海底熱液噴口向上方冰冷的海洋噴出滾燙的水。壹米之內,溫度從熱到冷不等。最重要的是,壓力很大,沒有光。這種難以想象的環境是“雪人蟹”的家園,這是壹種在2005年首次發現的有爪甲殼動物。它們毛茸茸的前肢看起來像雪人。自從第壹次發現以來,只發現了五種謝爾曼蟹。但它們遍布南半球。這些奇怪的小生物找到了在世界上最極端的環境中生存的方法。
海底熱液噴口向上方冰冷的海洋噴出滾燙的水。壹米之內,溫度從熱到冷不等。最重要的是,壓力很大,沒有光。這種難以想象的環境是“雪人蟹”的家園,這是壹種在2005年首次發現的有爪甲殼動物。它們毛茸茸的前肢看起來像雪人。自從第壹次發現以來,只發現了五種謝爾曼蟹。但它們遍布南半球。這些奇怪的小生物找到了在世界上最極端的環境中生存的方法。
拋開名字不談,謝爾曼蟹並不是真正的螃蟹,都屬於甲殼綱。雪人蟹生活在噴有熱液的海底玄武巖的小裂縫周圍,以及壹些冒煙的海底火山口底部。雖然環境極其惡劣,具有深海特有的巨大壓力,但熱液噴口周圍的水與海底常見的2℃相比,還是“溫和的32℃”。也就是說,它們可能永遠也不會進入400℃的熱液中,因為科學家還沒有在噴射熱液的海底裂縫和環形山中見過它們。它們是可移動的,所以如果它們想的話,它們可以逃離非常熱的水。
科學家們還註意到謝爾曼蟹表現出壹種奇怪的行為。它們似乎把毛茸茸的前肢放在熱液噴口流出的熱水上。仔細觀察,研究人員發現前肢的毛發上覆蓋著成千上萬的細菌。有人認為謝爾曼蟹可能是在“培養”細菌作為食物來源。
第二種雪人蟹生活在哥斯達黎加附近的海底。它類似於釋放甲烷和硫化氫氣體的熱液噴口的棲息地。與熱液噴口不同,泄漏處釋放的水不熱,但溫度與周圍海洋相同。科學家開始相信他們在培養微生物。
為了證明細菌而不是浮遊生物是謝爾曼蟹的主要食物來源,科學家分析了它的碳和脂肪酸。它們與在細菌中發現的非常相似。另外,碳以特定的形式存在,只存在於不需要利用陽光就能獲得能量的生物體內。換句話說,碳不可能來自光合浮遊生物。它壹定來自細菌,細菌利用化學合成的過程從滲出的氣體中獲取能量。
雪人螃蟹不會只是坐在那裏被動地讓細菌在上面生長。它們在水中揮舞著前肢,積極地培養微生物。這種運動為細菌提供了穩定的氧氣和硫化物氣體流,這可能有助於它們的生長。謝爾曼蟹的前肢在海底滲出的液體中來回擺動,細菌在前肢和身體上培養。“它們有節奏地來回擺動,以保證上面的微生物能盡可能快地生長。有時它們會用嘴將這些細菌從身體和前肢上刮下來。雖然海底的環境對我們不友好,但是雪人蟹卻很輕松。
雪人螃蟹什麽也看不見,所以黑暗不重要。至於熱度,鹽度,水壓,這些都是它們的習慣和適應。那個地區的溫度幾千年來壹直保持不變,它們生活在地球上最穩定的環境之壹。2010第三種謝爾曼蟹多毛的胸部和肌肉發達的外表讓人聯想到英國演員大衛·霍索夫,因此謝爾曼蟹被昵稱為霍夫蟹。Hof蟹擁擠在海底熱液區的周圍,來回揮動前肢,以獲得盡可能多的硫化物。它們甚至似乎可以趕走盲蝦:這些較小的甲殼類動物可能也想接觸這種液體。
這是迄今為止發現的最頑強最頑強的雪人蟹,因為它要應對的條件是如此的極端。這是因為,雖然噴出的火山水可能高達400℃,但在離噴口僅幾英尺的地方,水溫幾乎為0℃。霍夫蟹可能是唯壹生活在極熱和極寒環境中的動物。盡管條件惡劣,但火山口仍然充滿了雪人螃蟹。雪人蟹不能在400℃的熱水中生存,可以用普通烹飪方法烹飪。
深海火山,熱液噴口形成於海水和巖漿的交匯處,熱液流體中所含的礦物在冷卻時形成煙囪狀結構。
黑煙囪附近生活著壹些小生物,如盲蝦、盲蟹等,還有壹種著名的蝸牛,叫鱗角腹足蝸牛,它身上覆蓋著壹層硫化鐵的硬殼。
它們都生活在400度的熱水中。
那麽它們到底能不能煮呢?答案是可以煮這個問題與構成生物體的蛋白質結構有關。
世界上所有的生物都是由單細胞真核生物進化而來的。盲蟹和盲蝦的細胞結構與鳥類、爬行動物和哺乳動物相似,蛋白質也是如此。
雞蛋是壹大塊蛋白質。為什麽雞蛋生的時候是半液態,熟了就變成凝固了?
