The Cellular Secret to Resisting the Pressure of the Deep Sea
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欢迎收听“Quanta科学播客”。每一期节目，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。

海底寒冷、黑暗，而且承受着极大的压力。这不是适合我们这些地表居民生理特征的地方。在最深处，36200英尺深的海水压力大于一头大象压在你身体每一平方英寸上的重量。然而，地球最深的地方却孕育着独特地适应这些挑战性环境的生命。

那么，这些生物是如何在那里生存的呢？接下来就讲到这个。量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。

科学家们已经研究了一些大型动物（如琵琶鱼和水滴鱼）的身体是如何适应深海压力的。但对于细胞和分子如何承受数千英尺深的海水挤压、压碎的重量，我们知之甚少。

伊泰·布丁在加州大学圣地亚哥分校研究细胞膜的生物化学。我们知道，地球上的生物会适应不同的环境。我们知道，生活在深海的动物不是生活在水面上的动物。它们不是你在水族馆里能看到的动物。它们显然具有生物学上的特殊性，但我们在分子水平上知之甚少

究竟是什么决定了这种特殊性，如果有的话。在一篇最近发表在《科学》杂志上的研究论文中，研究人员对细胞如何适应深渊生活进行了迄今为止最深入的研究。2018年，布丁遇到了深海生物学家史蒂夫·哈多克。他们联手调查细胞膜是由脂质分子构成的，这是否可以帮助解释动物是如何在这种高压环境中茁壮成长的。

为了弄清楚这一点，他们转向了梳状水母，这是哈多克在加州蒙特雷湾水族馆研究所研究的简单而精致的动物。

道格拉斯·巴特利特在加州大学圣地亚哥分校研究微生物如何在深度和压力下维持生命。他没有参与这项新的研究。这些梳状水母是这些美丽的远洋海洋动物，虹彩的，而且如果你看过它们在海洋中的视频，你会看到它们的名字来源——梳状纤毛的跳动，这就是它们能够在海洋中游泳的方式。所以它们是相当引人注目的动物，非常酷的动物。

哈多克的学生雅各布·维诺科夫领导了这个跨学科团队。他们发现，生活在深处的梳状水母的细胞膜是由与浅水区同类完全不同形状的脂质分子构成的。深海梳状水母中四分之三的脂质是磷脂酰乙醇胺，这是一种在表层动物中较少见的弯曲脂质。

在深海的压力下，这种弯曲的分子会符合支撑坚固而动态的细胞膜所需的精确形状。以下是巴特利特的再次发言。我们谈论的是生物圈中最大的一部分，深海，寒冷的深海。重要的是要尝试理解深海生物与例如极地环境中的生物有何不同。所以这篇论文出现了，他们提供了另一种解释

深海动物和可能的深海微生物的脂质是如何以一种特定于压力的方式适应的。这是一篇令人惊叹的论文。它深入研究了脂质结构，具有相当深远的影响。

索尔·格鲁纳在康奈尔大学研究分子生物物理学。他曾参与过这项研究，但不是共同作者。我们观察我们的世界，有一种倾向认为，好吧，我们知道地球上的生命在哪里，我们了解它在各种条件下是如何生存的，以及它从哪里来。事实上，情况并非如此。它从来都不是真的。还有很多东西需要学习。所以最广泛的意义在于

雅各布和我的研究是，他们正在研究一个我认为在很大程度上尚未探索的领域。疟原虫脂质也存在于人脑中，它们在深海膜中的作用可以帮助解释细胞信号传导的某些方面。更直接地说，这项研究揭示了一种新的生命适应深海最极端条件的方式。

地球上所有生命的细胞都被称为脂质的脂肪分子包围着。以下是维诺科夫的发言。膜是由这些脂质组成的，这些脂质具有含水的头部基团和由碳和氢组成的两条油腻的尾部，它们背靠背排列。如果你把一些脂质放在试管里，然后加水，它们会自己这样排列起来。这就像油和水、油和醋在盘子里分离一样，因为相似的东西想在一起。所以油腻的末端会分开。

