生物世界

您当前的位置: 首页  >  探索发现  >  生物世界
深海压力那么大,深海鱼为什么没被压死?
发布时间:2020-12-22     作者:   来源:科普中国   分享到:

前些天,一个大新闻几乎刷屏了朋友圈:奋斗者号成功坐底马里亚纳海沟,坐底深度10909米,是我国载人深潜器新的深度纪录!

image.png

(图片来源:中科院)

随着深潜器技术的不断发展,人们才逐渐发现,茫茫深海之中并非一片死寂,无数生物在这一片漆黑之处繁衍生息。

其中,生活在海面下大约8000米处的马里亚纳狮子鱼,是目前人们发现的“最深的深海鱼”。作为对比,人类潜水的深度一般都在10-20米以内,最极限的深度也不过三百来米。要知道,在水下8000米处,静水压大约是800个大气压左右,差不多相当于一头成年公牛站在你的指甲盖上。要是没有深潜器,人类是绝无可能到达这么深的海中的。

那么,深海鱼类是如何承受如此巨大的压力的呢?难道是因为它们心态好吗?

抗压,从鱼鳔的断舍离开始

大家在游泳的时候可能有这样一种体验:当你潜入游泳池底的时候,会觉得耳膜有一种压迫感,甚至是有轻微的疼痛。这是因为耳膜外部的水压明显大于内部的气压,导致耳膜受到一个向内的压力。从这个例子我们可以得出一个结论:随着水深的增加,水压会远远大于大气压,导致周围的水会开始向内挤压充气的物体。

image.png

(图片来源:Pexels)

而大部分的硬骨鱼某种意义上就是一个充气的物体,因为它们体内有一个充气的鱼鳔。对于生活在浅海的硬骨鱼类来说,鱼鳔是它们非常重要的一个结构,可以帮助鱼类调整浮力,从而实现上浮或者下潜。但是对于深海鱼来说,充满气的鱼鳔无异于一个脆弱的气球,外部巨大的水压会毫无保留地挤压、蹂躏这个气球,直到它炸成碎片为止。因此,很多深海鱼在进化的过程中“舍弃”了鱼鳔这个“危险”的结构,转而依靠某些脂类来提供浮力。

相比于浅海中的鱼,深海鱼的骨骼和肌肉含量都比较少,而脂质和胶质则相对较多。此外,深海鱼骨骼中软骨的比例也远高于浅海鱼。对于深海鱼来说,这都是为了适应深海生活所作出的必要的“妥协”。所谓“过刚则易折”,相比于骨骼和肌肉,脂质和胶质能更好地帮助鱼类对抗巨大的压力。

同时这样的身体结构还有另外一个好处,较低比例的骨骼和肌肉能降低深海鱼的能量消耗,而高比例的脂质则同时能够储存更多的能量,这对于身处营养贫瘠、氧气稀薄的深海的鱼类来说是至关重要的。

前些年被评为世界上最丑生物的水滴鱼——软隐棘杜父鱼就是一个很好的例子。被捕捞上岸的水滴鱼往往是软趴趴的一滩粉红色物体,活脱脱像一个长着大鼻子的史莱姆。然而在深海中水滴鱼的外形和普通鱼类并无二致,只是在被捕捞上岸的过程中,由于压力的迅速降低让它们的身体结构被破坏,成了我们看到的样子。而在它们生活的地方,却正是这一身的胶质帮助它们存活了下来。

image.png

水滴鱼(图片来源:维基百科)

之前的研究发现,在马里亚纳狮子鱼的基因组中,调控骨骼发育和骨组织骨化的基因发生了突变。这一突变会导致马里亚纳狮子鱼骨骼的钙化过程提前终止,导致其骨骼组成中大部分为软骨。而软骨的抗高压能力是远远强于硬骨组织的。

image.png

马里亚纳深海狮子鱼特殊表型的分子机制(图片来源:参考资料1)

深入细胞膜的强大抗压能力

然而这并不是深海鱼的全部本领。

要知道,静水压力并不是一个宏观的物体,它并不像一只死死捏住深海鱼的手,只会从宏观的身体结构上对深海鱼造成影响。静水压是无孔不入的,无论是宏观结构还是微观结构都会受到它的攻击。

当我们把视线聚集到微观世界,我们会发现,高压环境下,细胞膜的流动性会降低。简单来说,在深海之中细胞的细胞膜会变得更“硬”,这绝非一件好事。细胞膜是控制物质进出细胞的重要关口,细胞膜变硬会导致物质进出细胞更加困难。细胞外的营养物质无法进入细胞,细胞内产生的废物难以运出细胞,那生物将无法生存下去。这就像是外卖员要通过一个人头攒动的路口去送外卖:本来他只要在人缝中挤过去就行,结果有一股神秘的力量把所有人都往一块推,搞得人贴人人挤人,外卖员拼了老命也没能挤过去,这时他就会觉得压力好大。