雞蛋發生了化學變化還是物理變化?
蛋白質的分子是由氨基酸組成的長鏈。因為長,所以會折疊彎曲。折疊彎曲後的蛋白質稱為蛋白質的空間構象,這種折疊會重復多次,形成二級、三級、四級折疊。
蛋白質折疊後具有蛋白質的全部功能。
折疊後的蛋白質之所以能保持穩定的形狀,是因為有壹種叫做氫鍵的分子間力鎖住了這些折疊。
氫鍵提供了蛋白質折疊、蛋白質結構和分子識別的大部分定向相互作用。大多數蛋白質結構的核心由α折疊和β折疊等二級結構組成。這滿足了蛋白質疏水核心主鏈中羰基氧和酰胺氮之間的氫鍵勢。
蛋白質與其配體(蛋白質、核酸、底物、效應物或抑制劑)之間的氫鍵提供了相互作用的方向性和特異性。
我們知道,原子是由原子核和圍繞原子核運行的電子雲組成的,它是球對稱的,沒有分子形成時不顯示正負極性。
但分子形成後,由於需要享受電子對,電子雲的形狀發生了偏轉,原子會在某壹部分表現出電負性或電負性。
這種正電性和負電性會相互吸引,最常見的就是氫原子和其他原子相互吸引形成的所謂氫鍵。
在蛋白質的空間構象中,氫鍵提供了70%的結構鎖定,另外30%由二硫鍵提供。
蛋白質分子形成空間構象,就像壹團毛線卷成壹團。沒有煮雞蛋,裏面的蛋白質是這樣的,所以有壹定的流動性。
煮熟的雞蛋,鎖住蛋白質結構的氫鍵被打破,蛋白質分子膨脹成長鏈,相互纏繞,於是變成固體。
就像壹團毛線可以在地上滾來滾去。織成毛衣後就很難卷了。
所以生命的條件是蛋白質中的氫鍵不會被破壞。
盲蟹和盲蝦能在400度的海水中生存,是因為鎖定蛋白質空間結構的氫鍵沒有被破壞。
氫鍵的強度與氫原子對位的其他原子有關。氫鍵最強的是H~F鍵,其次是H~O鍵,再次是H~S鍵。氧原子的數量越多,形成氫鍵的可能性就越大。
氫鍵是弱鍵,強度介於弱範德華力和強價鍵之間,離解能取決於極性引力,所以取決於原子的電負性。
另外,壓力對氫鍵也有很大影響。
壓力越高,氫鍵越強,離解能越高,因為分子間的間距越小。
水之所以能在常溫常壓下保持液態,是因為氫鍵鎖住了水分子。在壹個大氣壓下,水的沸點會達到100度,但是隨著壓力的增加,水的沸點會上升。因為氫鍵的鍵能會隨著壓力的增加而增加,所以破壞氫鍵的穩定性需要更高的溫度。
至此,我們可以回答第壹個問題了。生活在400℃水中的盲蟹和盲蝦,在高壓下蛋白質中的氫鍵不會被破壞,但在正常大氣壓下,100℃可以破壞它們的氫鍵。
所以生活在深海400度熱水中的盲蟹、盲蝦,可以用面粉煮熟後油炸,撒上蔥花蒸熟。
深海火山附近的螃蟹能忍受400℃的高溫。如何烹飪和食用它們?