聚集在一起，分子的亲水端朝外。这种基本方案，即分子的一个侧面是油腻的，而另一侧面是亲水的，对脂质来说是普遍存在的，这就是它们发挥作用的原因。

对于一个细胞来说，外部脂质膜充当物理屏障，就像房子的外墙一样，提供结构并保持细胞内部的完整性。但屏障不能太坚固。它上面布满了蛋白质，这些蛋白质需要一些活动空间来执行它们各种细胞工作，例如将分子运送到膜的另一侧。有时，细胞膜会收缩以将化学物质释放到环境中，然后再次融合在一起。

因此，为了使膜健康和功能正常，它必须同时坚固、流畅和动态。以下是维诺科夫的再次发言。膜处于稳定性的边缘，而这正是它们想要的位置。关于脂质膜的疯狂之处在于……

当我学习它时，我发现它令人难以置信，那就是尽管它具有这种非常明确的结构，这两层，构成每一侧薄片的各个分子，它们一直在彼此周围流动。它实际上是一种液晶。所以它具有更高阶的结构，但分子在移动。

维诺科夫说，这种结构的新兴特性之一是，膜的中间对温度和压力的敏感性非常高，远高于其他生物分子，如蛋白质、DNA或RNA。如果你取一个膜，保持成分不变，所以你没有改变其中的任何脂质，然后你把它冷却下来，分子会越来越慢地移动，然后最终它们会锁在一起。这就像你把橄榄油或黄油放在冰箱里一样。

从生物学角度来看，这通常是一件坏事。例如，那时，代谢过程无法继续，因为分子没有移动。膜可能会破裂、泄漏。为了避免这种情况，许多适应寒冷的动物的膜是由具有略微不同结构的脂质分子混合物组成的，即使在低温下也能保持液晶流动。

维诺科夫说，之前的研究已经表明了这一点。较冷的东西使用更多不饱和脂肪酸，这有助于脂质在较低温度下流动。因为高压也会减慢膜的流动，许多生物学家认为深海膜的构建方式相同。

但事实证明，这些研究人员并没有完全了解情况。这需要生物化学家和海洋生物学家之间出乎意料的合作以及更先进的技术才能看到深海膜已经进化出不同的流动方式。

梳状水母或栉水母是脆弱身体中的贪婪捕食者。它们是利用纤毛游泳的最大动物，纤毛排列成行，称为梳状纤毛，它们以各种各样的猎物为食。基因证据表明，它们是第一个在自己的进化路径上从动物树上分离出来的生物。

虽然它们在某些方面类似于水母，但人类实际上与水母的关系比与栉水母的关系更密切。它们成功地殖民了各种海洋栖息地，从地表水到海沟，从热带到两极。你会期望这样一个广泛的群体具有适应性，事实上，深海的梳状水母与生活在海洋表面的梳状水母的构造不同。

以下是我们之前听到过的海洋生物研究员道格拉斯·巴特利特的讲话。为了这项研究的目的，他们收集了浅层和深层的栉水母。你收集深层的栉水母，然后把它们带到水面，它们就会散架。它们只是融化了。真的很戏剧性。然后，对于浅层的栉水母，你给它们加压。所以你让它们接触到更像深海表面的东西。

条件。那些帮助它们移动的跳动的梳状纤毛，随着压力的增加，它们跳动得越来越快。纤毛的这种运动最终导致它们死亡。但没有人真正知道将它们区分开来的分子差异。

2018年，栉水母专家哈多克参加了一个关于真核生物起源的会议。在观看布丁介绍关于细胞膜对温度的反应的研究后，他找到了这位脂质专家。哈多克有一名研究生维诺科夫，他想研究对极端压力的适应。众所周知，脂质对压力敏感，因此细胞膜是研究的主要目标。他们决定合作。

