长着“铁盔甲”的蜗牛

深海世界生活着一些最神奇的生物,就连蜗牛在这里都变得与众不同。在印度洋深处的海底热液口附近,生活着一种长着“铁盔甲”的蜗牛——作为海洋中生活的腹足类动物,称它们为“海螺”其实更为恰当。这种螺的名字叫鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片,看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。没错,鳞角腹足蜗牛长出了一副铁盔甲,这在动物世界中是独一份。

  这种令人惊奇的天赋其实要归功于鳞角腹足蜗牛体内的共生细菌。地球上还没有其他动物能以这种方式利用铁元素。而且,由于这种蜗牛的铁化合物具有磁性,有人甚至开玩笑地把它们称为“海底的万磁王”。此外,从比例上看,鳞角腹足蜗牛的心脏体积比许多其他动物都大得多,大约占身体总体积的4%(相比之下,人类的心脏体积只占身体的1.3%)。

鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片  鳞角腹足蜗牛(学名:Chrysomallon squamiferum),它们的螺壳由铁的硫化物组成,腹足上覆盖着铁质鳞片

  奇特的铁甲

  非同寻常的海底热液口环境造就了这种非同寻常的生物。在2400米到2800米的海底,热液口附近的海水流入地壳缝隙,被滚烫的岩浆加热,温度能达到400摄氏度以上,许多有毒物质也随之倾泻而出。2001年,科学家在印度洋的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛。即使是在热液口生物群落中,它们也是非常令人惊奇的发现,从来没有一种腹足类动物像它们一样长出数以百计的鳞片!

  可以说,鳞角腹足蜗牛的身体皆被铁化合物覆盖,主要是二硫化亚铁(黄铁矿的主要成分)和四硫化三铁(Fe3S4),后者具有磁性,因此鳞角腹足蜗牛会被磁铁吸住。鳞角腹足蜗牛的螺壳并不像板甲那么坚硬,而更像是锁子甲——柔软却又强韧。它们的螺壳可以分为三层:最外面是一层“镀铁”的物质,厚度约30微米,由铁的硫化物组成;最内侧由钙化的碳酸盐矿物霰石组成,厚度约250微米;而中间是柔软的有机层——相当于其他腹足类的外壳膜,厚度约150微米。铁质可以提供力量,而有机层能吸收掠食者——比如一只挥舞螯肢的螃蟹——攻击时的力道。此外,有机层还具有散热的功能。目前,有研究者正在尝试借鉴鳞角腹足蜗牛的螺壳结构,研究在民用和军事领域的应用。

  鳞角腹足蜗牛的螺壳具有3个螺旋,整体呈压缩的球形。螺壳上具有肋纹和精细的生长线。相比Peltospiridae科的其他物种,鳞角腹足蜗牛的体型要大得多。大部分Peltospiridae科蜗牛的壳长在15毫米以下,而鳞角腹足蜗牛的螺壳宽度通常在9.8~40.02毫米之间,最大的可达45.5毫米,成体的平均宽度为32毫米。

  相比外部的螺壳,鳞角腹足蜗牛腹足上的鳞片似乎有着更合理的用途。一些掠食性海螺(比如芋螺)能伸出鱼叉状的齿舌捕食小鱼,然后注入毒液使其麻痹。生物学家推测,鳞角腹足蜗牛的铁质鳞片可能具有抵挡这种攻击的作用,就像骑士的盔甲可以使标枪转向。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片主要由蛋白质组成(贝壳硬蛋白是一个复杂的蛋白质),以覆瓦状排列;相比之下,多板类(包括各种石鳖)的鳞片主要是钙质。不过,在鳞片之间的连接处,我们找不到明显的贝壳硬蛋白生长线。无论是现生,还是已灭绝的腹足类物种,再没有第二种具有这样生长在皮肤上的鳞片;已知的现生动物中,也再没有其他物种能像它们这样利用铁的硫化物,无论是骨骼还是外骨骼。

