低氧动物环境如何在(氧气低氧牦牛环境血红素)「动物对低氧的适应」

低氧动物环境如何在(氧气低氧牦牛环境血红素)

宇宙中有千千万万颗星球，但是迄今为止，最适合人类生存的星球仍然只有地球一颗。
其他星球为什么不适宜人类生存，究其原因，不外乎氧气、水分、气压和温度等几类条件不达标，其中氧气更是重中之重，人类一旦缺氧便要窒息身亡。
不过也许我们可以向一些动物学习，让氧气变得不那么必要。
低氧环境，唯我独尊想在氧气含量极低的环境中生存，学会更高效地利用氧气的方法是重中之重，有些动物在缺氧的环境中也能正常生存。
喜马拉雅跳蛛就是其中的佼佼者。
这种动物定居在海拔6700米的喜马拉雅山上，它能居住在这里的秘密武器除了能眼观八方的八只眼睛、身覆零下20度也冻不僵的绒毛“棉服”、攀岩必备的“铁爪”步足外，更离不开在稀薄的空气中汲取氧气的肺——书肺。
跳蛛的肺由许多像书页一样的薄层堆叠而成，因此得名“书肺”。
这些薄层增加了肺部的表面积和与血管的接触面积，非常有利于氧气进入血管。
空气从跳蛛身体下侧的呼吸孔和与之相连的气管进入到书肺，在这里，空气被分配到“书页”中间的间隔中，分布在“书页”之上的小血管不断吸收空气中的氧气，供身体活动所需。
正是因为具有这样的肺，喜马拉雅跳蛛才能安然独自生存在喜马拉雅山山巅之上。
斑头雁也是高原生活、高空飞行的小能手，因此它也有自己的一套对付低氧环境的方法。
研究表明，斑头雁体内编码血红蛋白的基因有四处发生了突变，突变后的血红蛋白与氧气结合的速度更快，让它们能更高效地利用氧气，这是长期的高原生活赋予它们的能力。
而更加发达的气囊则是斑头雁飞越高山的秘密武器。
斑头雁与其他许多鸟类一样，拥有六个直接与肺相连的气囊，分别分布在颈部、胸腹部和腹部。
这些气囊以“接力赛”的方式不间断地供应着氧气：吸气时，一部分空气经肺部直接进入血液，另一部分空气进入气囊“以旧换新”，从颈部气囊到最末端的腹部气囊，逐步完成新鲜空气替换原先储存的“旧”空气的过程。
“新”空气把“旧”空气赶到肺部，再利用后呼出。
于是斑头雁在一吸一呼的过程中会获得两次氧气，而哺乳动物只在吸气时获得氧气。
喙鲸是一种适应深海生活的鲸类，常在深海中捕捉乌贼等为食，我们很难见到。
2014年，科学家宣称观察到两只居维叶突喙鲸在海平面以下2992米深的地方憋气潜水两小时17分钟，这是我们观察到的海洋哺乳动物最深和最长时间的潜水记录。
喙鲸高强的憋气潜水能力得益于它们的肌红蛋白。
肌红蛋白是肌肉中与氧气结合，运输氧气到肌肉细胞中的蛋白质。
喙鲸的肌红蛋白呈球状，中间有一个口袋形的空穴，与氧气结合的活性成分——血红素就藏在这个空穴中。
血红素被藏起来有非常重要的意义，我们之所以会煤气中毒，就是因为煤气中的一氧化碳与血红蛋白结合的能力比氧气更强，最终会使我们窒息。
鲸鱼的血红素也更喜欢一氧化碳，如果它不被藏起来，它与一氧化碳结合的能力要比氧气强2.5万倍，氧气就没有与血红素结合的机会了。
血红素被藏起来后，一氧化碳的结合能力就只比氧气强200倍了，基本与人的血红蛋白相当，这样在氧气远多于一氧化碳的海洋环境中，氧气才得以与血红素结合。
海洋哺乳动物的肌红蛋白比陆地哺乳动物多10倍，因此可以在肌肉中储存更多的氧气，让它们潜水时间更长。
但是通常情况下，蛋白浓度越高就越容易“粘”在一起，储氧能力会减弱。
不过鲸鱼有独门秘诀：它让体内的肌红蛋白表面都带上了正电荷，这就使得肌红蛋白之间相互排斥，而不是“粘”在一起，这和磁铁同性相斥是一个道理。
这样鲸鱼就可以拥有更多的肌红蛋白而不怕它们活性受影响，从而保持更长时间的潜水记录了。
