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宇宙中有千千万万颗星球,但是迄今为止,最适合人类生存的星球仍然只有地球一颗。其他星球为什么不适宜人类生存,究其原因,不外乎氧气、水分、气压和温度等几类条件不达标,其中氧气更是重中之重,人类一旦缺氧便要窒息身亡。不过也许我们可以向一些动物学习,让氧气变得不那么必要。 低氧环境,唯我独尊 想在氧气含量极低的环境中生存,学会更高效地利用氧气的方法是重中之重,有些动物在缺氧的环境中也能正常生存。 喜马拉雅跳蛛就是其中的佼佼者。这种动物定居在海拔6700米的喜马拉雅山上,它能居住在这里的秘密武器除了能眼观八方的八只眼睛、身覆零下20度也冻不僵的绒毛“棉服”、攀岩必备的“铁爪”步足外,更离不开在稀薄的空气中汲取氧气的肺——书肺。 跳蛛的肺由许多像书页一样的薄层堆叠而成,因此得名“书肺”。这些薄层增加了肺部的表面积和与血管的接触面积,非常有利于氧气进入血管。空气从跳蛛身体下侧的呼吸孔和与之相连的气管进入到书肺,在这里,空气被分配到“书页”中间的间隔中,分布在“书页”之上的小血管不断吸收空气中的氧气,供身体活动所需。正是因为具有这样的肺,喜马拉雅跳蛛才能安然独自生存在喜马拉雅山山巅之上。 斑头雁也是高原生活、高空飞行的小能手,因此它也有自己的一套对付低氧环境的方法。研究表明,斑头雁体内编码血红蛋白的基因有四处发生了突变,突变后的血红蛋白与氧气结合的速度更快,让它们能更高效地利用氧气,这是长期的高原生活赋予它们的能力。 而更加发达的气囊则是斑头雁飞越高山的秘密武器。斑头雁与其他许多鸟类一样,拥有六个直接与肺相连的气囊,分别分布在颈部、胸腹部和腹部。这些气囊以“接力赛”的方式不间断地供应着氧气:吸气时,一部分空气经肺部直接进入血液,另一部分空气进入气囊“以旧换新”,从颈部气囊到最末端的腹部气囊,逐步完成新鲜空气替换原先储存的“旧”空气的过程。“新”空气把“旧”空气赶到肺部,再利用后呼出。于是斑头雁在一吸一呼的过程中会获得两次氧气,而哺乳动物只在吸气时获得氧气。 喙鲸是一种适应深海生活的鲸类,常在深海中捕捉乌贼等为食,我们很难见到。2014年,科学家宣称观察到两只居维叶突喙鲸在海平面以下2992米深的地方憋气潜水两小时17分钟,这是我们观察到的海洋哺乳动物最深和最长时间的潜水记录。喙鲸高强的憋气潜水能力得益于它们的肌红蛋白。 肌红蛋白是肌肉中与氧气结合,运输氧气到肌肉细胞中的蛋白质。喙鲸的肌红蛋白呈球状,中间有一个口袋形的空穴,与氧气结合的活性成分——血红素就藏在这个空穴中。血红素被藏起来有非常重要的意义,我们之所以会煤气中毒,就是因为煤气中的一氧化碳与血红蛋白结合的能力比氧气更强,最终会使我们窒息。鲸鱼的血红素也更喜欢一氧化碳,如果它不被藏起来,它与一氧化碳结合的能力要比氧气强2.5万倍,氧气就没有与血红素结合的机会了。血红素被藏起来后,一氧化碳的结合能力就只比氧气强200倍了,基本与人的血红蛋白相当,这样在氧气远多于一氧化碳的海洋环境中,氧气才得以与血红素结合。 海洋哺乳动物的肌红蛋白比陆地哺乳动物多10倍,因此可以在肌肉中储存更多的氧气,让它们潜水时间更长。但是通常情况下,蛋白浓度越高就越容易“粘”在一起,储氧能力会减弱。不过鲸鱼有独门秘诀:它让体内的肌红蛋白表面都带上了正电荷,这就使得肌红蛋白之间相互排斥,而不是“粘”在一起,这和磁铁同性相斥是一个道理。这样鲸鱼就可以拥有更多的肌红蛋白而不怕它们活性受影响,从而保持更长时间的潜水记录了。 