壓力及溫度對海洋動物生理影響的研究進展

陳家煒，張海濱

（1.中國科學院深海科學與工程研究所，海南三亞572000；2.中國科學院大學，北京100049）

壓力及溫度對海洋動物生理影響的研究進展

陳家煒1，2，張海濱1

（1.中國科學院深?？茖W與工程研究所，海南三亞572000；2.中國科學院大學，北京100049）

隨著海洋深度的增加，壓力逐漸升高而溫度逐漸降低。因此，應對壓力和溫度變化的能力直接影響著海洋動物的垂直分布模式。本文綜述了近年來國際上關于壓力及溫度對海洋動物生理影響的研究進展，概述了3種常用的研究方法，包括直接比較不同深度近緣海洋動物的差異、使用加壓裝置培養(yǎng)海洋動物、在常壓及原位溫度下培養(yǎng)深海動物；然后歸納了壓力及溫度對海洋動物生理的影響，包括有機滲透調(diào)節(jié)物質濃度及蛋白質序列、胚胎及幼體發(fā)育速率和畸變率、行為模式及代謝速率、基因表達水平；最后討論了海洋動物適應高壓環(huán)境的生理機制，壓力對海洋動物垂直分布的限制能力，以及淺海動物和深海動物的起源關系。

壓力；溫度；深海；海洋動物；生理影響；耐受能力；起源關系

深海動物生存需要應對的環(huán)境脅迫因子包括低溫、高壓、無光和營養(yǎng)缺乏（方銀霞等，2000）。這些生態(tài)因子在影響深海動物分布范圍的同時，也影響其基因表達、代謝、發(fā)育速率和行為模式等。諸多生態(tài)因子中，溫度和壓力對海洋動物的影響是最為直接和廣泛的（Young et al，1997；Pradillon et al，2007）。對于淺海環(huán)境而言，水溫隨著緯度改變相應發(fā)生變化。對于深海環(huán)境，溫度和壓力都和深度直接相關：海洋深度每增加1 000 m，壓力增加約10 MPa（100 atm）（方金瑞等，1995）；水深大于400 m的深海水溫在2℃～4℃（Brown et al，2011；Nunoura et al，2015）。壓力和溫度對生物膜的流動性、蛋白質結構穩(wěn)定性和酶活性有直接影響（Somero，1992；Pradillon et al，2007；Mestre et al，2014），一般而言，高壓和低溫對生物造成的影響是相似的（Thatje et al，2010；Calligari et al，2015），兩者都會降低酶活性和生物膜流動性（Behan et al，1992；Pradillon et al，2007），并且隨著壓力的上升，蛋白質的降解溫度也會上升（Balny et al，1997）。因此，要研究海洋動物在不同海洋環(huán)境中的生理適應機制及演化過程，必須同時考慮溫度和壓力對其的影響。

許多淺海動物和深海動物有著緊密的系統(tǒng)發(fā)育關系（Distel et al，2000；Tokuda et al，2006），也有化石證據(jù)表明深海動物和淺海動物具有同源性（Zinsmeister et al，1984）。在古生物學領域中，“生物成體分布區(qū)域的溫度范圍幾乎與其溫度耐受域一致”是一條被廣泛接受的定律（Menzies et al，1975）。因此在深海動物和淺海動物的起源關系假說中，水團溫度的一致性被認為是必須滿足的條件，現(xiàn)在被廣泛接受的假說有兩個：其中之一認為，深海動物起源于寒冷且?guī)缀醯葴氐母呔暥葴\海冷水團（Kussakin，1973）；第二種認為，深海動物起源于中生代末期或新生代初期的低緯度淺海，因為當時的水溫較暖且垂直混合均勻（Menzies et al，1975；Berger et al，2013）。在第一個假說中，高緯度地區(qū)的淺海動物不再需要繼續(xù)適應新的溫度，并且該假說描述的演化過程可能依舊存在于在高緯度地區(qū)的海洋動物群體中（Tyler et al，1998；Smith et al，2012）；在第二個假說中，隨著地質時期的推移，深海溫度會逐漸降低，這要求遷移至深海的動物逐漸適應新的低溫環(huán)境（2℃～4℃）。然而，溫度并非是淺海動物遷移至深海的唯一屏障，壓力在深海動物演化過程同樣有著決定性的作用（Somero，1992）。因此研究某一溫度下，淺海動物隨壓力增加而發(fā)生的生理變化，能夠為深海動物演化途徑提供線索。

