深海生物如何承受巨大的压力变化？

斯克里普斯海洋研究所海洋生物技术和生物医学中心的 Paul J. Ponganis 和 Gerald L. Kooyman 提供了以下答案。

有些海洋生物会利用深海环境。在适应压力方面，可能面临最大生理挑战的是那些必须经常从海面travel到深海的动物。两种这样的动物是抹香鲸和瓶鼻鲸。从捕鲸时代起，这些动物就被认为是卓越的潜水者，有报告称，它们在被鱼叉击中后还能潜水长达两小时。今天，借助声纳跟踪和附加的时间-深度记录仪，已测量到深达 6,000 英尺（超过海面以下一英里）的潜水深度。常规潜水深度通常在 1,500 到 3,000 英尺范围内，潜水时间可能在 20 分钟到一个小时之间。

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潜入深海可能会导致机械变形和组织压缩，尤其是在体内充满气体的空间中。这些空间包括中耳腔、头部气窦和肺部。即使空气腔与其周围组织之间产生微小的压差，也可能导致组织变形和破裂——这种情况在人类潜水员中被称为“挤压伤”。在某些鲸类动物中，中耳腔内衬有广泛的静脉丛，据推测，这些静脉丛会在深海中充血，从而减少或消除空气空间，并防止挤压伤的发生。鲸类动物还具有与耳鼓室和头部较大的翼状窦相通的粗大的咽鼓管。头部的这些气窦具有广泛的脉管系统，据认为其功能类似于中耳，有助于平衡这些空间内的气压。最后，大多数海洋哺乳动物都缺乏像陆地哺乳动物那样存在的额窦。

另一个容易受到压缩损伤的器官是肺。在深潜鲸和海豹中，外周气道得到加强，据推测，这使得肺部在潜入深海时能够塌陷。这种塌陷已通过放射线照相观察到，并在深潜威德尔海豹的血液氮分析中得到证实。

肺部的塌陷迫使空气离开肺泡，而肺泡是肺部和血液之间进行气体交换的地方。这种气体交换的减弱对于深潜动物来说非常重要，因为它防止了氮气吸收到血液中以及随后血液中氮气水平升高。高血氮压力会对潜水员产生麻醉作用（所谓的氮麻醉）。它也可能导致上升过程中形成氮气气泡——这种现象被称为减压病或“潜水员病”。深潜动物肺部的塌陷避免了这两个问题。

深海气体交换的丧失还有另一个重要的含义：深潜动物的肺在潜水过程中不能作为氧气来源。相反，深潜鲸和海豹依赖于血液和肌肉中大量的氧气储备。有几种适应性使之成为可能。首先，这些动物的单位质量血液容积是陆地哺乳动物的三到四倍（即，每公斤体重 200 到 250 毫升血液，而人类的值为每公斤体重 70 毫升血液）。其次，血红蛋白（血液中的氧气运输蛋白）的浓度也升高到大约是人类的两倍。第三，肌红蛋白（肌肉中的氧气储存蛋白）的浓度在这些动物中极高，约为人类肌肉中的 10 倍。

总之，像抹香鲸这样的深潜哺乳动物对压力的主要解剖学适应集中在含气空间和预防组织气压伤。当存在空气腔时，空气腔内衬有静脉丛，据认为这些静脉丛会在深海中充满，消除空气空间，并防止“挤压伤”。肺部塌陷，这防止了肺破裂，并且（在生理学方面很重要）阻止了肺部的气体交换。在深海中缺乏氮气吸收可防止氮麻醉和减压病的发生。此外，由于肺部在深海中不能作为氧气来源，深潜动物依赖于血液和肌肉中增强的氧气储备。

文章最初发表于 2002 年 5 月 2 日。