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连鱼类都有温血的了!

2015-6-2 16:46:10果壳网 【字体:

月光在水面下变得模糊而暗淡。此时,海洋深蓝的背景中出现了一尾月鱼(Lampris guttatus)的身影,它正独自缓缓地游向寒冷而静谧的深海。在人类观察者的眼中,月鱼往往显得有些孤独和冷酷。直到有一天,人们终于发现,月鱼原来和我们一样,身体中也流淌着温热的血液,虽然这与它们是否“温情”无关——这温度让月鱼更加适应海洋的多变与广阔,使它们成为了进化中当之无愧的强者。

连鱼类都有温血的了!月鱼游泳时的胸鳍运动。图片来源:youtube.com

“温血动物”:被鸟和哺乳类“垄断”?

人们通常所说的“冷血”和“温血”动物,在科学上分别被称做“变温动物”与“恒温动物”。

变温动物的体内基本不具备调节自身体温的系统,它们的体温因环境温度而发生改变。因此,“冷血动物”的血也并非总是冷的,而是取决于环境的冷暖。这迫使很多变温动物通过行动使自己处于合适的环境来保障正常的生理功能,比如蛇和鳄鱼等爬行动物需要通过晒太阳来提升体温,一些鱼类追随一定温度的水层等。而恒温动物则不像变温动物那样依赖外界的温度,它们能够调节自身的体温使其保持在某一恒定的范围。

在传统的认识中,人们将恒、变温动物与生物大类群的划分对应起来,认为只有鸟类和哺乳动物才担当得起恒温动物的名号。其实,这种对应是很难完全实现的,一些小的例外并不罕见,比如身为哺乳动物的鸭嘴兽便是一种变温动物;一些鱼类,例如某些鲨鱼和金枪鱼(如长鳍金枪鱼,Thunnus alalunga)可以通过血液的调动主动提高游泳肌群的温度,从而提升其生理功能。但这些例外似乎并未改变一个“结论”,即只有鸟类和哺乳动物才会拥有全身流淌着的温热血液,它们才是真正意义上的“恒温动物”。这仿佛让它们看起来比其它动物显得更加“高等”。

月鱼:鱼类的“温血王子”

然而,自然界向来不惮于更新人类浅薄的知识体系。这一次,人们对“冷血动物”的认知被一种以月亮为名的鱼类所改变。最近,科学家已经证实月鱼(Lampris guttatus)是一种全身性的温血鱼类,这是在“冷血动物”鱼类中首度被发现的拥有恒定体温的种类。这一报告[1]发表在最近一期的《科学》(Science)杂志上。

月鱼是一种全球分布的海洋鱼类,它们硕大银色的躯体卵圆而侧扁,各鳍均为红色。这些特征使月鱼看起来仿佛是它们长条形的亲戚、同属月鱼目的“皇带鱼”被改造成了圆圆的模样。

连鱼类都有温血的了!左:月鱼(Lampris guttatus);右:皇带鱼(Regalecus glesne

通过在月鱼的胸部肌肉组织中植入热电偶,研究人员得以监测月鱼在游泳时的温度。他们发现,月鱼的全身相对于环境温度都有所提高,而这种提高在身体各处是不均匀的。具体到月鱼胸肌内部,温度并没有随深度和水温的变化而产生明显的改变,基本保持在一个稳定的温度区间内。

连鱼类都有温血的了!温度抛面图(图A)显示,一尾重40千克(叉长98.0厘米)的月鱼在外界环境温度为10.5°C时身体内部的温度分布情况。月鱼温度的追踪检测结果(图B)显示了一尾重39千克(叉长96.4厘米)的月鱼在不同水深和水温下游泳时的温度。图片来源:研究论文

科学的检测证实了月鱼全身性温血的特质,改写了教科书中“鱼类都是冷血动物”的旧有认知,也使月鱼成为了鱼类中名副其实的“温血王子”。

两大“神器”成就温血月鱼

月鱼“高鱼一等”的温血技能主要倚仗它们具有的两大神器。

首先,强大的胸肌为月鱼提供了大量的代谢热能。不同于一般鱼类依靠体轴摆动前进的游泳方式,月鱼的快速游泳主要是凭借像翅膀一样的一对胸鳍的持续扇动来实现的。驱动胸鳍扇动的是行有氧代谢的暗红色胸肌(注:能,很好),这些肌肉被深埋于肥厚的结缔组织之下,将其产生的热量隔绝的身体之内。月鱼的胸肌在其总肌肉量中占有很大比例,远超出一般鱼类的份额,它就像一台强劲的马达,为月鱼的游泳提供持续的动力,同时借助血液循环向全身各处输送源源不断的热量。

