[科普中國]-冰魚

簡介

一些不同種類的魚類之俗稱，其中鱸形目(Perciformes)帶腭魚科(Chaenichthyidae或Chaenichthyidae)內(nèi)的一些魚，因?yàn)槲遣啃螤钏器{，又稱鱷冰魚。又因?yàn)轶w內(nèi)缺少紅血球及血紅素亦稱為白血魚。其血液攜帶的氧氣比紅血球的魚少得多，但其心臟及鰓血管較大，循環(huán)血量較大，能從含氧豐富的南極海水中吸取足夠的氧。鱷冰魚約有16種，多數(shù)分布在南極，主要以甲殼類和小魚為食。此外銀白魚(smelt)及銀魚屬(Salanx)的銀魚亦稱為冰魚，這些魚類則分屬鮭形目(Salmoniformes)內(nèi)的一些不同的科。

由來自德國、澳大利亞等國家的科學(xué)家所組成的南極調(diào)查小組25日表示，因氣溫上升導(dǎo)致崩塌的南極拉森(Larsen B)冰架下方的海域，2007年1月發(fā)現(xiàn)了19種新海洋生物，新發(fā)現(xiàn)的一些動物顯示出驚人的適應(yīng)寒冷的能力，其中包括一種冰魚，已經(jīng)進(jìn)化到可以在沒有紅血球細(xì)胞的情況下生存。

在寒冷的冬天，人們已經(jīng)穿上了厚厚的棉襖，可是魚卻在水底自由地游來游去，一點(diǎn)兒也沒有怕冷的意思。這是我們生活中的一個常見的現(xiàn)象，你見過被凍死的魚嗎？當(dāng)然沒有，但是這是什么原因呢？魚既沒有可以蔽寒的皮毛，又不會像蛇那樣鉆進(jìn)洞里進(jìn)行冬眠。它是靠著什么才不至于被凍壞的呢？”

生物界真是一個奇妙的領(lǐng)地，它們可以生存在地球上的任何一個角落。即使在人類看來，那是一個難以想象的苛刻環(huán)境，生物照樣可以以它們在長久的進(jìn)化歲月中形成的適應(yīng)本能過著正常的生活。魚類，特別是生活在極 地冰海下的魚類就是如此。

生存奧秘讓我們來探討一下這些在冰海中生活的魚類的奧秘吧！

魚類根據(jù)生物學(xué)研究認(rèn)為，它是一種體溫隨外界溫度改變而改變的所謂冷血動物。寒冷的冬天到來了，在北極和南極附近廣闊的海面上已經(jīng)是千里冰封了，幾米厚的冰層把海面變成了一個冰的大陸，但是原來在那里生活的魚類，卻絲毫不避嚴(yán)寒，仍然在那里自由自在地生活。人們不禁會產(chǎn)生疑問：“在冰海中生活的魚類，為什么不會被凍死呢？”

在與羅斯海相對的南極大陸的麥克默多海峽，長年水溫從海面直到水下的幾百米，都在零下1．9℃左右，而棲居在這種環(huán)境中的某些魚類，血液的冰點(diǎn)卻在零下2．0℃到零下2．1℃之間，由于血液的冰點(diǎn)比海水的冰點(diǎn)要低一些，所以它們在低溫下生活，才不致被凍死。

與棲息在冰海中的魚類不同的是，棲息在溫帶的魚類，它們血液的冰點(diǎn)卻只有－0．8℃左右，這些魚類，就無論如何都不能在酷寒的海水環(huán)境中生存了。溫度魚類的血液冰點(diǎn)下降，主要由存在于血液中的低分子物質(zhì)，尤其是氯化鈉（NaCI）在起作用。于是自然會讓人聯(lián)想到，是否生活在冰海里的魚類的血液中，含有更多的鹽類。就目前人類所知，氯化鈉等鹽類對生活在南極海域魚類血液冰點(diǎn)下降所起的作用，還不到70%，這就使人想到，那一定是有另外的物質(zhì)在起著神秘的作用。

