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"溫血"的魚(yú)類(lèi):海洋中的月魚(yú)
在人類(lèi)觀察者的眼中,月魚(yú)往往顯得有些孤獨(dú)和冷酷。直到有一天,人們終于發(fā)現(xiàn),月魚(yú)原來(lái)和我們一樣,身體中也流淌著溫?zé)岬难海m然這與它們是否“溫情”無(wú)關(guān)——這溫度讓月魚(yú)更加適應(yīng)海洋的多變與廣闊,使它們成為了進(jìn)化中當(dāng)之無(wú)愧的強(qiáng)者。
月魚(yú)游泳時(shí)的胸鰭運(yùn)動(dòng)。圖片來(lái)源:youtube.com
“溫血?jiǎng)游铩保罕圾B(niǎo)和哺乳類(lèi)“壟斷”?
人們通常所說(shuō)的“冷血”和“溫血”動(dòng)物,在科學(xué)上分別被
變溫動(dòng)物的體內(nèi)基本不具備調(diào)節(jié)自身體溫的系統(tǒng),它們的體溫因環(huán)境溫度而發(fā)生改變。因此,“冷血?jiǎng)游铩钡?/span>
在傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)中,人們將恒、變溫動(dòng)物與生物大類(lèi)群的劃分對(duì)應(yīng)起來(lái),認(rèn)為只有鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物才擔(dān)當(dāng)?shù)闷鸷銣貏?dòng)物的名號(hào)。其實(shí),這種對(duì)應(yīng)是很難完全實(shí)現(xiàn)的,一些小的例外并不罕見(jiàn),比如身為哺乳動(dòng)物的鴨嘴獸便是一種變溫動(dòng)物;一些魚(yú)類(lèi),例如某些鯊魚(yú)和金槍魚(yú)(如長(zhǎng)鰭金槍魚(yú),Thunnus alalunga)可以通過(guò)血液的調(diào)動(dòng)主動(dòng)提高游泳肌群的溫度,從而提升其生理功能。但這些例外似乎并未改變一個(gè)“結(jié)論”,即只有鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物才會(huì)擁有全身流淌著的溫?zé)嵫海鼈儾攀钦嬲饬x上的“恒溫動(dòng)物”。這仿佛讓它們看起來(lái)比其它動(dòng)物顯得更加“高等”。
月魚(yú):魚(yú)類(lèi)的“溫血王子”
然而,自然界向來(lái)不憚?dòng)诟氯祟?lèi)淺薄的知識(shí)體系。這一次,人們對(duì)“冷血?jiǎng)游铩钡恼J(rèn)知被一種以月亮為名的魚(yú)類(lèi)所改變。最近,科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)月魚(yú)(Lampris guttatus)是一種全身性的溫血魚(yú)類(lèi),這是在“冷血?jiǎng)游铩濒~(yú)類(lèi)中首度被發(fā)現(xiàn)的擁有恒定體溫的種類(lèi)。這一報(bào)告[1]發(fā)表在最近一期的《科學(xué)》(Science)雜志上。
月魚(yú)是一種全球分布的海洋魚(yú)類(lèi),它們碩大銀色的軀體卵圓而側(cè)扁,各鰭均為紅色。這些特征使月魚(yú)看起來(lái)仿佛是它們長(zhǎng)條形的親戚、同屬月魚(yú)目的“皇帶魚(yú)”被改造成了圓圓的模樣。
左:月魚(yú)(Lampris guttatus);右:皇帶魚(yú)(Regalecus glesne)
