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洞穴生物与人类联系密不可分 研究洞螈预防人类衰老机理
发布时间:2018-06-27 10:50:34 浏览次数:383

 来源:《大赢家》20185月号

/欧忠

尽管地下洞穴生物很少与人类直接接触,但是它们与人类的联繫密不可分。由于近年受到越来越多的人为干扰,这些神秘的地下洞穴生物,已经逐渐陷入危机当中。洞螈是一种洞穴生物,它身上有多项纪录,包括长寿、绝食、屏吸。科学家60多年前建立实验室研究洞螈,希望解开洞螈长寿之谜,使我们更好预防人类衰老的机理。

寿命可超过100

洞螈身上有多项纪录:长寿纪录(寿命可超过100岁)、绝食纪录(可8年不进食)和屏吸纪录(可在没有氧气的件下存活3天)。奥地利医生和自然科学家约瑟夫·尼古拉·洛朗于1768年在他的家乡发现了这种被当地人称为「幼龙」的动物,但当时并不了解它的这些神奇特性。怀着一种美妙的预感,约瑟夫·尼古拉·洛朗为它起名为「普罗透斯」,这是希腊神话中一个年老又执拗的海神的名字只有当他被链条锁住或是怒气消散时,才会吐露出他的预言。这三个世纪以来,洞螈一直让科学家们着迷,却从不轻易吐露它的秘密。为了揭开洞螈身上的谜团,60年前在比利牛斯山的一个山洞里,有人建造起一个培育实验室。而直至今日,经过漫长岁月积累起来的相关信息才使人们得以深入了解它不同寻常的新陈代谢方式。

洞螈生性谨慎,它原产亚得里亚海沿岸山区,生活在深邃岩洞内的水中。这种有尾物种(即成年阶段仍保留尾巴的两栖类动物,如娃娃鱼)每天的活动时间只有5分钟,足以使最有耐心的观察者都感到泄气,更何况获取的样本根本不足以对其进行充分的研究。「从野外采集样本,生物学家们只能观察到更容易出现的幼年洞螈,它们通常出现在洞穴探险爱好者们容易进入的集体觅食区里。」法国国家科研中心慕里斯站的研究员和极端环境专家奥利维耶·纪尧姆解释道,「然而,研究结果显示,幼年洞螈和成年洞螈会相互避开。每个年龄段的洞螈都有自己的领地,负责交配的雄性成年洞螈躲在一些十分边缘的缝隙中,人类无法进入。只有在慕里斯,我们能够研究到成年的洞螈样本。借助1958年第一批洞螈出生以来留下的记录·我们可以推算出它们的年龄。」

对水污染很敏感

通过汇集这个世界上独一无二的培育实验室所有的珍贵数据,奥利维耶·纪尧姆和他的同事们建立了一个数学模型,用以展示洞螈群体中个体的成长。结果发现,洞螈在15.6岁时达到性成熟,每12.5年产35个卵,哪怕到了80岁的高龄,也不会有任何衰老的迹象。除了其他成年雄性个体外,这种穴居动物在自己的生活环境里没有天敌。然而它却非常脆弱,尤其是那层非常薄的皮肤,难以承受哪怕是轻微的抓伤。一旦受伤,病原就会侵入它的机体造成伤害。此外,它对水污染也很敏感,如果遭遇,只能坐以待毙。尽管存在这种意外死亡的概率,但生物学家依然认为洞螈拥有永葆青春的秘诀,能使它在衰老的过程中保持年轻的容貌,这也是人类长久以来的梦想。

对冷血脊椎动物来说,寿命长短通常与体形大小紧密相关:动物体形越大,它的寿命就越长。按照这个推论,洞螈的特性更为惊人,永葆青春的秘密使得这种小小的两栖动物的寿命不亚于日本大鲵(饲养情况下寿命可达130年)?要知道,它的体重只有日本大鲵的千分之一。这种身长只有20多厘米的小动物是通过何种生物奇迹与最大哺乳动物蓝鲸在寿命方面相媲美呢?