在1953年，美國沃茲堡海洋研究所的斯科蘭德等人發(fā)現(xiàn)，生活在南極海域的魚類血液中，都存在著一種高分子物質(zhì)，正是這種物質(zhì)使得這里的魚類血液冰點(diǎn)降低。隨后，他們?yōu)殛U明這種物質(zhì)作了大量的研究工作。1970年前后，美國加利福尼亞大學(xué)的德佛里斯等人又指出：上述那種具有抗凍作用的高分子物質(zhì)，實(shí)際上是糖類和蛋白質(zhì)結(jié)合在一起的一種糖蛋白質(zhì)。他們從生活在南極海的，兩種特殊魚類的血液中分離出一種糖蛋白質(zhì)，稱為“冰點(diǎn)下降糖蛋白質(zhì)”（縮寫為FPD糖蛋白質(zhì)，F(xiàn)PD是英文freezing point de－pression的縮寫）。它們主要有三種，用超速離心法和滲透壓法測定它們的分子量時表明，三種FPD糖蛋白質(zhì)的分子量分別為：11，000、17，000、21，500。三者之間除分子量不同外，在化學(xué)組成上沒有任何差別。

這種被分離出來的FPD糖蛋白質(zhì)的作用，并不能通過摩爾濃度與冰點(diǎn)下降度之間的關(guān)系來說明（通常溶液中溶質(zhì)的摩爾濃度越大，冰點(diǎn)的下降度越大）。這三種糖蛋白質(zhì)雖然其都是化學(xué)性質(zhì)一樣的蛋白質(zhì)，但當(dāng)其結(jié)構(gòu)成較大分子量的此類糖蛋白質(zhì)時，其分子量越大，抗凍效果就越明顯地增大。如果我們用每毫升溶液所含溶質(zhì)的毫克數(shù)這樣一種濃度，來與糖蛋白質(zhì)和氯化鈉對冰點(diǎn)下降的作用相比較，就會發(fā)硯：當(dāng)濃度都在10毫克/毫升以下時，雖然NaCI的作用比FPD糖蛋白質(zhì)要大，但是，當(dāng)按摩爾比計(jì)算時，F(xiàn)PD糖蛋白質(zhì)的作用，實(shí)際上要比NaCI的效果大約200～500倍。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PD糖僅起著降低血看障低血液冰點(diǎn)的作用，而對物質(zhì)的熔點(diǎn)幾乎沒有影響。

存在于魚血液中的三種FPD糖蛋白質(zhì)的濃度，總濃度為8毫克/毫升左右，它能使血液的冰點(diǎn)降低約0．6℃。

由此可見，極地冰海中的魚類在長期的進(jìn)化中生成了能適應(yīng)環(huán)境的特珠物質(zhì)，如FPD糖蛋白質(zhì)，以及NaCI等鹽類所起的作用，終于能使魚類巧妙地降低血液的冰點(diǎn)，從而使海水的溫度高于它們身體血液的冰點(diǎn)，它們也就可以自由自在地在極冰下生活了。

分類及棲息地冰魚分為一科，即鱷冰魚科( Channichthyidae) ，種類較多。Near 等( 2003) 做了較為詳盡的分類( 表1) ，共11 屬25 種。在地理分布上，南極冰魚廣泛分布于南極各大海域，但不同種類的冰魚有其各自的棲息特點(diǎn)，如常見種: 鱷頭冰魚( Chaenocephalus esox)分布于?？颂m群島周邊的巴塔哥尼亞大陸架水域; 頭帶冰魚( C.ceratus) 、南喬治亞擬冰魚( Pseudochaenichthysgeorgianus) 、裘氏顎頭冰魚( C.gunnari)和獨(dú)角冰魚( C.rhinoceratus) 分布在南極低緯度海域，其中前2 種分布于包含布韋島在內(nèi)的大西洋海域，裘氏顎頭冰魚分布于印度洋的凱爾蓋朗群島和赫德島附近，以及大西洋的多數(shù)島嶼附近水域; 獨(dú)角冰魚曾發(fā)現(xiàn)于凱爾蓋朗群島和馬里恩島嶼附近水域( Gonetal.1988) 。2

年齡鑒定方法漁獲物體長分析法此類方法中比較有代表性的是體長頻度法和體長換算法。這2 種方法的原理相同，均是依據(jù)漁獲物體長分布離散頻度確定年齡，分析生長特性。該方法一般只適用于分析年齡組成較為簡單且生長較快的種群，或生長較慢且處于稚幼階段的種群。針對南極冰魚，該方法通常與其他方法相結(jié)合，或與鈣化組織年齡鑒定的結(jié)果進(jìn)行綜合分析( Weatherley etal．，1987) 。Kock( 1980) 用體長頻度法擬算出裘氏顎頭冰魚體長-年齡的關(guān)系圖。2

