深海生物如何戰(zhàn)勝壓力

對(duì)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(yīng)對(duì)不斷變化的外部世界的。

如果你覺(jué)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——研究人員將它們置于數(shù)噸海水的壓力下做實(shí)驗(yàn)，而它們?nèi)匀活B強(qiáng)地生存了下來(lái)。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。那么，它們?yōu)槭裁茨軌蛏嫦聛?lái)而沒(méi)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(guó)科學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。他們將捕捉到的數(shù)十只大西洋溝蝦帶到實(shí)驗(yàn)室里，安置在模擬海面以下3000千米處壓力環(huán)境的容器里。如此巨大的壓力足以將一個(gè)人的肋骨壓碎，而這些看似孱弱的小小的蝦，仍然在水里悠然自得地游動(dòng)。

科學(xué)家的這一實(shí)驗(yàn)旨在更好地了解海洋生物的“抗壓”機(jī)制，正是這種機(jī)制使得一些海洋生物能夠挑戰(zhàn)和適應(yīng)深海的壓力。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，深海并非人們想象的荒蕪寂寥。在深海極端壓力下，仍然存在著一個(gè)充滿生機(jī)的生命世界。

在地球表面，人們所承受到的大氣壓力為1個(gè)大氣壓，即每平方厘米的空氣壓力為1千克。水的密度要大于空氣的密度。如果一個(gè)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(gè)大氣壓。在加拉帕戈斯群島海底熱液口附近，那里的海水壓力達(dá)到250個(gè)大氣壓，相當(dāng)于每平方厘米250千克以上?？茖W(xué)家比喻說(shuō)，如此巨大的壓力，相當(dāng)于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）占了地球上可居住棲息地的2/3，深海環(huán)境極為嚴(yán)酷。在黑暗冰冷的海洋深處，巨大的海水壓力足以將一只聚苯乙烯泡沫的杯子壓縮到只有一枚頂針大小。由于環(huán)境惡劣，在過(guò)去許多年里，深海一直是人跡罕至之處。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，隨著深海潛水技術(shù)的進(jìn)步，研究人員觀察和發(fā)現(xiàn)了深海的許多奧秘。令人驚訝的是，科學(xué)家在深海發(fā)現(xiàn)了許多海洋生物，那里并非人們想象的荒蕪、寂寥、沒(méi)有生命的地方，而是一個(gè)充滿生機(jī)的生命世界。

深海生物其實(shí)非常普遍。1977年，科學(xué)家在加拉帕戈斯群島附近海底大約2500米深處首次發(fā)現(xiàn)了聚集在熱液噴口附近的海洋生物群，那里的海底熱液口不斷噴涌出含有豐富化學(xué)物質(zhì)的熾熱海水，養(yǎng)育了大量的海洋生物，如巨蛤、貽貝、管蠕蟲、海蝸牛和蝦等。之后，科學(xué)家又在海洋更深處發(fā)現(xiàn)了許多種類的無(wú)脊椎動(dòng)物，包括片腳類動(dòng)物、海參、琵琶魚等珍稀海洋物種。但不可否認(rèn)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(fā)現(xiàn)魚類。這很可能是因?yàn)楹Ｋ畨毫^(guò)高的緣故。

那么，深海生物是如何挑戰(zhàn)深度極限、在巨大海水壓力環(huán)境下生存下來(lái)的呢？科學(xué)家指出：為了逃避日益變暖的海洋表層環(huán)境，一些物種可能會(huì)向海洋更深處轉(zhuǎn)移。但隨之而來(lái)的問(wèn)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(dá)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(zhǎng)，它們的生物學(xué)機(jī)理是什么？深海生物究竟是如何承受海水巨大壓力的？

上圖：研究人員將大西洋溝蝦置于它們生活在深海熱液口附近的近親物種Mirocaris fortunate（圖中所示）類似的壓力環(huán)境下，以便更好地了解海洋生物如何應(yīng)對(duì)壓力。

下圖：深海熱液口附近生長(zhǎng)著大量海洋生物

科學(xué)家希望能將深海中的生物標(biāo)本收集到實(shí)驗(yàn)室里，然后將這些深海生物的蛋白質(zhì)與它們的淺水近親的蛋白質(zhì)進(jìn)行對(duì)比研究。

在深海勘探初期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多淺水海洋物種的近親也可以在更深的海水里生存下來(lái)，這令他們困惑不解。但是，要將這些海洋生物帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(guò)程中往往會(huì)爆裂，導(dǎo)致死亡；一些沒(méi)有魚鰾的海洋生物雖然能夠被帶到海面上來(lái)，但在承受了壓力的巨大變化后不能生存很長(zhǎng)時(shí)間。為此，科學(xué)家只能退而求其次，提取深海生物的生物組織樣本進(jìn)行研究。

