深海的动物是如何战胜那些让人窒息的压力的

在数次生物大灭绝事件后,一些浅海生物渐渐向深海转移,造就了今天深海里的生物多样性。研究表明,在2.51亿年前~6500年前的温暖的中生代,热带和亚热带气候向极地方向延伸,恐龙在这一时期开始兴盛起来,但深海生物却面临迥然不同的困境——由于海流运动变缓甚至停滞,水中含氧量急剧下降,导致海洋生物大量灭亡。当冰河期到来时,深水循环重新开始,浅水物种开始开拓新的栖息地。

大西洋沟虾是大量生活在欧洲北部沿海的浅水海域的一种小虾,它们的身体比我们的手指头还小,身上只覆盖着一层半透明的薄薄虾壳。最近,英国科学家做了一个有趣的实验。他们将捕捉到的数十只大西洋沟虾带到实验室里,安置在模拟海面以下3000千米处压力环境的容器里。如此巨大的压力足以将一个人的肋骨压碎,而这些看似孱弱的小小的虾,仍然在水里悠然自得地游动。

在“挑战者深渊”(马里亚纳海沟最深处,深约11000米)发现的像虾的甲壳类动物

在实验中,科学家还将对这些虾的组织样本进行研究,以了解是否会发生分子变化。例如,某些蛋白质是否会发生某种突变?普通的酶是否可能在一个相对较短的时间内突变为能够耐受压力的酶?这方面的研究有助于揭示进化本身的秘密。进化通常被定义为一种长期而缓慢的过程,其时间跨度超过千万年。然而,科学家从对昆虫的研究中了解到,进化也有可能瞬时发生。那么,深海生物对深海压力的适应性进化又会是怎样的呢?

在很长一段时期内,科学家都使用渔网将深海生物的一些组织样本打捞上来进行研究。但是,如果在深海生物带被到水面时能继续维持其自然压力,科学家就可以对整个生物体应对压力的机制进行研究,而不仅限于单个分子。新研发的工具可让深海动物在被提到水面后还能生存长达几个月,这有利于科学家记录下它们在这段时间里的身体反应和行为。

科学家发现,深海并非人们想象的荒芜寂寥。在深海极端压力下,仍然存在着一个充满生机的生命世界。

科学家希望能将深海中的生物标本收集到实验室里,然后将这些深海生物的蛋白质与它们的浅水近亲的蛋白质进行对比研究。

之后,科学家还在深海细菌和其他海洋生物中发现了对蛋白质起稳定作用的其他分子,包括与压力适应相关的分子。

运用日益先进的深海潜水技术,科学家现在能够更方便地潜入更深的海洋底部。最近,一个国际研究小组正在对从海洋最深峡谷中获得的海洋生物组织进行研究。明年年初,这个研究小组将赴新西兰东北端的克马德克海沟进行探索,那里部分地方的水深达10千米以上。在到达海洋底部时,研究人员将使用伍兹霍尔海洋研究所开发的无人驾驶、遥控操作的“海神号”潜水艇进行探索工作。

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科学家希望能将深海中的海参和节肢动物等标本收集到实验室里,然后将这些海洋生物的蛋白质与它们的浅水近亲进行比较。他们想知道深海生物是否拥有更多类似于氧化三甲胺这样的蛋白质稳定分子,并希望通过这些实验证实这类分子可以帮助海洋生物承受巨大的海水压力。

生活在地球最深处的动物

深海生物如何战胜压力

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在深海勘探初期,科学家发现许多浅水海洋物种的近亲也可以在更深的海水里生存下来,这令他们困惑不解。但是,要将这些海洋生物带到实验室进行研究却非常困难。一些海洋生物的鱼鳔里充满空气,在上升到海面的过程中往往会爆裂,导致死亡;一些没有鱼鳔的海洋生物虽然能够被带到海面上来,但在承受了压力的巨大变化后不能生存很长时间。为此,科学家只能退而求其次,提取深海生物的生物组织样本进行研究。