高效能减少垃圾氧化衍生物

附属于法国里昂第一大学的慕里斯研究团队首先想解答的问题是,洞螈是否不同于其他物种,发展了自身极为有效的抗氧化机制,以避免氧化衍生物的产生。氧化衍生物的自由基大量聚集,会引起氧化应激,进而对细胞产生损害,加速细胞的老化。现在这种假设已经被排除了:洞螈的抗氧化活动与其他寿命更短的物种没有区别。那么,它的长寿是否可能与它慢吞吞的生活节奏直接相关呢?然而,经过对它的基本代谢即能量消耗水平进行测试,也没有发现任何特别之处。

在研究者们看来,洞螈长寿的秘密在于它的能效,更准确地说是它体内线粒体的效率。这些生物「机器」在细胞里合成三磷酸腺苷分子,以通过化学反应产生能量。他们提出,较之所消耗的氧气,三磷酸腺苷的产量非常高。由于洞螈活动量小,且生理特征特殊,它的这种高效能可以减少体内垃圾如氧化衍生物的产生,使它无需限制基础代谢,无需进一步加强抗氧化活动。尽管细胞内能量产生、氧化衍生物的排出和冷血动物寿命长短三者之间的关系还没有很好地建立起来,但这种描与对活体的观察相符。「可以确定的是,与其他物种相比,洞螈能够很好地经营体内能量储备,非常节约地使用经消化得到的能量副产品。」奥利维耶·纪尧姆提醒道。

适应环境特化器官功能加强

为了了解更多情况,研究人员现在决定深入研究洞螈的基因组。「我们尤其对TORtarget of rapamycin)基因感兴趣。」慕里斯研究站成员、里昂第一大学的亚那·乌杜隆表示。TOR是一种多功能基因,主要用于调节生产和多细胞器官内的代谢。「这种基因在衰老过程中发挥重要作用。我们想对洞螈的这种基因进行排育,看看有无特别之处。」

这种基因能帮助我们识破看似纤弱的洞螈长寿的秘密吗?能使我们更好地理解人类预防衰老的机理吗?直至今天,洞螈对这个秘密仍然守口如瓶。但没有关系,就像墨涅拉俄斯耐心等待年老的普罗透斯吐露预言一样,科学家们也学会了耐心等待……

洞穴鱼类,是指那些以洞穴或者地下河为栖息环境的鱼类。离开这个环境,它们就不能完成其生活史,也不能正常地繁殖后代。由于长期生活在这样的环境里,这些鱼类在身体特征上也逐渐产生了变化,表现出对洞穴黑暗极端环境的适应。这些变化主要体现在两个方面,一是退化或器官功能的减弱,另一个是特化或器官功能的加强。

一般来讲,环境变暗对视觉器官的改造是首当其冲的。在丝毫没有光线的黑暗环境下,眼睛完全失去了感光和视物的作用,基本不再有存在的价值。因此,它们的眼睛变得越来越小,慢慢演化成一对眼点。还有很多种洞穴鱼的眼睛则完全消失,连眼点都不剩,视神经也基本退化。

此外,在黑暗环境下,体色失去其在行为学上的意义,也失去抵抗紫外线辐射的功能,故而洞穴鱼的体色褪去,身体变得半透明,有些还可以从外面直接看到体内那颗跳动的心脏。与之相似地,很多其他类群的洞穴生物也有这种现象。

洞穴鱼类触须和副肢较长

从另一方面看,虽然有的器官功能削弱了,但有些器官的功能反而得到了加强。譬如洞穴鱼类的触须和副肢一般相对较长。另外,它们身上的侧线系统也要比一般的地表鱼类发达。通过触须和侧线,洞穴鱼类可以更好地感知环境与猎物,从容地在洞穴里生活。中国的洞穴鱼里,有的种类最奇怪的地方不是消失的眼睛和半透明的身体,而是头顶上生出了一个向前突出的角来,颇有些「水中独角仙」的味道,这在一般鱼类当中可不多见。

