能把食人鱼牙咬崩的巨鱼,因为学会了呼吸而会在水里淹死

能把食人鱼牙咬崩的巨鱼,因为学会了呼吸而会在水里淹死
2021年04月02日 15:03 果壳

大家知道,亚马逊河流里有超级凶残的食人鱼。那么在这样的河流里,其他鱼类是否就无法生存了呢?

实际上,在亚马逊河里有一种不会被食人鱼咬坏,反而会把食人鱼咬崩牙的鱼,它就是传奇程度不亚于食人鱼的巴西骨舌鱼。巴西骨舌鱼的家族历史悠久,全身“神装”,而且是喜欢带娃的奶爸,可却因为必须要呼吸空气而遭受了灭顶之灾。我们今天来聊一聊它的故事。

巴西骨舌鱼 图片来源:smithsonian's national zoo

巴西骨舌鱼(Arapaima)来自南美的巴西、秘鲁和圭亚那,是世界上最大的淡水鱼。它的名字准确描述了它的外观。巴西骨舌鱼的舌头梆硬,不能略略略。但是这样的口条主要是为了配合它们的进食习惯:巴西骨舌鱼嘴巴一张,制造低压区,然后像吸尘器一样把鱼虾吸入口中,僵硬的舌头可以配合口腔把食物压碎。

巴西骨舌鱼也是鱼中巨人。巴西骨舌鱼中最常见的物种巨骨舌鱼(Arapaima gigas)3岁的时候就可以长到1.7米长,成年后鱼均2米长,超100千克重,和海豚差不多胖。因为这种水中泰坦的体型,巴西骨舌鱼也被当地人称为“亚马逊的巨人”。

用支配性的巨人体格作为它们的开场白着实有点委屈它们了,实际上巴西骨舌鱼的技能树上挂满了神奇的技能点。

首先,巴西骨舌鱼是演化树上奇特的一支,在现世它们没有近亲,相当孤独

巴西骨舌鱼和我们平时吃的鲫鱼一样,属于硬骨鱼。硬骨鱼分成4大家族,在现世取得巨大成功的是正真骨鱼(Euteleost)家族,鲤鱼、鲈鱼都是这个家族的,这个家族也承包了人类的大部分渔业。

而巴西骨舌鱼所属的那一支是四大家族里最原始的一脉,而且鱼丁稀少。巨骨舌鱼只有4-5个物种,就这一只手也数的过来的数字,研究者们也不太确定,因为它们的数量太少了。

实际上,巴西骨舌鱼属于骨舌总目(Osteoglossomorpha),它们的祖先出现在1.87亿年前的侏罗纪时代。大概在2300万年前,巴西骨舌鱼的角色被演化刷出来了,它也成了地球上最古老的淡水鱼之一。化石记录显示,在后来的2300万年里,巴西骨舌鱼的造型没什么变化,因此也被称为“恐龙鱼”。

因为与众不同的血统,巴西骨舌鱼有许多其他鱼类没有的特质。比如,巴西骨舌鱼的血液里有五磷酸肌醇(IPP)这种信号物质。要知道,五磷酸肌醇广泛存在于爬行动物和鸟类的血液中,但是硬骨鱼里却只有它有。

体型和古老并不是巴西骨舌鱼最特别之处。它们的舌头和骨头一样硬,鱼鳞比骨头还硬,差不多是鱼中铠巨。但奇怪的是,巴西骨舌鱼必须定期呼吸空气,否则会在水里淹死。

是这样的,在亚马逊流域,旱季和雨季不断交替。在旱季,河水大量蒸发,鱼类的生存空间被压缩。

在旱季造成的季节湖里,食人鱼(Serrasalminae)是主要的捕食者,而巴西骨舌鱼不得不和超过30种食人鱼近距离相处。有趣的是,食人鱼会吃掉其他的鱼类、哺乳动物、鸟类,但是吃不了巴西骨舌鱼,这是因为它们有能打的鱼鳞,皮还贼厚。

巴西骨舌鱼的皮肤占体重的10%,非常结实耐用,好用到可以制造皮包、鞋子和家具。它们的鱼鳞就更强了,能崩掉食人鱼的牙。

巴西骨舌鱼的鳞片是淡水鱼中最大的,长度可达10厘米。它们的鱼鳞分成两层,外面那一层富含钙质,硬度类似于陶瓷,下面一层是胶原蛋白纤维。内柔外刚,这种搭配有点像人类的牙齿。

近年来的研究发现,它们的鱼鳞具有一种布林根结构(Bouligand structure)。一拳能打出.22口径长步枪弹的力量的皮皮虾(Stomatopoda)不把自己打崩,靠的也是布林根结构。

