突破深海7000米“地狱禁区”的狮子鱼有怎样的身体结构

  深科·浅说

  突破深海7000米“地狱禁区”的狮子鱼

  它有着怎样的身体结构?

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深海狮子鱼照片。西北工业大学供图

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深海狮子鱼骨骼结构图。西北工业大学供图

  或许你并不了解:从广阔无边的海平面向下、向下、再向下……那片深度达6000米以下的深海水域,有着一个令人心悸的名称——“海斗深渊”。这里终年无光、温度低寒、缺乏氧气、食物资源匮乏,有着巨大的海水压力,化学环境也非常独特,对于常规生命来说,这里是地狱一般的禁区。

  然而,大自然的神奇依然在这里显现出它的无处不在——事实上,在这样的“地狱禁区”,研究人员仍然发现了数百种物种,狮子鱼就是其中最有代表性的一种。在这片特殊的深海水域,它有着“高高在上”的地位,处于超深渊食物链的顶端,可承受700千克力/平方厘米的压力。

  4月15日,一项具有代表性意义的研究成果面世,就与这一神奇物种相关——西北工业大学与中国科学院携手,对生活在马里亚纳海沟7000米以下的狮子鱼开展了多方面的研究,研究成果令人振奋。

  科学家们发现:在不到2000万年的时间里,为适应超深渊环境,狮子鱼产生了奇妙的形态变化。它们在皮肤、骨骼和细胞等方面经历了脱胎换骨的演变,以承受深海环境的巨大压力和其他挑战。在大数据分析的基础上,研究人员还揭示出适应超深渊的遗传基础,并由之解析了脊椎动物适应深海极端环境的机制。

  “这些成果的取得,标志着我国深海工程与科学研究取得重要进展。”据课题组成员介绍,这一研究中涉及的超深渊狮子鱼样本,是在2016年年底和2017年年初,由我国科学考察船“探索一号”通过“天涯”和“海角”号深渊着陆器,从马里亚纳海沟约7000米深的多个地点捕捉到的。

  这一研究成果,被最新在线发表于英国自然杂志子刊《Nature Ecology & Evolution》(《自然-生态与演化》),题为“Morphology and genome of a snailfish from the Mariana Trench provide insights into deep-sea adaptation”(《马里亚纳海沟狮子鱼的形态与基因组解析及其深海适应机制》)。西工大生态与环境保护研究中心青年教师王堃为第一作者,中国科学院深海科学与工程研究所和水生生物所何舜平研究员与西工大生态与环境保护研究中心邱强、王文教授为论文共同通讯作者。

  “在海洋底部,阳光无法进入,这里的能量来源通常只有两种。”王堃告诉记者:一种,是地壳运动带来的能量,它们会形成热液冷泉区;另一种,则是海洋上层的生物死亡以后飘落的遗体,凄美壮丽的“鲸落”即属此类。

  通过对一尾超深渊狮子鱼的解剖,研究人员发现:其胃部有近100个完整的甲壳类生物。“这可能意味着,它们需要像骆驼一样长久地储存食物,从而更好地应对食物匮乏的外界环境。”不仅如此,超深渊狮子鱼的生育周期也大大延长,以使其更好地在恶劣的环境下生存繁衍。

  在环境的作用下,物种的演变常常令人惊叹:由于长期生存于黑暗的海底,超深渊狮子鱼的皮肤色素和视觉相关基因发生了大量丢失,这使得它看起来通体透明,而且视觉缺失,对可见光不再有反应。

  “高压环境对普通的骨骼也是致命的。”王堃说,超深渊狮子鱼中一个与骨骼钙化相关的基因——骨钙蛋白被截短了,而骨钙蛋白调控骨骼钙化和发育,“这可能使得它的骨骼变得非常薄,而且具有弯曲能力,头骨变的不再完整。”

  研究人员还发现,不饱和脂肪酸合成的相关基因在深海鱼中出现了扩张,这使得在高压和低温下,此类生物能够保证它们的细胞膜流动性。

  此外,与蛋白质稳定性相关的基因也发生了特异性改变,以防止蛋白质在高压下出现错误的折叠。“这些从内到外的改变,共同保证了超深渊狮子鱼能够以肉体之躯,承受海洋底部的极端压力”。

  海洋是地球生命的起源地,更蕴藏着无穷的生物演化可能性。在王堃看来:深海狮子鱼基因组的解析,有助于阐明物种对于深海极端环境所做出的演化适应,为进一步的深海探索提供了线索。

  “目前,科研团队在现有研究基础上,通过获取其他深海生物样本,正在对深海生态圈的生物演化过程进行进一步探索。”王堃透露:还将与学校其他单位进行合作与交叉,从仿生学角度开发耐高压和生物自发光材料。