  鳞角腹足蜗牛的鳞片外表面具有相当多样的附着生物,主要为两类细菌:ε-变形菌和δ-变形菌。这些细菌可能为蜗牛提供了矿物质。有学者认为,鳞角腹足蜗牛会分泌一些有机化合物,促进这些细菌的附着和生长。科学家推测,腹足上的鳞片可能具有保护或解毒的功能,比如保护鳞角腹足蜗牛免受热液口液体的伤害,使它们体内的细菌可以安全地进行化学合成作用;又或者,这些鳞片本身可能就是共生细菌代谢时产生的有毒硫化物沉积的结果。不过,鳞片的真正功能是什么,我们还需要更多的研究。

鳞角腹足蜗牛的“铁盔甲”看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。鳞角腹足蜗牛的“铁盔甲”看起来金属感十足,堪称深海版的“钢铁侠”。

  体内的细菌工厂

  1977年,科学家在加拉帕戈斯裂谷首次发现了海底热液口。加拉帕戈斯群岛的奇特生物为查尔斯?达尔文的自然选择理论提供了灵感,而群岛海底的热液口又展示了新的生命可能。这些热液口的能量来自地质活动,喷出的液体通常具有很高的酸性,并含有多种金属和硫化氢。硫化氢就是臭鸡蛋气味令人恶心的原因,对生物体具有毒性。不过,也有一些细菌可以通过化学合成的过程利用硫化氢获取能量。在漫长的演化过程中,许多神奇的动物已经和这些细菌形成了互利共生的关系,从而适应了热液口的严酷环境。在总体上寒冷、食物匮乏、生物量极低的深海环境中,深海热液口就像“生命绿洲”,周围聚集了大量无脊椎动物。

  鳞角腹足蜗牛相当于一个化能合成共生作用的功能体,它们体内的内共生细菌主要分布食管腺体(esophageal gland)中,而这个器官的体积甚至比其他蜗牛体内的腺体大1000倍。这些共生菌为鳞角腹足蜗牛提供了能量,很可能是某种糖类(这种细菌也还没有在实验室里培养出来,因此我们只能猜测)。食管腺体就像蜗牛体内的食品工厂,使它们甚至不用去觅食——鳞角腹足蜗牛的消化系统已经退化,不到典型腹足类消化系统体积的10%。这或许就是鳞角腹足蜗牛能长到4.5厘米大小的原因,而那些关系很近,却没有共生菌的蜗牛只能长到1.5厘米甚至更小。与此同时,鳞角腹足蜗牛为这些细菌提供了一个安全、舒适的生存环境。

  奇怪的是,在类似的生活环境中,却出现了3种颜色各不相同的鳞角腹足蜗牛。2001年,生物学家在三个地点发现了鳞角腹足蜗牛,其中两个地点的个体呈深色,第三个地点的个体呈白色。根据遗传学分析的结果,这些蜗牛都属于同一个物种。

  出现这种情况的原因是什么?答案在于与鳞角腹足蜗牛共生的细菌——黑色变种的蜗牛体内具有一些白色变种所没有的细菌。鳞角腹足蜗牛的体表和体内生活着一些有益的细菌,能帮助它们生成铁的硫化物。来自海底热液口硫化物具有很高的毒性,但如果与矿物质结合并形成固体形式,毒性就会消失。在这些化合物毒性减弱的过程中,细菌可能扮演着重要的角色。因此,鳞角腹足蜗牛不仅镀了一层铁盔甲,而且这层铁盔甲还是有毒的。不过,这只是科学家的推测,他们还没有在实验室里培养出这种细菌。也有研究者认为,鳞角腹足蜗牛完全是靠自己生成了铁的硫化物,如果确实如此,那将是前所未有的发现。

  有研究者提出,在食管腺体中蓄养内共生细菌的策略,可能促使鳞角腹足蜗牛在解剖学结构上发生一系列新的改变,从而更加有利于细菌的生长,蜗牛本身的需求反而还在其次。食管腺体的增大、保护性的腹足鳞片、体积较大的呼吸系统和循环系统,以及较高的繁殖能力,都是有利于内共生微生物的适应特征。在极端的化能合成环境中,这些适应特征满足了鳞角腹足蜗牛的能量需求。

现已知三种形态的鳞角腹足蜗牛,从左到右分别来自Kairei、Longqi和Solitaire区域现已知三种形态的鳞角腹足蜗牛,从左到右分别来自Kairei、Longqi和Solitaire区域

