出品：科普中国

作者：苏澄宇

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

斯维尔克小心地在一只蜥蜴头顶上抹上润肤霜，其原因还得从15年前说起……2009年，在海地的一次野外调查中，进化生物学家卢克马勒（Luke Mahler）和同事偶然发现了一只树栖蜥蜴在水下活动。

树栖蜥蜴

（图片来源：文献1）

这是一种安乐蜥(Anolis)，主要栖息在热带和亚热带森林、草原、海岸线甚至城市地区。这个属有着高度的物种多样性，已知约有400多种，它是脊椎动物中最丰富的属之一。

一种安乐蜥（Anolis lyra）

（图片来源：mahlerlab）

马勒本以为蜥蜴会在几秒内浮出水面，但这只蜥蜴潜水的时间却远远超出他们的预期。最终，当它冒出水面时，马勒和团队都充满疑惑：这只小小的爬行动物是怎么在水下停留如此之久的？他始终想弄明白：难道这只蜥蜴真的找到了一种“水下呼吸”的方法？

蜥蜴

（图片来源：文献1）

解开谜团

几年后，随着对进化生物学兴趣的愈发浓厚，马勒终于遇到了另一位志同道合的科学家——一位在纽约州立大学任职的教授斯维尔克（Lindsey Swierk）。斯维尔克也曾在哥斯达黎加发现类似的蜥蜴行为，于是两人一拍即合，决定共同研究这个谜团。

2017年，马勒的学生克里斯·博奇亚（Chris Boccia）前往中美洲各地，包括巴拿马、哥斯达黎加、墨西哥和哥伦比亚，细致地观察不同栖息地的蜥蜴们。

克里斯·博奇亚（Chris Boccia）和手中的安乐蜥

（图片来源：多伦多大学官网）

在一次溪流旁的观察中，他看到一只树栖蜥蜴在水中潜伏。起初它只是安静地趴在水底，但随即博奇亚注意到蜥蜴鼻端竟然有一个小小的气泡，紧紧附着在那里。接着，这只蜥蜴似乎将空气从气泡中吸回了鼻腔，之后继续淡定地停留在水下。

图(a) 显示了再呼吸的气泡位于蜥蜴鼻部的背侧

图(b) 显示气泡位于眼睛与鼻孔之间的侧面。

这些图展示了气泡的位置，以及蜥蜴在水下如何呼出和保持气泡。

（图片来源：文献2）

“我简直不敢相信自己的眼睛！”博奇亚回忆起当时的情景，依然充满激动，“这个气泡难道就是它的‘氧气瓶’？”

回到实验室后，博奇亚与导师马勒一起展开了细致的研究。

他们从哥伦比亚的深山到哥斯达黎加的溪流，再到牙买加的湿地，展开了一场大规模的探索行动。他们用鱼竿和双手将这些小蜥蜴从草丛中捕捉出来，一共有32种安乐蜥和4种其他蜥蜴，他们将其带回实验室，进行一场水下的特殊测试。

（图片来源：Lindsey Swierk）

蜥蜴们被轻轻地放入实验室清澈的水中，研究人员观察它们是如何在水中自由地潜水和浮动的。每一次实验，研究人员都会耐心等待，直到蜥蜴自愿浮出水面或者显现出疲劳的迹象才结束。为了保护这些小小的探险家，每只蜥蜴最多只接受五次试验，每次试验之间还要有至少十五分钟的休息时间。

为了捕捉到每一个微小的动作，实验全程都被录像，以供后续分析。科学家们使用了一种非常敏感的氧气探头，轻轻地放在蜥蜴的鼻孔上方，记录下水下气泡内氧气的变化。

正在扩大气泡的过程

（图片来源：文献1）

录像显示，当安乐蜥沉入水中时，它们的皮肤上会形成一层薄薄的气膜，这些气膜就像是一个个小型氧气罐。蜥蜴们会反复呼出和吸入这些气泡，使它们的肺部保持充满氧气的状态。

它们的皮肤上会形成一层薄薄的气膜

（图片来源：Lindsey Swierk）

科学家将这只行为定义为“再呼吸”，一种将已经呼出的空气重新吸回的能力。数据显示，在测试的32种安乐蜥中，有18种在至少一个个体中表现出再呼吸行为。其中，半水栖蜥蜴的再呼吸行为尤为突出。在半水栖蜥蜴中，单次试验中的最大再呼吸次数达到了5次以上，并且它们的潜水时间也显著长于非水栖蜥蜴。

非安乐蜥类的蜥蜴（如Basiliscus galerius）在水下未形成空气层的情况。在这些物种中，呼出的空气会散失到水面，形成小气泡，无法被再呼吸利用。图中红色箭头指示出从鼻孔呼出的一个小气泡，说明这些蜥蜴失去了空气供再呼吸的能力。

（图片来源：文献1）

氧气探头的测量结果显示，气泡内的氧分压在实验期间逐渐下降，证明了这些气泡在再呼吸过程中的氧气消耗。

2021年，同研究团队的另一个成员，林赛斯维尔克（Lindsey Swierk）设计了一个新的实验，以进一步验证半水栖蜥蜴使用再呼吸气泡的功能。同样的，他们先捉了30只半水栖的安乐蜥。这些蜥蜴们被随机分成了两组：正常气泡组和受损气泡组。

