乍一看，南极洲似乎很荒凉。这片大陆以呼啸的大风和极度寒冷而闻名，南极洲地表覆盖着一英里厚的冰架。象海豹和海鸟偶尔会出现在南极洲布满冰川的海岸线上。但南大洋的海浪之下，有着丰富的生物多样性资源：生机勃勃的海冰藻类和蓝藻；成群结队的磷虾和甲壳类动物；生机勃勃的海带森林；巨大的极地海蜘蛛、海绵、鲸鱼群；以及丰富的南极鱼类。
南极鱼类在南大洋9000种已知海洋物种的食物网中发挥着至关重要的作用，然而在零度以下的生存环境中这些鱼类可能面临危险。2021年的一项气候研究分析认为，2050年，南极洲大陆架的一些地区将至少升温1摄氏度。
弗吉尼亚州罗诺克市的弗吉尼亚理工学院下属弗林生物医学研究所（Virginia Tech's Fralin Biomedical Research Institute at VTC）研究人员在《公共科学图书馆期刊》（PLOS ONE）发表了一篇研究报告，描述了两种南极鱼是如何应对水温变暖的，其中，一种南极鱼的血液细胞中含有血红蛋白，另一种则没有。
弗吉尼亚理工大学负责健康科学和技术研究的副校长迈克尔·弗里德兰德（Michael Friedlander）领衔的研究团队观察到，这两个物种都有一系列精心设计的行为动作对水温逐渐变暖作出反应，包括扇动和伸展它们的鳍，上浮至水面呼吸，做出惊吓行为，以及交替进行短暂的游动和休息。
值得注意的是，我们的团队发现，南极鱼类通过物种特定的运动和呼吸反应加强呼吸，以此补偿日益增长的代谢需求，显示出对环境变化和可能的全球变暖的适应能力，弗里德兰德说，他也是弗林生物医学研究所的执行主任、弗吉尼亚理工大学卡里昂医学院负责研究的高级院长，同时还是理学院生物科学系教授。环境变暖给鱼类带来了多方面的挑战，比如鱼类中枢神经系统和目标组织（如骨骼肌和心肌）的温度升高，鳃呼吸时水中溶解氧的利用率下降。这些发现表明，南极鱼类或许能在极端条件下通过一些行为一定程度上适应环境，但对于水温变暖对其捕食习惯、食物供应和繁殖力的影响却知之甚少。
该研究报告的第一作者、弗里德兰德实验室研究助理教授伊斯坎德·伊斯梅洛夫（Iskander Ismailov）说：“我们描述的鱼类行为表现说明，这些鱼类具有强大的生理能力，能够在环境变化中生存。”
数百万年来，南大洋鱼类为南极绕极洋流环绕，与世界其他地区相隔离，它们已经很好地适应了极寒的生态系统。
黑鳍冰鱼，学名头带冰鱼（Chaenocephalus aceratus），是该团队研究物种中的一种。它拥有独特的乳白色血液。它也是为数不多的缺乏血红蛋白的脊椎动物，血红蛋白是红细胞中的成分，可以有效地将氧气从陆生脊椎动物的肺部或水生脊椎动物的鳃部输送到身体的各个组织。但黑鳍冰鱼运输的是溶解在血浆中的氧气，血浆的载氧量大约只有血红蛋白的10%。
氧气在冷水中更易溶解，由此白色血液的冰鱼能够在南大洋茁壮成长。然而，随着水温的上升，这些物种的代谢需求增加，有可能使其更易受全球变暖的影响。为了验证这一假设，研究团队在控制气候的海岸带实验室中对五条白血黑鳍冰鱼和五条红血黑岩鱼（Notothenia coriiceps）进行了实验，该实验使用直接从南大洋获取的海水，这些海水被循环使用且逐渐升温。
鱼类适应了实验室的环境，然后被转移到实验水箱中，水温从-1.8摄氏度上升到13度，速度为每小时3度。研究人员拍摄了大量的视频记录，依此检查和量化鱼类的运动能力、呼吸频率、在水箱中的动作和鱼鳍运动。随着水温的上升，白血冰鱼表现出密集的胸鳍扇动。这是冰鱼守卵期间常常出现的行为，研究人员认为这一行为可能有助于促进呼吸作用。伊斯梅洛夫说，相比之下，红血冰鱼使用更复杂的动作，包括胸鳍扇动和伸展，然后是类似于惊吓的C型转体，这可能会增加鳃部水流流量。
斯坦福大学（Stanford University）海洋生物学荣誉教授、研究海洋生物适应热应力的先锋学者乔治·索梅罗（George Somero）说：这些发现为温度上升对研究这些高度冷适应的物种影响提供了一个新的视角。他没有参与这项研究。