  隐秘的海底生活

  2001年,科学家在中印度洋脊的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛,随后又在Solitaire区(位于中印度洋脊)和Longqi区(位于西南印度洋脊)发现了它们。其中,Longqi热液口区被指定为模式标本产地,所有的模式标本材料都来自于该区域。虽然三个地点之间的距离很大,但鳞角腹足蜗牛的总分布面积其实很小,不到0.02平方公里。

  尽管早在十多年前科学家就发现了鳞角腹足蜗牛,但直到2015年,研究者才正式发表了对该物种的生物学描述,并确定其学名为Chrysomallon squamiferum。其中属名“Chrysomallon”来源于古希腊语,意思是“金色毛发”,因为它们螺壳中的二硫化亚铁呈现金色;种名“squamiferum”来源于拉丁语,意思是“长有鳞片的”。

  鳞角腹足蜗牛的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角。它们没有眼睛,也没有特化的交接器。它们的腹足呈红色,体积较大,无法完全缩回螺壳。此外,它们也不像其他蜗牛和蛞蝓一样具有上足腺(Suprapedal gland),也没有上足触手。

由鳞角腹足蜗牛和多毛类环节动物、甲壳动物等类群组成的Longqi热液口区生物群落由鳞角腹足蜗牛和多毛类环节动物、甲壳动物等类群组成的Longqi热液口区生物群落

  在 Pelospiridae科中,鳞角腹足蜗牛是目前已知唯一的“同时雌雄同体”物种,这意味着它们同时具有雄性和雌性生殖器官(有些蜗牛属于“阶段性雌雄同体”)。它们具有很高的繁殖力,所产的卵很可能是依靠卵黄提供营养。科学家还不清楚鳞角腹足蜗牛幼体和胎壳的形态(目前采集到最小的未成熟个体已经具有2.2毫米的壳长),但推测可能存在一个浮游扩散的阶段。鳞角腹足蜗牛在人工环境下很难成活,即便如此,它们还是曾在大气压下的水族缸中存活了超过3个星期。

  在食物匮乏的深海热液口环境中,鳞角腹足蜗牛演化出了一种出色的生活策略。海洋上层的有机物质只有极少一部分能落到海底,为了生存,包括鳞角腹足蜗牛在内的许多生物演化出了利用化学能源的能力,在深海热液口附近形成了生命奇观。西南印度洋脊的深海热液口正缓慢扩展,而热液口周围的生物群落对环境扰动十分敏感,并且恢复速率很慢。深海采矿或许会对鳞角腹足蜗牛等热液口生物带来潜在的威胁。

  你或许会问,为什么鳞角腹足蜗牛不迁移到更加宜居的环境?事实上,如果能适应这样的环境,生活其实还不错。举例来说,热带珊瑚礁区域堪称“海洋中的热带雨林”,生活着难以计数的物种,但同时也意味着激烈的生存竞争。而在深海环境,特别是热液口附近,还有一些生态位等待着新生物的到来。

从传说到现实:走进美丽神奇的海螺世界

蓝蓝的大海水,蓝蓝的水上天。蓝蓝的海水中,孕育了无数美丽而神奇的海螺。

在我国沿海许多地方,从福建的东海之滨,到海南三亚的黎族村庄,都流传着海螺姑娘的传说。1955年,著名作家和诗人阮章竞根据民间传说创作了童话诗《金色的海螺》。1963年,上海美术电影制片厂将这个故事搬上了银幕,精美的画面和悠扬的配乐,使这部同名的剪纸动画片成为电影史上的经典。

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《金色的海螺》讲述了这样一个故事:大海的那边居住着一个勤劳的青年,一年三百六十个早晨,无论大海涨潮退潮,他都要出海打鱼。有一天,青年在海中捞到一个金色的海螺,他把海螺带回家,养在水缸里。之后,在青年出海的时候,海螺就化作一位美丽的少女,帮助青年烧火做饭,缝补衣裳。这位海螺姑娘其实是海中珊瑚仙岛上的蓝海仙女,从前是被打渔少年救过的小金鱼。为了报答救命恩人,她变作海螺姑娘,决定陪在青年身边,每天一同劳动、歌唱。

三年之后,海螺的母亲海神娘娘发现了海螺的踪迹,她威胁青年离开海螺,否则就以水淹人间。面对威逼和利诱,青年表现出了无比的勇敢和真诚,并最终打动了海神娘娘。他和海螺姑娘终于幸福地生活在一起。