他们在正常气泡组的蜥蜴头部简单涂了一点水；而对于受损气泡组，研究人员则涂了一层薄薄的润肤霜，主要成分是水基保湿剂。它的作用在于让蜥蜴的皮肤失去原本的疏水性，这样一来，蜥蜴们就无法在头部形成那个用于再呼吸的空气泡了。

蓝色部分是蜥蜴头部应用保湿乳液的区域

（图片来源：文献2）

科学家们发现，那些没有涂抹润肤霜的蜥蜴能够在水下形成一个稳定的空气泡，并在整个潜水过程中反复使用这个空气泡进行再呼吸。相比之下，受损气泡组的蜥蜴只能偶尔在鼻孔附近形成很小的气泡，但这些气泡并不能有效地帮助它们延长潜水时间。

单个背部气泡的形成过程：图像之间的时间间隔为 0.2 秒（图 i 到 iv）和 0.07 秒（图 v 到 vii）。气泡在形成后短暂地保持，并略微扩展（图 vii 到 viii, 时间间隔为 2.0 秒），随后被重新吸入。

（图片来源:文献2）

那些正常气泡组的蜥蜴平均能够在水下停留大约67.5秒，而受损气泡组的蜥蜴只能平均停留约32%更少的时间。同时，科学家发现，公的比母的在水下停留时间少20秒。这听起来可能不算什么，但在大自然上里，20秒钟很可能就决定了生与死。饥饿的鸟儿可能会认为，多搜寻20秒根本不值得花费精力，而宁愿到下游去寻找更好的运气。

安乐蜥有“物理鳃”吗？

研究到这里并没有结束，因为科学家只证明了它们在水下利用气泡消耗了氧气，但并不知道其中的原理。他们推测气泡安乐蜥可能用了和潜水甲虫一样的套路，也就是“物理鳃”。

所谓的“物理鳃”是一些水生昆虫利用气泡呼吸的机制，如潜水甲虫和水蝇会将气泡储存在腹部或身体其他部位的毛发之间，当它们潜入水中时，空气泡在这些毛发上形成稳定的薄膜。

物理鳃示意图

（图片来源：UQ eSpace）

这些气泡不仅可以为它们提供氧气，还能通过与水中的氧气交换，起到类似鳃的作用，延长它们在水下的停留时间。氧气从水中扩散到气泡中，而二氧化碳则从气泡中扩散出去。这些昆虫的代谢需求较低，因此这种机制可以有效满足其氧气需求，而不会很快耗尽气泡中的氧气。

示意图

（图片来源：文献3）

昆虫可以有空气泡，是因为身体表面覆盖有细小的毛发。这些毛发可以固定空气，形成一层稳定的气泡膜。

毛发可以固定空气，形成一层稳定的气泡膜

（图片来源：文献3）

而对于安乐蜥，它们并没有毛发，但它们的皮肤上覆盖着细小的疏水性鳞片和微小的突起。这些不规则的细密疏水表面，可以使水无法完全铺展，气泡会因为表面张力的作用保持紧密，减少与水的接触面积，从而在水中维持稳定。

另外，微小的突起和鳞片等微观结构能降低水的接触角，使得水珠在表面上呈现出更球形的状态，增强了疏水性。这使得蜥蜴的皮肤可以有效地捕捉空气，并防止气泡因水压而破裂。

安乐蜥皮肤有一定的防水性

（图片来源：Lindsey Swierk）

安乐蜥为何要下水？

问题来了，这些安乐蜥为什么没事跑水下那么久？

斯维尔克把安乐蜥形容为“森林里的鸡块”。不管是鸟还是蛇，天上地上都是喜欢吃它们的家伙。虽说在地面逃跑不失为一种办法，但如果旁边有水，它们会毫不犹豫地潜下去，降低被吃的风险。

不过，潜水也是有代价的：体温最多会下降6°C。爬行动物是外温动物，依靠外部环境维持体温。待在凉水中可能会让身体变凉得更快，进而影响一系列身体功能，肌肉可能会不太好使。

在未来，我们或许能够借鉴安乐蜥的适应机制，开发出具备“再呼吸”能力的人类装备，帮助我们在水下环境中更加高效地存活。每一次对这些生物构造的深入探索，都有可能为我们揭开自然界中更多未解的谜团，帮助我们理解生命在各种极端环境中如何以令人惊叹的方式存活下来。

参考文献：

1.Boccia C K, Swierk L, Ayala-Varela F P, et al. Repeated evolution of underwater rebreathing in diving Anolis lizards[J]. Current Biology, 2021, 31(13): 2947-2954. e4.2.Swierk L. Novel rebreathing adaptation extends dive time in a semi-aquatic lizard[J]. Biology Letters, 2024, 20(9): 20240371.3.Ditsche-Kuru P, Schneider E S,

2.Melskotte J E, et al. Superhydrophobic surfaces of the water bug Notonecta glauca: a model for friction reduction and air retention[J]. Beilstein journal of nanotechnology, 2011, 2(1): 137-144.

来源: 中国科普博览

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