許多生態(tài)因子對海洋生物的生理影響都得到了較全面的研究，但是壓力對海洋生物的影響還比較欠缺（Bartlett et al，1995）。本文就國際上在該領域的研究方法及成果做一整理和討論，希望能為我國深海動物領域的研究提供一些借鑒。

1 壓力和溫度對海洋動物生理影響的研究方法

1.1 直接比較不同深度近緣海洋動物的差異

為了研究壓力對海洋動物造成的影響，直接比較深海種及其淺海近緣種的差異是常見的方法之一。研究對象包括有機滲透調(diào)節(jié)物質（organic osmolyte），比如Trimethylamine N－oxide（TMAO）在不同深度近緣生物肌肉細胞內(nèi)的濃度差異（Yancey et al，2002；Zerbst－Boroffka et al，2005）；結構蛋白，比如深海和淺海近緣生物的肌動蛋白氨基酸序列和三維結構差異（Morita，2003）。然而在自然海水環(huán)境中，壓力并非隨深度變化的唯一變量，其它生態(tài)因子包括溶解氧、鹽度、溫度都會產(chǎn)生相應的變化。為了消除這些干擾，有研究人員在深度較大（1 600 m）的淡水湖泊Baikal湖進行采樣（Zerbst－Boroffka et al，2005），由于Baikal湖具有特殊的理化性質，包括表層底層水溫差異不超過4℃、各水層溶氧充足、無機離子含量低，使得壓力（深度）幾乎是其唯一變量。

使用這種方法進行定量研究時，確保研究對象不會隨著采樣方法以及采樣時間發(fā)生改變是重要的。以有機滲透調(diào)節(jié)物質為例，在拖網(wǎng)采樣和樣品降解的過程中，細胞膜的通透性及完整性會受到破壞，但是由于有機滲透調(diào)節(jié)物質的運輸需要能量參與，所以細胞膜功能一定程度的損壞不會對細胞內(nèi)有機滲透調(diào)節(jié)物質的含量有太大的影響（Zerbst－Boroffka et al，2005）。然而對于一些易降解的生物大分子的定量研究，比如基因表達水平的研究，這種方法顯然具有局限性。

1.2 使用加壓裝置培養(yǎng)海洋動物

在實驗室內(nèi)通過加壓裝置培養(yǎng)海洋動物，嚴格控制溫度和壓力作為有限的變量，并觀察該海洋動物發(fā)生的相應生理變化，是非常有效的研究手段（Tyler et al，2000；Thatje et al，2010；Morris et al，2015）。通過加壓裝置，研究人員可以設置不同的溫度和壓力條件，定量研究其對海洋動物的影響。不同研究中的實驗對象包括海洋無脊椎動物的生殖細胞（精細胞和卵細胞）、胚胎、幼體和成體；觀察變量包括胚胎及幼體發(fā)育速率、胚胎及幼體畸變率、代謝速率、行為模式和基因表達水平（表1）。

加壓實驗的一般步驟可以概括為6步：

（1）從自然環(huán)境中獲取實驗樣品

常見的采樣方法包括拖網(wǎng)（Tyler et al，1998；Smith et al，2013）、潛水員捕捉（Tyler et al，2000）和手持網(wǎng)具捕捉（Oliphant et al，2011；Cottin et al，2012）。在采集到樣品后使用采樣地點的海水暫存，然后移至長期培養(yǎng)地點。

表1 不同研究中的實驗對象及觀察變量信息

（2）實驗樣品的長期培養(yǎng)

需要控制的條件包括：溫度、鹽度、pH值、溶解氧、光照周期、營養(yǎng)。培養(yǎng)溫度一般保持和樣本生活環(huán)境溫度一致；鹽度和pH值的控制通過更新過濾海水控制；溶解氧一般通過氣泵來維持；光照周期根據(jù)采樣季節(jié)調(diào)整，控制其和自然環(huán)境相同；不同生物的餌料投喂頻率有差異，一般投餌后的第2天會更新海水。