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几十年来,科学家一直在努力设法让深海生物在实验室里存活下来。一些人将深海生物慢慢地往水面上带,希望它们能渐渐适应压力的变化;还有人则尝试将它们快速带到水面,再放进小小的压力罐内,让它们迅速回到原来的高压环境中。即便这样,大起大落的压力变化还是会给深海生物造成一定的伤害。事实上,在到达海洋表面后能够继续存活几天的海洋生物寥寥无几。经历压力变化而能幸存下来的深海生物将被安置在类似潜水员使用的减压舱里,观察它们是否能够适应浅水压力。

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进化科学家认为,在地球历史发展的不同时期,气候变化灭绝了许多生活在深海中的海洋生物,而另外一些能够适应海洋深处黑暗环境的浅水物种则相继占领了这些灭绝生物原来的栖息地。了解海洋生物产生巨变的原因,不仅能够揭示它们在压力下生存的基本生物学原理,同时也可为海洋生物如何应对全球变暖提供新的线索。

研究发现,这些大西洋沟虾的生存率可能还与水温等条件有关,在水温为10℃~30℃之间(相当于浅水栖息环境的水温)时,虾对压力的耐受力会大幅提高。但在更低的温度条件下,随着压力的增加,这些虾的活动能力会变得不协调,甚至在几个小时内就死亡。

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现在,希利托和哈默正在进行一项测试。他们将收集到的深海生物从采样设备安全转移到加压罐,然后带到实验室,在这个过程中并不进行降压处理。一旦进入实验室,深海生物就被安置在高压室里,研究人员则通过摄像机或观察孔观察这些深海生物如何在为它们重建的栖息地环境中活动。

在太平洋底部2438米深处发现的狮子鱼

与此同时,一种有助于深海生物适应压力的小分子piezolytes被发现,这种小分子可有效防止海水压力对蛋白质的扭曲影响。此外,科学家对一种称为氧化三甲胺的分子的研究表明,将TMAO添加到鱼的组织样本后,对承受高压影响的蛋白质可起到稳定作用。科学家在鲨鱼、硬骨鱼、螃蟹和虾的体内都发现了TMAO。事实上,让鱼虾发出腥味的也正是这种物质。

那么,深海生物是如何挑战深度极限、在巨大海水压力环境下生存下来的呢?科学家指出:为了逃避日益变暖的海洋表层环境,一些物种可能会向海洋更深处转移。但随之而来的问题是:下潜越深,意味着这些海洋生物承受的海水压力也越大。在海洋深处,海水的压力可达每平方厘米1116千克。深海生物在这样的极限压力之下仍然能够欣欣向荣地繁衍生长,它们的生物学机理是什么?深海生物究竟是如何承受海水巨大压力的?

对深海的探索研究可以让我们更多地了解海洋生物是如何应对不断变化的外部世界的。

最近,科学家已经找到了一种收集深海生物并让它们迅速恢复和保持自然压力的方法。法国皮埃尔和玛丽·居里大学的生物物理学家布鲁斯·希利托和工程师热拉尔·哈默合作,开发了一种叫做“深海生物捕获室”的采样设备,使用它就可以在整个捕获过程中让深海生物始终处于原来的压力环境中。2018年夏天,他们在大西洋中脊海底热液口附近收集到了一条生活在2000米深处的深海鱼,创下了迄至当时已知最深鱼类的纪录。

对于生活在海里的生物来说,既然无法躲避、无法逃脱,它们就必须学会如何应对和适应环境的变化。

研究人员将大西洋沟虾置于它们生活在深海热液口附近的近亲物种Mirocaris
fortunate类似的压力环境下,以便更好地了解海洋生物如何应对压力。

在过去的半个世纪中,随着深海潜水技术的进步,研究人员观察和发现了深海的许多奥秘。令人惊讶的是,科学家在深海发现了许多海洋生物,那里并非人们想象的荒芜、寂寥、没有生命的地方,而是一个充满生机的生命世界。

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深海热液口附近生长着大量海洋生物

深海生物其实非常普遍。1977年,科学家在加拉帕戈斯群岛附近海底大约2500米深处首次发现了聚集在热液喷口附近的海洋生物群,那里的海底热液口不断喷涌出含有丰富化学物质的炽热海水,养育了大量的海洋生物,如巨蛤、贻贝、管蠕虫、海蜗牛和虾等。之后,科学家又在海洋更深处发现了许多种类的无脊椎动物,包括片脚类动物、海参、琵琶鱼等珍稀海洋物种。但不可否认的是,海洋越深的地方,生物的种类越少。例如,在8000米深处以下的深海,很少能发现鱼类。这很可能是因为海水压力过高的缘故。

