问题

与人类在空气中的嗅觉相比,水中鱼的嗅觉是否更强?

回答
鱼类在水中的嗅觉,若与人类在空气中的嗅觉相比,无疑是更为发达,其灵敏度和功能性也更胜一筹。这并非简单的一个“更强”就能概括,其中蕴含着一套精妙绝伦的演化设计,让它们在水这个介质中如鱼得水。

首先,让我们来看看“介质”这个关键的差异。空气的密度远低于水,这意味着气味分子在空气中扩散得更快,但同时也更容易被稀释。相反,水体虽然粘稠,但气味分子在那里也能保持更久的浓度,并且扩散速度相对稳定。鱼类就生活在这个相对“浓稠”且“持久”的气味环境中。它们的嗅觉器官——鼻孔(更准确地说,是嗅觉囊)——就如同两盏精密的“探照灯”,不断地将水流引入,同时又将水流排出。

人类的鼻子,虽然能够捕捉到空气中的微弱气味,但我们主要依赖于空气的流动来将气味分子带入鼻腔。一旦空气静止,我们闻到的气味也会迅速消散。相比之下,鱼类的主动“呼吸”机制,让它们的嗅觉囊持续不断地接触周围的水体。就好比我们用吸管不停地吸取饮料,而鱼类则是利用水的流动,让水中的所有化学信号都经过它的嗅觉“过滤器”。

更重要的是,鱼类嗅觉的“接收器”——嗅觉囊中的嗅觉上皮——拥有数量庞大且种类繁多的嗅觉感受器细胞。这些细胞就像是各种各样的“锁”,而水中的化学物质就是“钥匙”。每一种感受器都对特定的化学分子产生反应。鱼类之所以能分辨出各种复杂的信号,正是因为它们拥有一个比人类更庞大、更多样化的“钥匙孔”系统。

我们不妨想象一下,人类的嗅觉就像一台只能识别少数几种颜色的相机,而鱼类的嗅觉则是一台能够识别无数种色彩的超高清摄像机。它们能够感知到极其微量的化学物质,哪怕浓度低至每升水中只有几个分子,也能被精准地捕捉到。这对于在广阔而浑浊的水域中寻找食物、识别配偶、躲避捕食者、甚至导航来说,是至关重要的生存能力。

例如,很多鱼类能够通过“侧线”感知水流的微小变化,但嗅觉则让它们能够“读懂”水中的化学语言。一条受伤的鱼会释放出特定的化学信号,如同一个“危险警报”,远在几百米外的同类就能感知到并迅速避开。一条处于繁殖期的鱼会释放出吸引异性的信息素,而这些信息素的浓度即使低到令人难以置信,也逃不过同伴灵敏的嗅觉。

再者,鱼类的嗅觉并非只是被动接收。它们会主动利用水流来“定位”气味源。当它们感知到某种有吸引力的气味时,会调整游动的方向,使其更靠近气味的来源。这种主动搜寻和定位的能力,进一步增强了它们嗅觉的实用性。

所以,当我们将人类的嗅觉与鱼类在水中的嗅觉进行比较时,我们看到的是两种适应不同环境、服务于不同生存需求的精妙系统。鱼类通过其高度发达的嗅觉,在水中构建了一个复杂而生动的化学世界,而这个世界,对我们人类来说,却是大部分时候隐藏在无形之中的。它们之所以能在水中繁衍生息,很大程度上就是因为拥有这样一套几乎是“超能力”级别的嗅觉系统。

网友意见

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两者没什么横向对比的价值,人类在空气中的嗅觉和鱼在水中的嗅觉机理并不完全一样,两者(以及庞大的鱼类群体内部的各个物种)对嗅觉的依赖程度也不同。


我们人之所以能闻到味道,是因为空气中的气味分子刺激了鼻腔里的嗅觉神经受体,并由此产生神经信号,神经信号被传导到大脑中的嗅球里处理后传给大脑皮层,大脑由此认为我们闻到了味道。我们的鼻腔里总共有400多种嗅觉受体,对应着不同的味道,所以大脑会认为我们闻到了不同的气味。

人鼻腔里的嗅觉受体全都属于主嗅觉受体(MORs),这也是最早出现的嗅觉受体,在脊索动物进化早期就已经存在了,在非常原始的文昌鱼身上我们也不难找到它。大概在有颌鱼类和无颌鱼类分化之前,主嗅觉受体就出现了分化,最终形成了Ⅰ型MOR和Ⅱ型MOR,其中Ⅰ型MOR可以识别水溶性的气味分子,Ⅱ型MOR只能识别挥发到空气中的气味分子