其实,在中国民间,类似海螺姑娘这样的传说并不少见,比如在很多地方流传的田螺姑娘传说,也是差不多的故事内容,只不过海螺变成了田螺。为什么会出现这么多如此相似的“螺女”传说呢?一方面,这说明了螺与普罗大众的生活密切相关。“螺”其实并不是专业的生物分类名称,而通常是腹足纲中具有螺旋形外壳的所有水生种类的统称。在西方语言中,一般不会区分水生的螺类和陆生的蜗牛。在海洋中生活的螺被称为海螺,淡水中则经常被称为田螺或螺蛳。无论是海螺还是田螺,都是普通百姓喜爱的美食——这或许也是海螺姑娘或田螺姑娘的举动往往与饮食联系在一起的原因。

另一方面,螺的外形是女性的象征,许多女性也会用螺壳作为装饰品,或者模仿螺壳形状梳理自己的头发——这种发型被称为“螺髻”。在民间文化中,螺还具有占卜、预言的功能,某些种类的螺壳还是重要的宗教法器和身份象征。此外,有些海螺还曾经在人类社会发展历史中扮演过重要的角色,比如宝贝科的货贝就曾经在许多国家被作为原始货币。

 四大名螺

我们常常可以听到所谓“四大名螺”的说法,这里指的是法螺、鹦鹉螺、唐冠螺和万宝螺四种具有高观赏性的海螺。从古至今,这四种海螺一直受到人们的喜爱,也受到许多爱好者的追逐。一方面,通过这些海螺,我们感受到了大自然的神奇,感受到了海洋生物之美;另一方面,人类的捕捉和追捧,也使其中一些海螺物种数量不断减少,给海洋生态系统带来了潜在威胁。以下,我们就通过这四种著名的海螺,走进美丽而神奇的海螺世界。

 法螺

在佛教中,法螺是一个重要的法器。法螺又称大法螺、凤尾螺,是一种分布范围广泛的大型海螺。法螺是珊瑚礁中体型最大的软体动物之一,壳长可以达到60厘米。磨去壳顶之后,法螺可以制成号角。在重要的宗教仪式中,声音占据着非常重要的地位,往往被用作时空界限的标志,这其中就包括钟声、鼓声和螺声等。

在珊瑚礁生态系统中,法螺还具有十分重要的生态功能。它们是少数几个能摄食长棘海星的物种之一。长棘海星是一种体型庞大、破坏性极强的海星。据报道,这种海星已经在大堡礁和西太平洋的珊瑚礁造成了大量珊瑚死亡。法螺具有灵敏的嗅觉系统,在追踪到长棘海星之后,它会迅速靠近,利用身体重量和强有力的腹足包裹住长棘海星的身体。接着,法螺将如同锉刀的齿舌伸入长棘海星的中央体盘,并分泌酸性的消化液。经过大约一个小时,长棘海星的肉质部分基本被法螺吃掉,礁石上只留下软塌塌的残骸。

近年来长棘海星的爆发是否与法螺等天敌的数量下降有关,目前还存在争议,但毫无疑问的是,法螺对控制长棘海星的肆虐有着重要作用。法螺对水体环境要求很高,而且生长缓慢,如今活体的大型个体已经越来越少见。在澳大利亚和其他一些国家,法螺已经得到了法律保护,但在世界许多地方(包括互联网上)依然可以合法买卖。

 鹦鹉螺

许多人第一次听说鹦鹉螺,或许是在法国小说家儒勒·凡尔纳的《海底两万里》中,书中出现的潜艇就被称为“鹦鹉螺号”。巧合的是,在这本书出版近半个世纪后,世界上第一艘实际服役的核动力潜艇也被命名为鹦鹉螺号,虽然这个名称承继自1803年服役的一艘美国海军多桅纵帆船与之后沿袭此名的两艘常规动力潜艇。

鹦鹉螺是一种非常独特的海螺。首先,它们不像其他绝大多数海螺一样属于腹足纲,而是属于头足纲,与章鱼、墨鱼和鱿鱼的关系更近。其次,它们又是现生头足纲动物中唯一具有外壳的种类。它们的外壳薄而轻,以螺旋形盘卷起来,形似鹦鹉的嘴,也因此得名“鹦鹉螺”。虽然船蛸这类远洋章鱼具有类似贝壳的结构——它们也被称为“纸鹦鹉螺”——但这是只有雌性个体才能分泌形成的卵盒结构,也不像鹦鹉螺一样具有填充气体的腔室,因此并不是真正的头足纲贝壳。

