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深海“钢铁侠”:螺壳含磁铁、腹足长鳞片的蜗牛

时间:2017-10-30 19:48 来源:钱柜娱乐777官网 好奇心指数: 次 手机版阅读

   北京时间10月30日消息,据国外媒体报道,深海世界生活着一些最神奇的生物,就连蜗牛在这里都变得与众不同。在印度洋深处的海底热液口附近,生活着一种长着“铁盔甲”的蜗牛——作为海洋中生活的腹足类动物,称它们为“海螺”其实更为恰当。这种螺的名字叫鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片,看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。没错,鳞角腹足蜗牛长出了一副铁盔甲,这在动物世界中是独一份。

  这种令人惊奇的天赋其实要归功于鳞角腹足蜗牛体内的共生细菌。地球上还没有其他动物能以这种方式利用铁元素。而且,由于这种蜗牛的铁化合物具有磁性,有人甚至开玩笑地把它们称为“海底的万磁王”。此外,从比例上看,鳞角腹足蜗牛的心脏体积比许多其他动物都大得多,大约占身体总体积的4%(相比之下,人类的心脏体积只占身体的1.3%)。

鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片

  奇特的铁甲

  非同寻常的海底热液口环境造就了这种非同寻常的生物。在2400米到2800米的海底,热液口附近的海水流入地壳缝隙,被滚烫的岩浆加热,温度能达到400摄氏度以上,许多有毒物质也随之倾泻而出。2001年,科学家在印度洋的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛。即使是在热液口生物群落中,它们也是非常令人惊奇的发现,从来没有一种腹足类动物像它们一样长出数以百计的鳞片!

  可以说,鳞角腹足蜗牛的身体皆被铁化合物覆盖,主要是二硫化亚铁(黄铁矿的主要成分)和四硫化三铁(Fe3S4),后者具有磁性,因此鳞角腹足蜗牛会被磁铁吸住。鳞角腹足蜗牛的螺壳并不像板甲那么坚硬,而更像是锁子甲——柔软却又强韧。它们的螺壳可以分为三层:最外面是一层“镀铁”的物质,厚度约30微米,由铁的硫化物组成;最内侧由钙化的碳酸盐矿物霰石组成,厚度约250微米;而中间是柔软的有机层——相当于其他腹足类的外壳膜,厚度约150微米。铁质可以提供力量,而有机层能吸收掠食者——比如一只挥舞螯肢的螃蟹——攻击时的力道。此外,有机层还具有散热的功能。目前,有研究者正在尝试借鉴鳞角腹足蜗牛的螺壳结构,研究在民用和军事领域的应用。

  鳞角腹足蜗牛的螺壳具有3个螺旋,整体呈压缩的球形。螺壳上具有肋纹和精细的生长线。相比Peltospiridae科的其他物种,鳞角腹足蜗牛的体型要大得多。大部分Peltospiridae科蜗牛的壳长在15毫米以下,而鳞角腹足蜗牛的螺壳宽度通常在9.8~40.02毫米之间,最大的可达45.5毫米,成体的平均宽度为32毫米。

  相比外部的螺壳,鳞角腹足蜗牛腹足上的鳞片似乎有着更合理的用途。一些掠食性海螺(比如芋螺)能伸出鱼叉状的齿舌捕食小鱼,然后注入毒液使其麻痹。生物学家推测,鳞角腹足蜗牛的铁质鳞片可能具有抵挡这种攻击的作用,就像骑士的盔甲可以使标枪转向。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片主要由蛋白质组成(贝壳硬蛋白是一个复杂的蛋白质),以覆瓦状排列;相比之下,多板类(包括各种石鳖)的鳞片主要是钙质。不过,在鳞片之间的连接处,我们找不到明显的贝壳硬蛋白生长线。无论是现生,还是已灭绝的腹足类物种,再没有第二种具有这样生长在皮肤上的鳞片;已知的现生动物中,也再没有其他物种能像它们这样利用铁的硫化物,无论是骨骼还是外骨骼。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片外表面具有相当多样的附着生物,主要为两类细菌:ε-变形菌和δ-变形菌。这些细菌可能为蜗牛提供了矿物质。有学者认为,鳞角腹足蜗牛会分泌一些有机化合物,促进这些细菌的附着和生长。科学家推测,腹足上的鳞片可能具有保护或解毒的功能,比如保护鳞角腹足蜗牛免受热液口液体的伤害,使它们体内的细菌可以安全地进行化学合成作用;又或者,这些鳞片本身可能就是共生细菌代谢时产生的有毒硫化物沉积的结果。不过,鳞片的真正功能是什么,我们还需要更多的研究。

鳞角腹足蜗牛的“铁盔甲”看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。

  体内的细菌工厂

  1977年,科学家在加拉帕戈斯裂谷首次发现了海底热液口。加拉帕戈斯群岛的奇特生物为查尔斯?达尔文的自然选择理论提供了灵感,而群岛海底的热液口又展示了新的生命可能。这些热液口的能量来自地质活动,喷出的液体通常具有很高的酸性,并含有多种金属和硫化氢。硫化氢就是臭鸡蛋气味令人恶心的原因,对生物体具有毒性。不过,也有一些细菌可以通过化学合成的过程利用硫化氢获取能量。在漫长的演化过程中,许多神奇的动物已经和这些细菌形成了互利共生的关系,从而适应了热液口的严酷环境。在总体上寒冷、食物匮乏、生物量极低的深海环境中,深海热液口就像“生命绿洲”,周围聚集了大量无脊椎动物。

