深海的動物是如何戰勝那些讓人窒息的壓力的？

知識 05-25

深海生物如何戰勝壓力

對深海的探索研究可以讓我們更多地了解海洋生物是如何應對不斷變化的外部世界的。

如果你覺得生活的壓力太大，不妨想一想大西洋溝蝦所承受的壓力吧——研究人員將它們置於數噸海水的壓力下做實驗，而它們仍然頑強地生存了下來。在幾千米深的海底，生活著許許多多的海洋生物，它們每天都承受著巨量海水的壓力。那麼，它們為什麼能夠生存下來而沒有被壓成碎片呢？

大西洋溝蝦是大量生活在歐洲北部沿海的淺水海域的一種小蝦，它們的身體比我們的手指頭還小，身上只覆蓋著一層半透明的薄薄蝦殼。最近，英國科學家做了一個有趣的實驗。他們將捕捉到的數十隻大西洋溝蝦帶到實驗室里，安置在模擬海面以下3000千米處壓力環境的容器里。如此巨大的壓力足以將一個人的肋骨壓碎，而這些看似孱弱的小小的蝦，仍然在水裡悠然自得地遊動。

科學家的這一實驗旨在更好地了解海洋生物的「抗壓」機制，正是這種機制使得一些海洋生物能夠挑戰和適應深海的壓力。

科學家發現，深海並非人們想像的荒蕪寂寥。在深海極端壓力下，仍然存在著一個充滿生機的生命世界。

在地球表面，人們所承受到的大氣壓力為1個大氣壓，即每平方厘米的空氣壓力為1千克。水的密度要大於空氣的密度。如果一個人下潛到海平面以下，每下沉10米，他所承受的海水的壓力就多增加約1個大氣壓。在加拉帕戈斯群島海底熱液口附近，那裡的海水壓力達到250個大氣壓，相當於每平方厘米250千克以上。科學家比喻說，如此巨大的壓力，相當於在你的腳趾甲蓋上放了一頭大象。

深海（通常被定義為深度在海平面以下200米的海洋）佔了地球上可居住棲息地的2/3，深海環境極為嚴酷。在黑暗冰冷的海洋深處，巨大的海水壓力足以將一隻聚苯乙烯泡沫的杯子壓縮到只有一枚頂針大小。由於環境惡劣，在過去許多年裡，深海一直是人跡罕至之處。

在過去的半個世紀中，隨著深海潛水技術的進步，研究人員觀察和發現了深海的許多奧秘。令人驚訝的是，科學家在深海發現了許多海洋生物，那裡並非人們想像的荒蕪、寂寥、沒有生命的地方，而是一個充滿生機的生命世界。

深海生物其實非常普遍。1977年，科學家在加拉帕戈斯群島附近海底大約2500米深處首次發現了聚集在熱液噴口附近的海洋生物群，那裡的海底熱液口不斷噴湧出含有豐富化學物質的熾熱海水，養育了大量的海洋生物，如巨蛤、貽貝、管蠕蟲、海蝸牛和蝦等。之後，科學家又在海洋更深處發現了許多種類的無脊椎動物，包括片腳類動物、海參、琵琶魚等珍稀海洋物種。但不可否認的是，海洋越深的地方，生物的種類越少。例如，在8000米深處以下的深海，很少能發現魚類。這很可能是因為海水壓力過高的緣故。

那麼，深海生物是如何挑戰深度極限、在巨大海水壓力環境下生存下來的呢？科學家指出：為了逃避日益變暖的海洋表層環境，一些物種可能會向海洋更深處轉移。但隨之而來的問題是：下潛越深，意味著這些海洋生物承受的海水壓力也越大。在海洋深處，海水的壓力可達每平方厘米1116千克。深海生物在這樣的極限壓力之下仍然能夠欣欣向榮地繁衍生長，它們的生物學機理是什麼？深海生物究竟是如何承受海水巨大壓力的？