哈多克、布丁和维诺科夫首先从海洋的不同地方收集梳状水母。以下是维诺科夫的发言。浅层的栉水母大多是通过潜水收集的。我参加了大部分潜水，抓到了大部分标本，能够从，你知道，你手中的一个罐子里，通过粒子加速器出来的测量结果来获取一些东西，这真的很有意义。维诺科夫小心地从蒙特雷湾的地表水域捕获梳状水母。

从蒙特雷湾水族馆研究所的一艘海洋考察船上，他帮助操作一台深海机器人，从12000英尺深处收集梳状水母。为了控制深海低温的影响，他和布丁请他们自己探险的朋友们从寒冷的北极水域收集地表梳状水母。总的来说，该团队从17个相关物种中收集了66只动物。

当项目的分子部分准备开始时，疫情爆发了。所以维诺科夫在他的车库里建立了一个实验。因为我们不允许进入研究所。维诺科夫使用荧光分光光度计，将紫外线射入装有从他们收集的生物膜材料小球的试管中。在进行实验的几个小时内，荧光输出信号

对一些动物来说还可以，但对于我们真正想要数据的深海动物来说，因为以前没有人从它们那里获得数据，信号就会像……结果让他困惑不解。当他提高温度时，深海膜并没有变得更流畅。这被认为是脂质膜普遍存在的反应。所以我们和康奈尔大学的这位物理学家索尔·格鲁纳谈了这件事。他说，好吧，你知道，

有时脂质在这些膜中是平躺的，但在某些条件下，它们可以形成其他形状。格鲁纳，康奈尔大学粒子加速器的前主任，告诉他们，如果他们真的想知道膜中发生了什么，他们需要强大的高能X射线。他知道完美的来源。

埋在康奈尔大学主要运动场地下50英尺处的是同步加速器，这是一种粒子加速器，它使用高频电场和低频磁场来加速带电粒子。格鲁纳努力建立的该设施的一部分，可能就是为了研究深海细胞膜而设计的。一个小型角X射线散射装置于2020年开放。

它不仅可以区分脂质等分子的更精细的细节和形状，还可以增加和减少它们所承受的压力。该团队也经历了一些压力，因为他们不得不熬夜才能充分利用他们在该设施的有限时间。他们对脂质样本进行的强大的X射线照射揭示了迄今为止最清晰的深渊细胞膜图像。

深海梳状水母的膜脂质在我们的标准大气压下，比地表细胞膜的形状更弯曲。

维诺科夫说，这些动物特别增加了被称为磷脂酰乙醇胺的一组脂质的产量。在这些深海平静的水母中，它们可以构成所有脂质的四分之三。我们谈论的是动物整个身体中的所有脂质，这有点疯狂。我们做了很多检查以确保这不是一个错误。维诺科夫说，在地表，磷脂酰乙醇胺有一个小的磷酸头部和一对宽阔的、张开的尾部，类似于羽毛球拍。

但在高压下，尾部会挤压在一起，形成必要的坚固而动态的结构。以下是布丁的发言。它们从不同的位置或不同的形状开始它们的脂质。因此，当你压缩它们时，它们仍然保持着我们在我们自己的细胞中看到的正确形状，但在这些极端压力下。布丁和维诺科夫将这种新的修饰命名为同弯曲适应。

巴特利特说，将磷脂酰乙醇胺膜带到深海就像按下弹簧一样。然后当东西上来，压力释放时，弹簧上的所有张力都会释放，弹簧就会，你知道，戏剧性地伸展。那时你可以想象细胞，它们的膜破裂了。同时，如果将具有更直脂质的地表膜带到深处，它会压缩过多，变得太僵硬而无法正常工作。

值得注意的是，在北极寒冷的浅水中，梳状水母中不存在弯曲的磷脂酰乙醇胺。彼得·迈克尔是一位在澳大利亚贝克心脏和糖尿病研究所研究磷脂酰乙醇胺的脂质生物学家。他没有参与这项研究。膜的组成几乎将生物体限制在特定的压力范围内。

