阿尔多·帕尔米萨诺是美国地质调查局生物资源部西部渔业研究中心的化学研究员,并隶属于西雅图华盛顿大学。这是他的回答。
有些鱼通常生活在淡水中,而另一些鱼生活在海水中的原因是,其中一种或另一种环境为它们提供了传统上有助于其生存的机会。两种栖息地之间一个明显的区别是盐浓度。淡水鱼维持着生理机制,使其能够在缺盐环境中将盐分浓缩在体内;另一方面,海洋鱼类在高渗环境中排出多余的盐分。生活在这两种环境中的鱼类保留了这两种机制。
鲑鱼和其他所谓的溯河洄游鱼类在其生命中的一部分时间生活在淡水和海水中。 |
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道: 订阅。通过购买订阅,您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
生命起源于数十亿年前的海洋,从那时起,生物就维持着与原始海洋的离子成分非常相似的内部环境。据推测,生命开始时的离子条件对于生命的延续来说是独一无二地合适的。实验室研究支持这样一种观点,即生命赖以生存的各种化学现象——包括核酸彼此之间以及与蛋白质的相互作用、酶等蛋白质的折叠和功能、核糖体等细胞内机器的运作以及细胞区室的维持——都严重依赖于反应发生的离子环境。
随着时间的推移,海洋生物利用了未开发的资源,例如相对安全的产卵栖息地或新的食物来源,这些资源只有通过殖民其他环境(如淡水和陆地)才能获得。地质事件,如陆地板块的移动和碰撞(板块构造)和火山活动,促进了殖民化,即使不是必要的,这些事件将同一物种的非常相似的种群彼此隔离。这种地质变化迫使一些种群要么适应,要么面临灭绝。时间和由于物理和环境变化引起的自然选择与隔离协同作用,促进了适应。在某些情况下,这些适应变得永久,并导致物种分化。
环境变化的一个重要方面是作为栖息地的水体的离子成分。海洋鱼类鳃中的氯细胞产生一种称为鳃Na+/K+ ATPase的酶,使其能够去除血浆中多余的盐分,这些盐分是它们饮用海水时积累的。它们利用这种酶以能量为代价将钠泵出鳃。此外,它们的肾脏选择性地过滤掉二价离子,然后将它们排出。另一种生理机制使淡水鱼能够浓缩盐分,以补偿其低盐度环境。它们产生非常稀释、大量的尿液(每天高达体重的三分之一),以排出多余的水分,同时在鳃处进行离子的主动吸收。
当然,其他适应也促成了孤立种群更充分地适应其环境的能力。由于不同栖息地存在不同的捕食者和猎物生物,以及它们可利用的不同物理范围,因此需要行为改变;也许较小或较大的体型或身体部位会更受欢迎。这些生理、行为和物理变化的积累最终导致了新物种的产生。隔离可能迫使它们在自己的后代中保留新开发的适应,而不是更广泛地传播它们。对于某些物种来说,裂痕最终变得彻底,曾经杂交的种群之间再也无法进行杂交。
并非不合理的是,海水鱼类多次殖民淡水环境;有些或多或少是完全的。逃离环境的能力可能是季节性的,或者在某些方面是周期性的,或者是间歇性的,并且在淡水中进行渗透调节的能力不一定排除恢复到海水渗透调节模式的能力,只要这种能力可以被相当一部分种群利用并进行选择,而不是简单地丧失。
鲑鱼在淡水中度过相对较短的时间,然后发展出在海水中进行渗透调节的能力,它们一生中的大部分时间都在海水中度过。一些鲑鱼种类,如粉红鲑鱼,在刚从砾石中孵化出来成为自由游动的幼鱼后就迁徙到海里。其他种类,如红鲑鱼、银鲑鱼和一些奇努克鲑鱼,在淡水中停留一到两年或更长时间,然后下游迁徙的冲动战胜了它们,这一系列生理和物理事件与它们发展出在海水中进行渗透调节的能力同时发生。因此,不同的鲑鱼种类利用了淡水环境的不同方面,但显然,如果它们在淡水栖息地产卵并在海水中度过成年生活,它们都享有更好的生命前景。