  鳞角腹足蜗牛相当于一个化能合成共生作用的功能体,它们体内的内共生细菌主要分布食管腺体(esophageal gland)中,而这个器官的体积甚至比其他蜗牛体内的腺体大1000倍。这些共生菌为鳞角腹足蜗牛提供了能量,很可能是某种糖类(这种细菌也还没有在实验室里培养出来,因此我们只能猜测)。食管腺体就像蜗牛体内的食品工厂,使它们甚至不用去觅食——鳞角腹足蜗牛的消化系统已经退化,不到典型腹足类消化系统体积的10%。这或许就是鳞角腹足蜗牛能长到4.5厘米大小的原因,而那些关系很近,却没有共生菌的蜗牛只能长到1.5厘米甚至更小。与此同时,鳞角腹足蜗牛为这些细菌提供了一个安全、舒适的生存环境。

  奇怪的是,在类似的生活环境中,却出现了3种颜色各不相同的鳞角腹足蜗牛。2001年,生物学家在三个地点发现了鳞角腹足蜗牛,其中两个地点的个体呈深色,第三个地点的个体呈白色。根据遗传学分析的结果,这些蜗牛都属于同一个物种。

  出现这种情况的原因是什么?答案在于与鳞角腹足蜗牛共生的细菌——黑色变种的蜗牛体内具有一些白色变种所没有的细菌。鳞角腹足蜗牛的体表和体内生活着一些有益的细菌,能帮助它们生成铁的硫化物。来自海底热液口硫化物具有很高的毒性,但如果与矿物质结合并形成固体形式,毒性就会消失。在这些化合物毒性减弱的过程中,细菌可能扮演着重要的角色。因此,鳞角腹足蜗牛不仅镀了一层铁盔甲,而且这层铁盔甲还是有毒的。不过,这只是科学家的推测,他们还没有在实验室里培养出这种细菌。也有研究者认为,鳞角腹足蜗牛完全是靠自己生成了铁的硫化物,如果确实如此,那将是前所未有的发现。

  有研究者提出,在食管腺体中蓄养内共生细菌的策略,可能促使鳞角腹足蜗牛在解剖学结构上发生一系列新的改变,从而更加有利于细菌的生长,蜗牛本身的需求反而还在其次。食管腺体的增大、保护性的腹足鳞片、体积较大的呼吸系统和循环系统,以及较高的繁殖能力,都是有利于内共生微生物的适应特征。在极端的化能合成环境中,这些适应特征满足了鳞角腹足蜗牛的能量需求。

现已知三种形态的鳞角腹足蜗牛,从左到右分别来自Kairei、Longqi和Solitaire区域

  隐秘的海底生活

  2001年,科学家在中印度洋脊的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛,随后又在Solitaire区(位于中印度洋脊)和Longqi区(位于西南印度洋脊)发现了它们。其中,Longqi热液口区被指定为模式标本产地,所有的模式标本材料都来自于该区域。虽然三个地点之间的距离很大,但鳞角腹足蜗牛的总分布面积其实很小,不到0.02平方公里。

  尽管早在十多年前科学家就发现了鳞角腹足蜗牛,但直到2015年,研究者才正式发表了对该物种的生物学描述,并确定其学名为Chrysomallon squamiferum。其中属名“Chrysomallon”来源于古希腊语,意思是“金色毛发”,因为它们螺壳中的二硫化亚铁呈现金色;种名“squamiferum”来源于拉丁语,意思是“长有鳞片的”。

  鳞角腹足蜗牛的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角。它们没有眼睛,也没有特化的交接器。它们的腹足呈红色,体积较大,无法完全缩回螺壳。此外,它们也不像其他蜗牛和蛞蝓一样具有上足腺(Suprapedal gland),也没有上足触手。

由鳞角腹足蜗牛和多毛类环节动物、甲壳动物等类群组成的Longqi热液口区生物群落

  在 Pelospiridae科中,鳞角腹足蜗牛是目前已知唯一的“同时雌雄同体”物种,这意味着它们同时具有雄性和雌性生殖器官(有些蜗牛属于“阶段性雌雄同体”)。它们具有很高的繁殖力,所产的卵很可能是依靠卵黄提供营养。科学家还不清楚鳞角腹足蜗牛幼体和胎壳的形态(目前采集到最小的未成熟个体已经具有2.2毫米的壳长),但推测可能存在一个浮游扩散的阶段。鳞角腹足蜗牛在人工环境下很难成活,即便如此,它们还是曾在大气压下的水族缸中存活了超过3个星期。

  在食物匮乏的深海热液口环境中,鳞角腹足蜗牛演化出了一种出色的生活策略。海洋上层的有机物质只有极少一部分能落到海底,为了生存,包括鳞角腹足蜗牛在内的许多生物演化出了利用化学能源的能力,在深海热液口附近形成了生命奇观。西南印度洋脊的深海热液口正缓慢扩展,而热液口周围的生物群落对环境扰动十分敏感,并且恢复速率很慢。深海采矿或许会对鳞角腹足蜗牛等热液口生物带来潜在的威胁。

  你或许会问,为什么鳞角腹足蜗牛不迁移到更加宜居的环境?事实上,如果能适应这样的环境,生活其实还不错。举例来说,热带珊瑚礁区域堪称“海洋中的热带雨林”,生活着难以计数的物种,但同时也意味着激烈的生存竞争。而在深海环境,特别是热液口附近,还有一些生态位等待着新生物的到来。

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