研究考察的准备工作于2014年初开始。研究团队设计、定制计划，并将实验室设备运到南极洲帕尔默站，2015年团队在那里生活了三个月。行程包括飞往智利的蓬塔阿雷纳斯，然后在澳洲秋季乘船穿越德雷克海峡。伊斯梅洛夫是第一个到达帕尔默站的人，他建立了实验装置。六周后，乔丹·沙平（Jordan Scharping）加入了他的行列，当时他是弗吉尼亚理工大学卡里昂医学院的二年级学生，在弗里德兰德主持工作的实验室进行研究。两人在实验室里轮流工作12小时，实验室温度接近冰点。
弗里德兰德博士让我加入了这个项目。我记得他向我们这些医科学生介绍了南极项目，每个人都为之振奋。这是一个令人难以置信的机会，我很感谢他给了我这个机会。现在是西北纪念医院（Northwestern Memorial Hospital）医生的沙平说。
研究人员负责在为期四周的捕鱼航行中收集他们需要的鱼类标本。在研究船船员的帮助下，研究人员在海上昼夜不停地工作，有时天气条件非常恶劣。
在一个暴风雨的夜晚，当我们正在捕鱼时，一个两层楼高的海浪盖过了船尾，冰冷的海水把我从头到脚都淋湿了——之后船长就停止了捕鱼，伊斯梅洛夫回忆说。作为医学院毕业生，我从来没有想到在我的职业生涯中我会去南极研究鱼类，但这个研究项目已经成为我生命中最不寻常和最难忘的事情之一。
该研究的实地考察工作由国家科学基金会（National Science Foundation Grant）资助，资助资金拨付给俄亥俄大学（Ohio University）名誉教授伊丽莎白·克罗基特（Elizabeth Crockett）和阿拉斯加大学费尔班克斯分校（University of Alaska Fairbanks）教授克里斯汀·奥布莱恩（Kristin O'Brien）。克罗基特和奥布莱恩都曾是C·拉德教授门下的布鲁斯·塞德尔（Bruce Sidell）的研究生，项目还邀请弗里德兰德与来自不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）、利兹大学（University of Leeds）和瓦尔多斯塔州立大学（Valdosta State University）的合作者一起参加考察活动。
这项最新研究的基础始于45年前。弗里德兰德当时是伊利诺伊大学普罗瑟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）导师，他也是比较动物生理学和热生物学领域的先驱，他的研究聚焦于推进实验方法来评估温度变化如何影响整个生物体中的分子、细胞和行为过程。他的里程碑式研究发现发表在1977年的《比较生理学杂志》（Journal of Comparative Physiology），研究对象是常见的金鱼。萨默罗在2015年的《实验生物学杂志》（Journal of Experimental Biology）评论中称赞了这项研究。
萨梅罗说：“我感到欣慰的是，弗里德兰德博士几十年前关于温度对金鱼行为影响的开创性研究已经演变成这项关于南大洋鱼类的令人振奋的新工作。”
虽然研究团队观察到，南极低温鱼类表现出非凡的能力来抵御急性热应激，但伊斯梅洛夫警告说，这些脆弱物种仍然需要保护。
伊斯梅洛夫说：“在70年代和80年代，由于不受管制的商业捕捞，南大洋有严重过度开发的历史。过度开发使一些鱼类物种的数量严重减少，所以它们的恢复前景仍然不明朗。”。
弗里德兰德对此进行了阐述，指出所有物种在脆弱的生态系统中都扮演着重要角色。
弗里德兰德说：“如果不加以管制，人类活动可能会造成不可逆转的损害，不仅影响冰鱼，还影响南极食物网中的许多其他物种。”“通过现在进行这些类型的原理验证实验，开始了解处于风险中的物种的生理机能，我们可以开始对气候变化可能引发的复杂生态系统内变化以及单个物种可能拥有的储备和适应能力做出更为明智的预测。” “行为是生物体内分子、细胞和整个系统功能变化的最终表现，因此可以作为温度上升潜在影响的实际表现。”
编译：童华明
审校：张仲杰（Hugo Zhang）、邹磊磊
来源网站：ScienceDaily 网