中国对洞穴鱼的研究起步比较晚,至今只有30多年的历史。但在这短短的时间里,已经发现并记录了100多种洞穴鱼类,是世界上洞穴鱼类最多的国家,而且每年都还有新的洞穴鱼类被发现。中国丰富的洞穴鱼类资源,为探索极端环境下生命的演化过程提供了充足的科学材料。但是,这些洞穴鱼类的绝对数量却非常稀少。

因为洞穴内没有光线,植物不能进行光合作用,食物和能量都要依靠外界输入,所以洞穴鱼类的种群数量往往十分有限。中国的洞穴鱼类绝大多数都分布在云贵高原,虽然种类众多,但多数种类的分布区域都相当狭小,有的种类只分布有特定的洞穴或地下河中。稀少的种群数量,加上有限的分布区域,使得很多洞穴鱼类都处在濒危的状态。

洞穴鱼类基本上是肉食动物

在云贵高原:喀斯特(岩溶)地貌高度发育,地下河网密布。这里的河流有一个重要的特点,就是「明流-伏流」交错出现。明流是在地表上流行的河流,滋润着草木和庄稼;伏流,则是这些地表的河流(明流)突然钻入地下,穿山越岭,经过很长段距离后,又从另外一个地方流出来。这些明流和伏流,「穿针引线」般地将附近一座座石山串联起来,别具一番风情。在这一段段我们看不到的伏流中,就生活着不同种类的洞穴鱼类。

明流进入地下后,会为洞穴带来一些地表的有机物和水生昆虫,洞穴鱼类主要就依靠这些食物为生。当解剖了一些洞穴鱼类会惊奇地发现,在它们的消化道内,食物残渣大都是昆虫的附肢,说明这些洞穴鱼类基本上是肉食动物。另外,在实验室里饲养洞穴鱼的经历也证实了这一点。

尽管有些地下河长达几十公里,但对于鱼类来讲,范围确实有限,可谓狭窄。有很多种洞穴鱼类,只在些特定地点(有些是唯一的)才能发现,即便在距离很近的另一条地下河中,也从未发现它的遗迹。这就意味着,一旦它存在的这条地下河干枯或改道,可能就会从根本上影响这种洞穴鱼在地球上的存亡。

地下河中,洞穴鱼类也并非均匀分布。在一些特定的小型生态环境下,某些种类的洞穴鱼类的数量较多,而且会随着季节变化。在中国,有的洞穴鱼类只分布于一条地下河或地下湖、地下水塘内,但也有几种不同的洞穴鱼共同分布在同一条地下河中,后一种现象在世界上是很少见的。

污染滥捕威胁洞穴鱼

洞穴和地下河系统仿佛离我们这个喧闹的社会很远,实际上地下水和地表水一样,都处在水循环系统中,都受到人类生产、生活的深刻影响。因此,尽管有了洞穴这样的天然庇护所,但威胁洞穴鱼类生存的因素仍然不少,例如污染、洞穴环境破坏和滥渔滥捕,而且这些威胁因素基本都是人为造成的。

村庄和工厂排出的污水、农田里施放的化肥和农药,不仅会被明流逐渐汇聚起来,而后随着水流进入地下,而且还会通过土壤直接渗入地下河中。平时堆放的固体垃圾、矿渣等也可能因为某次洪水的袭击,而随着地表水进入地下河系统。洞穴里的水体原本是十分清洁的,洞穴鱼类也是很爱干净的生灵,随着长期的进化它们已经无法再在洞外生活。可是它们的家园却一天比一天污秽,因此只能在有限的洞穴空间里忍受煎熬,种群数量也逐渐下降。我们在野外考察时,就曾发现过不同地方、不同时期的地表河污染,给某些洞穴鱼类带来灭顶之灾的例子。

