揭秘《海王》特殊能力，水棲生物如何在水下呼吸？

出品|網易科學人欄目組 卡麥拉

魚、水母、海星和海參都能夠在水下吸取氧氣。數億年前，人類以及長有脊椎和四肢的所有陸地生物的遠古祖先物種都擁有水下呼吸的能力，但當它們完全開始陸地生活從空氣中吸取氧氣，它們便逐漸喪失了水下呼吸能力。現今人們僅能使用特殊設備水下呼吸，或者像新近上映的科幻電影《海王》中擁有特殊水下生存能力的人。

《海王》中講述了半人類、半亞特蘭蒂斯人的混血兒「海王」（傑森·莫瑪飾演）和長得像人類的亞特蘭蒂斯表 大家如何在深海中自由呼吸，電影中提及到「鰓」，雖然劇情中未詳細描述鰓的結構，但是它給觀眾們留下了深刻印象。在現實生活中水下生物是如何在水中呼吸的呢？

事實上，地球海洋、湖泊和河流中存在大量溶解氧，但是我們人體肺部根本無法處理這些溶解氧。然而世界上的水棲生物已進化形成幾種水中獲取氧氣的方法。

遠古技術

像水母等一些生物是直接通過皮膚從水中吸收氧氣，美國北卡羅萊納大學副教授麗貝卡·赫爾姆(Rebecca Helm)稱，水母體內胃循環消化腔具有兩重作用，可以消化食物，並且能夠處理周圍的氧氣和二氧化碳。

事實上，地球上最早使用氧氣的微生物和水母一樣，它們也是通過擴散獲得氧氣。據《無脊椎生物：水母的科學和脊骨生長的藝術》作者、海洋科學家裘莉·貝瓦爾德(Juli Berwald)表示，這種遠古的水下呼吸方式可能出現在大約28億年前。

貝瓦爾德稱，由於只有一個外細胞層和一個內細胞層，而且它們身體內部是果凍狀，沒有細胞，所以它們不需要細胞，不像其它水棲生物需要過多氧氣維持實際的身體組織。

然而，這種通過擴散的「水下呼吸」也存在著缺點。這比使用循環系統將氧氣傳輸至身體遠端更慢一些，這可能意味著水母的生長是有限制的。

「後門」方法

棘皮動物是一種海洋生物，其中包括：海星、海膽和海參，它們能通過身體表面氧氣擴散進行呼吸。美國國家歷史博物館無脊椎動物學家克里斯多夫·馬赫(Christopher Mah)稱，當海水流過皮膚上叫做丘疹(papulae)的突起結構以及管足(tube feet)凹槽處時，海星可以獲取氧氣。

然而，一些淺水域海參生物對於呼吸具有不同類型的特殊適應——位於腔門附近的呼吸樹狀體腔可以吸氧。當海參的直腸開口將水吸入身體，呼吸樹將提取氧氣並排出二氧化碳。馬赫說：「它簡直就是用屁股進行呼吸。」

呼吸原理

據東北漁業科學中心介紹，對於魚類而言，鰓是一種成功的呼吸系統，它使用血管網路從流水中吸入氧氣，然後通過鰓膜進行擴散。

美國尼古拉斯州立大學生物科學系副教授所羅門·大衛(Solomon David)說：「大多數魚類，它們的鰓部都有相同的工作原理。」

大衛說：「它們是利用鰓部進行反向氣體交換——將氧氣抽出來，然後釋放出廢氣。當魚張開嘴的時候，會一股水流流過魚鰓，微紅色、高血管化組織吸取氧氣，然後排出二氧化碳。這有點兒像人體肺泡中的毛細血管。」

然而，魚鰓吸收氧氣並非適應所有情況，魚鰓結構可以在不同物種之間變化，其最終目的是滿足氧氣需求。例如：快速遊動的金槍魚的魚鰓與活動較少、伺機伏擊的鱷雀鱔相差很大。如果一個活躍的捕食性魚類，它們始終會需要不同的魚鰓適應高氧需求。

大衛補充稱，鰓的形狀甚至可以在同一物種的不同個體之間變換，這主要取決於它們生活水域的氧氣條件。最新研究表明，當魚類水棲環境遭受污染時，它們會調整鰓的形態，隨著時間的推移，鰓絲會變得更加緊密，從而排斥水中的污染物質。

一些水生兩棲生物也長有腮——從頭部向外延伸的分支結構，美國佛羅里達大學自然資源和環境學院水棲生態學家柯爾斯頓·赫克特(Kirsten Hecht)稱，這是兩棲動物的一種幼體特徵，隨著大多數物種的成熟，該特徵會逐漸消失，但是一些水棲蠑螈會保留外部鰓結構，一直到成年階段。

赫克特說：「肺魚，是一種使用改良魚鰾在水中獲取氧氣的魚類，有趣的是，在它們幼年時期，長著外部腮，所有肺魚物種到達成年期之前外部腮會消失。」