這可能是唯一一種有“氧氣瓶”的蜥蜴

出品：科普中國

作者：蘇澄宇

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

斯維爾克小心地在一只蜥蜴頭頂上抹上潤膚霜，其原因還得從15年前說起……2009年，在海地的一次野外調(diào)查中，進(jìn)化生物學(xué)家盧克馬勒（Luke Mahler）和同事偶然發(fā)現(xiàn)了一只樹棲蜥蜴在水下活動。

樹棲蜥蜴

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

這是一種安樂蜥(Anolis)，主要棲息在熱帶和亞熱帶森林、草原、海岸線甚至城市地區(qū)。這個(gè)屬有著高度的物種多樣性，已知約有400多種，它是脊椎動物中最豐富的屬之一。

一種安樂蜥（Anolis lyra）

（圖片來源：mahlerlab）

馬勒本以為蜥蜴會在幾秒內(nèi)浮出水面，但這只蜥蜴潛水的時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他們的預(yù)期。最終，當(dāng)它冒出水面時(shí)，馬勒和團(tuán)隊(duì)都充滿疑惑：這只小小的爬行動物是怎么在水下停留如此之久的？他始終想弄明白：難道這只蜥蜴真的找到了一種“水下呼吸”的方法？

蜥蜴

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

解開謎團(tuán)

幾年后，隨著對進(jìn)化生物學(xué)興趣的愈發(fā)濃厚，馬勒終于遇到了另一位志同道合的科學(xué)家——一位在紐約州立大學(xué)任職的教授斯維爾克（Lindsey Swierk）。斯維爾克也曾在哥斯達(dá)黎加發(fā)現(xiàn)類似的蜥蜴行為，于是兩人一拍即合，決定共同研究這個(gè)謎團(tuán)。

2017年，馬勒的學(xué)生克里斯·博奇亞（Chris Boccia）前往中美洲各地，包括巴拿馬、哥斯達(dá)黎加、墨西哥和哥倫比亞，細(xì)致地觀察不同棲息地的蜥蜴?zhèn)儭?/p>

克里斯·博奇亞（Chris Boccia）和手中的安樂蜥

（圖片來源：多倫多大學(xué)官網(wǎng)）

在一次溪流旁的觀察中，他看到一只樹棲蜥蜴在水中潛伏。起初它只是安靜地趴在水底，但隨即博奇亞注意到蜥蜴鼻端竟然有一個(gè)小小的氣泡，緊緊附著在那里。接著，這只蜥蜴似乎將空氣從氣泡中吸回了鼻腔，之后繼續(xù)淡定地停留在水下。

圖(a) 顯示了再呼吸的氣泡位于蜥蜴鼻部的背側(cè)

圖(b) 顯示氣泡位于眼睛與鼻孔之間的側(cè)面。

這些圖展示了氣泡的位置，以及蜥蜴在水下如何呼出和保持氣泡。

（圖片來源：文獻(xiàn)2）

“我簡直不敢相信自己的眼睛！”博奇亞回憶起當(dāng)時(shí)的情景，依然充滿激動，“這個(gè)氣泡難道就是它的‘氧氣瓶’？”

回到實(shí)驗(yàn)室后，博奇亞與導(dǎo)師馬勒一起展開了細(xì)致的研究。

他們從哥倫比亞的深山到哥斯達(dá)黎加的溪流，再到牙買加的濕地，展開了一場大規(guī)模的探索行動。他們用魚竿和雙手將這些小蜥蜴從草叢中捕捉出來，一共有32種安樂蜥和4種其他蜥蜴，他們將其帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行一場水下的特殊測試。

（圖片來源：Lindsey Swierk）

蜥蜴?zhèn)儽惠p輕地放入實(shí)驗(yàn)室清澈的水中，研究人員觀察它們是如何在水中自由地潛水和浮動的。每一次實(shí)驗(yàn)，研究人員都會耐心等待，直到蜥蜴自愿浮出水面或者顯現(xiàn)出疲勞的跡象才結(jié)束。為了保護(hù)這些小小的探險(xiǎn)家，每只蜥蜴最多只接受五次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)之間還要有至少十五分鐘的休息時(shí)間。