（3）實驗前的樣品預處理

實驗設置的溫度和培養(yǎng)溫度有差異，為了排除劇烈溫度變化對實驗對象的影響，需要通過緩慢調(diào)整溫度，使實驗對象適應新的溫度條件。溫度的變化速率一般為2℃/天，并在達到預設溫度后維持該溫度繼續(xù)培養(yǎng)2～7天，然后再進行實驗。為了防止細菌及其它有機物對實驗造成的影響，在實驗前2～3天就會停止投喂餌料。但是值得注意的是，是否喂食對生物的代謝速率有著很大的影響，即使是食物的氣味也會導致差異（Smith et al，1982）。

（4）實驗前的儀器預處理

不同研究人員使用的加壓裝置型號有差異，但是基本設計和原理是相似的，其中，IPOCAMP是使用最廣泛的加壓裝置之一（Shillito et al，2014）。在進行加壓實驗前，加壓裝置要提前調(diào)整到實驗溫度，并維持2 h以上，確保實驗溫度的穩(wěn)定。為了防止氣體對實驗的影響，在實驗開始前要將氣體全部排出。

（5）進行加壓實驗

根據(jù)觀察變量的不同，實驗時間有很大差異。以代謝速率為觀察變量的實驗中，溶解氧一方面是衡量代謝速率的自變量，另一方面缺氧也會對代謝速率造成影響。為了確保水體溶解氧充足，這類實驗的維持時間不長，一般不會超過2 h，并且要求在30 s內(nèi)加壓至預設壓力（Thatje et al，2010；Oliphant et al，2011）；以胚胎發(fā)育速率和畸變率為觀察變量的實驗中，因為胚胎不依賴外界營養(yǎng)物質，胚胎本身耗氧速率較低，并且胚胎發(fā)育需要足夠的時間，所以這類實驗的培養(yǎng)時間較長，可以達到50 h（Tyler et al，1998；Tyler et al，2000；Mestre et al，2009；Smith et al，2012）；以基因表達水平和行為模式為觀察變量的實驗中，一般實驗時間在2 h以內(nèi)（Thatje et al，2010；Oliphant et al，2011；Morris et al，2015），但是最長的培養(yǎng)時間達到了7天（Cottin et al，2012）。實驗對象的發(fā)育階段影響壓力的設置，一般以胚胎和幼體為實驗對象的實驗中，最大壓力可以達到50 MPa（Mestre et al，2009），以成熟個體為實驗對象的實驗中，最大壓力一般不會超過30 MPa（Oliphant et al，2011）。

（6）實驗后樣品的保存及處理

代謝速率一般通過耗氧速率來衡量，行為模式在結束實驗前的30 s通過內(nèi)窺鏡觀察并記錄，胚胎的發(fā)育階段及畸變率通過顯微鏡觀察并計算，基因表達水平一般通過Quantitative Real－time Polymerase Chain Reaction（qPCR）來分析。

1.3 在常壓及原位溫度下培養(yǎng)深海動物

使用原位保溫誘捕工具通過搭載深海著陸器（Witte et al，2000）或者自由下沉誘捕系統(tǒng)（Janβ en et al，2000）到達距離海底64～124 cm處，放置29～50 h后（Treude et al，2002），在維持原位溫度的條件下，誘捕深海動物，并帶回實驗室在常壓下進行實驗。在這個過程中，深海動物需要耐受劇烈的壓力變化，獲取的樣品存在部分死亡的可能（Treude et al，2002）。另外，一些海洋動物，尤其是深海動物，對溫度變化非常敏感（Paul，1973；George，2005；Smith et al，2013），因此從采樣到實驗，都要求其溫度維持在原位溫度，且捕獲后的樣品需要保存在避光條件下。

由于樣本量往往很小，所以沒有條件挑選生長條件一致的個體進行實驗，實驗個體往往存在體長和重量上的差異。因此，觀察變量需要進行標準化，往往使用單位重量的耗氧速率或者氨釋放速率衡量代謝速率（Treude et al，2002）。

2 壓力及溫度對海洋動物生理的影響

2.1 有機滲透調(diào)節(jié)物質及蛋白質

海洋生物適應高壓需要保持蛋白質結構和功能域的穩(wěn)定，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的途徑有兩類。一類是通過增加功能蛋白微環(huán)境中的有機滲透調(diào)節(jié)物質濃度來提高蛋白質的穩(wěn)定性（Yancey et al，2002）；另一類是通過改變功能蛋白自身氨基酸序列從而改變構像，提高其穩(wěn)定性（Swezey et al，1985；Morita，2003）。由于甘氨酰基側鏈構成了最小的空間結構，所以任意氨基酸被甘氨?；鎿Q都可以在一定程度上提高蛋白質的穩(wěn)定性（Somero，2003）。

