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数亿年前,人类、以及所有长有脊椎和四肢的陆生动物的祖先曾一度拥有这种在水中呼吸的能力



  • 鱼类、水母、水星和海参都可以从水中提取氧气、借此呼吸,但它们是如何做到的呢?

    数亿年前,人类、以及所有长有脊椎和四肢的陆生动物的祖先曾一度拥有这种在水中呼吸的能力,但在第一批呼吸空气的生物开始全天候待在陆地上之后,这种能力就不复存在了。如今,人类必须使用特殊设备才能在水中呼吸,或者像电影《海王》中描绘的那样、拥有独特的超能力。

    漫画相关知识中解释了半人类、半亚特兰蒂斯人的“海王”和他的亲友们是如何在海洋深处呼吸的。他们可能有鳃,虽然从外表看不出来,毕竟这一物种仅存在于我们的想象之中。不过言归正传,现实世界中的生物究竟是如何在水中呼吸的呢?

    地球的大多数海洋、湖泊和河流中都含有大量溶解在水中的氧气,但我们的肺无法对其进行处理。然而,水生生物们却演化出了多种获取水中氧气的方法。

    “基本蓝图”

    鱼鳃是一套非常成功的呼吸系统,利用一套血管网络从鱼鳃中流过的水中提取氧气,再通过鳃膜将氧气扩散到体内。路易斯安纳尼古拉斯州立大学生物学院助理教授所罗门·戴维(Solomon David)表示,大多数鱼鳃都遵从一套“基本蓝图”。

    “它们能够实现气体的逆流交换,即从水中抽取氧气,同时将呼吸废气排入水中。”戴维指出。鱼张开嘴时,便会有一股水流从鳃上流过。鱼鳃中密布的血管便可从水中获取氧气,同时排出二氧化碳,“有点像我们肺泡中的毛细血管。”

    不过,不同鱼的鱼鳃并非完全相同。戴维表示,为满足不同的氧气需求,不同鱼类的鱼鳃结构差别很大。例如,一种喜欢快速游动的金枪鱼的鱼鳃就与喜欢“守株待兔”的鱼鳃区别迥异。

    “如果你是一位活跃的捕食者,随时都在四处游动,你的鱼鳃结构就要满足更高的氧气需求。”戴维指出。就算是同一种类的鱼,个体的鱼鳃形状也会有所不同,具体取决于其所处水域中的氧气状态。研究显示,若生存水域受到污染,鱼鳃的形状也会为了适应环境而有所变化:为阻止水中污染物进入体内,鳃丝会变得越来越紧凑。

    一些水生两栖动物也有鳃,头上长有向外伸出的分支结构。这种特征一般只出现在动物幼年时期,大多数物种成年后就会消失。但佛罗里达大学自然资源与环境学院水生态学家克里斯汀·赫施特指出,部分水生蜥蜴则能把这一特征一直保留到成年。

    有一种名为肺鱼的鱼类,其鱼鳔结构特殊,因此它们既可在空气中呼吸、又可在水中呼吸。肺鱼在幼年时期也长有外鳃。“但几乎所有肺鱼的鳃都会在成年后消失。”赫施特解释道。
    一种古老的方法

    有些动物,比如水母,可以直接通过皮肤吸收水中的氧气。据美国北卡罗来纳大学助理教授瑞贝卡·赫尔姆介绍,这些生物体内的消化腔有双重用途:一是消化食物,二是让氧气与二氧化碳在体内四处弥漫。

    事实上,地球最早的微生物生命获取氧气的方式与水母如出一辙,也是让氧气扩散到全身各处。据《无脊椎生物:水母的科学与脊椎骨的艺术》(Spineless: The Science of Jellyfish and the Art of Growing a Backbone)一书作者茱莉·伯沃德指出,这类呼吸方式约出现于28亿年前,也就是蓝菌开始向大气中排放氧气之后的某个时间。

    “因为它们只有外细胞层与内细胞层,内部都是胶装物质、没有细胞,所以它们并不像体内拥有正经组织的动物一样,需要那么多氧气。”伯沃德解释道。不过,通过扩散法“呼吸”也有其缺点。“要将氧气输送到身体较远的末端,这种方法比通过循环系统慢得多。这也许限制了水母的体型大小。”伯沃德补充道。

    “后门法”

    有些棘皮动物也会通过扩散法呼吸,空气可透过表皮进入体内。海星、海胆和海参都属于棘皮动物。据华盛顿史密森尼国家自然历史博物馆研究人员克里斯托弗·玛(Christopher Mah)介绍,海星可在海水流过皮肤上的凸起物“皮鳃”(papulae)时、以及沟状结构“管足”(tube feet)时,吸收水中的氧气。

    但有些类型的浅水海参却有着不同的呼吸方式:在肛门附近的体腔中长有用于呼吸的“树状”结构。用克里斯托弗·玛的话来说,它真是名副其实地“用屁股呼吸”。

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