巴西骨舌鱼鳞片的布林根结构。图片来源:uscd.edu

布林根结构类似于千层饼。它的好处是,在受到外力的情况下,这个千层饼的每层可以重排,从而把外力“散掉”。

2012年,加州大学圣迭戈分校的材料学研究者 Marc Meyers 和同事曾用红腹食人鱼(Pygocentrus natteri)的牙去咬巴西骨舌鱼的鳞片,结果食人鱼的牙断了。

要知道,一条1千克重的食人鱼的咬合力为20牛顿。然而,要咬穿巨骨舌鱼的鳞片需要1260牛顿的咬合力,食人鱼的牙口是远远不够的。实际上,因为巴西骨舌鱼的鳞片太硬,厨师在去鳞时要用上战锤。

现在,不少研究者正在以巴西骨舌鱼的鱼鳞为模版制造防弹衣。2018年,中国科大的研究者模仿巴西骨舌鱼的鳞片,研发了一种仿生盔甲材料。这项研究发表在《国家科学评论》上。

不过,亚马逊河流不仅有食人鱼,还有比食人鱼更可怕的缺氧环境。由于亚马逊平原有旱季和雨季,亚马逊河流也会季节性地泛滥。旱季来临时,河水的空间不仅变小,还充满了腐烂的有机物,氧气含量很低。如何在这种臭水沟里呼吸,就成了一个大问题。

为了适应定期缺氧的水质,巴西骨舌鱼被逼出了一种蛇皮技能,那就是呼吸空气。实际上,巴西骨舌鱼体内80%的氧气是通过呼吸空气获得的,只有20%不到来自于水

巴西骨舌鱼能呼吸空气, 是因为它们抛弃了鱼鳃,转用鱼鳔呼吸。

它们的鱼鳔就是它们用于呼吸气体的“肺”,被研究者称为迷器(labyrinth organ)。巴西骨舌鱼的鱼鳔完全包裹住了肾脏,为肾脏供血的血管要通过肾门静脉系统,而肾门静脉系统又和心脏相连,因此鱼鳔就能把氧气传输给心脏。

巴西骨舌鱼的鱼鳔(蓝色)和里面的空气(黄色)。图片来源:(DOI)10.3389/fphys.2020.00260

和真人的肺一样,为了增加了表面积,巴西骨舌鱼的鱼鳔上面布满了褶皱。利用这巨大的表面积,巴西骨舌鱼把鱼鳔变成了潜水氧气瓶。

它们的呼吸是靠嗦腮帮子实现的,这叫口咽泵(buccopharyngeal pump)。利用鱼鳔,巴西骨舌鱼可以脱水生存30分钟。

与此同时,巴西骨舌鱼的鱼鳃却失去了大部分功能。

巴西骨舌鱼是在长大的过程中逐渐失去用鱼鳃呼吸的能力的。从图片中大家可以看到,巴西骨舌鱼小时候的鱼鳃坑坑洼洼的,表面积挺大,但是长大后鱼鳃就变成棒槌了。

巨骨舌鱼10克大时的鱼鳃(上)和1000克时的鱼鳃(下)图片来源:Encyclopedia of Fish Physiology, 2011

你可能想说,就算鱼鳃没大用,留着也不碍事啊,为什么要逐渐棒槌化?

是这样的,鱼鳃是通过扩散作用从水中获取氧气的,因为水里溶解的氧气比鱼体内多。但是反过来,鱼体内的钠离子和氯离子等电解质水平也比淡水高。如果鱼鳃太“漏风”,鱼可能就会失去体内的电解质。

研究者们猜测,巴西骨舌鱼鱼鳃的变化可能是为了防止电解质通过鱼鳃的流失。实际上,一些鱼的鱼鳃在身体不需要太多氧气时也会变厚,减少电解质的流失,在氧气消耗量增加时鱼鳃又会变薄,比如金鱼(Carassius auratus)。但是像巴西骨舌鱼这样不可逆的变化却是非常罕见的。

虽然巴西骨舌鱼的鱼鳔已经约等于肺,但它们的鱼鳃依旧具有去除二氧化碳的作用,因此还是无法完全离开水生活。

而因为鱼鳔基本代替了鱼鳃,而鱼鳃也无法被完全抛弃,巴西骨舌鱼就有了一个致命硬伤:血槽太短。如果巴西骨舌鱼15分钟不浮到水面给“氧气瓶”换气,就会让自己生生憋死,但它们又无法完全脱水生存。巴西骨舌鱼的这种生理设定就是所谓的空血金装吧。

又因为巴西骨舌鱼必须要浮到水面换气,这种本来无敌的技能在人类到来后就变成了bug。人类善于利用巴西骨舌鱼换气的时间窗口进行捕杀。

人类为什么要捕杀巴西骨舌鱼?

