海洋哺乳动物的潜水奥秘：直接感知血液氧水平的能力

《SCIENCE》：Cognitive perception of circulating oxygen in seals is the reason they don’t drown

编辑推荐：McKnight等研究人员通过实验揭示了潜水灰海豹能够感知血液氧水平而非二氧化碳水平来调节潜水行为，这一发现为理解海洋哺乳动物的潜水机制提供了新的视角。

　　海洋哺乳动物如灰海豹（Halichoerus grypus）在潜水时面临低氧风险，但它们如何避免溺水一直是个谜。为了探索这一问题，国外研究人员McKnight等开展了一项研究，通过改变灰海豹吸入气体的氧（O?）和二氧化碳（CO?）浓度，观察其对潜水行为、代谢率和血液pH的影响。研究发现，灰海豹能够通过直接感知血液中的氧水平来调节潜水行为，而非依赖于感知二氧化碳水平。这一发现不仅挑战了以往的认知，也为理解海洋哺乳动物的潜水机制提供了新的见解，对研究其他潜水动物的生理适应机制也具有重要意义。该研究发表在《SCIENCE》杂志上。

研究背景

海洋哺乳动物，如鲸鱼、海豚和海豹等，它们在水下停留较长时间进行潜水觅食，尽管它们需要呼吸空气。这种特殊的生存方式使得它们对低血氧水平特别敏感，因为一旦血氧耗尽，它们可能会在水下失去意识甚至溺水。然而，大多数哺乳动物并不能直接感知氧水平，而是通过感知血液中二氧化碳（CO?）的增加来间接判断氧水平是否降低。这种感知机制在潜水时可能并不完全可靠，因为过度依赖CO?感知可能会导致潜水时间过长，进而引发低氧风险。因此，研究人员推测，海洋哺乳动物可能进化出了直接感知血液氧水平的能力，以更好地调节潜水行为，避免溺水。

研究方法

研究人员选择了灰海豹作为研究对象，通过改变其吸入气体的氧和二氧化碳浓度，模拟不同的潜水条件。实验设置了四种气体混合物处理：正常空气（21% O?：0.04% CO?）、高二氧化碳（21% O?：8% CO?）、高氧（50% O?：0.04% CO?）和低氧（11% O?：0.04% CO?）。灰海豹在模拟的觅食环境中进行潜水，研究人员记录了它们的潜水持续时间、间潜间隔、氧消耗率（V?O?）和二氧化碳产生率（V?CO?），以及血液pH值等指标。通过这些数据，研究人员分析了不同气体处理对灰海豹潜水行为和生理指标的影响。

研究结果

潜水持续时间

研究发现，高氧条件下的灰海豹潜水时间比正常空气条件下增加了6.4%（平均260 ± 24秒），而低氧条件下的潜水时间减少了10.0%（平均219 ± 20秒）。这表明灰海豹能够根据血液中的氧水平来调节潜水时间，以避免低氧风险。然而，高二氧化碳条件并未对潜水时间产生显著影响（229 ± 21秒；P = 0.06），这说明灰海豹在潜水时并不依赖于感知二氧化碳水平来调节潜水行为。

间潜间隔

间潜间隔受到低氧和高二氧化碳的影响。与正常空气条件下的间潜间隔（58 ± 5秒）相比，高二氧化碳处理下间潜间隔显著增加了125.8%（131 ± 22秒；P < 0.001），低氧处理下增加了60.3%（93 ± 12秒；P < 0.001）。这表明间潜间隔受到氧和二氧化碳暴露的双重影响，但高氧条件对间潜间隔没有显著影响。

氧消耗和二氧化碳产生

气体处理对灰海豹的氧消耗率（V?O?）没有显著影响（P > 0.05），但对二氧化碳产生率（V?CO?）有显著影响（P = 0.001），特别是在高二氧化碳处理下，V?CO?降低了17.8%。这可能是由于高二氧化碳条件下，肺部血液和肺泡之间缺乏适当的扩散梯度，导致循环中的二氧化碳无法有效排出，而非代谢率的变化。

血液pH值

气体处理对静脉血液pH值没有显著影响（P = 0.14），这表明血液pH值在不同气体处理条件下保持稳定。

讨论

本研究揭示了灰海豹能够直接感知血液中的氧水平，并据此调节潜水行为，而非依赖于感知二氧化碳水平。这种直接感知氧水平的能力可能与灰海豹颈动脉体（carotid bodies）中的氧化学感受器有关。这些感受器在感知血液氧水平变化时，不仅会引发反射性的自主神经反应，还会将信号传递至大脑皮层，从而影响行为决策。此外，研究还发现灰海豹在高二氧化碳条件下并未表现出对二氧化碳的厌恶反应，这可能是因为它们对二氧化碳的感知能力在潜水时被减弱或抑制。这种对二氧化碳感知的减弱可能与它们对氧感知能力的增强有关，使得氧感知成为调节潜水行为的主要因素。这一发现不仅为理解海洋哺乳动物的潜水机制提供了新的视角，也为研究其他潜水动物的生理适应机制提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索这种氧感知能力在其他潜水动物中的普遍性，以及其背后的分子机制和进化意义。