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動物如何在低氧環境中生存?

2024-03-09資訊

宇宙中有千千萬萬顆星球,但是迄今為止,最適合人類生存的星球仍然只有地球一顆。其他星球為什麽不適宜人類生存,究其原因,不外乎氧氣、水分、氣壓和溫度等幾類條件不達標,其中氧氣更是重中之重,人類一旦缺氧便要窒息身亡。不過也許我們可以向一些動物學習,讓氧氣變得不那麽必要。

低氧環境,唯我獨尊

想在氧氣含量極低的環境中生存,學會更高效地利用氧氣的方法是重中之重,有些動物在缺氧的環境中也能正常生存。

喜馬拉雅跳蛛就是其中的佼佼者。這種動物定居在海拔6700公尺的喜馬拉雅山上,它能居住在這裏的秘密武器除了能眼觀八方的八只眼睛、身覆零下20度也凍不僵的絨毛「棉服」、攀巖必備的「鐵爪」步足外,更離不開在稀薄的空氣中汲取氧氣的肺——書肺。

跳蛛的肺由許多像書頁一樣的薄層堆疊而成,因此得名「書肺」。這些薄層增加了肺部的表面積和與血管的接觸面積,非常有利於氧氣進入血管。空氣從跳蛛身體下側的呼吸孔和與之相連的氣管進入到書肺,在這裏,空氣被分配到「書頁」中間的間隔中,分布在「書頁」之上的小血管不斷吸收空氣中的氧氣,供身體活動所需。正是因為具有這樣的肺,喜馬拉雅跳蛛才能安然獨自生存在喜馬拉雅山山巔之上。

斑頭雁也是高原生活、高空飛行的小能手,因此它也有自己的一套對付低氧環境的方法。研究表明,斑頭雁體內編碼血紅蛋白的基因有四處發生了突變,突變後的血紅蛋白與氧氣結合的速度更快,讓它們能更高效地利用氧氣,這是長期的高原生活賦予它們的能力。

而更加發達的氣囊則是斑頭雁飛越高山的秘密武器。斑頭雁與其他許多鳥類一樣,擁有六個直接與肺相連的氣囊,分別分布在頸部、胸腹部和腹部。這些氣囊以「接力賽」的方式不間斷地供應著氧氣:吸氣時,一部份空氣經肺部直接進入血液,另一部份空氣進入氣囊「以舊換新」,從頸部氣囊到最末端的腹部氣囊,逐步完成新鮮空氣替換原先儲存的「舊」空氣的過程。「新」空氣把「舊」空氣趕到肺部,再利用後呼出。於是斑頭雁在一吸一呼的過程中會獲得兩次氧氣,而哺乳動物只在吸氣時獲得氧氣。

喙鯨是一種適應深海生活的鯨類,常在深海中捕捉烏賊等為食,我們很難見到。2014年,科學家宣稱觀察到兩只居維葉突喙鯨在海平面以下2992公尺深的地方憋氣潛水兩小時17分鐘,這是我們觀察到的海洋哺乳動物最深和最長時間的潛水記錄。喙鯨高強的憋氣潛水能力得益於它們的肌紅蛋白。

肌紅蛋白是肌肉中與氧氣結合,運輸氧氣到肌肉細胞中的蛋白質。喙鯨的肌紅蛋白呈球狀,中間有一個口袋形的電洞,與氧氣結合的活性成分——血紅素就藏在這個電洞中。血紅素被藏起來有非常重要的意義,我們之所以會煤氣中毒,就是因為煤氣中的一氧化碳與血紅蛋白結合的能力比氧氣更強,最終會使我們窒息。柯吉拉的血紅素也更喜歡一氧化碳,如果它不被藏起來,它與一氧化碳結合的能力要比氧氣強2.5萬倍,氧氣就沒有與血紅素結合的機會了。血紅素被藏起來後,一氧化碳的結合能力就只比氧氣強200倍了,基本與人的血紅蛋白相當,這樣在氧氣遠多於一氧化碳的海洋環境中,氧氣才得以與血紅素結合。

海洋哺乳動物的肌紅蛋白比陸地哺乳動物多10倍,因此可以在肌肉中儲存更多的氧氣,讓它們潛水時間更長。但是通常情況下,蛋白濃度越高就越容易「粘」在一起,儲氧能力會減弱。不過柯吉拉有獨門秘訣:它讓體內的肌紅蛋白表面都帶上了正電荷,這就使得肌紅蛋白之間相互排斥,而不是「粘」在一起,這和磁鐵同性相斥是一個道理。這樣柯吉拉就可以擁有更多的肌紅蛋白而不怕它們活性受影響,從而保持更長時間的潛水記錄了。