对你没猜错,巴西骨舌鱼的肉据说很好吃。早在80年代就有研究者发现,能够忍受缺氧的鱼类的肌细胞直径更大,其中就包括巴西骨舌鱼,所以巴西骨舌鱼的肉会粗一些,更接近畜肉。再加上巴西骨舌鱼没有细刺不会扎嘴,亚马逊当地人历来有捕食巴西骨舌鱼的习俗。

不过由于过度捕捞,在20世纪70年代,巴西骨舌鱼在亚马逊流域的大城市附近绝迹。因此1986年,巴西骨舌鱼中的巨骨舌鱼被列入《濒危野生动植物物种国际贸易公约》(CITES)。在2001年,巴西颁布法令,禁止在少数特定区域外商业捕捞巴西骨舌鱼。

无法被研究者一手掌握的巴西骨舌鱼。图片来源:Shedd Aquarium/Carlson Haynes

看到这里你可能会觉得奇怪,耐缺氧、皮实长得快,这种鱼应该不难养吧,怎么会没有商业化呢?

这主要是因为人工饲养的巴西骨舌鱼难于繁殖,而这可能和它们奇特的育儿方式有关。

巴西骨舌鱼是孩奴奶爸。鱼仔还没有出世之前,鱼爸和鱼妈会轮流守护鱼卵。小鱼孵出来大概1个月以后,鱼妈大都屁股一撅跑了,留下鱼爸自己带娃。

鱼爸会带娃3个月,期间不会让小鱼里开自己太远,遇到危险会让小鱼到自己嘴巴里躲避。考虑到巨骨舌鱼一般4-5岁就性成熟,寿命不到20年,鱼爸带娃的时间真的不短。

鱼爸管孩子可能靠的是自己产的“奶水”。

是的,巴西骨舌鱼不论雌雄在繁殖季节都会“产奶”。它们的脑壳上有两个小洞,脑洞里会流出白色的“娃哈哈”。这种“乳汁”和人类的乳汁不一样,但和娃哈哈很相似,没有什么营养,但是孩子爱喝。

2017年,英国斯特灵大学的研究者 Lucas S. Torati 和同事发现,巨骨舌鱼的“乳汁”是由它们的内耳、眼球和中枢神经系统分泌的,含有催乳素、斯氏降钙素等激素,以及和免疫有关的大量蛋白质。

研究者们猜测这种“奶水”有协调亲子关系、加强鱼仔免疫力的作用。鱼仔经常和爸妈碰头,可能就是为了嘬一口爹妈的“脑汁”。阻碍巴西骨舌鱼人工繁育的最大障碍,可能就存在于这口“脑汁”中。

无论如何,尽管有这样一系列的神装、育儿软实力和超长待机历史,巴西骨舌鱼却无法适应人类世,数量低到国际自然保护联盟(IUCN)也无法统计,就快要在地球服务器上挂机。这就是会呼吸的痛了。

巴西骨舌鱼:又大又硬也会输,关键还得续航足。

参考文献

nationalzoo.si.edu/animals/arapaima

Zimmermann, Elizabeth A.; Gludovatz, Bernd; Schaible, Eric; Dave, Neil K. N.; Yang, Wen; Meyers, Marc A.; Ritchie, Robert O. (2013-10-15). "Mechanical adaptability of the Bouligand-type structure in natural dermal armour". Nature Communications. 4 (1): 2634.

www.nature.com/articles/ncomms3634

Torati, Lucas S., et al. "Comparative proteome and peptidome analysis of the cephalic fluid secreted by Arapaima gigas (Teleostei: Osteoglossidae) during and outside parental care." Plos one 12.10 (2017): e0186692.

Meyers, M. A., Lin, Y. S., Olevsky, E. A. & Chen, P. Y. Battle in the Amazon: Arapaima versus Piranha. Adv. Eng. Mater. 14, B279–B288 (2012).

lmbd.ustc.edu.cn/2018/1014/c10217a341682/page.htm

Salo, Matti, Anders Sirén, and Risto Kalliola. Diagnosing wild species harvest: resource use and conservation. Academic Press, 2013.

Farrell, Anthony P. Encyclopedia of fish physiology: from genome to environment. Academic press, 2011.

Malabarba, Luiz Roberto, and Maria Claudia Malabarba. "Phylogeny and classification of neotropical fish." Biology and physiology of freshwater neotropical fish. Academic Press, 2020. 1-19.

www.fao.org/fishery/culturedspecies/Arapaima_gigas/en

本文经授权转载自把科学带回家(ID:steamforkids),原标题为“能把食人鱼牙咬崩的神装巨鱼,却因为学会了呼吸空气而会在水里淹死”,如需二次转载请联系原作者

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