全身总动员，适应低氧环境习惯了平原生活的人们在高海拔地区常会发生“高原反应”，这就是身体缺氧的表现，但“全身总动员”的牦牛从来没有这种困扰。
牦牛分布在中国青藏高原海拔3000米以上的地区，是除人类外唯一能生活在高海拔地区的哺乳动物，这使得它的身体结构和基因组成与普通牛类有很大区别。
从气体进入牦牛身体开始，就被它各个结构“牢牢地盯住”。
牦牛的气管粗大，环状软骨弹性大且肌肉发达，具有能湿润加热气体的杯状细胞，这增加了吸氧量和吸收率。
肺部是空气的主要利用部位，当然不能掉链子。
牦牛的肺很发达，肺泡发育快且多，肺泡上皮较薄，有许多凹陷以及空泡状结构，能填充更多空气，也便于更多血管蔓延。
而作为接受空气的一方，肺组织中毛细血管也非常丰富，毛细血管壁还会随着牦牛年龄的增加而变薄，这样牦牛肺部的气体交换效率可以得到显著提升。
牦牛比普通牛类多了一对肋骨，这是为了更好地承托和保护它发达的心脏。
牦牛的心脏重量高达1.5千克，左心室壁较厚且还拥有粗大的心肌纤维，能泵出更多的血液。
血管则具有特殊的结构，比如心室上弯弯曲曲盘绕的微静脉、微动脉出口缩窄等，这使得心脏处的血液回流速度加快。
更微观的层面，牦牛血液中红细胞更多，能捉住更多的氧气，但是这将增加它的血压，好在它也有基因突变的血红蛋白，可以让它的血压下降到可以承受的水平，同时提高了血红蛋白对氧气的运输能力。
氧气运进细胞以后，氧化能力强且又小又多的线粒体可以充分利用氧气，满足身体的需求。
无氧环境也能生存低氧环境生存不易，无氧环境更无法生存，人类如果缺氧超过四分钟就会造成永久性脑损伤，超过六分钟则药石罔效，但有些动物的“憋气”记录远高于人类。
裸鼹鼠是一种社会性极高的群居啮齿动物，常年生活在低氧（含氧量低至6%）的地下洞穴，它们对低氧环境有很好的适应力，在完全没有氧气的情况下能存活18分钟且脑细胞没有明显的损伤。
裸鼹鼠平时还是进行有氧呼吸的，但它们在完全无氧的环境下，也不会束手待毙，而是积极自救。
研究人员将裸鼹鼠置于实验室的无氧条件下，裸鼹鼠体内与果糖代谢相关的基因将发挥作用，生产能进行果糖代谢的酶。
接着它们将体内的果糖输送至脑细胞，并在这里分解成乳酸给脑细胞供能，整个过程不需要氧气的参与。
当然，乳酸对细胞有害，裸鼹鼠的无氧呼吸过程不能持久，但是在无氧时维持十几分钟的生命已经很不容易。
如果人类能够获得这种能力，在脑梗死或中风发作时，也将能争取更多的抢救时间。
与裸鼹鼠相比，鲫鱼才是最强的“憋气高手”，它能够在无氧的冰冻深水湖中生存长达五个月之久。
我们知道，分解葡萄糖是动物获得能量的主要方式。
葡萄糖在线粒体中首先被分解成丙酮酸，在有氧气的情况下，丙酮酸将继续分解，成为正常的供能物质。
而如果没有氧气，细胞会将丙酮酸转化为乳酸。
如果细胞连续几个小时都进行无氧呼吸，过多的乳酸将杀死细胞，危害生命。
但是科学家发现鲫鱼在没有氧气的情况下也能存活几个月，因为它的线粒体内参与呼吸作用的酶发生了突变。
突变后的酶与啤酒酵母的酶非常相似，能将粮食中的葡萄糖分解成酒精。
这种酶在没有氧气的情况下不再将丙酮酸分解成乳酸，而是分解成乙醛，这也是乙醇(酒精)初始分解阶段的产物。
鲫鱼发生无氧呼吸后，产生的酒精将通过鳃呼出水中，这样就不会对它的细胞产生毒性。
而只要它在沉入水底过冬前，在肝脏和肌肉中存有足够的葡萄糖，即使要在无氧的水底度过漫长的冬天，也不会因缺氧而死。
从低氧到无氧，不同生物有自己独特的生存秘诀，如果我们能学到一招半式，不仅能争取更多宝贵的救命时间，也能成为我们未来在低氧太空生活的保命绝招。