其他相关物种,如鳟鱼,在生理上对咸水的耐受性较差。大多数已经永久适应了淡水生活。它们可能也失去了可能使它们能够在海洋环境中成功生活的特征(例如,交配行为)。由于可能与其地理分布有关的原因,曾经使海水生活对它们来说很自然的特征最终变成了多余的包袱,并陷入了废弃和损坏状态。
威廉·A·沃茨是肯塔基州立大学合作推广计划的水产养殖专家。他对鱼类的进化和生理学提供了额外的见解。
在海洋、湖泊、河流和小溪中发现的各种鱼类已经进化了数百万年,并且在很长一段时间内适应了它们偏好的环境。鱼类根据其盐度耐受性进行分类。只能耐受非常窄的盐度范围的鱼类(如金鱼等淡水鱼和金枪鱼等海水鱼)被称为狭盐性物种。这些鱼类在盐度与其自然环境不同的水域中会死亡。
在生命周期的某些阶段可以耐受广泛盐度范围的鱼类被称为广盐性物种。这些鱼类,包括鲑鱼、鳗鱼、红鼓鱼、条纹鲈鱼和比目鱼,可以在从淡水到半咸水到海水的广泛盐度范围内生活或生存。但是,广盐性鱼类可能需要一段时间的逐步调整或驯化才能耐受盐度的巨大变化。
据信,当新形成的地球充分冷却后,开始持续降雨。这场降雨使最初的海洋充满了淡水。正是海洋中水的不断蒸发,然后凝结成雨水落在陆地上,进而导致海洋在数十亿年的时间里变得咸。当雨水冲刷土壤时,它溶解了许多矿物质——钠、钾和钙——并将它们带回海洋。
脊椎动物(鱼类、鸟类、哺乳动物、两栖动物和爬行动物)具有一个独特而共同的特征。它们血液中的盐含量几乎完全相同。脊椎动物血液的盐度约为每升9克(0.9%的盐溶液)。血液中近77%的盐是钠和氯。其余部分主要由碳酸氢盐、钾和钙组成。钠盐、钾盐和钙盐对于心脏、神经和肌肉组织的正常功能至关重要。
如果将海水盐度稀释到大约正常浓度的四分之一,它的盐度几乎与鱼血相同,并且含有相似比例的钠、钾、钙和氯。脊椎动物血液的盐含量与稀释海水的相似性表明脊椎动物与原始海洋之间存在很强的进化关系。
事实上,脊椎动物生命似乎是在海洋盐度约为今天四分之一时进化而来的。随着海洋变得更咸,脊椎动物进一步进化,几类脊椎动物(鸟类、哺乳动物、爬行动物和两栖动物)离开了海洋,栖息在陆地上,并将海水作为血液随身携带。它们通过饮用淡水和从食物中吸收盐分来维持血液盐浓度。
但是鱼类仍然留在水生环境中。为了适应,它们要么必须留在低盐度环境中,如海湾和河口,要么必须进化出机制来补充因渗透作用而流失到海水中的水分,并去除从日益盐化的海洋中吸收的盐分。为了栖息在淡水中,鱼类必须补充因扩散作用而流失到水中的盐分,并消除从环境中吸收的多余水分。肾脏功能必须相应地改变,鱼类才能在这些不同的栖息地中生存。
在海水中,鱼类必须饮用盐水以补充流失的液体,然后排出多余的盐分。它们的肾脏产生少量含有高浓度盐分的液体。淡水鱼产生大量稀释的尿液,其盐分含量低。在半咸水或低盐度水中,维持血液盐浓度稳定的肾脏压力较小。
最终,鱼类适应或栖息于海洋、淡水或半咸水,因为每种环境都为不同的物种提供了一些竞争优势。例如,有人提出,广盐性鱼类能够通过在淡水和咸水之间移动来消除体外寄生虫。不同盐度的栖息地提供了新的或更多的食物、逃避捕食者的机会,甚至还有热避难所(稳定的温度)。
加利福尼亚州蒙特雷湾水族馆的海洋科学顾问史蒂文·K·韦伯斯特补充了一些关于在咸水和淡水之间移动的鱼类的观点。
今天活着的大约22,000种鱼类生活在几乎所有类型的海洋和水生栖息地中,这些栖息地并非过度有毒。有些鱼类,包括鲑鱼、七鳃鳗、西鲱、鲟鱼和条纹鲈鱼,一生中至少在淡水水体和海洋之间移动一次以进行产卵。许多这些溯河洄游物种每年都这样做,在一个领域中寻找繁殖所需的条件,在另一个领域中寻找觅食和生长所需的条件。
这些鱼类在从淡水到咸水再返回时,必须转换其盐平衡生理机能。它们通常在半咸水河口环境中进行这些调整——该环境位于咸水和淡水栖息地之间的通道上。