深海生物為什麼可以承受如此大的壓強?
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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,大約是一隻大象站在你的大拇腳趾頭上(此處經評論提示修正)。
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干這麼一件事: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
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,而且可以儘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了然。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。
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。總結一下上面各個大神的結論。
舉個例子好理解。
比如生物是個泡沫瓶子。(以泡沫顆粒代指細胞結構)想去深海怎麼辦?
首先要提高瓶內壓力和深海一樣,否則在400個大氣壓下多結實都沒用。
然後呢?壓力是平衡了,但是瓶壁受了來自兩面的巨大壓力,如果還是泡沫那就直接擠扁了。好吧,那就犧牲一點功能,換成實心塑料的,這下就擠不扁了。
總結一下:
1,體內壓力平衡提高整體抗壓能力。
2,改變分子結構提高細胞層面上的抗壓能力。
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。
http://apps.webofknowledge.com/full_record.do?product=UAsearch_mode=GeneralSearchqid=4SID=V24j3x9kfZ3s7ywE4hRpage=1doc=1
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,如果想了解,可以再更新
我們也在高壓中啊,大氣壓大約是10萬帕斯卡,也就相當於每天有10米高的水在壓你,想像下你每天背著跟你身體同樣粗細,10米高裝滿水的一根水管吧。
但是你有感覺嗎?沒感覺,同樣深海魚也沒感覺。但是你要是脫離這10萬帕斯卡,去太空,你瞬間爆掉,深海魚也一樣
深海鯨魚問:你們怎麼承受的那麼低的壓強呢
因為承受不住的都死了。
深海生物因為長期生活在高壓環境下,所以細胞機制和體內的壓強等都是很適應高壓環境的。如果你把它捕上來它會因為無法適應而死亡。這是北極南極這種極端環境下的生物道理是一樣的,生物都具有適應性,長期的演化會讓生物適應極端的環境,但是極端環境下的生物卻不一定可以適應我們普通環境。
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
我覺得這個問題本身是有問題的,題主以人為中心來定義了「正常環境」,然後驚異於相對極端的環境。
深海生物會說 為什麼陸地上的可以承受那麼小的壓力。
沒有什麼為什麼,自然選擇的結果,就好像我們可以生活在1標準大氣壓下一樣,早就習慣了,要不是科學告訴我們有大氣壓的存在,我還以為什麼都沒有呢。換個說法如果一個來自外星的生物(假設這個外星沒有大氣層包裹)降臨地球,那麼它會直接被擠扁,如果是來自一個氣壓遠高於1標準大氣壓的星球的生物,則會瞬間爆炸。這也就是為什麼宇航員要穿航天服的一個重要原因。
天道酬勤,人家深海生物在深海高壓下來去自如,遊刃有餘也不是白來的,是祖先世世代代拼了老命在自然選擇中倖存下來的,沒有什麼是白來的,唯努力矣。
好吧,不知道樓主是不是只想要一些生物結構組織方面的答案,所以只好強行來一波雞湯
深海6000m以上是超深海,單純靠體內外的水壓平衡已不能對應。水深6000米--8000米,TMAO吸附水分子保護蛋白質,越深的物種TMAO含量越高。但是8000米以上深度,蛋白質分子本身發生聚集,原來認為不可能存在生物。但最近已在10000米以上的海溝發現蝦類和海參,防止蛋白質聚集的物質研究也有進展。同時,根據DNA回溯進化路徑,馬里亞納海溝的深海物種是從南極,隨海流而來,極少數進化到深海物種的。
那深海魚到淺水區會不會漲肚而亡( ????? )
深海生物:陸生生物為什麼可以承受如此小的壓強?
深海生物的骨骼很軟,肌肉組織」滲水」(突然間想不到合適的詞了 汗)所以保證了身體內外壓強平衡←_←另外,它們普遍長得尖牙利齒據說是為了捕食方便。。。下一餐還不知道是什麼時候呢-_-||
就是適應了啊,就和我們人類適應了大氣壓強一樣。我覺得可以這樣理解,以真空為基準,所有生命都有一個適應生存的壓強範圍。人類生存壓強就是1個大氣壓,深海生物根據不同深度就是n個大氣壓。如果不在生存壓強範圍內都會因為壓強不平衡而導致死亡。
生活的壓力,成為高人一等的人的壓力很大.
和深海魚不同.
這種壓力可以變成尋找生命的鑰匙.
由於他們一直生活在那裡,體內水的壓力和外界水壓相等,中和掉了而已,和身體結構沒有任何關係。
打個比方,一個鋼瓶密封住後扔下去可能會被壓扁,因為瓶內壓強為一個大氣壓,瓶外就很大了。
但是如果不密封的話就什麼事都沒有,因為水進入後內外壓強相等,所以哪怕是塑料瓶都沒事。
因為他有一顆強大的內心(? ??_??)?
因為體內外壓力近乎均等。
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