為了捕捉到每一個(gè)微小的動作，實(shí)驗(yàn)全程都被錄像，以供后續(xù)分析。科學(xué)家們使用了一種非常敏感的氧氣探頭，輕輕地放在蜥蜴的鼻孔上方，記錄下水下氣泡內(nèi)氧氣的變化。

正在擴(kuò)大氣泡的過程

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

錄像顯示，當(dāng)安樂蜥沉入水中時(shí)，它們的皮膚上會形成一層薄薄的氣膜，這些氣膜就像是一個(gè)個(gè)小型氧氣罐。蜥蜴?zhèn)儠磸?fù)呼出和吸入這些氣泡，使它們的肺部保持充滿氧氣的狀態(tài)。

它們的皮膚上會形成一層薄薄的氣膜

（圖片來源：Lindsey Swierk）

科學(xué)家將這種行為定義為“再呼吸”，一種將已經(jīng)呼出的空氣重新吸回的能力。數(shù)據(jù)顯示，在測試的32種安樂蜥中，有18種在至少一個(gè)個(gè)體中表現(xiàn)出再呼吸行為。其中，半水棲蜥蜴的再呼吸行為尤為突出。在半水棲蜥蜴中，單次試驗(yàn)中的最大再呼吸次數(shù)達(dá)到了5次以上，并且它們的潛水時(shí)間也顯著長于非水棲蜥蜴。

非安樂蜥類的蜥蜴（如Basiliscus galerius）在水下未形成空氣層的情況。在這些物種中，呼出的空氣會散失到水面，形成小氣泡，無法被再呼吸利用。圖中紅色箭頭指示出從鼻孔呼出的一個(gè)小氣泡，說明這些蜥蜴失去了空氣供再呼吸的能力。

（圖片來源：文獻(xiàn)1）

氧氣探頭的測量結(jié)果顯示，氣泡內(nèi)的氧分壓在實(shí)驗(yàn)期間逐漸下降，證明了這些氣泡在再呼吸過程中的氧氣消耗。

2021年，同研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)成員，林賽斯維爾克（Lindsey Swierk）設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證半水棲蜥蜴使用再呼吸氣泡的功能。同樣的，他們先捉了30只半水棲的安樂蜥。這些蜥蜴?zhèn)儽浑S機(jī)分成了兩組：正常氣泡組和受損氣泡組。

他們在正常氣泡組的蜥蜴頭部簡單涂了一點(diǎn)水；而對于受損氣泡組，研究人員則涂了一層薄薄的潤膚霜，主要成分是水基保濕劑。它的作用在于讓蜥蜴的皮膚失去原本的疏水性，這樣一來，蜥蜴?zhèn)兙蜔o法在頭部形成那個(gè)用于再呼吸的空氣泡了。

藍(lán)色部分是蜥蜴頭部應(yīng)用保濕乳液的區(qū)域

（圖片來源：文獻(xiàn)2）

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，那些沒有涂抹潤膚霜的蜥蜴能夠在水下形成一個(gè)穩(wěn)定的空氣泡，并在整個(gè)潛水過程中反復(fù)使用這個(gè)空氣泡進(jìn)行再呼吸。相比之下，受損氣泡組的蜥蜴只能偶爾在鼻孔附近形成很小的氣泡，但這些氣泡并不能有效地幫助它們延長潛水時(shí)間。

單個(gè)背部氣泡的形成過程：圖像之間的時(shí)間間隔為 0.2 秒（圖 i 到 iv）和 0.07 秒（圖 v 到 vii）。氣泡在形成后短暫地保持，并略微擴(kuò)展（圖 vii 到 viii, 時(shí)間間隔為 2.0 秒），隨后被重新吸入。

（圖片來源:文獻(xiàn)2）

那些正常氣泡組的蜥蜴平均能夠在水下停留大約67.5秒，而受損氣泡組的蜥蜴只能平均停留約32%更少的時(shí)間。同時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，公的比母的在水下停留時(shí)間少20秒。這聽起來可能不算什么，但在大自然上里，20秒鐘很可能就決定了生與死。饑餓的鳥兒可能會認(rèn)為，多搜尋20秒根本不值得花費(fèi)精力，而寧愿到下游去尋找更好的運(yùn)氣。