在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，科學(xué)家都使用漁網(wǎng)將深海生物的一些組織樣本打撈上來(lái)進(jìn)行研究。但是，如果在深海生物帶被到水面時(shí)能繼續(xù)維持其自然壓力，科學(xué)家就可以對(duì)整個(gè)生物體應(yīng)對(duì)壓力的機(jī)制進(jìn)行研究，而不僅限于單個(gè)分子。新研發(fā)的工具可讓深海動(dòng)物在被提到水面后還能生存長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，這有利于科學(xué)家記錄下它們?cè)谶@段時(shí)間里的身體反應(yīng)和行為。

海洋生物對(duì)壓力適應(yīng)性的最早研究始于20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時(shí)有科學(xué)家將淺水魚與深水多刺魚的蛋白質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比研究。還有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，深海動(dòng)物能承受巨大壓力的關(guān)鍵在于它們體內(nèi)擁有一種稱為乳酸脫氫酶（LDH）的物質(zhì)——淺水魚的LDH只能適應(yīng)小于500米深度的較低壓力；相比之下，深海魚的LDH則能適應(yīng)更深處海水的巨大壓力。

與此同時(shí)，一種有助于深海生物適應(yīng)壓力的小分子piezolytes被發(fā)現(xiàn)，這種小分子可有效防止海水壓力對(duì)蛋白質(zhì)的扭曲影響。此外，科學(xué)家對(duì)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后，對(duì)承受高壓影響的蛋白質(zhì)可起到穩(wěn)定作用。科學(xué)家在鯊魚、硬骨魚、螃蟹和蝦的體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了TMAO。事實(shí)上，讓魚蝦發(fā)出腥味的也正是這種物質(zhì)。

之后，科學(xué)家還在深海細(xì)菌和其他海洋生物中發(fā)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)起穩(wěn)定作用的其他分子，包括與壓力適應(yīng)相關(guān)的分子。

運(yùn)用日益先進(jìn)的深海潛水技術(shù)，科學(xué)家現(xiàn)在能夠更方便地潛入更深的海洋底部。最近，一個(gè)國(guó)際研究小組正在對(duì)從海洋最深峽谷中獲得的海洋生物組織進(jìn)行研究。明年年初，這個(gè)研究小組將赴新西蘭東北端的克馬德克海溝進(jìn)行探索，那里部分地方的水深達(dá)10千米以上。在到達(dá)海洋底部時(shí)，研究人員將使用伍茲霍爾海洋研究所開(kāi)發(fā)的無(wú)人駕駛、遙控操作的“海神號(hào)”潛水艇進(jìn)行探索工作。

在克馬德克海溝深處，海水壓力達(dá)到地球表面壓力的1000倍，而“海神號(hào)”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(zhǎng)達(dá)4米，既可作為自由巡游的機(jī)器人沿洋底勘查，也可作為近距離的觀察工具，還可通過(guò)機(jī)械臂收集海洋生物樣本。

科學(xué)家希望能將深海中的海參和節(jié)肢動(dòng)物等標(biāo)本收集到實(shí)驗(yàn)室里，然后將這些海洋生物的蛋白質(zhì)與它們的淺水近親進(jìn)行比較。他們想知道深海生物是否擁有更多類似于氧化三甲胺這樣的蛋白質(zhì)穩(wěn)定分子，并希望通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(lái)，科學(xué)家一直在努力設(shè)法讓深海生物在實(shí)驗(yàn)室里存活下來(lái)。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(yīng)壓力的變化；還有人則嘗試將它們快速帶到水面，再放進(jìn)小小的壓力罐內(nèi)，讓它們迅速回到原來(lái)的高壓環(huán)境中。即便這樣，大起大落的壓力變化還是會(huì)給深海生物造成一定的傷害。事實(shí)上，在到達(dá)海洋表面后能夠繼續(xù)存活幾天的海洋生物寥寥無(wú)幾。經(jīng)歷壓力變化而能幸存下來(lái)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(yīng)淺水壓力。

最近，科學(xué)家已經(jīng)找到了一種收集深海生物并讓它們迅速恢復(fù)和保持自然壓力的方法。法國(guó)皮埃爾和瑪麗·居里大學(xué)的生物物理學(xué)家布魯斯·希利托和工程師熱拉爾·哈默合作，開(kāi)發(fā)了一種叫做“深海生物捕獲室”的采樣設(shè)備，使用它就可以在整個(gè)捕獲過(guò)程中讓深海生物始終處于原來(lái)的壓力環(huán)境中。2008年夏天，他們?cè)诖笪餮笾屑购５谉嵋嚎诟浇占搅艘粭l生活在2000米深處的深海魚，創(chuàng)下了迄至當(dāng)時(shí)已知最深魚類的紀(jì)錄。

現(xiàn)在，希利托和哈默正在進(jìn)行一項(xiàng)測(cè)試。他們將收集到的深海生物從采樣設(shè)備安全轉(zhuǎn)移到加壓罐，然后帶到實(shí)驗(yàn)室，在這個(gè)過(guò)程中并不進(jìn)行降壓處理。一旦進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，深海生物就被安置在高壓室里，研究人員則通過(guò)攝像機(jī)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(huán)境中活動(dòng)。