科学家发现,相对于浅海鱼来说,深海鱼的细胞膜上有着更多的不饱和脂肪酸,这让它们的细胞膜能在高压环境下保持较高水平的流动性,提高物质运输的效率。

打个比方,植物油相对动物油来说不饱和脂肪酸的含量更高,所以在常温下植物油一般是液体,而动物油则固体居多。你很难让一枚硬币穿透一块黄油,而让它从一瓶花生油的表面掉到瓶底却很容易。

高比例的不饱和脂肪酸能让深海鱼即使身处高压环境仍然拥有“柔软”的细胞膜,但如果一条深海鱼被捕捞上岸,它的细胞结构也会随之破坏,因为当它身处低压环境中时,细胞膜的流动性就有些过强,细胞膜过“软”,导致细胞很容易坏掉。

image.png

9个硬骨鱼基因家族分析发现,MHS中与脂肪酸代谢相关的基因家族显著扩增(图片来源:参考资料1)

脂质并不是唯一受到高压影响的物质,蛋白质也难以逃脱这无处不在的压力。正常来说,受到高压影响的蛋白质会发生结构的改变和功能的丧失,而蛋白质的正常工作对于生物的生存至关重要。

幸好对于这一点深海鱼也有相应的应对策略。深海鱼的某些蛋白质特定位点的氨基酸会被其它氨基酸所替换,提高其对压力的抗性。比如深海鱼体内的α肌动蛋白在多个位点发生了氨基酸的取代,其中包括了钙离子和ATP的结合位点。这两个位点的氨基酸替换能够保证肌动蛋白在高压环境下仍然能正常工作。

此外,有些蛋白质中的化学键的数目和种类会发生一定的变化。这种变化导致了蛋白质三级结构的改变,从而加强了蛋白质结构的刚性,也就提高了其对高压环境的适应性。就像你在搭积木的时候给积木外面多贴两根胶带,绝对比不贴胶带要稳固许多。

也有研究发现深海鱼体内氧化三甲胺(TMAO)的含量远高于浅海鱼。氧化三甲胺是一种非常重要的蛋白质稳定剂,它能够帮助变性的蛋白质恢复原来的结构,从而恢复其正常功能。深海鱼体内大量的氧化三甲胺能够帮助它们细胞内的蛋白质维持原有的结构和功能,从而保证细胞的活性。

有趣的是,随着鱼类的死亡,氧化三甲胺会逐渐分解为三甲胺,而三甲胺则是海鱼腥味的重要来源。那么也就是说,越是深海鱼,死了以后的腥味就越重,内陆的朋友们总觉得带鱼的腥味重也就不难理解了。

image.png

这些发生在基因编码及调控序列的变化可能有助于MHS

增加细胞内TMAO水平以增强蛋白质稳定性(图片来源:参考资料1)

现在一些人总是觉得周围的环境给了自己很大的压力,选择佛系生活甚至自暴自弃。但是你们想一想,深海的鱼类面临着这么大的压力都没有放弃,即使从蛋白质层面开始改变自己,也要适应环境,成为环境的主人,你还有什么理由放弃!赶快行动起来改变自己,战胜压力吧!


团队介绍:云海科普是来自中国海洋大学的一支有趣的科普队伍,以年轻人特有的视角来解构看似高深的科学问题,让你发现大自然竟然这么好玩。

参考资料:

1、Morphology and genome of a snailfish from the Mariana Trench provide insights into deep-sea adaptation[J]. Nature Ecology & Evolution, 2019.

2、Cocker J E . Adaptations of deep sea fishes[J]. Environmental Biology of Fishes, 1978, 3(4):389-399.

3、Haedrich R L . Deep-water fishes: evolution and adaptation in the earth's largest living spaces[J]. Journal of Fish Biology, 2010, 49(sA):40-53.

4、Morita T . High-pressure adaptation of muscle proteins from deep-sea fishes, Coryphaenoides yaquinae and C. armatus[J]. Annals of the New York Academy of ences, 2010, 1189:91-94.

5、Winnikoff J R , Wilson T M , Thuesen E V , et al. Enzymes feel the squeeze: Biochemical adaptation to pressure in the deep sea[J]. Biochemist, 2017, 39(6):26-29.

6、Robert Kunzig . The Physics of . . . Deep-sea Animals,Discover,2001

【我们尊重原创,也注重分享。版权原作者所有,如有侵犯您的权益请及时联系,我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点,仅供参考。】