深海動物在壓力下表現(xiàn)如何

6 月 27 日星期四，由特拉華大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校和蒙特利灣水族館研究所 (MBARI) 等研究人員組成的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇論文，對深海“櫛水母”——櫛水母如何在極端壓力下適應(yīng)和生存提供了新的見解。

事實證明，這種適應(yīng)的一部分涉及脂質(zhì)，脂質(zhì)是所有活細(xì)胞膜中發(fā)現(xiàn)的脂肪化學(xué)化合物，具有儲存能量、發(fā)送信號和控制物質(zhì)通過細(xì)胞膜等基本功能。

這項研究為我們提供了有關(guān)海洋生物如何適應(yīng)海洋并在海洋中生存的新知識，無論是現(xiàn)在還是未來。它還可能為人類身體提供新信息，特別是神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一種名為縮醛磷脂的特殊脂質(zhì)如何在我們的大腦中發(fā)揮作用。

特拉華大學(xué)生物物理學(xué)家 Edward Lyman 和博士生 Sasiri Vargas-Urbano 和 Miguel Pedraza Joya 是這篇論文的合著者。其他合著者包括第一作者 Jacob Winnikoff(MBARI 和加州大學(xué)圣克魯斯分校和圣地亞哥分校的研究員，現(xiàn)就職于哈佛大學(xué))、Steven Haddock(MBARI 海洋生物學(xué)家)和項目首席研究員 Itay Budin(加州大學(xué)圣地亞哥分校化學(xué)和生物化學(xué)助理教授)。其他合作者包括來自加州大學(xué)圣地亞哥分校健康科學(xué)中心、加州大學(xué)圣克魯斯分校、美國國立衛(wèi)生研究院和康奈爾高能 X 射線科學(xué)中心的研究人員。

在極端壓力下適應(yīng)

櫛水母是生活在海洋不同深度的捕食動物，它們通過捕食魚類和貝類幼體來幫助調(diào)節(jié)海洋生態(tài)系統(tǒng)，同時也是其他海洋動物的食物來源。特拉華大學(xué)的萊曼說，如果回到過去，第一個與其他動物分離開來的動物就是櫛水母——這是去年共同作者哈多克剛剛發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。

“這意味著你我與水母的關(guān)系比水母與櫛水母的關(guān)系更密切，”萊曼說。

而深海則具有低溫高壓的特點。萊曼解釋說，櫛水母非常適合解決海洋生物如何適應(yīng)極端壓力環(huán)境的問題，因為有多種櫛水母生活在海面，最深處可達(dá) 2.5 英里，而且只在北極的表面生活，那里的溫度通常與深海相同。

“通過研究櫛水母，你可以對這些生物進(jìn)行比較，粗略地控制溫度，現(xiàn)在你可以觀察生物如何適應(yīng)壓力的變化，”萊曼說，他是特拉華大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授，擅長使用分子動力學(xué)模擬來表征脂質(zhì)。

MBARI 的 Haddock 團(tuán)隊收集了 17 種生活在海洋不同區(qū)域的櫛水母樣本，而 Budin 的實驗室對它們的脂質(zhì)組(即細(xì)胞膜中的化學(xué)物質(zhì))進(jìn)行了廣泛的調(diào)查分析。

在這項研究中，合作研究人員比較了淺海和深海櫛水母的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)生活在深海的櫛水母的細(xì)胞膜具有適應(yīng)性，使它們能夠在極端壓力下生存。布丁的初步研究表明，深海櫛水母含有大量一種名為縮醛磷脂的特殊脂質(zhì)分子，而這種分子在我們自己的細(xì)胞膜中含量很少。

萊曼說：“縮醛磷脂之所以有趣，是因為它們能讓細(xì)胞膜彎曲和變形，即使在深海高壓下，細(xì)胞膜也會變得非常僵硬，這是一種有用的適應(yīng)性變化。”

分子和膜

膜的基本功能是讓物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞或使細(xì)胞分裂復(fù)制遺傳物質(zhì)。要做到這一點，細(xì)胞膜必須從大致平坦的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟澢臓顟B(tài)，因此研究人員進(jìn)行了實驗和模擬，以測量不同條件下縮醛磷脂分子的形狀。這是因為雖然所有膜都是由不同種類的脂質(zhì)混合物制成的，但脂質(zhì)分子的化學(xué)性質(zhì)決定了它是想停留在平坦的膜中還是彎曲的膜中。

特拉華大學(xué)的 Vargas-Urbano 利用分子動力學(xué)和美國國家科學(xué)基金會超級計算機(jī)的強(qiáng)大計算能力，模擬了櫛水母膜內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)，并模擬了分子在高壓下如何移動和相互作用。這個過程花費(fèi)了大量時間。

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