通過(guò)在月魚(yú)的胸部肌肉組織中植入熱電偶,研究人員得以監(jiān)測(cè)月魚(yú)在游泳時(shí)的溫度。他們發(fā)現(xiàn),月魚(yú)的全身相對(duì)于環(huán)境溫度都有所提高,而這種提高在身體各處是不均勻的。具體到月魚(yú)胸肌內(nèi)部,溫度并沒(méi)有隨深度和水溫的變化而產(chǎn)生明顯的改變,基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)。
溫度
科學(xué)的檢測(cè)證實(shí)了月魚(yú)全身性溫血的特質(zhì),改寫(xiě)了教科書(shū)中“魚(yú)類(lèi)都是冷血?jiǎng)游铩钡呐f有認(rèn)知,也使月魚(yú)成為了魚(yú)類(lèi)中名副其實(shí)的“溫血王子”。
兩大“神器”成就溫血月魚(yú)
月魚(yú)“高魚(yú)一等”的溫血技能主要倚仗它們具有的兩大神器。
首先,強(qiáng)大的胸肌為月魚(yú)提供了大量的代謝熱能。不同于一般魚(yú)類(lèi)依靠體軸擺動(dòng)前進(jìn)的游泳方式,月魚(yú)的快速游泳主要是憑借像翅膀一樣的一對(duì)胸鰭的持續(xù)扇動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)胸鰭扇動(dòng)的是行有氧代謝的暗紅色胸?。ㄗⅲ耗埽芎茫?,這些肌肉被深埋于肥厚的結(jié)締組織之下,將其產(chǎn)生的熱量隔絕的身體之內(nèi)。月魚(yú)的胸肌在其總肌肉量中占有很大比例,遠(yuǎn)超出一般魚(yú)類(lèi)的份額,它就像一臺(tái)強(qiáng)勁的馬達(dá),為月魚(yú)的游泳提供持續(xù)的動(dòng)力,同時(shí)借助血液循環(huán)向全身各處輸送源源不斷的熱量。
論文的第一作者尼古拉斯·魏格納(Nicholas C. Wegner)和一尾月魚(yú)。圖片來(lái)源:NOAA Fisheries, Southwest Fisheries Science Center
有了熱量的“開(kāi)源”,要實(shí)現(xiàn)全身的溫血,“節(jié)流”對(duì)于月魚(yú)也同樣重要。對(duì)于一條魚(yú)類(lèi)而言,體內(nèi)熱量直接散失的主要“窗口”顯然位于鰓部。此處是血液離外界最近的地方,只隔著薄薄的雙層細(xì)胞。血細(xì)胞與外界水體進(jìn)行氣體交換的同時(shí),血液中的熱量也會(huì)大量的散失在比熱容很大的水中。但這并沒(méi)有難倒要實(shí)現(xiàn)全身溫血的月魚(yú)君,它們進(jìn)化出了獨(dú)特的鰓,利用“逆流熱交換”(counter-current heat exchange)的機(jī)制巧妙地緩解了熱量的流失。逆流熱交換裝置可以在人類(lèi)制造的很多機(jī)器中看到。而在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中,月魚(yú)君也得到了這樣幾近完美的系統(tǒng)。
簡(jiǎn)單而言,這種結(jié)構(gòu)的原理是利用尚未進(jìn)行氣體交換的溫?zé)嵫褐械臒崃?,給已從氣體交換場(chǎng)所流出的、被冷卻的血液加熱。換句話(huà)說(shuō),就是趁溫血尚未被外界冷水冷卻時(shí)先把熱量傳遞給冷血,從而防止溫血中的熱量在鰓中向外散失而被白白地浪費(fèi)。這一結(jié)構(gòu)是通過(guò)“冷、熱血管”的“緊密接觸”實(shí)現(xiàn)的。