有機滲透調(diào)節(jié)物質是海洋無脊椎動物和板鰓綱魚類用于調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透壓的一類有機分子，且不同的生物體內(nèi)有機滲透調(diào)節(jié)物質種類存在差異。隨著壓力的上升，海洋動物體內(nèi)的有機滲透調(diào)節(jié)物質濃度也會升高，如Rajahollandi體內(nèi)的TMAO，在酵母的培養(yǎng)基中加入TMAO可以提高酵母在高壓環(huán)境下的存活率（Yancey et al，2002）。肌動蛋白序列非常保守，深海魚類Coryphaenoides spp.的肌動蛋白相比淺海生物和陸地生物，雖然在序列上只有3個氨基酸的替換，但是在高壓環(huán)境下明顯具有更好的穩(wěn)定性（Swezey et al，1985；Morita，2003）。

根據(jù)Le Chatelier原理，在一個平衡的化學反應體系中，如果某種因素發(fā)生了變化，那么反應平衡會向著減輕這種改變的方向移動。深海的高壓低溫條件增加了生化反應發(fā)生的難度，因此對于深海生物體內(nèi)的蛋白質而言，相比淺海生物體內(nèi)同源蛋白，其穩(wěn)定性更低，鍵能更低；但是在各自的自然生理條件下，深海淺海同源酶類的催化效率幾乎一樣（Somero，2003）。

2.2 胚胎及幼體發(fā)育速率和畸變率

使用加壓裝置培養(yǎng)生殖細胞、胚胎及幼體的實驗中，除了溫度和壓力，加壓培養(yǎng)的時間是需要控制的另一個變量。這是由于在進行實驗的數(shù)小時內(nèi)，胚胎細胞維持著分裂與生長，而不同發(fā)育時期的胚胎或者幼體對壓力及溫度的耐受能力存在差異，因此選擇幾個合適的時間段進行實驗是有必要的。

壓力和溫度對早期胚胎及幼體影響的一般規(guī)律是，在生物的耐受范圍內(nèi)，隨著培養(yǎng)溫度的升高，胚胎發(fā)育速率升高，胚胎畸變速率升高；隨著壓力的上升，胚胎發(fā)育速率下降，且畸變率升高。

然而這種規(guī)律并不是絕對的，Mytilus edulis的早期胚胎在4 h和24 h培養(yǎng)的過程中（溫度變化范圍為5℃～25℃、壓力變化范圍為0.1～30 MPa），溫度及壓力和畸變率都沒有顯著關系；只在培養(yǎng)50 h后，溫度及壓力才和畸變率顯著相關（Mestre et al，2009）。隨著胚胎分裂生長，細胞分化將會提高胚胎的復雜程度，這可能導致早期胚胎向幼體發(fā)育的過程中，存在壓力和溫度耐受能力下降的階段，在度過這個階段后其耐壓能力才可以得到恢復。因此，壓力及溫度和畸變率的關系只在胚胎發(fā)育一段時間后（50 h）才會變得顯著。

在溫度和壓力如何影響胚胎及幼體發(fā)育速率和畸變率的研究領域中，有大量的實驗以海膽綱生物為實驗對象，并且獲得了有價值的數(shù)據(jù)（表2）（Young et al，1997；Tyler et al，1998；Tyler et al，2000；Aquino－Souza et al，2008）。

表2 海膽綱生物胚胎及幼體生物學信息

所有種類的海膽胚胎及幼體都可以在大于其成體自然分布深度壓力的條件下生長發(fā)育。隨著溫度的上升，胚胎及幼體可以耐受更大的壓力，而低溫會使其對壓力的耐受能力下降，這反映了溫度及壓力的交互作用對胚胎及幼體有重要影響。并且溫度、壓力以及溫度和壓力的交互作用，在所有的培養(yǎng)時間下，都和胚胎和幼體畸變率顯著相關。