鈣化組織分析法該方法是利用鱗片、鰭條、脊椎骨和耳石等硬化或鈣化組織，通過分辨這些組織上記錄下來的年輪鑒定年齡，分析生長特性的方法( Weatherley et al．，1987) 。這是一種普遍使用的年齡與生長研究方法。其優(yōu)點(diǎn)是不僅可以獲得年齡，而且還可以獲得魚類從出生到捕獲時所有年代和季節(jié)的生長特性。常使用的鈣化材料有鱗片、耳石、鰭條、鰭棘、鰓蓋骨、脊椎骨和匙骨等，其中鱗片、鰭條、脊椎骨和耳石是鑒定南極水域魚類年齡的常用鈣化組織，但由于南極冰魚無鱗片，故無法利用鱗片鑒齡。2

身體半透明的原因1928年，生物學(xué)家迪特里夫·路斯塔德（Ditlef Rustad）在南極布韋島海岸附近抓到了一條不同尋常的魚。這條被路斯塔德命名為“白色鱷冰魚”的魚有大大的眼睛和長著長牙的嘴，纖細(xì)的魚鰭骨上覆蓋著透明的膜。它沒有鱗片，而且是奇異的白色，某些部位潔白如雪，其他部位則是半透明的。當(dāng)路斯塔德把魚剖開的時候，他發(fā)現(xiàn)它的血液也是無色的——完全不帶一點(diǎn)紅色。這條鱷冰魚的鰓也很奇特，它們白而柔軟，就像香草雪糕一樣，相比而言，鱈魚的鰓是紅酒般的深紅色，充滿了富含氧氣的血液。3

正如我們今天所知道的，不久后，約翰·路德（Johan Ruud）和其他的研究人員確認(rèn)，這些南極冰魚是唯一同時缺乏紅細(xì)胞和血紅蛋白的脊椎動物。血紅蛋白是富含鐵的蛋白質(zhì)，在血液循環(huán)過程中，這些細(xì)胞用它吸收和釋放氧氣。一眼看來，生物學(xué)家認(rèn)為冰魚蒼白的血液是對南極冰冷而富含氧氣的水環(huán)境的典型適應(yīng)特征?？赡鼙~通過鰓和極薄的皮膚吸收了許多溶解在海水中的氧，因此它們可以拋棄那些大而柔軟的紅細(xì)胞。而且，生物學(xué)家們還推測，較稀薄的血液在身體中循環(huán)流動的時候阻力比較小，而節(jié)約能量消耗也有利于生存，尤其是在極端環(huán)境里。3

然而，最近一些生物學(xué)家提出，血紅蛋白的缺失不是一種有用的適應(yīng)行為，而是一個基因突變導(dǎo)致的不幸結(jié)果。冰魚的血液攜帶氧氣的量只有普通魚類血液的10%，為了生存，它們不得不大幅調(diào)整自己的身體。進(jìn)化鑄成的這個大錯也許對于大多數(shù)魚類來說是致命的，但冰魚的鰓，加上一點(diǎn)點(diǎn)幸運(yùn)的環(huán)境優(yōu)勢，拯救了它們，沒讓它們因血液的缺陷而滅亡?？茖W(xué)家根據(jù)新證據(jù)調(diào)整了冰魚的進(jìn)化過程，但它們的故事仍然是動物王國中最獨(dú)特而奇異的故事之一。3

冰魚生活在南冰洋中，那是環(huán)繞整個南極洲的海洋。海洋環(huán)流逐漸把這里的海水和較溫暖的海洋隔絕開來，使溫度保持在很低的數(shù)值。在南極大陸最北端的南極半島附近，海水溫度在夏天大約是1.5℃，冬天是-1.8℃。南冰洋里的多數(shù)魚類，包括冰魚，在海水溫度降到淡水冰點(diǎn)以下的時候，都能產(chǎn)生抗凍蛋白質(zhì)，防止血液中形成冰晶。16種南極冰魚都屬于南極魚亞目（Notothenioidei）的帶腭魚科（Channichthyidae）。在南極魚科的幾百種紅色血液的物種中，只有冰魚缺乏血紅蛋白。南極魚科的所有魚類共同統(tǒng)治了它們所在的水體，占了南冰洋中魚類種類的35%和生物量的90%。3

