在脊椎动物的进化过程中,温度对生命体的生理活动具有重要的调节作用。陆地上的鸟类和哺乳类之所以能够成功的适应各种生境,其恒温能力功不可没。尽管大部分鱼类是变温动物,他们身体的温度会随着水体环境的变化而变化,但是温度对于它们也是有着同样重要的作用。
相比与陆生环境而言,水生环境的生物想要获得恒温能力更为艰难,它们必须面对水体高比热,热量易丢失的挑战。自第一例恒温鱼类被发现以来,目前至少有40种鱼类克服了这些困难,具备类似于哺乳动物和鸟类的恒温能力。这些恒温鱼类主要包括软骨鱼中的大约10个物种 (分别来自于鼠鲨目和鳐目)与硬骨鱼中大约30个物种,其中硬骨鱼中主要是剑旗鱼目中的大约15个物种,金枪鱼中的15个物种以及月鱼目中的月鱼。
鼠鲨目(图片来自网络)
鱼类恒温是一种较为罕见的现象,在现有的大约4万种鱼类中,不到千分之一的鱼类具有这种能力。他们通过不断的游泳,产生热量,维持恒温,最后演化成为鱼类中繁荣昌盛的类群。尽管这些鱼类的恒温能力和恒温机制不同,但他们都有一个明显的共同特征,那就是至少要保证一些重要的器官(例如大脑和眼睛)拥有较高的温度,从而保证他们能够穿梭于不同的环境中。
鱼类都有自己的温度极限和最优的适应性温度,环境温度超越了这个极限就可能带来死亡的风险,因此,很多变温鱼类通常都是在一个温度变化不大的环境中生活,那么它能获取的资源也是在这个有限的环境中。而恒温鱼的温度相对比较稳定,因此具有更广泛的生态位;在海洋环境中,温跃层上下有着较大的温度差异,像这种恒温鱼类既能够在温跃层以上生存,也能够游到温跃层一下去获取猎物,那么它就能够获取更多的资源。
另一方面,温度对于视觉的分辨率以及对大脑处理信息都具有重要的作用,恒温鱼类中的旗鱼、剑鱼和金枪鱼都有一个非常优秀的视力系统,在寒冷的水域中,保持较高的温度非常利于视觉的清晰度和大脑对视觉信息的处理。然而这种较高的温度也是存在着副作用的,当水体环境过热的时候,他们不得不向温度较低的温跃层或者更南、更北的水域游动,这样可以使他们更为凉快一些。
旗鱼(图片来自网络)
脊椎动物的骨骼肌占据了身体上的很大部分,不论是天上飞的、地上跑的还是水里游的,骨骼肌占据了很大的比例;在动物演化的过程中,像恒温动物,不论是鱼类、鸟类还是哺乳类很大程度上都依赖于骨骼肌作为热源,只不过哺乳动物中除了骨骼肌可以作为热源外,有些哺乳动物中也会使用到棕色脂肪组织作为热源来供热。像刚出生的婴儿,前期的时候也是靠棕色脂肪组织产热来维持身体的恒温,但是随着慢慢的发育过程,肌肉产热就逐渐代替了棕色脂肪组织,而恒温鱼类自始至终都是使用骨骼肌做为热源产热。所有的产热过程都是首先依赖于ATP的合成,然后是ATP的分解,然而这却是一个能量消耗巨大的过程,特别是对于水生环境的动物而言,维持相同的温度通常要花费比哺乳动物多好几倍的热量。
除此之外,鱼类的恒温通常要至少满足三个条件:大躯体,拥有热源以及用于温度保存和交换的逆流交换器。最近的研究显示,从恐龙演化到鸟类的过程中,躯体的大小与恒温的能力呈现反比的现象,然而目前看来有恒温能力的鱼类通常都有一个较大的躯体,这与鸟类的恒温演化出现了相反的过程。我们最近关于独立起源的旗鱼、剑鱼和金枪鱼的产热机制研究发现,剑鱼、旗鱼和金枪鱼中存在着一些与产热相关的趋同基因,主要表现在糖酵解途径中。这些趋同基因的改变确实改变了真骨鱼类热量产生的效率。在逆流交换器的形成上,我们也发现了一些旗鱼和剑鱼独有的遗传创新,这可能与它们独特的血管网络有关,能够使它们在寒冷的水域中实现更好的温度保存和热量交换。
剑鱼(图片来自网络)
对于不同起源的恒温鱼类,它们获取这种恒温能力背后的驱动力有所不同,旗鱼和剑鱼恒温能力的获取大约是在6600万年前,这个时候正是中生代和新生代交替的时间,大陆板块发生了翻天覆地的改变,陆块此升彼降,不断分裂,缓慢漂移,相撞接合,海洋环流,温度下降,南北极出现了冰盖,海洋的质地面貌和温度有了较大的变化,鱼类的生存环境也就有了翻天覆地的变化,为了适应当时的环境温度变化,旗鱼和剑鱼就进化出了恒温能力,以应对当时的环境变化,成为当下最成功的鱼类之一。
来源:中国科学院深海科学与工程研究所
来源: 中科院之声
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