因此，如果它们上升到太低的压力，那么由于它们具有特定的膜组成，膜将无法发挥作用，或者如果它们下潜太深，它们将无法发挥作用。布丁想看看这些脂质的实际作用，在同步加速器的一次深夜会议上，他突然想到了一些事情。在深夜你极度疲惫的时候，我的意思是，是的，有时确实需要。布丁偶然发现了一篇关于研究脂质的有趣方法的论文，

作者已经设计了大肠杆菌，使其在细胞膜中产生磷脂酰乙醇胺，而不是它们的正常脂质。

布丁意识到，他的团队可以同样地诱导细菌产生更多的磷脂酰乙醇胺，并对其加压，以观察膜在活细胞中的保持情况。为了检验我们关于耐压性和压力特化的假设，我们实际上使用了大肠杆菌细胞，我们设计了大肠杆菌细胞的脂质，我们使大肠杆菌脂质更像高度弯曲的羽毛球拍或更少。

我们观察了大肠杆菌细胞在实验室压力下的反应，因为我们可以在实验室的压力室中放置大肠杆菌细胞并观察这一点。按照论文的方法，他们表明，具有磷脂酰乙醇胺膜的细菌确实比典型的细菌更能耐受压力。维诺科夫说，这些实验膜仅由20%的磷脂酰乙醇胺组成，但这足以产生影响。

巴特利特对这种弯曲脂质形状的影响出现在如此无关的物种中印象深刻。由此可能得出的结论是，我们将发现这种同弯曲适应的原理将成为生命的一个普遍特性。除了考虑膜如何发挥作用之外，

调整它们的粘度，它们还必须调整它们的曲率，以适应膜执行的各种功能。因此，这将导致一种不同的思考膜的方式。我不知道这一切将导致什么。磷脂酰乙醇胺并不局限于深海。它们也在包括人类在内的其他生物体中不同程度地存在。人类体内磷脂酰乙醇胺的百分比取决于细胞类型。

在肝脏中，磷脂酰乙醇胺占磷脂的5%。在肌肉中，它们可以介于20%和40%之间。在大脑中，它们约占60%。事实上，磷脂酰乙醇胺的恶化与阿尔茨海默病等神经退行性疾病有关。

你还记得之前的彼得·迈克尔吗？他研究磷脂酰乙醇胺是因为它们与哺乳动物健康有关。至少从我的角度来看，证据表明磷脂酰乙醇胺更具保护性。维诺科夫推测，磷脂酰乙醇胺可能为神经细胞提供了满足其交流需求的正确灵活性。

为了发送信号，神经元用神经递质填充细胞囊。然后这些囊与细胞膜融合，将信号化合物释放到下一个神经元上。维尼科夫认为，也许磷脂酰乙醇胺的弯曲结构使这成为可能。

米克科喜欢这个想法。当然，它们是允许膜形成这些类型的曲率的主要锥形。随着研究更好地理解脂质在膜功能中的作用，这些发现可能与更广泛的膜相关。以下是索尔·格鲁纳的发言。他们提出的问题比他们回答的问题更多，但希望这将促使人们开始思考

进行更多实验，更深入地研究这个主题。事实上，现在是哈佛大学博士后的维诺科夫正在研究这种脂质适应机制在不同生物体中的普遍性。

他开始进行实验，以确定在深海热液喷口（岩浆和海水相遇的深海区域）中发现的生物体是否具有类似的适应性。他说，研究古菌（生命的第三个分支）将非常有趣。古菌脂质的行为与细菌和真核生物中发现的脂质不同。维诺科夫说，它们遵循不同的化学原理，但他想知道，它们是否遵循相同的物理原理？

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息，请阅读Yasmin Saplakoulou的完整文章“抵抗深海压力的细胞秘密”，网址为quantamagazine.org。请注意，Itay Budin已获得西蒙斯基金会的资助，该基金会还资助编辑独立的Quanta杂志和Quanta科学播客。西蒙斯基金会的资助决定不会影响我们的报道。

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