深海壓力那麼大，深海魚為什麼沒被壓死！
人下潛多少米會被壓死
出品：科普中國
製作：葉沛沅（上海海洋大學、雲海科普團隊）
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
前些天，一個大新聞幾乎刷屏了朋友圈：奮鬥者號成功坐底馬裡亞納海溝，坐底深度10909米，是我國載人深潛器新的深度紀錄！
△（圖片來源：中科院）
隨著深潛器技術的不斷髮展，人們才逐漸發現，茫茫深海之中並非一片死寂，無數生物在這一片漆黑之處繁衍生息。
其中，生活在海面下大約8000米處的馬里亞納獅子魚，是目前人們發現的“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，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，差不多相當於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麼深的海中的。
那麼，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於內部的氣壓，導致耳膜受到一個向內的壓力。從這個例子我們可以得出一個結論：隨著水深的增加，水壓會遠遠大於大氣壓，導致周圍的水會開始向內擠壓充氣的物體。
△（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，因為它們體內有一個充氣的魚鰾。對於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構，可以幫助魚類調整浮力，從而實現上浮或者下潛。但是對於深海魚來說，充滿氣的魚鰾無異於一個脆弱的氣球，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“捨棄”了魚鰾這個“危險”的結構，轉而依靠某些脂類來提供浮力。
相比於淺海中的魚，深海魚的骨骼和肌肉含量都比較少，而脂質和膠質則相對較多。此外，深海魚骨骼中軟骨的比例也遠高於淺海魚。對於深海魚來說，這都是為了適應深海生活所作出的必要的“妥協”。所謂“過剛則易折”，相比於骨骼和肌肉，脂質和膠質能更好地幫助魚類對抗巨大的壓力。
同時這樣的身體結構還有另外一個好處，較低比例的骨骼和肌肉能降低深海魚的能量消耗，而高比例的脂質則同時能夠儲存更多的能量，這對於身處營養貧瘠、氧氣稀薄的深海的魚類來說是至關重要的。
前些年被評為世界上最醜生物的水滴魚——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並無二致，只是在被捕撈上岸的過程中，由於壓力的迅速降低讓它們的身體結構被破壞，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）
之前的研究發現，在馬里亞納獅子魚的基因組中，調控骨骼發育和骨組織骨化的基因發生了突變。這一突變會導致馬里亞納獅子魚骨骼的鈣化過程提前終止，導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於硬骨組織的。
△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
然而這並不是深海魚的全部本領。
要知道，靜水壓力並不是一個宏觀的物體，它並不像一隻死死捏住深海魚的手，只會從宏觀的身體結構上對深海魚造成影響。靜水壓是無孔不入的，無論是宏觀結構還是微觀結構都會受到它的攻擊。
當我們把視線聚集到微觀世界，我們會發現，高壓環境下，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。細胞膜是控制物質進出細胞的重要關口，細胞膜變硬會導致物質進出細胞更加困難。細胞外的營養物質無法進入細胞，細胞內產生的廢物難以運出細胞，那生物將無法生存下去。這就像是外賣員要透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。
科學家發現，相對於淺海魚來說，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境下保持較高水平的流動性，提高物質運輸的效率。
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，它的細胞結構也會隨之破壞，因為當它身處低壓環境中時，細胞膜的流動性就有些過強，細胞膜過“軟”，導致細胞很容易壞掉。
△9個硬骨魚基因家族分析發現，MHS中與脂肪酸代謝相關的基因家族顯著擴增（圖片來源：參考資料1）
脂質並不是唯一受到高壓影響的物質，蛋白質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會發生結構的改變和功能的喪失，而蛋白質的正常工作對於生物的生存至關重要。
幸好對於這一點深海魚也有相應的應對策略。深海魚的某些蛋白質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。比如深海魚體內的α肌動蛋白在多個位點發生了氨基酸的取代，其中包括了鈣離子和ATP的結合位點。這兩個位點的氨基酸替換能夠保證肌動蛋白在高壓環境下仍然能正常工作。
此外，有些蛋白質中的化學鍵的數目和種類會發生一定的變化。這種變化導致了蛋白質三級結構的改變，從而加強了蛋白質結構的剛性，也就提高了其對高壓環境的適應性。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固許多。
也有研究發現深海魚體內氧化三甲胺（TMAO）的含量遠高於淺海魚。氧化三甲胺是一種非常重要的蛋白質穩定劑，它能夠幫助變性的蛋白質恢復原來的結構，從而恢復其正常功能。深海魚體內大量的氧化三甲胺能夠幫助它們細胞內的蛋白質維持原有的結構和功能，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。那麼也就是說，越是深海魚，死了以後的腥味就越重，內陸的朋友們總覺得帶魚的腥味重也就不難理解了。
△這些發生在基因編碼及調控序列的變化可能有助於MHS增加細胞內TMAO水平以增強蛋白質穩定性（圖片來源：參考資料1）
現在一些人總是覺得周圍的環境給了自己很大的壓力，選擇佛系生活甚至自暴自棄。但是你們想一想，深海的魚類面臨著這麼大的壓力都沒有放棄，即使從蛋白質層面開始改變自己，也要適應環境，成為環境的主人，你還有什麼理由放棄！趕快行動起來改變自己，戰勝壓力吧！
團隊介紹：雲海科普是來自中國海洋大學的一支有趣的科普隊伍，以年輕人特有的視角來解構看似高深的科學問題，讓你發現大自然竟然這麼好玩。
參考資料：
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