说到鹦鹉螺的外壳,就不得不提到等角螺线。法国哲学家、数学家和物理学家笛卡尔在1638年发现了等角螺线,之后数学家雅各布·伯努利对其重新进行了研究,并发现了许多特性。鹦鹉螺的外壳纵切之后,切面呈现出优美的等角螺线,而等角螺线本身又与黄金分割密切相关,这不禁让人感叹生命的神奇。

切开鹦鹉螺的外壳之后,我们还可以看到其中被隔板分隔而成的三十余个壳室。鹦鹉螺的身体居住在最后一个大壳室中,其余壳室则充满气体(主要为氮气)。随着鹦鹉螺的成长,壳室会周期性向外侧推进,外套膜后方则分泌出碳酸钙和有机物质,形成新的隔板。在各个壳室之间有一个贯穿的细管,可以输送气体。鹦鹉螺可以通过调节气体来控制上浮、下沉和水平移动,这种方式与潜艇的原理十分相似。

鹦鹉螺分布于印度洋和太平洋。在鹦鹉螺的主要产地法属新喀里多尼亚,还以鹦鹉螺作为国徽的主要图案。目前,这些在地球上存在了数亿年,外形、习性却又变化极少的“活化石”已经数量稀少。由于对生活环境有数个大气压的水压要求,它们也很难进行人工饲养。2016年,所有鹦鹉螺科物种都被列入了濒危野生动植物国际贸易公约(Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora,CITES,又被称为华盛顿公约)的附录Ⅱ。在我国,鹦鹉螺属于国家一级保护动物。

 唐冠螺

唐冠螺又称为冠螺。顾名思义,这个名称来源于唐冠螺的外形酷似唐代的冠帽。无独有偶,唐冠螺在英文中被称为“horned helmet”,意思是角盔——你可以想象一下古代维京人头上戴的有两只尖角的头盔。

唐冠螺也是一种珍贵的大型海螺,螺壳又大又厚,长度在5厘米到41厘米之间,高度可达30厘米。唐冠螺壳面呈灰白色到浅橙色,具有金属光泽,上方长有许多较大的角状突起。在狭长的壳口周围,具有很厚的片状突起,并形成一个三角形的平面,呈鲜艳的橙色。独特的形状和颜色,使唐冠螺成为许多人追逐的观赏螺类。

唐冠螺主要分布于温暖海域,包括我国台湾、西沙群岛、南沙群岛海域,以及印度—西太平洋暖水区。它们通常珊瑚礁附近沙质或碎珊瑚底质的浅海中活动,以海胆等棘皮动物为食。虽然还没有被列入国际自然保护联盟的濒危物种红色名录,但唐冠螺在许多地方已经受到人类的严重威胁。由于唐冠螺也能捕食长棘海星,因此它们在澳大利亚昆士兰州受到严格的保护。在我国,唐冠螺属于国家二级保护动物。

 万宝螺

四大名螺的最后一个成员是万宝螺,属于唐冠螺科,与唐冠螺在分类学上比较接近。万宝螺也是一种大型海螺,螺壳又厚又沉,壳体长度可达17厘米。万宝螺壳面的颜色鲜艳,深浅不一的白色和橙红色纵横交错,并且富有光泽。和唐冠螺一样,万宝螺也主要栖息在靠近珊瑚礁的沙质海底,是海胆的重要捕食者。它们也主要分布在热带印度—太平洋海域。

四大名螺只是海螺世界中微不足道的一小部分,大海中还生活着无数同样美丽的海螺,比如色彩斑斓如同虎皮的虎斑宝贝(又名黑星宝螺,为国家二级保护动物),比如具有超过100根棘刺、如同一把精美梳子的维纳斯骨螺,又比如外形类似圆锥、能分泌毒素的芋螺等等。所有这些,都是五光十色、精彩纷呈的海洋世界中不可或缺的部分,值得我们的欣赏和珍惜。

 

略删改后发表于《知识就是力量》2017年6月期