通過對比冰魚和紅血球魚類的DNA，美國西北大學(xué)的威廉·德特利茨（William Detrich）和他的同事們確認(rèn)了導(dǎo)致血紅蛋白的特殊基因缺陷。總的來說，調(diào)控血紅蛋白合成的一個基因在冰魚體內(nèi)完全缺失。雖然沒有任何其他動物完全缺乏紅細(xì)胞，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)環(huán)境改變會導(dǎo)致紅細(xì)胞的減少。當(dāng)氣候變冷的時候，魚類把血液變得稀薄一點(diǎn)而更容易流動是有好處的。相比生活在溫暖水域里的魚，生活在冷水里的魚血液中的紅細(xì)胞通常比例更低。而且，生活在溫帶的魚每到冬天的時候血液中紅細(xì)胞的比例會減少，以節(jié)約能量。根據(jù)這些事實(shí)，生物學(xué)家猜測南極冰魚為了適應(yīng)南冰洋而進(jìn)化出了特別稀薄的血液。3

阿拉斯加費(fèi)爾班克斯大學(xué)的克莉絲汀·奧布里恩（Kristin O’Brien）和她的同事，已經(jīng)不幸逝世的布魯斯·希德爾（Bruce Sidell）決定檢驗(yàn)這個猜想。在一篇題為《當(dāng)不幸的事發(fā)生在幸運(yùn)的魚身上》的論文中，奧布里恩和希德爾首先提出，和南極魚科的近親還有其他大小差不多的魚相比，冰魚的心臟和血管都比較大。雖然在冰魚體內(nèi)循環(huán)的血液異常稀薄，但它們的血液循環(huán)系統(tǒng)容量很大。奧布里恩和希德爾計(jì)算出，要讓血液全部循環(huán)起來，冰魚消耗的能量大約是南極魚科中紅血球魚類的兩倍。溫帶魚類的心臟消耗的能量不到基礎(chǔ)代謝率的5%，而冰魚巨大的心臟消耗的能量占了身體能提供的能量的22%。他們還指出，冰魚供養(yǎng)每個器官的血管也要比紅血球魚類多。如果你把一條典型的魚的眼睛外層剝掉，向血管中注入黃色的液態(tài)硅膠，你將在眼廓周圍看到一個由排列有致的血管組成的網(wǎng)，就像南瓜上的紋路。而如果對冰魚的眼睛進(jìn)行同樣的操作，你將看到密集地糾纏在一起的一團(tuán)血管，就像一盤意大利面。3

和近年來的其他生物學(xué)家一樣，奧布里恩和希德爾認(rèn)為，冰魚巨大的心臟和毛細(xì)血管，升高的血壓還有稠密的血管視為對血紅蛋白缺失的補(bǔ)償。但僅有這些適應(yīng)特征似乎不足以挽救南極冰魚免遭滅絕，它們似乎還從營養(yǎng)富集的環(huán)境中受益。大約在2500萬年前，環(huán)繞南極這塊與世隔絕的陸地流動的南冰洋開始冷卻。冷水不僅溶解了更多氧氣，還殺死了許多沒有進(jìn)化出抗凍蛋白或其他適應(yīng)方式的物種，這就為冰魚和它們的近親提供了一個寒冷的庇護(hù)所，這里隨后被它們所統(tǒng)治。3

然而現(xiàn)在，冰魚正面臨一個新的威脅——人為的氣候變化。南冰洋正在變暖，而且可能酸化，營養(yǎng)將會減少。奧布里恩說，研究者已經(jīng)指出，相比紅血球魚類，成年冰魚對溫度變化更敏感，它們無法經(jīng)受高溫。如果路德說對了，“只有在極地地區(qū)寒冷的水中，沒有色素的魚類才能生存”，那么正在南冰洋發(fā)生的溫度變化可能給冰魚帶來滅頂之災(zāi)。想象一下這個故事：冰魚在地球上最極端的環(huán)境中進(jìn)化出了適應(yīng)零度以下水溫的方式，只是由于基因突變而丟失了紅細(xì)胞；盡管發(fā)生了如此悲慘的事故，它們?nèi)匀粖^力游泳，心臟增大，也長出了更多的血管，以把足夠的氧氣輸送到身體各個部位；現(xiàn)在，人類正在把南冰洋變成完全不適合冰魚的環(huán)境，迫使它們再次進(jìn)化或滅絕。3

不管怎樣，我寧愿固執(zhí)地相信，盡管南極冰魚的血液中沒有一點(diǎn)血紅蛋白，它們的血管仍有足夠的彈性，讓它們不致滅絕。3