生物

这种小动物,一言不合就沉入水底,没被淹死竟是因为……

“水下呼吸”了解一下?

蔡波 发表于  2019-02-11 16:01

|· 本文来自“我是科学家”·|

安乐蜥(Dactyloidae)是一群“身怀绝技”的蜥蜴,它们生活在美洲,从美国东南部到巴拉圭都有它们的踪影,家庭成员有427种之多[1]

它们有的能像壁虎一样的飞檐走壁、断尾逃生;有的长着鲜艳的喉囊,显摆“撩妹”;还有的,能像变色龙一样改变体色。

对面的“妹子”看过来—一展开喉囊撩妹的条纹安乐蜥(Anolis lineatus)图片来源:Wikmedia Commons

绿安乐蜥(Anolis carolinensis),既懂壁虎的游墙功,又会变色龙的伪装术。图片来源:Wikmedia Commons

是不是很厉害?不过,它们令人惊讶的地方还不止于此。最近,安乐蜥家族中就连出了两个“大新闻”:有研究人员拍摄到了安乐蜥在水下的细节,发现安乐蜥家族里还有优秀的“潜水员”!

以前人们就发现,一些常在水边活动的安乐蜥在遇到危险时,会跳进水里躲上十几分钟不出来。对于这一现象,学者们大多认为它们只是憋气能力强,没想到事情没那么简单。

实际上,它们之所以能长时间潜水,并不是能憋气,而是可以自带“气瓶”在水下呼吸!

这种“气瓶”就是挂在他们头上的大气泡(air bubble)。拍摄者:琳希·斯维克(Lindsey Swierk)

首次报道安乐蜥潜水细节的,是纽约宾汉顿大学(Binghamton University)的生态学家琳希·斯维克(Lindsey Swierk)。2018年12月20日,她在安乐蜥网站(http://www.anoleannals.org/)对外公布了这一发现,标题就是“一种热带蜥蜴在水下的呼吸过程”(Underwater Breathing by a Tropical Lizard)[3]

这种热带蜥蜴,就是分布在哥斯达黎加和巴拿马地区溪流附近的“水安乐蜥”(Anolis aquaticus)。

水安乐蜥的身世鲜为人知,只有维基百科上巴斯克语(Euskara)和法语词条上各自不足20个单词的介绍,和哥斯达黎加的一些动物图鉴里的少量描述。

斯维克团队在哥斯达黎加考察。图片来源:anoleannals.org

2015年,斯维克在哥斯达黎加的山间溪流附近注意到水安乐蜥。它们对周围环境非常警惕,一旦发现风吹草动,就立刻跳进水里长时间潜伏起来。

跳水逃生的安乐蜥。来源:livescience

斯维克在水安乐蜥胃里找到了水生昆虫,于是她买了水下相机,希望能发现它们在水下捕食的线索。不过,水下相机并没有记录到水安乐蜥在水下捕食猎物,却记录到了它们在水下利用气泡呼吸的情景。

根据斯维克团队的记录,水安乐蜥潜水的时间最长居然可以达到16分钟!在她截取的一段视频中能够看出,潜伏在水下的安乐蜥头部和躯干上都附着了一些空气,尤其是头部的气泡非常明显,水安乐蜥在反复地从气泡中呼吸空气。

而后在后续报道中[4],斯维克更详细地分析了这一过程:水安乐蜥先呼出一个大气泡,然后再吸入,然后可以就从这个大气泡中提取氧气了。虽然浓度低,但也足以让它们在水下待得更久一点,以免受到天敌的威胁。按理说,这个气泡体积不小,之所以没有飘走,很大原因可能是由于安乐蜥头部的某些特殊构造。她正在寻找合作者进行更进一步的研究。

水安乐蜥在水下利用气泡呼吸。来源:anoleannals.org

无独有偶,在斯维克发布水安乐蜥利用气泡的消息后,生命科学(Live Science)网站在第二天也发布了一种安乐蜥“水下呼吸”的视频和采访,只不过主角是“溪安乐蜥”(Anolis oxylophus)[5]

