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一条幼小的南极冰鱼


黑鳍冰鱼


鳄冰鱼

  在南极海洋中,生活着一种奇特的鱼类——冰鱼,它们的身体就像冰一样呈半透明,体内几乎不含血红蛋白。这是进化的选择还是基因的缺陷?

  1928年,生物学家迪特里夫·路斯塔德(Ditlef Rustad)在南极布韦岛海岸附近抓到了一条不同寻常的鱼。这条被路斯塔德命名为“白色鳄冰鱼”的鱼有大大的眼睛和长着长牙的嘴,纤细的鱼鳍骨上覆盖着透明的膜。它没有鳞片,而且是奇异的白色,某些部位洁白如雪,其他部位则是半透明的。当路斯塔德把鱼剖开的时候,他发现它的血液也是无色的——完全不带一点红色。这条鳄冰鱼的鳃也很奇特,它们白而柔软,就像香草雪糕一样,相比而言,鳕鱼的鳃是红酒般的深红色,充满了富含氧气的血液。

  正如我们今天所知道的,不久后,约翰·路德(Johan Ruud)和其他的研究人员确认,这些南极冰鱼是唯一同时缺乏红细胞和血红蛋白的脊椎动物。血红蛋白是富含铁的蛋白质,在血液循环过程中,这些细胞用它吸收和释放氧气。一眼看来,生物学家认为冰鱼苍白的血液是对南极冰冷而富含氧气的水环境的典型适应特征。可能冰鱼通过鳃和极薄的皮肤吸收了许多溶解在海水中的氧,因此它们可以抛弃那些大而柔软的红细胞。而且,生物学家们还推测,较稀薄的血液在身体中循环流动的时候阻力比较小,而节约能量消耗也有利于生存,尤其是在极端环境里。

  然而,最近一些生物学家提出,血红蛋白的缺失不是一种有用的适应行为,而是一个基因突变导致的不幸结果。冰鱼的血液携带氧气的量只有普通鱼类血液的10%,为了生存,它们不得不大幅调整自己的身体。进化铸成的这个大错也许对于大多数鱼类来说是致命的,但冰鱼的鳃,加上一点点幸运的环境优势,拯救了它们,没让它们因血液的缺陷而灭亡。科学家根据新证据调整了冰鱼的进化过程,但它们的故事仍然是动物王国中最独特而奇异的故事之一。

  冰鱼生活在南冰洋中,那是环绕整个南极洲的海洋。海洋环流逐渐把这里的海水和较温暖的海洋隔绝开来,使温度保持在很低的数值。在南极大陆最北端的南极半岛附近,海水温度在夏天大约是1.5℃,冬天是-1.8℃。南冰洋里的多数鱼类,包括冰鱼,在海水温度降到淡水冰点以下的时候,都能产生抗冻蛋白质,防止血液中形成冰晶。16种南极冰鱼都属于南极鱼亚目(Notothenioidei)的带腭鱼科(Channichthyidae)。在南极鱼科的几百种红色血液的物种中,只有冰鱼缺乏血红蛋白。南极鱼科的所有鱼类共同统治了它们所在的水体,占了南冰洋中鱼类种类的35%和生物量的90%。

  通过对比冰鱼和红血球鱼类的DNA,美国西北大学的威廉·德特利茨(William Detrich)和他的同事们确认了导致血红蛋白的特殊基因缺陷。总的来说,调控血红蛋白合成的一个基因在冰鱼体内完全缺失。虽然没有任何其他动物完全缺乏红细胞,生物学家发现环境改变会导致红细胞的减少。当气候变冷的时候,鱼类把血液变得稀薄一点而更容易流动是有好处的。相比生活在温暖水域里的鱼,生活在冷水里的鱼血液中的红细胞通常比例更低。而且,生活在温带的鱼每到冬天的时候血液中红细胞的比例会减少,以节约能量。根据这些事实,生物学家猜测南极冰鱼为了适应南冰洋而进化出了特别稀薄的血液。

  阿拉斯加费尔班克斯大学的克莉丝汀·奥布里恩(Kristin O’Brien)和她的同事,已经不幸逝世的布鲁斯·希德尔(Bruce Sidell)决定检验这个猜想。在一篇题为《当不幸的事发生在幸运的鱼身上》的论文中,奥布里恩和希德尔首先提出,和南极鱼科的近亲还有其他大小差不多的鱼相比,冰鱼的心脏和血管都比较大。虽然在冰鱼体内循环的血液异常稀薄,但它们的血液循环系统容量很大。奥布里恩和希德尔计算出,要让血液全部循环起来,冰鱼消耗的能量大约是南极鱼科中红血球鱼类的两倍。温带鱼类的心脏消耗的能量不到基础代谢率的5%,而冰鱼巨大的心脏消耗的能量占了身体能提供的能量的22%。他们还指出,冰鱼供养每个器官的血管也要比红血球鱼类多。如果你把一条典型的鱼的眼睛外层剥掉,向血管中注入黄色的液态硅胶,你将在眼廓周围看到一个由排列有致的血管组成的网,就像南瓜上的纹路。而如果对冰鱼的眼睛进行同样的操作,你将看到密集地纠缠在一起的一团血管,就像一盘意大利面。

  和近年来的其他生物学家一样,奥布里恩和希德尔认为,冰鱼巨大的心脏和毛细血管,升高的血压还有稠密的血管视为对血红蛋白缺失的补偿。但仅有这些适应特征似乎不足以挽救南极冰鱼免遭灭绝,它们似乎还从营养富集的环境中受益。大约在2500万年前,环绕南极这块与世隔绝的陆地流动的南冰洋开始冷却。冷水不仅溶解了更多氧气,还杀死了许多没有进化出抗冻蛋白或其他适应方式的物种,这就为冰鱼和它们的近亲提供了一个寒冷的庇护所,这里随后被它们所统治。

  然而现在,冰鱼正面临一个新的威胁——人为的气候变化。南冰洋正在变暖,而且可能酸化,营养将会减少。奥布里恩说,研究者已经指出,相比红血球鱼类,成年冰鱼对温度变化更敏感,它们无法经受高温。如果路德说对了,“只有在极地地区寒冷的水中,没有色素的鱼类才能生存”,那么正在南冰洋发生的温度变化可能给冰鱼带来灭顶之灾。想象一下这个故事:冰鱼在地球上最极端的环境中进化出了适应零度以下水温的方式,只是由于基因突变而丢失了红细胞;尽管发生了如此悲惨的事故,它们仍然奋力游泳,心脏增大,也长出了更多的血管,以把足够的氧气输送到身体各个部位;现在,人类正在把南冰洋变成完全不适合冰鱼的环境,迫使它们再次进化或灭绝。

  不管怎样,我宁愿固执地相信,尽管南极冰鱼的血液中没有一点血红蛋白,它们的血管仍有足够的弹性,让它们不致灭绝。