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深海生物為什麼可以承受如此大的壓力?

2017年09月30日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 53 ℃ 次

【蘇澄宇的回答(138票)】:

首先,不管這是不是廢話,所有的海洋非哺乳類生物都沒有肺(有了肺就直接被壓扁了)不管是深海魚還是淺海魚,通過鰓將水中的溶解氧轉入血液中,進而存儲到它們的肌肉中,它們的肌肉組織含有比一般生物高得多的濃度的氧結合肌紅蛋白,隨著深度的增加,其氧氣的利用率更高。

一方面,Yayanos發現,深海的環境下讓生物的細胞膜進化得更軟更滑更具有流動性。如果它們的細胞膜(主要成分磷脂)太『僵化『, 在深海高壓和低溫下磷脂將會僵硬,因此生物活性通道將會關閉。「正因為如此,深海動物和細菌往往用相對流動的血脂建立自己的細胞膜。與淺海層的生物相比, 深海生物用更多的不飽和脂肪酸來組建細胞. 當這樣的深海機體到達淺海域將會, 細胞內的脂肪收到的壓力變小,它們將有可能會開始從內部滲透出來,這也解釋了為什麼深海魚不能到淺海生存。. 即使不會馬上死掉也會導致它們神經上的損傷。

The Physics of . . . Deep-sea Animals

另一方面,則是由於機體內容材質有關,比如水母體內95%的主要成分都是水,所以水母在高壓下並不會收到壓力的影響

Percentage of Water in Jelly-Fish : Abstract : Nature

另一方面,深海魚的生理器官發生了改變,比如鯊魚沒有淺海魚所擁有的魚鰾。

更深層的研究表明: 深海魚體內的氧化三甲胺(TMAO)加固了蛋白質,以抵抗隨著海深的增加的壓力,並且隨著深度的增加,其體內TMAO含量也在增加。

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換句話說就是因為深海生物由於存在TMAO,它們能更加適應深海的壓力。

最後,關於更多細節及機制問題,如果想瞭解,可以再更新

【晨池的回答(333票)】:

從海平面開始,深度每增加10米,壓強增加一個大氣壓。全球大洋平均深度4000米,而在這個深度,壓強是400atm, 什麼感覺呢,大約是兩隻大象站在你的大拇腳趾頭上。

前面答案大多提到了體內外壓力差相等,但是否這就抵消了深海如此大的壓強呢?

海洋學家出海時很愛幹這麼一件事:拿一個泡沫杯,綁在採樣或者探測儀器上,放入深海,取上來以後,會收穫一個。。。。。。完美縮小的泡沫杯。

這個杯子放在任何一個深度,內外壓強都是相等的,但它進過高壓的洗禮,還是 一夜回到解放前。所以在壓強面前,只要有固體形態,有壓縮性,都會或多或少受到影響。對於生物體來說,高壓強最直接的作用是減少分子的體積而導致的機體結構變化。作為一個分子而言,這壓強是十足的作用在其身上的。生物體都是由一個個分子構成的,其主要構成單位蛋白質,以及各種脂膜的結構和功能都相應的發生了一些變化,以適應深海的壓強。

首先說說蛋白質。既然壓強的直接作用是導致體積的變化,深海生物蛋白質的適應也是體現在體積變化。蛋白質不是剛性結構,意味著它可以通過三級或四級結構轉化而進行『構象變換』。 此外,蛋白質亞單位組合,輔因子和酶的相互作用,催化反應,都伴隨著蛋白質的結構/體積變化。深海生物的適應進化便是減少這種體積變化。(粗暴的可以這麼理解:你不是要縮小我的體積(變化)嗎,我提前自己變到最小,你能拿我怎麼辦。)然而這種變化不是沒有代價的,蛋白質的結構與其功能是息息相關的。所以通常情況下,深海生物的蛋白酶催化效率要遠小於同種類的淺海酶。

再來看生物膜。生物膜的主要成分是脂類,其壓縮性是大於水的,所以在高壓強下,也會發生一系列的結構變化。前面 @蘇澄宇已經提到了細胞膜的流動性變化。膜中的脂類為適應環境條件而調整其流動性的機制叫均黏調試(Homeoviscous Adaptation)。此機制在高壓和低溫下有相同的反應。壓強升高或者溫度降低都會降低膜的流動性。大約深度每增加100米的作用和溫度降低0.13-0.21攝氏度相同。深海生物為了抵抗這種作用,進化出了一些機制來增加膜的流動性,以保障正常的生理需要。

膜的主要結構是兩層磷脂夾雜著一些蛋白質

磷脂的排列結構決定了膜的流動性磷脂的排列結構決定了膜的流動性

如上圖所示,兩條烴基鏈分的越開,膜的流動性越強。所以深海生物的適應就旨在保持磷脂分子抬頭挺胸圓規腿,而且可以盡可能的保持這種形態。主要的途徑有兩種:如上圖所示,兩條烴基鏈分的越開,膜的流動性越強。所以深海生物的適應就旨在保持磷脂分子抬頭挺胸圓規腿,而且可以盡可能的保持這種形態。主要的途徑有兩種:

1. PE (Phosphatidylethanolamine) 和PC(Phosphatidylcholine) 是兩種不同的磷脂分子,其最大的區別,你們也看見了,一個小頭,一個大頭,其帶來的結構變化也是一目瞭然。所以多使用PE,就是深海生物的一種進化適應。1. PE (Phosphatidylethanolamine) 和PC(Phosphatidylcholine) 是兩種不同的磷脂分子,其最大的區別,你們也看見了,一個小頭,一個大頭,其帶來的結構變化也是一目瞭然。所以多使用PE,就是深海生物的一種進化適應。

2. 接下來要談的就是大家都熟悉的飽和和不飽和脂肪酸。

飽和和不飽和脂肪酸差別就在烴基上的那個雙鍵。雙鍵就意味著平面結構(想像一下大閘蟹),導致拐腿那個姿態就變不了了。所以不飽和鍵的存在,增加了膜的流動性。飽和和不飽和脂肪酸差別就在烴基上的那個雙鍵。雙鍵就意味著平面結構(想像一下大閘蟹),導致拐腿那個姿態就變不了了。所以不飽和鍵的存在,增加了膜的流動性。

之前提到低溫和高壓對膜的適應進化有相似的作用,而全球大洋平均溫度是4攝氏度,這也就是為什麼海洋生物(深海以及冷水)多富含不飽和脂肪酸。

總的來說,深海生物對抗高壓的方法就是減小自身的壓縮性,從而把壓強的作用減到最小。

答完請閱。

【kinpuicheong的回答(9票)】:

人在大氣中呼吸空氣,體內的氣壓和體外的氣壓平衡,因此可以正常生活,同理,深海生物它們體內的壓力水平和體外的壓力水平等同,因此內外平衡不會被壓扁。

但是我們的潛水艇,因為需要提供人類生存環境,內部是空氣,在深海大氣壓和水壓不平衡,因此,必須借助一些耐壓材料才能保持壓力平衡

【劉暉的回答(2票)】:

這個估計主要和壓力差有關吧,潛艇內部是標準大氣壓,外部壓力太大,所以深度有限。深海生物體內外的壓力差反而不大

【Valar的回答(0票)】:

原來我的內屬相是深海魚,好累!

【王靈禺的回答(0票)】:

長得醜

標籤:-生物學 -自然科學 -海洋生物


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