压力之下：栉水母如何适应海底生活

Josiah02 · 发表于 2024-7-6 15:00:00

海底并不适宜居住。那里没有光，温度极低，而且上面的水压会压垮你。生活在这种深度的动物已经发展出生物物理适应能力，使它们能够在这种恶劣的条件下生存。这些适应能力是什么？它们是如何发展出来的？
加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学助理教授 Itay Budin 与来自全国各地的研究人员合作，研究了栉水母（“栉水母”）的细胞膜，发现它们具有独特的脂质结构，使它们能够在高压下生存。他们的研究成果发表在《科学》杂志上。
适应环境
首先要说的是：虽然栉水母看起来像水母，但它们并不是近亲。栉水母属于栉水母门（发音为 tee-no-for-a）。它们是捕食者，可以长得像排球一样大，生活在世界各地的海洋中，深度各不相同，从海面一直到深海。
细胞膜由薄薄的脂质和蛋白质组成，这些脂质和蛋白质需要保持某些特性才能使细胞正常运作。尽管几十年来人们已经知道一些生物已经适应了它们的脂质以在极冷的环境中保持流动性（称为同种黏度适应），但人们并不清楚生活在深海的生物是如何适应极端压力的，也不知道对压力的适应是否与对寒冷的适应相同。
布丁一直在研究大肠杆菌的恒粘性适应能力，但当蒙特利湾水族馆研究所 (MBARI) 高级科学家史蒂文哈多克询问栉水母是否具有相同的恒粘性适应能力来补偿极端压力时，布丁产生了兴趣。
复杂生物体拥有不同类型的脂质。人类拥有数千种脂质：心脏的脂质与肺的脂质不同，肺的脂质与皮肤的脂质也不同，等等。它们的形状也各不相同；有些是圆柱形，有些是圆锥体形。
为了回答栉水母是否通过相同的机制适应寒冷和压力，研究小组需要控制温度变量。雅各布·温尼科夫是这项研究的主要作者，曾在 MBARI 和加州大学圣地亚哥分校工作，他分析了从北半球各地收集的栉水母，包括生活在加利福尼亚海底（寒冷、高压）的栉水母和生活在北冰洋表面（寒冷、非高压）的栉水母。
在夏威夷大岛附近潜水寻找浅水梳状水母。大多数梳状水母生活在公海，潜水员必须使用系绳才能避免漂走。
“事实证明，栉水母已经进化出独特的脂质结构来补偿强烈的压力，这种结构与补偿强烈寒冷的脂质结构不同，”布丁说，“以至于压力实际上是将它们的细胞膜结合在一起的因素。”
研究人员将这种适应性称为“同质曲率”，因为脂质的曲线形状已经适应了栉水母独特的栖息地。在深海中，圆锥形脂质已经进化成夸张的圆锥形。海洋压力抵消了这种夸张，因此脂质形状是正常的，但只有在这些极端压力下才会如此。当深海栉水母浮出水面时，夸张的圆锥形又会恢复，膜会分裂，动物就会解体。
这种具有夸张锥形的分子是一种称为缩醛磷脂的磷脂。缩醛磷脂在人类大脑中含量丰富，其含量的下降往往伴随着大脑功能的衰退，甚至导致阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病。这使得它们对科学家和医学研究人员来说非常有趣。
“我们选择研究栉水母的原因之一是它们的脂质代谢与人类相似，”布丁说。“虽然我对发现缩醛磷脂并不感到惊讶，但令我震惊的是，它们占深海栉水母脂质含量的四分之三。”
为了进一步验证这一发现，研究小组重新研究了大肠杆菌，在高压室中进行了两项实验：一项实验使用未改变的细菌，另一项实验使用经过生物工程改造以合成缩醛磷脂的细菌。未改变的大肠杆菌死亡，而含有缩醛磷脂的大肠杆菌菌株却蓬勃发展。
这些实验历时数年，与多个机构和学科的合作者一起进行。在加州大学圣地亚哥分校，除了 Budin 的团队进行生物物理学和微生物学实验外，杰出的化学和生物化学教授 Edward Dennis 的实验室还通过质谱法进行了脂质分析。MBARI 的海洋生物学家收集了栉水母进行研究，而特拉华大学的物理学家则运行计算机模拟来验证不同压力下的膜行为。
布丁对研究细胞如何调节脂质产生很感兴趣，他希望这一发现能进一步探究缩醛磷脂在大脑健康和疾病中的作用。
“我认为这项研究表明缩醛磷脂具有非常独特的生物物理特性，”他说。“那么现在的问题是，这些特性对我们自身细胞的功能有何重要性？我认为这是一条值得注意的信息。”

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