全身總動員,適應低氧環境

習慣了平原生活的人們在高海拔地區常會發生「高原反應」,這就是身體缺氧的表現,但「全身總動員」的牦牛從來沒有這種困擾。

牦牛分布在中國青藏高原海拔3000公尺以上的地區,是除人類外唯一能生活在高海拔地區的哺乳動物,這使得它的身體結構和基因組成與普通牛類有很大區別。

從瓦斯進入牦牛身體開始,就被它各個結構「牢牢地盯住」。牦牛的氣管粗大,環狀軟骨彈性大且肌肉發達,具有能濕潤加熱瓦斯的杯狀細胞,這增加了吸氧量和吸收率。

肺部是空氣的主要利用部位,當然不能掉鏈子。牦牛的肺很發達,肺泡發育快且多,肺泡上皮較薄,有許多凹陷以及空泡狀結構,能填充更多空氣,也便於更多血管蔓延。而作為接受空氣的一方,肺組織中毛細血管也非常豐富,毛細血管壁還會隨著牦牛年齡的增加而變薄,這樣牦牛肺部的瓦斯交換效率可以得到顯著提升。

牦牛比普通牛類多了一對肋骨,這是為了更好地承托和保護它發達的心臟。牦牛的心臟重量高達1.5千克,左心室壁較厚且還擁有粗大的心肌纖維,能泵出更多的血液。血管則具有特殊的結構,比如心室上彎彎曲曲盤繞的微靜脈、微動脈出口縮窄等,這使得心臟處的血液回流速度加快。

更微觀的層面,牦牛血液中紅血球更多,能捉住更多的氧氣,但是這將增加它的血壓,好在它也有基因突變的血紅蛋白,可以讓它的血壓下降到可以承受的水平,同時提高了血紅蛋白對氧氣的運輸能力。氧氣運進細胞以後,氧化能力強且又小又多的粒線體可以充分利用氧氣,滿足身體的需求。

無氧環境也能生存

低氧環境生存不易,無氧環境更無法生存,人類如果缺氧超過四分鐘就會造成永久性腦損傷,超過六分鐘則藥石罔效,但有些動物的「憋氣」記錄遠高於人類。

裸鼴鼠是一種社會性極高的群居嚙齒動物,常年生活在低氧(含氧量低至6%)的地下洞穴,它們對低氧環境有很好的適應力,在完全沒有氧氣的情況下能存活18分鐘且腦細胞沒有明顯的損傷。

裸鼴鼠平時還是進行有氧呼吸的,但它們在完全無氧的環境下,也不會束手待斃,而是積極自救。研究人員將裸鼴鼠置於實驗室的無氧條件下,裸鼴鼠體內與果糖代謝相關的基因將發揮作用,生產能進行果糖代謝的酶。接著它們將體內的果糖輸送至腦細胞,並在這裏分解成乳酸給腦細胞供能,整個過程不需要氧氣的參與。當然,乳酸對細胞有害,裸鼴鼠的無氧呼吸過程不能持久,但是在無氧時維持十幾分鐘的生命已經很不容易。如果人類能夠獲得這種能力,在腦梗死或中風發作時,也將能爭取更多的搶救時間。

與裸鼴鼠相比,鯽魚才是最強的「憋氣高手」,它能夠在無氧的冰凍深水湖中生存長達五個月之久。

我們知道,分解葡萄糖是動物獲得能量的主要方式。葡萄糖在粒線體中首先被分解成丙酮酸,在有氧氣的情況下,丙酮酸將繼續分解,成為正常的供能物質。而如果沒有氧氣,細胞會將丙酮酸轉化為乳酸。如果細胞連續幾個小時都進行無氧呼吸,過多的乳酸將殺死細胞,危害生命。但是科學家發現鯽魚在沒有氧氣的情況下也能存活幾個月,因為它的粒線體內參與呼吸作用的酶發生了突變。

突變後的酶與啤酒酵母的酶非常相似,能將糧食中的葡萄糖分解成酒精。這種酶在沒有氧氣的情況下不再將丙酮酸分解成乳酸,而是分解成乙醛,這也是乙醇(酒精)初始分解階段的產物。鯽魚發生無氧呼吸後,產生的酒精將透過鰓呼出水中,這樣就不會對它的細胞產生毒性。而只要它在沈入水底過冬前,在肝臟和肌肉中存有足夠的葡萄糖,即使要在無氧的水底度過漫長的冬天,也不會因缺氧而死。

從低氧到無氧,不同生物有自己獨特的生存秘訣,如果我們能學到一招半式,不僅能爭取更多寶貴的救命時間,也能成為我們未來在低氧太空生活的保命絕招。