左圖為月魚(yú)的鰓弓,右圖為左圖中C區(qū)域放大后的細(xì)脈網(wǎng)結(jié)構(gòu)。藍(lán)色:輸入靜脈溫血的血管;紅色:輸出動(dòng)脈冷血的血管。圖片來(lái)源:研究論文
在上面的解剖圖中我們可以看到:在鰓中,輸入未經(jīng)氣體交換之靜脈溫血的血管(藍(lán)色表示)與輸出動(dòng)脈冷血的血管(紅色表示)總是彼此緊密“糾纏”在一起,這樣零距離接觸的結(jié)構(gòu),保證了靜脈血對(duì)動(dòng)脈血的高效、充分暖化,大大緩解了血液過(guò)鰓后的熱量折扣,為月魚(yú)君成就全身的溫血提供了有力的保障。
其實(shí),這種類(lèi)似“逆流熱交換”的結(jié)構(gòu)在其它一些僅在身體某些部位實(shí)現(xiàn)了溫血的魚(yú)類(lèi)中也有發(fā)現(xiàn),但根據(jù)目前的認(rèn)識(shí),月魚(yú)君是僅有的將這種神器裝備到鰓中的家伙,這就像把一個(gè)熱回收裝置安在了散熱窗口,無(wú)疑是月魚(yú)君為實(shí)現(xiàn)全身溫血的神奇創(chuàng)新。
這個(gè)殺手不太“冷”
人們常說(shuō)能力的提升往往伴隨著生存空間的擴(kuò)大。對(duì)于一條魚(yú)類(lèi)而言,亦是如此。全身的溫血,使月魚(yú)的各主要器官都“沐浴”在溫暖的血液中,這種溫暖的優(yōu)勢(shì)卻使它們將目光投向了更加寒冷和幽深的海洋,在那里,溫躍層(注:海水溫度隨深度變化速率較其上、下層海水更快的一薄層海水)以下的豐富美食正等著它們?nèi)ひ挕?/span>
月魚(yú)做足了最充分的準(zhǔn)備,全身溫血使它們的多項(xiàng)生理功能都得到了提高:肌肉更快的收縮使力量輸出更加強(qiáng)勁,眼睛的瞬時(shí)分辨率增強(qiáng),神經(jīng)傳導(dǎo)速度加快,連消化吸收率都得以提升,這些特長(zhǎng)使深水中的月魚(yú)在游速、視力和反應(yīng)靈敏度上都表現(xiàn)出色。
眼睛和腦部的溫血能讓月魚(yú)有相對(duì)更佳的神經(jīng)傳導(dǎo)及瞬時(shí)分別率,可能使它們?cè)谏嫔汐@得優(yōu)勢(shì)。圖片來(lái)源:NOAA Fisheries, Southwest Fisheries Science Center
然而更重要的是,它擁有了一顆強(qiáng)大的心臟。溫血的保護(hù)使月魚(yú)心臟的輸出量不會(huì)因溫度的降低而減小,這使月魚(yú)具備了長(zhǎng)時(shí)間處于深水中的能力。與不具備一顆 “溫暖心臟”,卻也需要在深水中覓食的長(zhǎng)鰭金槍魚(yú)相比,月魚(yú)無(wú)需經(jīng)常浮到海水表面去補(bǔ)充熱量,通常潛浮所在的深度也相對(duì)更深(50-400米),這使它們成為了當(dāng)之無(wú)愧的深海捕食者。
擁有全身溫血的深海捕食者月魚(yú),與僅擁有部分溫血器官的金槍魚(yú)和某些鯊魚(yú)常常同時(shí)出沒(méi)在溫躍層下的海域,但它們對(duì)深水適應(yīng)的進(jìn)化歷程卻相對(duì)獨(dú)立。與從熱帶祖先開(kāi)始就不斷向更深處努力進(jìn)發(fā)的金槍魚(yú)和某些鯊魚(yú)不同,深水仿佛本來(lái)就是月魚(yú)的“故土”,它們不啻于滿(mǎn)足為了覓食而短暫的跨越溫躍層,而是通過(guò)不斷地完善自身的生理“性能”,向它們所眷戀的更寒冷和深邃的海洋領(lǐng)地勇敢擴(kuò)張,這其中令人著迷的進(jìn)化秘密,不斷吸引著研究者探索的目光。
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