我們居住的地球的70.8%被海洋覆蓋。但是,我們對海洋深處的探索還遠遠不夠,主要是因為我們的科技水平。目前還遠遠不能適應海底(尤其是深海)沒有陽光、超高壓、含氧量低的殘酷環境。很多儀器設備還沒落到海底就已經“陣亡”了,更何況我們人類親身經歷過,只有少數科研人員和探險家。
從目前我們所了解的情況來看,海底世界並非完全貧瘠,但也存在壹些由極其有生命力的生物組成的微生態系統,而支撐這些生態系統的重要因素是有壹定的物質和能量輸入來源。典型的“輸入”類型有三種,分別是深海熱液、冷泉和鯨落。這三種形態被形象地稱為“深海三大生命綠洲”,例如,近深海熱液。還有壹些海蟹之類的無脊椎動物,據我們所知,深海熱液的溫度可以達到400攝氏度。有人不禁要問,既然這裏的螃蟹能忍受這麽高的溫度,那我們抓來能煮熟嗎?
這是壹個很有意思的問題。首先,我們來看看什麽是深海熱液。在海底地殼深處,有許多被加熱的高溫熱水填充在巖層的裂縫中。由於溫度較高,圍巖中的礦物在高溫熱水中有很大的溶解度,在地殼壓力釋放的影響下,這些高溫熱水有時會從海底地殼的薄弱部位噴出。當它接觸到海底冰冷的海水時,原本溶解在熱水中的礦物質會立即沈澱,在噴口處壹層層堆積成“煙囪”狀。由於所含礦物質不同,堆積起來的“煙囪”顏色也不壹樣,有白的、黃的、黑的。
由於噴出的熱液中仍含有壹定量的礦物質、硫化氫等氣體,與冰冷的海水相交可使周圍海水變得異常溫暖,因此熱液噴口附近會聚集壹些細菌和微生物,它們以礦物質和硫化氫為食,然後合成有機物,同時吸引螃蟹、牡蠣、貽貝等無脊椎動物。畢竟這裏溫暖,食物來源也很多,真的是“天上的壹個洞”。
我認為這些無脊椎動物沒有被熱液燙傷或煮熟的原因主要有兩個:第壹,這些動物不是純粹在熱液中活動,而是在熱液和冷海水交匯混合的區域。熱液的噴湧雖然通常是連續的,但與周圍廣闊而巨大的冷海水相比,其出水量相差很大,所以對周圍海水加熱的影響很小,只限於噴口附近比較小的範圍,而海蟹的活動區域基本在熱液與冷海水相遇的區域或更遠的地方,這個區域的溫度遠低於400攝氏度,甚至不到100攝氏度。
第二是深海壓力的影響。動物體內的蛋白質是決定生物活性的重要基礎物質。它是由長鏈氨基酸組成的復雜結構。從空間構象來看,蛋白質只有經過N次折疊才能具有相應的生理功能並表現出生物活性,而氨基酸之間的氫鍵為蛋白質的折疊提供了穩定的“結構鎖定”保證。如果氨基酸分子之間的氫鍵被破壞,那麽蛋白質分子就會展開,從而失去生理功能和活性。比如我們用水煮雞蛋,雞蛋裏的氨基酸分子會因為高溫而被破壞,蛋白質的長鏈會展開停止折疊,從而失去活性。在深海中,海底的壓力可以達到幾十萬個標準大氣壓,蛋白質之間的氫鍵力會隨著壓力的增加而增加,所以打破氨基酸分子之間的氫鍵所需的溫度會增加很多。所以,即使是海底的螃蟹,如果闖入熱液,在壹定時間內也不會受到傷害。
所以海底的螃蟹能在400攝氏度的熱液附近生存,不僅與它們的活動範圍有關,還與深海強大的水壓下氫鍵強大的結合力密切相關。如果有幸釣到深海蟹,在正常大氣壓下把水加熱到100攝氏度,也會破壞其氨基酸分子中的氫鍵,蛋白質很快就會失去活性,很容易煮熟。