揭秘《海王》特殊能力，水栖生物如何在水下呼吸？

出品 | 网易科学人栏目组 卡麦拉

鱼、水母、海星和海参都能够在水下吸取氧气。数亿年前，人类以及长有脊椎和四肢的所有陆地生物的远古祖先物种都拥有水下呼吸的能力，但当它们完全开始陆地生活从空气中吸取氧气，它们便逐渐丧失了水下呼吸能力。现今人们仅能使用特殊设备水下呼吸，或者像新近上映的科幻电影《海王》中拥有特殊水下生存能力的人。

《海王》中讲述了半人类、半亚特兰蒂斯人的混血儿“海王”（杰森·莫玛饰演）和长得像人类的亚特兰蒂斯表亲们如何在深海中自由呼吸，电影中提及到“鳃”，虽然剧情中未详细描述鳃的结构，但是它给观众们留下了深刻印象。在现实生活中水下生物是如何在水中呼吸的呢？

事实上，地球海洋、湖泊和河流中存在大量溶解氧，但是我们人体肺部根本无法处理这些溶解氧。然而世界上的水栖生物已进化形成几种水中获取氧气的方法。

远古技术

像水母等一些生物是直接通过皮肤从水中吸收氧气，美国北卡罗莱纳大学副教授丽贝卡·赫尔姆(Rebecca Helm)称，水母体内胃循环消化腔具有两重作用，可以消化食物，并且能够处理周围的氧气和二氧化碳。

事实上，地球上最早使用氧气的微生物和水母一样，它们也是通过扩散获得氧气。据《无脊椎生物：水母的科学和脊骨生长的艺术》作者、海洋科学家朱莉·贝瓦尔德(Juli Berwald)表示，这种远古的水下呼吸方式可能出现在大约28亿年前。

贝瓦尔德称，由于只有一个外细胞层和一个内细胞层，而且它们身体内部是果冻状，没有细胞，所以它们不需要细胞，不像其它水栖生物需要过多氧气维持实际的身体组织。

然而，这种通过扩散的“水下呼吸”也存在着缺点。这比使用循环系统将氧气传输至身体远端更慢一些，这可能意味着水母的生长是有限制的。

“后门”方法

棘皮动物是一种海洋生物，其中包括：海星、海胆和海参，它们能通过身体表面氧气扩散进行呼吸。美国国家历史博物馆无脊椎动物学家克里斯多夫·马赫(Christopher Mah)称，当海水流过皮肤上叫做丘疹(papulae)的突起结构以及管足(tube feet)凹槽处时，海星可以获取氧气。

然而，一些浅水域海参生物对于呼吸具有不同类型的特殊适应——位于腔门附近的呼吸树状体腔可以吸氧。当海参的直肠开口将水吸入身体，呼吸树将提取氧气并排出二氧化碳。马赫说：“它简直就是用屁股进行呼吸。”

呼吸原理

据东北渔业科学中心介绍，对于鱼类而言，鳃是一种成功的呼吸系统，它使用血管网络从流水中吸入氧气，然后通过鳃膜进行扩散。

美国尼古拉斯州立大学生物科学系副教授所罗门·大卫(Solomon David)说：“大多数鱼类，它们的鳃部都有相同的工作原理。”

大卫说：“它们是利用鳃部进行反向气体交换——将氧气抽出来，然后释放出废气。当鱼张开嘴的时候，会一股水流流过鱼鳃，微红色、高血管化组织吸取氧气，然后排出二氧化碳。这有点儿像人体肺泡中的毛细血管。”

然而，鱼鳃吸收氧气并非适应所有情况，鱼鳃结构可以在不同物种之间变化，其最终目的是满足氧气需求。例如：快速游动的金枪鱼的鱼鳃与活动较少、伺机伏击的鳄雀鳝相差很大。如果一个活跃的捕食性鱼类，它们始终会需要不同的鱼鳃适应高氧需求。

大卫补充称，鳃的形状甚至可以在同一物种的不同个体之间变换，这主要取决于它们生活水域的氧气条件。最新研究表明，当鱼类水栖环境遭受污染时，它们会调整鳃的形态，随着时间的推移，鳃丝会变得更加紧密，从而排斥水中的污染物质。

一些水生两栖生物也长有腮——从头部向外延伸的分支结构，美国佛罗里达大学自然资源和环境学院水栖生态学家柯尔斯顿·赫克特(Kirsten Hecht)称，这是两栖动物的一种幼体特征，随着大多数物种的成熟，该特征会逐渐消失，但是一些水栖蝾螈会保留外部鳃结构，一直到成年阶段。

赫克特说：“肺鱼，是一种使用改良鱼鳔在水中获取氧气的鱼类，有趣的是，在它们幼年时期，长着外部腮，所有肺鱼物种到达成年期之前外部腮会消失。”