“不是心態(tài)好就能承受壓力的”，深海魚如是說

出品：科普中國

制作：葉沛沅（上海海洋大學(xué)、云?？破請F隊）

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

2020年11月，我國制造的萬米級深潛器“奮斗者”號在馬里亞納海溝深度10909米的地方成功坐底；今年10月，“奮斗者”號在馬里亞納海溝正式投入常規(guī)科考應(yīng)用。

隨著深潛器技術(shù)的不斷發(fā)展，人們才逐漸發(fā)現(xiàn)，茫茫深海之中并非一片死寂，無數(shù)生物在這一片漆黑之處繁衍生息。

比如，生活在海面下大約8000米處的馬里亞納獅子魚，是目前人們發(fā)現(xiàn)的“最深的深海魚”。作為對比，人類潛水的深度一般都在10-20米以內(nèi)，最極限的深度也不過三百來米。

要知道，在水下8000米處，靜水壓大約是800個大氣壓左右，差不多相當(dāng)于一頭成年公牛站在你的指甲蓋上。要是沒有深潛器，人類是絕無可能到達這么深的海中的。

那么，深海魚類是如何承受如此巨大的壓力的呢？難道是因為它們心態(tài)好嗎？

抗壓，從魚鰾的“斷舍離”開始

大家在游泳的時候可能有這樣一種體驗：當(dāng)你潛入游泳池底的時候，會覺得耳膜有一種壓迫感，甚至是有輕微的疼痛。這是因為耳膜外部的水壓明顯大于內(nèi)部的氣壓，導(dǎo)致耳膜受到一個向內(nèi)的壓力。

由此我們可以得出一個結(jié)論：隨著水深的增加，水壓會遠遠大于大氣壓，導(dǎo)致周圍的水會開始向內(nèi)擠壓充氣的物體。

圖片來源：Pexels

而大部分的硬骨魚某種意義上就是一個充氣的物體，因為它們體內(nèi)有一個充氣的魚鰾。對于生活在淺海的硬骨魚類來說，魚鰾是它們非常重要的一個結(jié)構(gòu)，可以幫助魚類調(diào)整浮力，從而實現(xiàn)上浮或者下潛。

但是對于深海魚來說，充滿氣的魚鰾無異于一個脆弱的氣球，外部巨大的水壓會毫無保留地擠壓、蹂躪這個氣球，直到它炸成碎片為止。

因此，很多深海魚在進化的過程中“舍棄”了魚鰾這個“危險”的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而依靠某些脂類來提供浮力。

相比于淺海中的魚，深海魚的骨骼和肌肉含量都比較少，而脂質(zhì)和膠質(zhì)則相對較多。此外，深海魚骨骼中軟骨的比例也遠高于淺海魚。

對于深海魚來說，這都是為了適應(yīng)深海生活所作出的必要的“妥協(xié)”。所謂“過剛則易折”，相比于骨骼和肌肉，脂質(zhì)和膠質(zhì)能更好地幫助魚類對抗巨大的壓力。

同時這樣的身體結(jié)構(gòu)還有另外一個好處，較低比例的骨骼和肌肉能降低深海魚的能量消耗，而高比例的脂質(zhì)則同時能夠儲存更多的能量，這對于身處營養(yǎng)貧瘠、氧氣稀薄的深海的魚類來說是至關(guān)重要的。

前些年被評為世界上最丑生物的“水滴魚”——軟隱棘杜父魚，就是一個很好的例子。

被捕撈上岸的水滴魚往往是軟趴趴的一灘粉紅色物體，活脫脫像一個長著大鼻子的史萊姆。

然而在深海中，水滴魚的外形和普通魚類并無二致，只是在被捕撈上岸的過程中，由于壓力的迅速降低讓它們的身體結(jié)構(gòu)被破壞，成了我們看到的樣子。而在它們生活的地方，卻正是這一身的膠質(zhì)幫助它們存活了下來。

水滴魚（圖片來源：維基百科）

之前的研究發(fā)現(xiàn)，在馬里亞納獅子魚的基因組中，調(diào)控骨骼發(fā)育和骨組織骨化的基因發(fā)生了突變。

這一突變會導(dǎo)致馬里亞納獅子魚骨骼的鈣化過程提前終止，導(dǎo)致其骨骼組成中大部分為軟骨。而軟骨的抗高壓能力是遠遠強于硬骨組織的。

然而，這并不是深海魚的全部本領(lǐng)。

馬里亞納深海獅子魚特殊表型的分子機制（圖片來源：參考資料1）

深入細胞膜的強大抗壓能力

要知道，靜水壓力并不是一個宏觀的物體，它并不像一只死死捏住深海魚的手，只會從宏觀的身體結(jié)構(gòu)上對深海魚造成影響。靜水壓是無孔不入的，無論是宏觀結(jié)構(gòu)還是微觀結(jié)構(gòu)都會受到它的攻擊。

