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马里亚纳狮子鱼:八公里的水下精灵水通过新音符

作者:中科院之声

编者按:你必须知道水是生命之源。你不一定知道水中发生了很多事情。中国科学院之声与中国科学院水生生物研究所联合开设了"水新音符"专栏,我们将一起在水的世界里畅游,探索水生生物的奥秘,共同保护绿水和绿山。

有人说海洋是另一个空间。海洋覆盖地球表面的70%以上,平均深度约为3800米,而深度为200米的深海占总体积的93%。

在中国科学院水生生物博物馆,有这样一个"星标本",来自马里亚纳海沟深处7415米深处的Sveri狮子鱼(又称马里亚纳狮子鱼),由中国科学院元科考队何义平老师收藏,它不仅是目前发现的最深的鱼类, 也因为外观优雅,一个变化的人对深海鱼"谁看不见谁,漫不经心"的印象,吸引了不少游客的兴趣。

马里亚纳狮子鱼:八公里的水下精灵水通过新音符

在水生生物学博物馆展出的Sveri狮子鱼标本

属于狮子鱼属(Pseudoliparis)

海洋最深处,神秘的马里亚纳海沟

马里亚纳海沟位于太平洋西北海域,关岛和北马里亚纳群岛东部,是地球表面的一条狭窄裂缝,大部分深度超过8,000米,深11,034米,相当于填满了整个珠穆朗玛峰和两千多米到达表面, 珠穆朗玛峰被称为地球除北极和南极以外的地球"第四极",是所有深海探险家心中的圣地。

与太空探索相比,深海探索也存在许多难以克服的问题,如压力(每10米深海坠落,压力因大气压力而增加)、信号传输和水下能量供应问题。

马里亚纳狮子鱼:八公里的水下精灵水通过新音符

马里亚纳海沟地图(照片:维基共享资源)

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曾经认为深海条件不适合生命,科科潜艇的发展在第一次世界大战后才实现,马里亚纳海沟的探索直到1960年才真正开始。

在2014年和2017年对马里亚纳海沟的勘探期间,研究人员发现并确认了一种新的狮子鱼,这是已知最深的潜水鱼类,深度超过8000米。为了表彰广泛科学合作的结果,科学家们以首次发现马里亚纳海沟的探险队的水手赫伯特·斯太古(Herbert Swire)的名字命名了这种新发现的鱼,从那时起,斯威爾一直准备将狮子鱼带入公众视野。

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狮子鱼在8,718米深处拍摄,是深海生物吃掉的干净诱饵

名副其实的"颜值"

当然,"只是长长是因为看不见"只是当今深海鱼类最常见的笑话,在高压、缺氧、缺昼、缺食的极端环境下,它们专门具有适应艰难生活的独特特性,如尖牙和嘴巴可以大大提高捕食效率。

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Chauliodus sloani的垂直分布约为500-2500米

主体上有一个连续的光发射器,可以打开到120度

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Argyropelecus Gigas,一个科幻形状的巨人

在300-1000米的深度,它能够控制自己的生物荧光,以匹配海中的光线以实现"隐形"

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海洋长鳍的前背鳍,Caulophryne Pelaglca,进化成发光的钓鱼竿,吸引小生物成为它们的食物。

雌性比雄性大几十到几百倍,当雄性成熟时,它们的器官逐渐从精子巢中消失,成为雌性的肉块(图片:维基共享资源)

相比之下,狮子鱼有更多的眉毛。它们的身体是白色的半透明的,没有鳞片,锋利的牙齿和巨大的身体,鳗鱼般的尾巴和翅膀般的宽伸展鳍像十几岁的裙子一样游动。在狮子鱼居住的水域中,已知低于6000米的超级深渊带几乎没有天敌,从视觉上讲,每个指甲盖上的压力相当于大象的重量,此外还必须应对完全黑暗,接近冰点的温度和巨大的水压。

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(图片来自网络)

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狮子鱼"裙子漂浮"被诱饵吸引(图片来自网络)

"软化帮派"——小身体中的大智慧

马里亚纳狮子鱼是如何对抗8000米以下深海的巨大压力的?