目前在大多数鱼类体内发现的还在发挥实际作用的主嗅觉受体基本都是Ⅰ型,相对应的,哺乳动物体内还在发挥实际作用的主嗅觉受体大多属于Ⅱ型,所以Ⅱ型又被称为“哺乳动物相关基因”,但矛尾鱼体内就同时有Ⅰ型和Ⅱ型,而且许多鱼体内其实也有MOR Ⅱ型,只是出现了假基因化(简单理解就是退化了)。

这反映出Ⅱ型应当是伴随着四足动物登陆的过程不断强化的,因为这些动物登陆之后需要面临比水中更复杂的环境,对空气中挥发性气味的嗅探可以帮助它们察觉危险、发现食物,它的重要性进一步凸显。另一个侧证是哺乳动物体内的MOR功能性基因数量普遍比鱼类多,比如斑马鱼的功能性MOR基因只有154个,两栖类的非洲爪蟾就达到了824个,而小鼠则有1037个。



那么我们是不是可以说,鱼类的嗅觉受体基因比哺乳动物少,所以它们嗅觉相对来说比较差呢?

并不能。

首先是陆生生物的嗅觉演化中间又出现了一些意外,比如包括人类在内的一些灵长类动物后来演化出三色视觉,对红色的识别变得敏锐,由此可以通过对这种颜色的识别来更方便的找到成熟的果实、发现远距离的天敌,还能通过性器官充血变红来判断异性是否准备好发情,所以对嗅觉的依赖性反而降低了,失去了选择压力之后,人类体内的嗅觉基因有多达52%出现了假基因化,失去了实际作用,所以人体内的嗅觉基因反而少了很多。一些哺乳动物重返海洋,对嗅觉的依赖就更低了,像条纹原海豚这样的极端情况干脆出现了所有MOR基因都假基因化,实质上已经失去了“嗅觉”。同样的道理,视觉演化的更为极致的鸟类(它们甚至能看到反射的紫外线),嗅觉普遍也都比较差。


而且嗅觉受体也不只有主嗅觉受体这一类。

目前我们发现的和嗅觉有关的神经受体总共分为5个独立的家族,分别是主嗅觉受体(MORs),犁鼻器Ⅰ型受体(V1Rs)和犁鼻器Ⅱ型受体(V2Rs),还有2009年在老鼠犁鼻器里发现的甲酰肽受体(FPRs),以及痕量胺受体(TAARs)。

犁鼻器Ⅰ型和Ⅱ型受体最初是在陆生动物的特殊嗅觉器官——犁鼻器里被发现的,这两类受体不能闻到空气中的气味分子,但可以识别激素信息,比如猫科动物通过犁鼻器来识别同类留下的尿液分析里边的激素来判断异性是不是准备发情、同性身体的健康程度等等。人类的犁鼻器则已经严重退化,失去实际作用。


(关于犁鼻器的问题可以看这个回答)


一般认为犁鼻器是四足动物登陆前后才出现的新器官,所以按理说,鱼类应该是没有犁鼻器的,但没有犁鼻器,并不影响鱼类拥有犁鼻器里边的受体……实际上它们还真的就有。鱼体内的犁鼻器Ⅰ型受体数量比拥有犁鼻器的哺乳动物少很多,它们似乎也只能识别化学信息素,但鱼类的犁鼻器Ⅱ型受体却可以直接用来识别水溶性的氨基酸,而氨基酸正是水中传递“味儿”的重要载体。

此外鱼类还普遍拥有痕量胺受体(TAARs),而且基因数量普遍大于哺乳动物,尤其是其中的Ⅲ型痕量胺受体很可能也直接参与嗅觉。


也就是说,五大类嗅觉受体里,鱼类拥有4种(除了FPRs),而且它们还能利用V2Rs对氨基酸的反应,让原本不能直接嗅到气味分子的犁鼻器V2Rs受体拥有了嗅味的能力。


拥有多种嗅觉受体,其中又有许多可以直接闻到水溶性的味道,这给一些鱼类惊人的嗅觉能力奠定了基础。上世纪50年代,一种新的假说被用来解释鱼类是如何完成洄游导航的,随后的实验表明,鲑鱼可以识别出它们出生所在地的那条河流中特有的氨基酸味道,小鲑鱼在海洋里长大后,居然就可以闻着味回到出生地。要知道虽然每条河流因为沿岸植被、水溶性矿物质的不同,的确会出现一些水溶性气味的差别,但这种差别肯定是微小的,而差别微小的河水又被冲进大洋,随着风浪和洋流不断混合、稀释,能识别出如此细微差别的鱼类嗅觉能力该达到何等惊人的程度?



那么最终的结论是怎样的?站在不同的角度,就能得出不同的结论——从嗅觉的重要性来看,包括人在内的陆生生物显然还是比水生生物更需要嗅觉,对空气中挥发性气味的嗅觉也更全面;但至少在某些层面上来看,某些鱼类把嗅觉利用的更为极致。两者都满足了自身需求,但因为处于不同的赛道,并没有什么高低之别。

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