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随着时间的推移,那些迁移到深海的浅水动物渐渐适应了较高的海水压力。为了观察浅水海洋生物是如何承受并逐渐适应深海压力,希利托等研究人员将产于欧洲的一种大西洋沟虾安置在与它们生活在海底热液口附近的近亲相类似的压力环境中,测量它们在各种压力和温度环境下的耗氧量和行为变化。他们的实验表明,甲壳类动物在极端压力条件下可生存几天至几个星期。

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深海(通常被定义为深度在海平面以下200米的海洋)占了地球上可居住栖息地的2/3,深海环境极为严酷。在黑暗冰冷的海洋深处,巨大的海水压力足以将一只聚苯乙烯泡沫的杯子压缩到只有一枚顶针大小。由于环境恶劣,在过去许多年里,深海一直是人迹罕至之处。

如果你觉得生活的压力太大,不妨想一想大西洋沟虾所承受的压力吧——研究人员将它们置于数吨海水的压力下做实验,而它们仍然顽强地生存了下来。在几千米深的海底,生活着许许多多的海洋生物,它们每天都承受着巨量海水的压力。那么,它们为什么能够生存下来而没有被压成碎片呢?

在克马德克海沟深处,海水压力达到地球表面压力的1000倍,而“海神号”是世界上第一艘能够承受这种巨大压力的潜水艇。它重近3吨,长达4米,既可作为自由巡游的机器人沿洋底勘查,也可作为近距离的观察工具,还可通过机械臂收集海洋生物样本。

温度、压力和气候变化等因素的影响和制约,造成了海洋生物的演化和栖息地的变迁。科学家认为,对深海的探索研究可以让我们更多地了解海洋生物是如何应对不断变化的外部世界的。对于生活在海洋里的生物来说,既然无法躲避、无法逃脱这些变化,它们就必须学会去应对和适应这些变化。

在地球表面,人们所承受到的大气压力为1个大气压,即每平方厘米的空气压力为1千克。水的密度要大于空气的密度。如果一个人下潜到海平面以下,每下沉10米,他所承受的海水的压力就多增加约1个大气压。在加拉帕戈斯群岛海底热液口附近,那里的海水压力达到250个大气压,相当于每平方厘米250千克以上。科学家比喻说,如此巨大的压力,相当于在你的脚趾甲盖上放了一头大象。

在深海底发现的海星的近亲——海参

生物对环境的适应是一种复杂的机制,海洋生物对新环境的适应可能取决于多种因素的组合。例如,一些生活在海底热液口附近的生物,在较高的温度条件下比在较低的温度条件下消耗更多的氧气,这表明它们在高温条件下对极端压力的适应能力更强。

还有一些研究人员正使用这种高压室对活下来的深海虾和深海蟹进行长期研究,然后将浅水海洋生物和深海海洋生物的生理进行比较,以探讨深海物种的起源之谜。

科学家的这一实验旨在更好地了解海洋生物的“抗压”机制,正是这种机制使得一些海洋生物能够挑战和适应深海的压力。

海洋生物对压力适应性的最早研究始于20世纪70年代末,当时有科学家将浅水鱼与深水多刺鱼的蛋白质进行了对比研究。还有科学家发现,深海动物能承受巨大压力的关键在于它们体内拥有一种称为乳酸脱氢酶的物质——浅水鱼的LDH只能适应小于500米深度的较低压力;相比之下,深海鱼的LDH则能适应更深处海水的巨大压力。

目前的实验证明,沟虾可以在压力罐中生存一个月,但研究人员希望它们能在类似于深海的压力环境下生存一年,以便他们观察它们在其生命周期内能否一直维持正常行为和活动。他们想知道,这些虾在从未经历过的压力环境下,是否能够安然度过生长、繁殖和孵化的整个生命周期。

在马里亚纳海沟采集到的深海微生物垫样本

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