還有一些研究人員正使用這種高壓室對(duì)活下來(lái)的深海蝦和深海蟹進(jìn)行長(zhǎng)期研究，然后將淺水海洋生物和深海海洋生物的生理進(jìn)行比較，以探討深海物種的起源之謎。

上圖：為深海生物設(shè)計(jì)的“深海生物捕獲室”，重量超過(guò)半噸，觀察孔厚約10厘米。

下圖：“海神號(hào)”是世界上第一艘能夠承受1000倍地表壓力的潛水艇。

對(duì)于生活在海里的生物來(lái)說(shuō)，既然無(wú)法躲避、無(wú)法逃脫，它們就必須學(xué)會(huì)如何應(yīng)對(duì)和適應(yīng)環(huán)境的變化。

進(jìn)化科學(xué)家認(rèn)為，在地球歷史發(fā)展的不同時(shí)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(yīng)海洋深處黑暗環(huán)境的淺水物種則相繼占領(lǐng)了這些滅絕生物原來(lái)的棲息地。了解海洋生物產(chǎn)生巨變的原因，不僅能夠揭示它們?cè)趬毫ο律娴幕旧飳W(xué)原理，同時(shí)也可為海洋生物如何應(yīng)對(duì)全球變暖提供新的線索。

在數(shù)次生物大滅絕事件后，一些淺海生物漸漸向深海轉(zhuǎn)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?jiān)谶@一時(shí)期開(kāi)始興盛起來(lái)，但深海生物卻面臨迥然不同的困境——由于海流運(yùn)動(dòng)變緩甚至停滯，水中含氧量急劇下降，導(dǎo)致海洋生物大量滅亡。當(dāng)冰河期到來(lái)時(shí)，深水循環(huán)重新開(kāi)始，淺水物種開(kāi)始開(kāi)拓新的棲息地。

隨著時(shí)間的推移，那些遷移到深海的淺水動(dòng)物漸漸適應(yīng)了較高的海水壓力。為了觀察淺水海洋生物是如何承受并逐漸適應(yīng)深海壓力，希利托等研究人員將產(chǎn)于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(huán)境中，測(cè)量它們?cè)诟鞣N壓力和溫度環(huán)境下的耗氧量和行為變化。他們的實(shí)驗(yàn)表明，甲殼類動(dòng)物在極端壓力條件下可生存幾天至幾個(gè)星期。

研究發(fā)現(xiàn)，這些大西洋溝蝦的生存率可能還與水溫等條件有關(guān)，在水溫為10℃～30℃之間（相當(dāng)于淺水棲息環(huán)境的水溫）時(shí)，蝦對(duì)壓力的耐受力會(huì)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(dòng)能力會(huì)變得不協(xié)調(diào)，甚至在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就死亡。

目前的實(shí)驗(yàn)證明，溝蝦可以在壓力罐中生存一個(gè)月，但研究人員希望它們能在類似于深海的壓力環(huán)境下生存一年，以便他們觀察它們?cè)谄渖芷趦?nèi)能否一直維持正常行為和活動(dòng)。他們想知道，這些蝦在從未經(jīng)歷過(guò)的壓力環(huán)境下，是否能夠安然度過(guò)生長(zhǎng)、繁殖和孵化的整個(gè)生命周期。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家還將對(duì)這些蝦的組織樣本進(jìn)行研究，以了解是否會(huì)發(fā)生分子變化。例如，某些蛋白質(zhì)是否會(huì)發(fā)生某種突變？普通的酶是否可能在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)突變?yōu)槟軌蚰褪軌毫Φ拿?？這方面的研究有助于揭示進(jìn)化本身的秘密。進(jìn)化通常被定義為一種長(zhǎng)期而緩慢的過(guò)程，其時(shí)間跨度超過(guò)千萬(wàn)年。然而，科學(xué)家從對(duì)昆蟲的研究中了解到，進(jìn)化也有可能瞬時(shí)發(fā)生。那么，深海生物對(duì)深海壓力的適應(yīng)性進(jìn)化又會(huì)是怎樣的呢？

生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是一種復(fù)雜的機(jī)制，海洋生物對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)可能取決于多種因素的組合。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?cè)诟邷貤l件下對(duì)極端壓力的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

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?？茖W(xué)家認(rèn)為，對(duì)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(yīng)對(duì)不斷變化的外部世界的。對(duì)于生活在海洋里的生物來(lái)說(shuō)，既然無(wú)法躲避、無(wú)法逃脫這些變化，它們就必須學(xué)會(huì)去應(yīng)對(duì)和適應(yīng)這些變化。

生活在地球最深處的動(dòng)物

在“挑戰(zhàn)者深淵”（馬里亞納海溝最深處，深約11000米）發(fā)現(xiàn)的像蝦的甲殼類動(dòng)物

在太平洋底部2438米深處發(fā)現(xiàn)的獅子魚

在深海底發(fā)現(xiàn)的海星的近親——海參

在馬里亞納海溝采集到的深海微生物墊樣本