溪安乐蜥。图片来源:Smithsonian- Channel

生物学家兼制片人尼尔·洛辛(Neil Losin)和奈特·达彭(Nate Dappen)在为史密森尼频道拍摄以安乐蜥为中心的纪录片“蜥蜴的法则”时,捕捉到了这一引人注目的镜头。

起初,他们只是想找找溪安乐蜥长时间潜水的线索。最开始也以为它们只是憋气能力很强而已,可是在反复看了视频后,发现溪安乐蜥头顶出现了气泡。溪安乐蜥能够反复利用这个气泡呼吸,在水里待的时间长达15分钟。

溪安乐蜥在水下呼吸的情景。来源:livescience

这种气泡究竟是如何给安乐蜥提供氧气的呢?研究者们初步推测,可能是这些气泡具有“物理腮”的功能——氧气能从周围的水扩散到气泡中,同时二氧化碳能从气泡中扩散出去。而此前,科学家只在个别无脊椎动物中发现类似的现象。

其中之一就是水蛛。水蛛从欧洲一直到中国的北方都有分布,几乎一辈子都生活在淡水中。它们和其他蜘蛛一样,都有一个“生理肺”——书肺(Book lung)。

书肺只能在空气中交换氧气和二氧化碳,但水蛛为了在水下呼吸,制造出了一张有圆顶的网,然后把空气放进去,形成一个个像钟一样的气泡“仓库”。要呼吸的时候,就去“提取”一点氧气。

而这个气泡,就起到了一个“物理鳃”(也有人叫物理肺)的作用。在温暖水体中,这个气泡室能从水中交换进来足够的氧气,排出二氧化碳,满足水蛛静止状态的所有氧需求。有时它们可以在气泡室内停留超过1天。当水体严重缺氧或者气泡室内气体快耗尽时,水蛛就用身上的绒毛去水面搬运一些空气到气泡室中,补充它的水下“呼吸仓库”。

A是空气附着在水蛛腹部的疏水绒毛上 。B是一个小型气泡室,由隐形网支撑着,大小足以容纳水蛛的腹部 。C是水蛛正把水面的气泡运到气泡室 。D是雌性水蛛待在她的气泡室中(图片来自[2])

除了水蛛,生活在莫诺湖畔的碱蝇,也能够携带“空气潜水服”潜入水中觅食。

碱蝇的“空气潜水服”。图片来源:参考文献[6]

接连上镜的安乐蜥,也许即将成为人们发现的首批能利用气泡在水下呼吸的脊椎动物。它们头顶保存大气泡的原理,又是否和碱蝇这样的无脊椎动物相似?这些就需要科学家们通过更进一步的研究来证实了。让我们拭目以待吧。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. http://reptile-database.reptarium.cz/search?search=Dactyloidae&submit=Search
  2. Seymour, R. S., & Hetz, S. K. (2011). The diving bell and the spider: the physical gill of Argyroneta aquatica. Journal of Experimental Biology, 214(13), 2175-2181.
  3. http://www.anoleannals.org/2018/12/20/underwater-breathing-by-a-tropical-lizard/
  4. https://scuba-diving-zone.eshcarmel.org/scuba-diving-lizard-can-stay-underwater-for-at-least-16-minutes-new-scientist-news/
  5. https://www.livescience.com/64371-lizard-breathes-underwater.html?utm_source=notification&fbclid=IwAR3BlZVpuqFpr-Eb6hHI8xdcmn2COA_1LJEfyYlaNSIQWDrogi5Dd2NM8Qg
  6. Van, F. B., & Dickinson, M. H. (2017). Superhydrophobic diving flies (ephydra hians) and the hypersa waters of mono lake. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(51), 201714874

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蔡波
蔡波 中科院成都生物所工程师,动物学博士研究生。

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