研究人員將大西洋溝蝦置於它們生活在深海熱液口附近的近親物種Mirocaris fortunate類似的壓力環境下，以便更好地了解海洋生物如何應對壓力。

深海熱液口附近生長著大量海洋生物

科學家希望能將深海中的生物標本收集到實驗室里，然後將這些深海生物的蛋白質與它們的淺水近親的蛋白質進行對比研究。

在深海勘探初期，科學家發現許多淺水海洋物種的近親也可以在更深的海水裡生存下來，這令他們困惑不解。但是，要將這些海洋生物帶到實驗室進行研究卻非常困難。一些海洋生物的魚鰾里充滿空氣，在上升到海面的過程中往往會爆裂，導致死亡；一些沒有魚鰾的海洋生物雖然能夠被帶到海面上來，但在承受了壓力的巨大變化後不能生存很長時間。為此，科學家只能退而求其次，提取深海生物的生物組織樣本進行研究。

在很長一段時期內，科學家都使用漁網將深海生物的一些組織樣本打撈上來進行研究。但是，如果在深海生物帶被到水面時能繼續維持其自然壓力，科學家就可以對整個生物體應對壓力的機制進行研究，而不僅限於單個分子。新研發的工具可讓深海動物在被提到水面後還能生存長達幾個月，這有利於科學家記錄下它們在這段時間裡的身體反應和行為。

海洋生物對壓力適應性的最早研究始於20世紀70年代末，當時有科學家將淺水魚與深水多刺魚的蛋白質進行了對比研究。還有科學家發現，深海動物能承受巨大壓力的關鍵在於它們體內擁有一種稱為乳酸脫氫酶（LDH）的物質——淺水魚的LDH只能適應小於500米深度的較低壓力；相比之下，深海魚的LDH則能適應更深處海水的巨大壓力。

與此同時，一種有助於深海生物適應壓力的小分子piezolytes被發現，這種小分子可有效防止海水壓力對蛋白質的扭曲影響。此外，科學家對一種稱為氧化三甲胺（TMAO）的分子的研究表明，將TMAO添加到魚的組織樣本後，對承受高壓影響的蛋白質可起到穩定作用。科學家在鯊魚、硬骨魚、螃蟹和蝦的體內都發現了TMAO。事實上，讓魚蝦發出腥味的也正是這種物質。

之後，科學家還在深海細菌和其他海洋生物中發現了對蛋白質起穩定作用的其他分子，包括與壓力適應相關的分子。

運用日益先進的深海潛水技術，科學家現在能夠更方便地潛入更深的海洋底部。最近，一個國際研究小組正在對從海洋最深峽谷中獲得的海洋生物組織進行研究。明年年初，這個研究小組將赴紐西蘭東北端的克馬德克海溝進行探索，那裡部分地方的水深達10千米以上。在到達海洋底部時，研究人員將使用伍茲霍爾海洋研究所開發的無人駕駛、遙控操作的「海神號」潛水艇進行探索工作。

在克馬德克海溝深處，海水壓力達到地球表面壓力的1000倍，而「海神號」是世界上第一艘能夠承受這種巨大壓力的潛水艇。它重近3噸，長達4米，既可作為自由巡遊的機器人沿洋底勘查，也可作為近距離的觀察工具，還可通過機械臂收集海洋生物樣本。

科學家希望能將深海中的海參和節肢動物等標本收集到實驗室里，然後將這些海洋生物的蛋白質與它們的淺水近親進行比較。他們想知道深海生物是否擁有更多類似於氧化三甲胺這樣的蛋白質穩定分子，並希望通過這些實驗證實這類分子可以幫助海洋生物承受巨大的海水壓力。

幾十年來，科學家一直在努力設法讓深海生物在實驗室里存活下來。一些人將深海生物慢慢地往水面上帶，希望它們能漸漸適應壓力的變化；還有人則嘗試將它們快速帶到水面，再放進小小的壓力罐內，讓它們迅速回到原來的高壓環境中。即便這樣，大起大落的壓力變化還是會給深海生物造成一定的傷害。事實上，在到達海洋表面後能夠繼續存活幾天的海洋生物寥寥無幾。經歷壓力變化而能倖存下來的深海生物將被安置在類似潛水員使用的減壓艙里，觀察它們是否能夠適應淺水壓力。

最近，科學家已經找到了一種收集深海生物並讓它們迅速恢復和保持自然壓力的方法。法國皮埃爾和瑪麗·居里大學的生物物理學家布魯斯·希利托和工程師熱拉爾·哈默合作，開發了一種叫做「深海生物捕獲室」的採樣設備，使用它就可以在整個捕獲過程中讓深海生物始終處於原來的壓力環境中。2018年夏天，他們在大西洋中脊海底熱液口附近收集到了一條生活在2000米深處的深海魚，創下了迄至當時已知最深魚類的紀錄。