一般而言，發(fā)育階段靠后的海膽幼體能夠耐受更高的壓力和更低的溫度，唯一的例外是Sterechinus neumayen，其四腕幼蟲相比棱柱幼蟲對高壓的耐受能力更低（Tyler et al，2000）。在不同深度采集的同種海膽Echinus acutus，深海（900 m）樣品對高壓低溫的耐受能力要明顯強于淺海（10～15 m）樣品（Tyler et al，1998），Tyler等（1998）認為這個物種可能正在進行著從淺海向深海的演化。深海海膽Echinus affinis的胚胎已經(jīng)具有嗜壓性，在低壓條件下（＜10 MPa）胚胎不進行生長發(fā)育，只有達到10 MPa后細胞才開始分裂（Tyler et al，1998）。

對于海洋無脊椎動物，高溫會提高其代謝速率，高的代謝速率擁有更高的能量需求（Mestre et al，2009）；另外，高壓會導致細胞原生質體強度降低和細胞膜蛋白硬化（Lau et al，1954；Kitching，1957），這或許是高溫高壓導致畸變率上升的原因。常見的畸變形態(tài)包括：卵裂異常、細胞膜缺失和細胞質外泄（Mestre et al，2009）。

2.3 行為模式及代謝速率

壓力和溫度對行為模式及代謝速率影響的一般規(guī)律是：溫度在各壓力條件下對代謝速率影響顯著，且在一定范圍內(nèi)，代謝速率隨著溫度上升而上升（Thatje et al，2010；Oliphant et al，2011；Smith et al，2012），另外，隨著壓力的上升，溫度和代謝速率關系的顯著性也會發(fā)生下降（Thatje et al，2010）或上升（Childress，1976）；而壓力對代謝速率的影響受到溫度控制，一般低溫會增加壓力對生物的影響（Oliphant et al，2011），其它溫度下，壓力對代謝速率沒有顯著影響。對于同一物種的不同發(fā)育階段，成體比幼體對壓力的響應更敏感（Smith et al，2012）。

隨著壓力的升高，生物的活動一開始會更加頻繁，且有逃逸和保護自己的趨勢（Thatje et al，2010），但是隨著壓力的繼續(xù)升高，生物將逐漸失去活力（失去平衡或者不再活動）。在這個過程中，溫度耐受幅以內(nèi)的升溫可以使生物耐受更高的壓力（Oliphant et al，2011）。

一方面，淺海動物有著長時間耐受高壓的能力，Palaemonetes varians成體在10 MPa壓力、5℃和10℃水溫、不補充餌料的條件下，在高壓釜內(nèi)培養(yǎng)了7天，并100%存活（Cottin et al，2012）。另一方面，深海動物同樣擁有耐受低壓的能力，端足目Stephonyx biscayensis成體通過誘捕裝置由1 528 m和1 765 m捕獲后存活率達到100%，在實驗室內(nèi)常壓培養(yǎng)時間長達2個月后可以繼續(xù)作為實驗樣品（Brown et al，2011）。

深海端足類生物的體長、體重具有一定差異，為了在一定程度上消除體長體重差異帶來的代謝速率差異，在研究中使用單位重量耗氧速率和單位重量氨釋放速率來衡量其代謝速率（Treude et al，2002）。這也為比較淺海端足類生物和深海端足類生物的代謝速率提供了途徑（表3）。

表3 深海端足類和淺海端足類代謝速率比較

通過比較發(fā)現(xiàn)，深海端足類和淺海端足類生物的單位質量耗氧速率并沒有明顯差異，這符合大多數(shù)淺海動物代謝速率和壓力沒有顯著關系的規(guī)律。但是深海端足類的氨釋放速率要明顯高于淺海端足類，這反映深海種的消化速率更快，使其擁有更快的食物尋找頻率（Treude et al，2002）。

值得注意的是，除了壓力和溫度，影響海洋動物代謝速率的可能因素還包括：饑餓程度、食物氣味、是否馴化等。Eurythenes gryllus在饑餓條件下代謝速率更低（Treude et al，2002），而Stephonyx biscayensis的代謝速率則和是否喂食沒有顯著關系（Brown et al，2011）。Chapelle（1994）的研究表明，經(jīng)過饑餓處理一段時間后，端足類生物在初次喂食時，其耗氧速率是正常狀態(tài)的4倍（Chapelle et al，1994）。另外，食物的氣味也會提高食腐端足類的呼吸速率（Smith et al，1982）。在淺海對蝦Palaemonetes varians的馴化實驗中，發(fā)現(xiàn)常壓5℃馴化80天和低溫10 MPa馴化7天后，可以顯著提高其對壓力的耐受能力（New et al，2014）。但是深海（1528～1765m）端足生物Stephonyxbiscayensis在經(jīng)過常壓馴化2個月后，其代謝速率和未經(jīng)馴化的同一物種沒有顯著差異。