人类对洞穴的利用古已有之,不过古人对洞穴的破坏程度远远不如现在。社会经济活动加速发展,洞穴这个看似与我们无关的地方,也受到了很大的影响。比如开山采石、修筑公路,就会直接破坏洞穴系统。最早发现鸭嘴金线鲃的那个洞穴,已经因为修建公路而被彻底改变,洞穴顶部被炸开,一条公路横跨而过。事后我们几次去那个洞穴调查,都没有再发现洞穴鱼类的踪影,恐怕鸭嘴金线鲃在此地已经永远地消失了。

清幽世界变成热闹场所

由于石灰岩的渗透作用,云贵高原地区有着「地上水少、地下水多」的特点,经常会发生比较严重的旱情,造成生活和工农业用水的紧张。因此在这一地区,利用地下水资源的情况十分普遍。最常见的方法就是将管道铺设到洞穴中,用抽水机不断将洞里的水汲到地表来。有时候,洞内一个小小的水洼里,就密密麻麻地挤满了十几条甚至几十水管。抽水机不停地轰鸣和震动,对于敏感的洞穴鱼类来讲,不啻是一种严重的干扰。建设机井也是取水的方法之一,大鳞原花鳅就是从机井打上来的水里发现的。虽然这些取水工程的单体规模都不大,但由于「遍地开花」,整体的影响相当大。

利用地下河修建水工设施,在当地也很普遍。例如在洞穴里修筑堤坝和沟渠,引水出洞,用来浇灌附近的农田;有的规模更大,直接利用地下水河修建水库。例如广西宜山的里洞水库,就都属这一类型。

近年来,很多溶洞进行了旅游开发,为了方便游客,在洞内铺垫了便道、布置了各色灯光。从此,杳无人迹的清幽世界变成了游人如鲫的热闹场所,原来稳定的洞穴环境更是频繁受到干扰。这方面同样有着令人扼腕的例子,在古籍的记载中,早在500多年前,云南泸西的阿庐古洞就分布着洞穴鱼类(透明金线鲃),直到上世纪80年代,仍有不少个体生活在洞中。但是,自从阿庐古洞被开发为著名的旅游点后,这种透明的鱼就越来越少,如今已很难觅得它们的踪迹了。

对洞穴鱼类来说,上述的「污染」和「洞穴环境破坏」多少还可以算成是「间接伤害」,而人们针对它们展开的滥渔滥捕,则直接威胁到这种群的生存,且这样的行为时时刻刻都在发生着。

在洞里,因为大的网具施展不开,毒、电、炸的捕鱼方式就很普遍。这些捕鱼方式对幼鱼伤害最大,种群因而不能得到有效补充,也是中国所明令禁止的。

滇池金钱鲃列二级保护动物

有些种类的洞穴鱼,譬如滇池金线鲃、抚仙金线鲃,都是当地的特产,吸引了很多游客前来品尝,结果数量越来越少,而价格则越来越高,这又进一步刺激了人们的捕捞欲望,逐步形成了恶性循环,使得这些鱼类资源呈现出严重的枯竭状态。目前,滇池金钱鲃已被列为国家二级保护动物。

有些洞穴鱼类由于体形独特,已经成为了观赏鱼市场上的宠儿。英国某观赏鱼杂志公然列出原产中国的一种洞穴鱼,一条的售价就要2500英镑左右。这些鱼类尚不能人工繁殖,只能从自然界里抓取。有这样的利益驱使,难怪人们要竭泽而渔了。

由于种群数量少,洞穴鱼类很容易遭受到偶然环境事件的影响。一次局部地下水污染,可能就会使得整个种群消失,一次对洞穴鱼类的毒、电、炸活动,就可能会使种群数量下降到无法恢复的程度;而狭窄的分布区,更可能使得洞穴鱼类因为环境的突然改变而遭受灭种的打击。可能有很多未知的种类,在我们还没有发现它们之前,就从地球上消失了。