸多因素。例如,BAUV 通常以连杆原理驱动鳍片摆动,需要考虑零件弹力系数多少、摆动幅度才能接近鱼鳍的摆动。此外,生物学家甚至尝试发展人工肌肉,利用改变材料的温度或压力,达成材料的膨胀收缩,进而模仿肌肉纤维的伸长与缩短。但相较电动马达,人工肌肉目前提供的力量输出较小、速度不够快,只适用於小型载具。而且软性人工肌肉如何承受海底高压也须进一步研究。

郭教授提到中国浙江大学发表於 Nature 期刊的研究,便参考深海狮子鱼(hadal snailfish)的身体结构,舍弃坚硬的抗压外壳,改以柔软的矽氧树脂等聚合物包裹电子零件,并有着一对大而薄的翅膀规律摆动提供动力,最终成功地在马里亚纳海沟 10000 公尺深的海底游动。

作业环境大不同:浅海与深海作业的挑战

如同鱼类适应其生活环境演化出不同型态,在浅海与深海作业的 BAUV 外型设计也有不同。浅海因为有较为强劲的海流波动, BAUV 通常接近流线型,能因应海流借力使力、做出高速的回旋动作。郭教授以溪流中的鱼类为例,在溪流中常可以看到鱼类紧贴在石头後方游动。原理便是利用水流经过石头後形成的反向涡流,帮助牠们不费力地在流动的溪流中保持在固定位置。

反之,深海水流较小,主要的问题是密度跃层(Pycnocline)、通讯与环境侦测:

(1) 密度跃层:海水密度受温度、盐度与深度影响,通常密度会随水深增加而变大,直到一定深度後,深度的影响降低。此时,密度主要受温度与盐度影响增加,有时会突然形成一道密度剧烈增加的水层,便称为密度跃层。若 BAUV 无法改变自身密度,可能因浮力太大无法突破向下潜入。相反的,也可能无法有足够的浮力向上浮出水面。

(2) 与水面的通讯:深海作业的 BAUV 与母船间可能相隔有数公里厚的水层阻断电磁波传递,使得资讯联系变得更加不易。尽管仍可利用通讯声纳与水面联系,但同样面临电力的限制。郭教授也提到或许载具不需要频繁地与水面联系,以比目鱼为例,比目鱼身形扁平且长期在海底,几乎与海底融为一体。教授指出若能设计一种 BAUV 模仿比目鱼,不主动探测水面有甚麽,而是被动的接收资料与讯号,节省探测消耗的能量。直到接收到特定讯息,才启动运动机制做出回应。另外,也可以在 BAUV 活动的范围设置具有电磁感应接头的海底电缆,BAUV 只要贴在电缆上便可以直接传输讯息与充电,更为方便与节能。

(3) 辨识周遭环境与导航:在深海无光环境中,BAUV 需要依靠声纳或是磁力感测周围环境,但如何自主导航与定位仍是一大挑战。因此,郭教授提到鱼类在水中成群活动时,并不是依靠视觉追踪前方的领游者,而是利用身上的体侧线感测周围流场的压力变化,进而达成追踪。教授近期的研究便模仿参考鱼类体侧线的原理使 BAUV 能够追踪前方的领游者。

神奇的设计让仿生鱼能自主追踪其他鱼类:模仿鱼类的体侧线

深海大部分鱼类虽然视觉已经退化,但在掠食者靠近时仍然能快速地闪避。而浅海常可见到鱼群快速地变换,形成螺旋等几何图案。这些行为部分仰赖的便是鱼身上的体侧线细胞,以纤毛感测水流加速度与压力梯度变化,进而辨别周遭环境的变化。

近年,研究者们也尝试模仿鱼类体侧线原理让 BAUV 得以感知并与周遭环境互动。体侧线的模仿可利用微晶片技术,搭配类似纤毛的感测元件达成。另一种则是现成的压力感测器,以压电材料将压力变化转为电压。以此原理透过排列於 BAUV 体表的压力计阵列感测,并反推出压力源头加以分析是否遭遇地形障碍,或有其他移动的物体正在靠近。

近期研究中,郭教授的团队也以模仿鱼类体侧线的方式,透过侧线的排列与侦测方程式的推算可以得出前方压力源位置的方式,协助 BAUV 追踪前方的领游者。结果发现当领游者位於 BAUV 前方一定角度扇形区域内时,对於领游者(压力源)的跟随与定位最为准确,这项发现也与现实中鱼类追踪行为的统计数据一致。

不过,郭教授也提到体侧线感测原理的限制,一般鱼群群游时个体如此紧密相邻,部分可能肇因於体侧线有效感测的距离限制,其感测的水压变化频率较低、无法远距离传递。因此若要使用水压做导航,必须与相邻的鱼群靠得非常近。

未来展望

提到 BAUV 未来的发展目标,郭教授说,BAUV 在近海、浅水等水流强劲的区域能达成传统 AUV 所做不到的操作,并能克服螺桨驱动载具的风险。甚至能利用海流或旋涡的水流「借力使力」,以较少的能量运作。除了近海作业,BAUV 也被看好能应用於海底探勘,节能的优点使 BAUV 能大范围的蒐集资料,高度的灵活性也能帮助其闪避障碍物,研究结果可以应用於民生与国防用途。

例如,郭教授本次受访前便刚结束黑潮发电的海上调研工作,未来若能以 BAUV 调查海洋涡流与季节、地域等变因间的关联,更能有利於研究者以及政府做出有效率的决策。

参考资料

  • 仿生鱼雏形制作与试验验证
  • 潜入未知的深海世界:仿生机械鱼「Nemo」 与钢铁鱼「Iron Fish」—《科学筑梦大现场》
  • 机器人专题报导(二): 实地跟访–探索海底两万里秘境–水下机器人
  • 船的形形色色:海洋侦测大队
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