连鱼类都有温血的了!论文的第一作者尼古拉斯·魏格纳(Nicholas C. Wegner)和一尾月鱼。图片来源:NOAA Fisheries, Southwest Fisheries Science Center

有了热量的“开源”,要实现全身的温血,“节流”对于月鱼也同样重要。对于一条鱼类而言,体内热量直接散失的主要“窗口”显然位于鳃部。此处是血液离外界最近的地方,只隔着薄薄的双层细胞。血细胞与外界水体进行气体交换的同时,血液中的热量也会大量的散失在比热容很大的水中。但这并没有难倒要实现全身温血的月鱼君,它们进化出了独特的鳃,利用“逆流热交换”(counter-current heat exchange)的机制巧妙地缓解了热量的流失。逆流热交换装置可以在人类制造的很多机器中看到。而在漫长的演化过程中,月鱼君也得到了这样几近完美的系统。

简单而言,这种结构的原理是利用尚未进行气体交换的温热血液中的热量,给已从气体交换场所流出的、被冷却的血液加热。换句话说,就是趁温血尚未被外界冷水冷却时先把热量传递给冷血,从而防止温血中的热量在鳃中向外散失而被白白地浪费。这一结构是通过“冷、热血管”的“紧密接触”实现的。

连鱼类都有温血的了!左图为月鱼的鳃弓,右图为左图中C区域放大后的细脉网结构。蓝色:输入静脉温血的血管;红色:输出动脉冷血的血管。图片来源:研究论文

在上面的解剖图中我们可以看到:在鳃中,输入未经气体交换之静脉温血的血管(蓝色表示)与输出动脉冷血的血管(红色表示)总是彼此紧密“纠缠”在一起,这样零距离接触的结构,保证了静脉血对动脉血的高效、充分暖化,大大缓解了血液过鳃后的热量折扣,为月鱼君成就全身的温血提供了有力的保障。

其实,这种类似“逆流热交换”的结构在其它一些仅在身体某些部位实现了温血的鱼类中也有发现,但根据目前的认识,月鱼君是仅有的将这种神器装备到鳃中的家伙,这就像把一个热回收装置安在了散热窗口,无疑是月鱼君为实现全身温血的神奇创新。

这个杀手不太“冷”

人们常说能力的提升往往伴随着生存空间的扩大。对于一条鱼类而言,亦是如此。全身的温血,使月鱼的各主要器官都“沐浴”在温暖的血液中,这种温暖的优势却使它们将目光投向了更加寒冷和幽深的海洋,在那里,温跃层(注:海水温度随深度变化速率较其上、下层海水更快的一薄层海水)以下的丰富美食正等着它们去寻觅。

月鱼做足了最充分的准备,全身温血使它们的多项生理功能都得到了提高:肌肉更快的收缩使力量输出更加强劲,眼睛的瞬时分辨率增强,神经传导速度加快,连消化吸收率都得以提升,这些特长使深水中的月鱼在游速、视力和反应灵敏度上都表现出色。

 

连鱼类都有温血的了!

眼睛和脑部的温血能让月鱼有相对更佳的神经传导及瞬时分别率,可能使它们在生存上获得优势。图片来源:NOAA Fisheries, Southwest Fisheries Science Center

然而更重要的是,它拥有了一颗强大的心脏。温血的保护使月鱼心脏的输出量不会因温度的降低而减小,这使月鱼具备了长时间处于深水中的能力。与不具备一颗 “温暖心脏”,却也需要在深水中觅食的长鳍金枪鱼相比,月鱼无需经常浮到海水表面去补充热量,通常潜浮所在的深度也相对更深(50-400米),这使它们成为了当之无愧的深海捕食者。

拥有全身温血的深海捕食者月鱼,与仅拥有部分温血器官的金枪鱼和某些鲨鱼常常同时出没在温跃层下的海域,但它们对深水适应的进化历程却相对独立。与从热带祖先开始就不断向更深处努力进发的金枪鱼和某些鲨鱼不同,深水仿佛本来就是月鱼的“故土”,它们不啻于满足为了觅食而短暂的跨越温跃层,而是通过不断地完善自身的生理“性能”,向它们所眷恋的更寒冷和深邃的海洋领地勇敢扩张,这其中令人着迷的进化秘密,不断吸引着研究者探索的目光。(编辑:Calo)



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