全身总动员,适应低氧环境 习惯了平原生活的人们在高海拔地区常会发生“高原反应”,这就是身体缺氧的表现,但“全身总动员”的牦牛从来没有这种困扰。 牦牛分布在中国青藏高原海拔3000米以上的地区,是除人类外唯一能生活在高海拔地区的哺乳动物,这使得它的身体结构和基因组成与普通牛类有很大区别。 从气体进入牦牛身体开始,就被它各个结构“牢牢地盯住”。牦牛的气管粗大,环状软骨弹性大且肌肉发达,具有能湿润加热气体的杯状细胞,这增加了吸氧量和吸收率。 肺部是空气的主要利用部位,当然不能掉链子。牦牛的肺很发达,肺泡发育快且多,肺泡上皮较薄,有许多凹陷以及空泡状结构,能填充更多空气,也便于更多血管蔓延。而作为接受空气的一方,肺组织中毛细血管也非常丰富,毛细血管壁还会随着牦牛年龄的增加而变薄,这样牦牛肺部的气体交换效率可以得到显著提升。 牦牛比普通牛类多了一对肋骨,这是为了更好地承托和保护它发达的心脏。牦牛的心脏重量高达1.5千克,左心室壁较厚且还拥有粗大的心肌纤维,能泵出更多的血液。血管则具有特殊的结构,比如心室上弯弯曲曲盘绕的微静脉、微动脉出口缩窄等,这使得心脏处的血液回流速度加快。 更微观的层面,牦牛血液中红细胞更多,能捉住更多的氧气,但是这将增加它的血压,好在它也有基因突变的血红蛋白,可以让它的血压下降到可以承受的水平,同时提高了血红蛋白对氧气的运输能力。氧气运进细胞以后,氧化能力强且又小又多的线粒体可以充分利用氧气,满足身体的需求。 无氧环境也能生存 低氧环境生存不易,无氧环境更无法生存,人类如果缺氧超过四分钟就会造成永久性脑损伤,超过六分钟则药石罔效,但有些动物的“憋气”记录远高于人类。 裸鼹鼠是一种社会性极高的群居啮齿动物,常年生活在低氧(含氧量低至6%)的地下洞穴,它们对低氧环境有很好的适应力,在完全没有氧气的情况下能存活18分钟且脑细胞没有明显的损伤。 裸鼹鼠平时还是进行有氧呼吸的,但它们在完全无氧的环境下,也不会束手待毙,而是积极自救。研究人员将裸鼹鼠置于实验室的无氧条件下,裸鼹鼠体内与果糖代谢相关的基因将发挥作用,生产能进行果糖代谢的酶。接着它们将体内的果糖输送至脑细胞,并在这里分解成乳酸给脑细胞供能,整个过程不需要氧气的参与。当然,乳酸对细胞有害,裸鼹鼠的无氧呼吸过程不能持久,但是在无氧时维持十几分钟的生命已经很不容易。如果人类能够获得这种能力,在脑梗死或中风发作时,也将能争取更多的抢救时间。 与裸鼹鼠相比,鲫鱼才是最强的“憋气高手”,它能够在无氧的冰冻深水湖中生存长达五个月之久。 我们知道,分解葡萄糖是动物获得能量的主要方式。葡萄糖在线粒体中首先被分解成丙酮酸,在有氧气的情况下,丙酮酸将继续分解,成为正常的供能物质。而如果没有氧气,细胞会将丙酮酸转化为乳酸。如果细胞连续几个小时都进行无氧呼吸,过多的乳酸将杀死细胞,危害生命。但是科学家发现鲫鱼在没有氧气的情况下也能存活几个月,因为它的线粒体内参与呼吸作用的酶发生了突变。 突变后的酶与啤酒酵母的酶非常相似,能将粮食中的葡萄糖分解成酒精。这种酶在没有氧气的情况下不再将丙酮酸分解成乳酸,而是分解成乙醛,这也是乙醇(酒精)初始分解阶段的产物。鲫鱼发生无氧呼吸后,产生的酒精将通过鳃呼出水中,这样就不会对它的细胞产生毒性。而只要它在沉入水底过冬前,在肝脏和肌肉中存有足够的葡萄糖,即使要在无氧的水底度过漫长的冬天,也不会因缺氧而死。 从低氧到无氧,不同生物有自己独特的生存秘诀,如果我们能学到一招半式,不仅能争取更多宝贵的救命时间,也能成为我们未来在低氧太空生活的保命绝招。