2.4 基因表達水平

壓力和溫度對基因表達水平影響的一般規(guī)律是：對于壓力相關基因，在特定溫度下，隨著壓力上升其表達量上升（Cottin et al，2012；Morris et al，2015）。值得注意的是，這種趨勢并非在所有溫度條件下都可以觀察到，在非特定溫度下，壓力對這些基因的表達水平?jīng)]有顯著影響。

通過對Palaemonetes varians進行加壓實驗，發(fā)現(xiàn)的壓力相關基因有NMDAR－regulated protein、ADP ribosylation factor、heat shock protein 70kDaisoforms（HSP70）、glyceraldehyde－3－phosphate dehydrogenase（GAPDH）、β－actin（Cottin et al，2012；Morris et al，2015）。其中，N－methylaspartate receptors（NMDARs）對后生動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)有重要作用（Gallus et al，2010；Hepp et al，2013），NMDAR的高活性會導致細胞的鈣離子泵功能紊亂，大量聚集鈣離子，從而導致細胞損傷（Szydlowska et al，2010）。ADP ribosylation factors與細胞損傷和DNA修復有關，其高表達或許是對NMDARs的響應（Gilliams－Francis et al，2003）。HSP70s是一種廣泛的應激蛋白，對壓力和溫度都能做出響應，并且在高溫和低溫條件下，對壓力的響應更明顯（Cottin et al，2012）。GADPH是非常保守的酶，在細胞代謝中有著重要作用。β－actin是細胞內(nèi)微管的組成部分，同樣非常保守，在深海魚類的肌動蛋白中，已經(jīng)發(fā)生了氨基酸替換并發(fā)生結構改變，使其可以更好適應深海高壓環(huán)境（Swezey et al，1985；Morita，2003）。值得注意的是，GADPH和β－actin基因在一般的qPCR實驗中常常被選為看家基因進行相對定量。由于這兩個基因的表達受到壓力影響，在以壓力作為變量的qPCR實驗中，應該避免選擇這兩個基因作為看家基因。在正常大氣壓下，改變溫度不會對以上蛋白（除了HSP70）造成顯著影響，說明壓力的誘導的作用是不能被替代的（Morris et al，2015）。在Palaemonetes varians的行為實驗中，生物不能耐受高壓的表現(xiàn)是失去平衡，在失去平衡的過程中，還伴隨有痙攣抽搐的癥狀（Oliphant et al，2011），這些與神經(jīng)和肌肉功能有關的壓力誘導基因或許能夠在分子層面對行為模式做出解釋。

加壓培養(yǎng)實驗在微生物領域也有廣泛的應用，在50 MPa條件下Escherichia coli表達的壓力相關蛋白有55種（Welch et al，1993）。在加壓開始后的數(shù)小時內(nèi)，壓力誘導的蛋白逐漸開始表達，這些蛋白在60～90 min后達到較高的水平（Bartlett et al，1995）。通過對微生物，包括Photobacterium profundun SS9，Shewanella piezotolerans WP3和Pyrococcus yayanosii CH1的研究發(fā)現(xiàn)：高壓作用于氫鍵，導致雙鏈核酸更加穩(wěn)定，影響DNA的復制和轉錄（Simonato et al，2006）；高壓條件導致細胞膜的流動性變差，影響跨膜運輸、鞭毛運動等與膜相關的功能（Winter，2013）；高壓引起蛋白質的亞基解聚，導致其構象變化。甚至影響核糖體的正確組裝，干擾正常的生物學功能（Balny et al，2002；Northrop，2002）。