深海的巨大压力对大多数动物来说都是一个挑战,而狮子鱼的应对策略,和许多深海鱼类一样,不是"硬肩",而是通过调整自身结构,使身体的内外压力达到平衡,实现生存。

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在深海中捕获的信天翁由于体外压力突然下降而肿胀的内脏器官而爆裂进入口腔(图片:维基共享资源)

首先,深海鱼类不能像浅海鱼那样用蛞蝓来调节浮力,而是依靠某些脂质来提供浮力,为了降低体密度,它们通常骨骼小,肌肉组织少,身体水分含量高,很像果冻。

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在距离日本海沟7,700米处捕获的狮子鱼

此外,研究人员发现,深海鱼类细胞膜富含不饱和脂肪酸,更柔软,更流畅。此外,深海生物含有大量的氧化曲安奈酮(TMAO),这是一种有助于阻止蛋白质变形的物质,但是当深度超过8,200米时,TMAO无能为力,这应该是鱼类生存的极限。

仅靠这些肯定是不够的,在对马里亚纳狮子鱼基因组的研究中,中国深渊团队发现,其骨骼钙化过程由于相关基因的突变而提前终止,导致机体骨骼非常薄,而且包括颅骨没有闭合的腔,同时, 一些与细胞膜和蛋白质稳定性相关的基因也发生了特定的突变,更增强了狮子鱼在分子水平上的抗压能力。

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马里亚纳群岛狮子鱼头骨的不完整性与基因的过早终止有关

"自然智慧"与"科技智慧"——仿生机器鱼的诞生

受Mariana Lionfish的启发,浙江大学李铁峰教授的团队将自然智慧应用于科技探索,仿生软件机器鱼成功问世。机器鱼具有翅膀状的柔韧胸鳍,由柔软的人造肌肉驱动,而一些硬装置如控制电路和电池被整合到凝胶状的软件体内,可以承受10000米深处的深海静水压力。

大量的实验证实,机器鱼在深海、极地等恶劣和特殊环境中有着较好的应用前景,或许,当有一天仿生机鱼技术完全成熟,可以独立应用于复杂的深海作业现场,马里亚纳狮子鱼——这个水下深渊的鱼精灵将永远不会孤单。

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仿生狮子鱼软体动物机器鱼

资源:

1. https://zh.wikipedia.org/wiki/

2. 长沼 T. 在深层生物圈中寻找生命。生物科学空间。2003, 17 (4): 310–317.

3. Linley, T. D., Gerringer, M. E., Yancey, P. H., Drazen, J.C., Weinstock, C. L., Jamieson, A. J. (2016) Hadal Zone新物种的鱼类,实地观测和深度记录Liparidae,Deep Sea Research I,114,99-110。

4. Gerringer, M. E., Linley, T. D. Jamieson, A. J., Goetze, E. Drazen, J.C. Pseudoliparis swirei sp. nov.: 一种来自马里亚纳海沟的新发现的哈达尔蜗牛鱼(Scorpaeniformes: Liparidae)。Zootaxa 4358, 161–177 (2017).

5. https://www.jamstec.go.jp/e/about/press_release/20170824/

6. https://www.vims.edu/features/people/schnell_n.php

7. https://www.outlookindia.com/outlooktraveller/see/story/68950/8-strange-creatures-in-the-mariana-trench

8. https://www.science20.com/news_releases/pseudoliparis_amblystomopsis_deepest_ocean_camera_views_surprisingly_cute_snailfish

9. http://discovermagazine.com/2001/aug/featphysics

10. https://www.newscientist.com/article/dn26719-weird-sea-ghost-breaks-record-for-deepest-living-fish/

11. 王坤, 沈勇, 杨毅, 等.来自马里亚纳海沟的蜗牛鱼的形态学和基因组为深海适应提供了见解。Nat Ecol Evol 3, 823–833 (2019).

12. 李国, 陈娟, 周飞, 等.马里亚纳海沟中的自供电软机器人。自然 591, 66–71 (2021).

作者:翟思琪,王焕山,王曦

资料来源:中国科学院水生生物研究所、水生生物博物馆

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