安樂蜥有“物理鰓”嗎？

研究到這里并沒有結(jié)束，因?yàn)榭茖W(xué)家只證明了它們在水下利用氣泡消耗了氧氣，但并不知道其中的原理。他們推測氣泡安樂蜥可能用了和潛水甲蟲一樣的套路，也就是“物理鰓”。

所謂的“物理鰓”是一些水生昆蟲利用氣泡呼吸的機(jī)制，如潛水甲蟲和水蠅會將氣泡儲存在腹部或身體其他部位的毛發(fā)之間，當(dāng)它們潛入水中時(shí)，空氣泡在這些毛發(fā)上形成穩(wěn)定的薄膜。

物理鰓示意圖

（圖片來源：UQ eSpace）

這些氣泡不僅可以為它們提供氧氣，還能通過與水中的氧氣交換，起到類似鰓的作用，延長它們在水下的停留時(shí)間。氧氣從水中擴(kuò)散到氣泡中，而二氧化碳則從氣泡中擴(kuò)散出去。這些昆蟲的代謝需求較低，因此這種機(jī)制可以有效滿足其氧氣需求，而不會很快耗盡氣泡中的氧氣。

示意圖

（圖片來源：文獻(xiàn)3）

昆蟲可以有空氣泡，是因?yàn)樯眢w表面覆蓋有細(xì)小的毛發(fā)。這些毛發(fā)可以固定空氣，形成一層穩(wěn)定的氣泡膜。

毛發(fā)可以固定空氣，形成一層穩(wěn)定的氣泡膜

（圖片來源：文獻(xiàn)3）

而對于安樂蜥，它們并沒有毛發(fā)，但它們的皮膚上覆蓋著細(xì)小的疏水性鱗片和微小的突起。這些不規(guī)則的細(xì)密疏水表面，可以使水無法完全鋪展，氣泡會因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔帽３志o密，減少與水的接觸面積，從而在水中維持穩(wěn)定。

另外，微小的突起和鱗片等微觀結(jié)構(gòu)能降低水的接觸角，使得水珠在表面上呈現(xiàn)出更球形的狀態(tài)，增強(qiáng)了疏水性。這使得蜥蜴的皮膚可以有效地捕捉空氣，并防止氣泡因水壓而破裂。

安樂蜥皮膚有一定的防水性

（圖片來源：Lindsey Swierk）

安樂蜥為何要下水？

問題來了，這些安樂蜥為什么沒事跑水下那么久？

斯維爾克把安樂蜥形容為“森林里的雞塊”。不管是鳥還是蛇，天上地上都是喜歡吃它們的家伙。雖說在地面逃跑不失為一種辦法，但如果旁邊有水，它們會毫不猶豫地潛下去，降低被吃的風(fēng)險(xiǎn)。

不過，潛水也是有代價(jià)的：體溫最多會下降6°C。爬行動物是外溫動物，依靠外部環(huán)境維持體溫。待在涼水中可能會讓身體變涼得更快，進(jìn)而影響一系列身體功能，肌肉可能會不太好使。

在未來，我們或許能夠借鑒安樂蜥的適應(yīng)機(jī)制，開發(fā)出具備“再呼吸”能力的人類裝備，幫助我們在水下環(huán)境中更加高效地存活。每一次對這些生物構(gòu)造的深入探索，都有可能為我們揭開自然界中更多未解的謎團(tuán)，幫助我們理解生命在各種極端環(huán)境中如何以令人驚嘆的方式存活下來。

參考文獻(xiàn)：

1.Boccia C K, Swierk L, Ayala-Varela F P, et al. Repeated evolution of underwater rebreathing in diving Anolis lizards[J]. Current Biology, 2021, 31(13): 2947-2954. e4.2.Swierk L. Novel rebreathing adaptation extends dive time in a semi-aquatic lizard[J]. Biology Letters, 2024, 20(9): 20240371.3.Ditsche-Kuru P, Schneider E S,

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