現在，希利托和哈默正在進行一項測試。他們將收集到的深海生物從採樣設備安全轉移到加壓罐，然後帶到實驗室，在這個過程中並不進行降壓處理。一旦進入實驗室，深海生物就被安置在高壓室里，研究人員則通過攝像機或觀察孔觀察這些深海生物如何在為它們重建的棲息地環境中活動。

還有一些研究人員正使用這種高壓室對活下來的深海蝦和深海蟹進行長期研究，然後將淺水海洋生物和深海海洋生物的生理進行比較，以探討深海物種的起源之謎。

對於生活在海里的生物來說，既然無法躲避、無法逃脫，它們就必須學會如何應對和適應環境的變化。

進化科學家認為，在地球歷史發展的不同時期，氣候變化滅絕了許多生活在深海中的海洋生物，而另外一些能夠適應海洋深處黑暗環境的淺水物種則相繼佔領了這些滅絕生物原來的棲息地。了解海洋生物產生巨變的原因，不僅能夠揭示它們在壓力下生存的基本生物學原理，同時也可為海洋生物如何應對全球變暖提供新的線索。

在數次生物大滅絕事件後，一些淺海生物漸漸向深海轉移，造就了今天深海里的生物多樣性。研究表明，在2.51億年前～6500年前的溫暖的中生代，熱帶和亞熱帶氣候向極地方向延伸，恐龍在這一時期開始興盛起來，但深海生物卻面臨迥然不同的困境——由於海流運動變緩甚至停滯，水中含氧量急劇下降，導致海洋生物大量滅亡。當冰河期到來時，深水循環重新開始，淺水物種開始開拓新的棲息地。

隨著時間的推移，那些遷移到深海的淺水動物漸漸適應了較高的海水壓力。為了觀察淺水海洋生物是如何承受並逐漸適應深海壓力，希利托等研究人員將產於歐洲的一種大西洋溝蝦安置在與它們生活在海底熱液口附近的近親相類似的壓力環境中，測量它們在各種壓力和溫度環境下的耗氧量和行為變化。他們的實驗表明，甲殼類動物在極端壓力條件下可生存幾天至幾個星期。

研究發現，這些大西洋溝蝦的生存率可能還與水溫等條件有關，在水溫為10℃～30℃之間（相當於淺水棲息環境的水溫）時，蝦對壓力的耐受力會大幅提高。但在更低的溫度條件下，隨著壓力的增加，這些蝦的活動能力會變得不協調，甚至在幾個小時內就死亡。

目前的實驗證明，溝蝦可以在壓力罐中生存一個月，但研究人員希望它們能在類似於深海的壓力環境下生存一年，以便他們觀察它們在其生命周期內能否一直維持正常行為和活動。他們想知道，這些蝦在從未經歷過的壓力環境下，是否能夠安然度過生長、繁殖和孵化的整個生命周期。

在實驗中，科學家還將對這些蝦的組織樣本進行研究，以了解是否會發生分子變化。例如，某些蛋白質是否會發生某種突變？普通的酶是否可能在一個相對較短的時間內突變為能夠耐受壓力的酶？這方面的研究有助於揭示進化本身的秘密。進化通常被定義為一種長期而緩慢的過程，其時間跨度超過千萬年。然而，科學家從對昆蟲的研究中了解到，進化也有可能瞬時發生。那麼，深海生物對深海壓力的適應性進化又會是怎樣的呢？

生物對環境的適應是一種複雜的機制，海洋生物對新環境的適應可能取決於多種因素的組合。例如，一些生活在海底熱液口附近的生物，在較高的溫度條件下比在較低的溫度條件下消耗更多的氧氣，這表明它們在高溫條件下對極端壓力的適應能力更強。

溫度、壓力和氣候變化等因素的影響和制約，造成了海洋生物的演化和棲息地的變遷。科學家認為，對深海的探索研究可以讓我們更多地了解海洋生物是如何應對不斷變化的外部世界的。對於生活在海洋里的生物來說，既然無法躲避、無法逃脫這些變化，它們就必須學會去應對和適應這些變化。

生活在地球最深處的動物

在「挑戰者深淵」（馬里亞納海溝最深處，深約11000米）發現的像蝦的甲殼類動物