原标题:每天承受那么大压力,它们依然活得好好的
从海平面开始,深度每增加 10 米,压强增加一个大气压。全球大洋平均深度 4000 米,而在这个深度,压强是 400atm, 什么感觉呢,大约是两只大象站在你的大拇脚趾头上。
前面答案大多提到了体内外压力差相等,但是否这就抵消了深海如此大的压强呢?
海洋学家出海时很爱干这么一件事:拿一个泡沫杯,绑在采样或者探测仪器上,放入深海,取上来以后,会收获一个……完美缩小的泡沫杯。
这个杯子放在任何一个深度,内外压强都是相等的,但它进过高压的洗礼,还是 一夜回到解放前。所以在压强面前,只要有固体形态,有压缩性,都会或多或少受到影响。对于生物体来说,高压强最直接的作用是减少分子的体积而导致的机体结构变化。作为一个分子而言,这压强是十足的作用在其身上的。生物体都是由一个个分子构成的,其主要构成单位蛋白质,以及各种脂膜的结构和功能都相应的发生了一些变化,以适应深海的压强。
首先说说蛋白质。既然压强的直接作用是导致体积的变化,深海生物蛋白质的适应也是体现在体积变化。蛋白质不是刚性结构,意味着它可以通过三级或四级结构转化而进行『构象变换』。 此外,蛋白质亚单位组合,辅因子和酶的相互作用,催化反应,都伴随着蛋白质的结构 / 体积变化。深海生物的适应进化便是减少这种体积变化。(粗暴的可以这么理解:你不是要缩小我的体积(变化)吗,我提前自己变到最小,你能拿我怎么办。)然而这种变化不是没有代价的,蛋白质的结构与其功能是息息相关的。所以通常情况下,深海生物的蛋白酶催化效率要远小于同种类的浅海酶。
再来看生物膜。生物膜的主要成分是脂类,其压缩性是大于水的,所以在高压强下,也会发生一系列的结构变化。前面 @苏澄宇已经提到了细胞膜的流动性变化。膜中的脂类为适应环境条件而调整其流动性的机制叫均黏调试(Homeoviscous Adaptation)。此机制在高压和低温下有相同的反应。压强升高或者温度降低都会降低膜的流动性。大约深度每增加 100 米的作用和温度降低 0.13-0.21 摄氏度相同。深海生物为了抵抗这种作用,进化出了一些机制来增加膜的流动性,以保障正常的生理需要。
膜的主要结构是两层磷脂夹杂着一些蛋白质
磷脂的排列结构决定了膜的流动性
如上图所示,两条烃基链分的越开,膜的流动性越强。所以深海生物的适应就旨在保持磷脂分子抬头挺胸圆规腿,而且可以尽可能的保持这种形态。主要的途径有两种:
1. PE (Phosphatidylethanolamine) 和 PC(Phosphatidylcholine) 是两种不同的磷脂分子,其最大的区别,你们也看见了,一个小头,一个大头,其带来的结构变化也是一目了然。所以多使用 PE,就是深海生物的一种进化适应。
2. 接下来要谈的就是大家都熟悉的饱和和不饱和脂肪酸。
饱和和不饱和脂肪酸差别就在烃基上的那个双键。双键就意味着平面结构(想象一下大闸蟹),导致拐腿那个姿态就变不了了。所以不饱和键的存在,增加了膜的流动性。
之前提到低温和高压对膜的适应进化有相似的作用,而全球大洋平均温度是 4 摄氏度,这也就是为什么海洋生物(深海以及冷水)多富含不饱和脂肪酸。
总的来说,深海生物对抗高压的方法就是减小自身的压缩性,从而把压强的作用减到最小。
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