3 結語

隨著海洋深度增加，壓力是唯一發(fā)生線性改變的生態(tài)因子。其它的生態(tài)因子，包括溫度、光照、營養(yǎng)等，在1 000 m以內(nèi)發(fā)生的變化往往是劇烈的?；蛟S這些隨深度發(fā)生劇烈變化的生態(tài)因子是限制海洋動物垂直分布的主要因素。所有的壓力相關動物實驗中，都指出實驗生物可以耐受比其成體生長環(huán)境更高的（對于淺海動物）和更低的（對于深海動物）壓力，這說明壓力并非限制其垂直分布的唯一因素。另外，根據(jù)淺海動物實驗室內(nèi)的研究結果，生物的壓力耐受能力可以通過低溫和高壓馴化得到顯著提升（New et al，2014）；同時在自然環(huán)境中，生活在更深處的同一物種對壓力的耐受能力也要顯著高于淺海的同種生物（Tyler et al，1998）?？紤]到海洋的壓力是隨深度增加逐漸上升的，且寒帶海域維持全年低溫，這意味著海洋動物為了填補更深海域空缺的生態(tài)位，在自然條件下可以自發(fā)進行高壓適應，但是對于其它變化幅度很大的生態(tài)因子，海洋動物的適應能力或許難以得到提高。

淺海動物能否在高壓條件下進行一個完整的生命周期（受精、發(fā)育、交配、產(chǎn)卵）是一個尚未解決的問題。雖然已經(jīng)有研究表明淺海動物精卵細胞可以在50 MPa的條件下受精并發(fā)育（Mestre et al.，2009），本文也提到了許多淺海動物的胚胎及幼體在高壓條件下成功發(fā)育的研究，而且淺海動物成體的行為及功能在高壓下被認為是正常的（Oliphant et al，2011），但是沒有任何一個淺海物種的生命周期在高壓下被連續(xù)觀察?？紤]到同一物種不同生長發(fā)育階段對壓力的耐受能力不同，一般規(guī)律是幼體大于胚胎大于成體，在胚胎及幼體發(fā)育過程中，可能存在某些關鍵階段決定其能否在當前壓力下繼續(xù)發(fā)育（Mestre et al，2009），如果要進行覆蓋整個生命周期的壓力實驗，壓力的設置或許要更有彈性，在不同發(fā)育階段可以進行小范圍調(diào)整。

淺海動物向深海演化的兩個假說中都強調(diào)了等溫水團的重要性，除了寒帶不同水層溫度幾乎達到一致，地中海由于其特殊的地理條件，在冬季可以維持較溫暖的等溫水層。因此，演化事件或許依舊發(fā)生在寒帶海域（Tyler et al，1998；Smith et al，2012）和地中海海域（Young et al，1997）。為了闡述清楚深海海洋動物的起源，還要求我們在該領域做出更多的研究。

致謝：美國南加州大學分子微生物及免疫實驗室徐思敏及中國科學院深?？茖W與工程研究所李亞男為文章修改提供幫助，在此一并致謝。

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A research progress of physiological effects of marine animals by hydrostatic pressure and temperature

CHEN Jia-wei1,2,ZHANG Hai-bin1

（1.Institute of Deep-sea Science and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）

Increased hydrostatic pressure and decreased temperature occurred with the increase of sea depth.Therefore,the tolerances of thermal and pressure changes significantly influenced the vertical distribution of marine animals.This paper reviewed three main international research methods of investigating hydrostatic pressure and thermal tolerances of marine animals,including direct comparing the differences between congeneric species from different depth,pressuring marine animals by pressurisation system,trapping deep-sea animals and maintaining them at atmospheric pressure and ambient temperature.Then,this paper summarized a number of physiological effects resulting from hydrostatic pressure and temperature,including organic osmolytes concentration and protein structure,embryonic and larval development,behavior and metabolic rate,gene expression level.At last,this paper discussed the mechanisms of high pressure adaptation,the limitation of vertical distribution of marine animals by hydrostatic pressure,and the origin relationship between shallow and deep-sea animals.

hydrostatic pressure;temperature;deep-sea;marine animals;physiological effects;tolerance;origin relation

P735

A

1001－6932（2017）06－0601－10

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.06.001

2017-03-16；

2017-05-04

中國科學院百人計劃項目（SIDSSE-BR-2014）；國家自然基金面上項目（41576127）；中科院深海所知識創(chuàng)新工程領域前沿項目（SIDSSE-2014）。

陳家煒（1993－），碩士研究生，主要從事海洋動物壓力適應機制研究。電子郵箱：chenjw@idsse.ac.cn。

張海濱，研究員。電子郵箱：hzhang@idsse.ac.cn。

袁澤軼）