當(dāng)我們把視線聚集到微觀世界，我們會發(fā)現(xiàn)，高壓環(huán)境下，細胞膜的流動性會降低。簡單來說，在深海之中細胞的細胞膜會變得更“硬”，這絕非一件好事。

細胞膜是控制物質(zhì)進出細胞的重要關(guān)口，細胞膜變硬會導(dǎo)致物質(zhì)進出細胞更加困難。細胞外的營養(yǎng)物質(zhì)無法進入細胞，細胞內(nèi)產(chǎn)生的廢物難以運出細胞，那生物將無法生存下去。

這就像是外賣員要通過一個人頭攢動的路口去送外賣：本來他只要在人縫中擠過去就行，結(jié)果有一股神秘的力量把所有人都往一塊推，搞得人貼人人擠人，外賣員拼了老命也沒能擠過去，這時他就會覺得壓力好大。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，相對于淺海魚來說，深海魚的細胞膜上有著更多的不飽和脂肪酸，這讓它們的細胞膜能在高壓環(huán)境下保持較高水平的流動性，提高物質(zhì)運輸?shù)男省?/p>

打個比方，植物油相對動物油來說不飽和脂肪酸的含量更高，所以在常溫下植物油一般是液體，而動物油則固體居多。你很難讓一枚硬幣穿透一塊黃油，而讓它從一瓶花生油的表面掉到瓶底卻很容易。

高比例的不飽和脂肪酸能讓深海魚即使身處高壓環(huán)境仍然擁有“柔軟”的細胞膜，但如果一條深海魚被捕撈上岸，它的細胞結(jié)構(gòu)也會隨之破壞，因為當(dāng)它身處低壓環(huán)境中時，細胞膜的流動性就有些過強，細胞膜過“軟”，導(dǎo)致細胞很容易壞掉。

9個硬骨魚基因家族分析發(fā)現(xiàn)，MHS中與脂肪酸代謝相關(guān)的基因家族顯著擴增（圖片來源：參考資料1）

脂質(zhì)并不是唯一受到高壓影響的物質(zhì)，蛋白質(zhì)也難以逃脫這無處不在的壓力。正常來說，受到高壓影響的蛋白質(zhì)會發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變和功能的喪失，而蛋白質(zhì)的正常工作對于生物的生存至關(guān)重要。

幸好對于這一點深海魚也有相應(yīng)的應(yīng)對策略。深海魚的某些蛋白質(zhì)特定位點的氨基酸會被其它氨基酸所替換，提高其對壓力的抗性。比如深海魚體內(nèi)的α肌動蛋白在多個位點發(fā)生了氨基酸的取代，其中包括了鈣離子和ATP的結(jié)合位點。這兩個位點的氨基酸替換能夠保證肌動蛋白在高壓環(huán)境下仍然能正常工作。

此外，有些蛋白質(zhì)中的化學(xué)鍵的數(shù)目和種類會發(fā)生一定的變化。這種變化導(dǎo)致了蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的改變，從而加強了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的剛性，也就提高了其對高壓環(huán)境的適應(yīng)性。就像你在搭積木的時候給積木外面多貼兩根膠帶，絕對比不貼膠帶要穩(wěn)固許多。

也有研究發(fā)現(xiàn)，深海魚體內(nèi)氧化三甲胺（TMAO）的含量遠高于淺海魚。氧化三甲胺是一種非常重要的蛋白質(zhì)穩(wěn)定劑，它能夠幫助變性的蛋白質(zhì)恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)，從而恢復(fù)其正常功能。

深海魚體內(nèi)大量的氧化三甲胺能夠幫助它們細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)維持原有的結(jié)構(gòu)和功能，從而保證細胞的活性。

有趣的是，隨著魚類的死亡，氧化三甲胺會逐漸分解為三甲胺，而三甲胺則是海魚腥味的重要來源。那么也就是說，越是深海魚，死了以后的腥味就越重，內(nèi)陸的朋友們總覺得帶魚的腥味重也就不難理解了。

這些發(fā)生在基因編碼及調(diào)控序列的變化可能有助于MHS增加細胞內(nèi)TMAO水平以增強蛋白質(zhì)穩(wěn)定性（圖片來源：參考資料1）

生活充滿了驚喜，也充滿了挑戰(zhàn)。如果說，你也有那么一刻想要放棄，可以想想深海魚——它們面臨著這么大的壓力卻沒有放棄，而是從蛋白質(zhì)層面開始改變自己、適應(yīng)環(huán)境，成為環(huán)境的主人，我們還有什么理由放棄呢，趕快行動起來改變自己，戰(zhàn)勝壓力吧！

參考資料：

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