深海生物如何承受巨大的壓力變化？

斯克裡普斯海洋研究所海洋生物技術和生物醫學中心的 Paul J. Ponganis 和 Gerald L. Kooyman 提供了以下答案。

有些海洋生物會利用深海環境。在適應壓力方面，可能面臨最大生理挑戰的是那些必須經常從海面travel到深海的動物。兩種這樣的動物是抹香鯨和瓶鼻鯨。從捕鯨時代起，這些動物就被認為是卓越的潛水者，有報告稱，它們在被魚叉擊中後還能潛水長達兩小時。今天，藉助聲納跟蹤和附加的時間-深度記錄儀，已測量到深達 6,000 英尺（超過海面以下一英里）的潛水深度。常規潛水深度通常在 1,500 到 3,000 英尺範圍內，潛水時間可能在 20 分鐘到一個小時之間。

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潛入深海可能會導致機械變形和組織壓縮，尤其是在體內充滿氣體的空間中。這些空間包括中耳腔、頭部氣竇和肺部。即使空氣腔與其周圍組織之間產生微小的壓差，也可能導致組織變形和破裂——這種情況在人類潛水員中被稱為“擠壓傷”。在某些鯨類動物中，中耳腔內襯有廣泛的靜脈叢，據推測，這些靜脈叢會在深海中充血，從而減少或消除空氣空間，並防止擠壓傷的發生。鯨類動物還具有與耳鼓室和頭部較大的翼狀竇相通的粗大的咽鼓管。頭部的這些氣竇具有廣泛的脈管系統，據認為其功能類似於中耳，有助於平衡這些空間內的氣壓。最後，大多數海洋哺乳動物都缺乏像陸地哺乳動物那樣存在的額竇。

另一個容易受到壓縮損傷的器官是肺。在深潛鯨和海豹中，外周氣道得到加強，據推測，這使得肺部在潛入深海時能夠塌陷。這種塌陷已透過放射線照相觀察到，並在深潛威德爾海豹的血液氮分析中得到證實。

肺部的塌陷迫使空氣離開肺泡，而肺泡是肺部和血液之間進行氣體交換的地方。這種氣體交換的減弱對於深潛動物來說非常重要，因為它防止了氮氣吸收到血液中以及隨後血液中氮氣水平升高。高血氮壓力會對潛水員產生麻醉作用（所謂的氮麻醉）。它也可能導致上升過程中形成氮氣氣泡——這種現象被稱為減壓病或“潛水員病”。深潛動物肺部的塌陷避免了這兩個問題。

深海氣體交換的喪失還有另一個重要的含義：深潛動物的肺在潛水過程中不能作為氧氣來源。相反，深潛鯨和海豹依賴於血液和肌肉中大量的氧氣儲備。有幾種適應性使之成為可能。首先，這些動物的單位質量血液容積是陸地哺乳動物的三到四倍（即，每公斤體重 200 到 250 毫升血液，而人類的值為每公斤體重 70 毫升血液）。其次，血紅蛋白（血液中的氧氣運輸蛋白）的濃度也升高到大約是人類的兩倍。第三，肌紅蛋白（肌肉中的氧氣儲存蛋白）的濃度在這些動物中極高，約為人類肌肉中的 10 倍。

總之，像抹香鯨這樣的深潛哺乳動物對壓力的主要解剖學適應集中在含氣空間和預防組織氣壓傷。當存在空氣腔時，空氣腔內襯有靜脈叢，據認為這些靜脈叢會在深海中充滿，消除空氣空間，並防止“擠壓傷”。肺部塌陷，這防止了肺破裂，並且（在生理學方面很重要）阻止了肺部的氣體交換。在深海中缺乏氮氣吸收可防止氮麻醉和減壓病的發生。此外，由於肺部在深海中不能作為氧氣來源，深潛動物依賴於血液和肌肉中增強的氧氣儲備。

文章最初發表於 2002 年 5 月 2 日。