为什么电影里的许多怪兽来自地底或海底？ | 睡前科学故事

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为什么电影里的许多怪兽来自地底或海底？比如哥斯拉？

这个问题的答案和我们日常呼吸的空气有关。而这一切，要从寒武纪开始讲起。

在地球的历史上有个重要的转折点，那就是寒武纪。寒武纪之前，地球上的生物都生活在海洋里，而且只能随波逐流，无法随心所欲地运动，那时甚至连靠吃肉为生“掠食者”这种生命角色都还没有出现。

但是在5.4亿年前的寒武纪，出现了著名的“寒武纪大爆发”，物种的数量呈爆炸式增长，生物们变得更大，身体结构也变得更加复杂，而且地球上终于出现了掠食动物。现如今地球上几乎所有的动物的最近共同祖先都是在那时候出现的。

但是，寒武纪大爆发的起因一直是个未解之谜。有许多人认为，寒武纪大爆发的主要原因是那时候地球大气里突然多了好多氧气。

要知道，用氧气呼吸产生的能量是无氧呼吸的20倍，因此有氧生物比无氧生物有巨大的优势，它们可以长得更大，也有更多的力气在地球上进行饭后消化性考察，或许还有余粮用来长脑子想东想西。因此说氧气催生了世间万物，这很有道理。

但是，这个理论有一些无法解释的漏洞。

其中最大的漏洞就在于，在地球突然有了许多氧气之前，生物已经适应了无氧的环境，那个时候大气中的氧气含量只有2-4%（现在的大气中氧气约占20%）；有了氧气以后，厌氧生物会很困扰，因为氧气会干扰它们的新陈代谢，甚至对它们有毒。

地球大气里在很长时间里氧气含量都比较高，但过了很久才出现复杂的生物，不适应氧气可能就是重要的原因。

更重要的是，直到现在，生物依然不喜欢大量的氧气。

人会窒息而死，这给了我们一个错觉——氧气是个好东西，细胞一定喜欢得不得了。

但实际上，不管是我们人类，还是海洋里的甲壳动物的细胞并不是被氧气包围着，动物的细胞喜欢生活在几近缺氧的边缘。

过多的氧气对生物是有害的，所以医生不会让病人在高压氧舱里呆太久。许多动物也保留了在低氧环境中生存的能力，比如鱼啊乌龟啊，还有许多昆虫的幼虫。

最奇特的是，哺乳动物的胚胎实际上是在相对缺氧的环境中发育的。就比如人类胚胎在头两周里是缺氧的，因为一开始母亲为胚胎提供氧气的血管还没有长出来。

而最不喜欢氧气的一种细胞，就是干细胞。干细胞是有能力分化成各种细胞的一种类似于乐高的细胞。没有干细胞，多细胞动物的身体就没有办法自我修复，很快就会全盘瓦特，特别是要经常和外界接触的皮肤。人体每年要更新数兆细胞，靠的都是干细胞，而不是面膜。

干细胞有个很重要的特征，那就是它们需要缺氧环境才能保持不分化的状态，一旦接触氧气它们就会不可控制地嘭嘭嘭变成其他细胞。想想看祖国的花朵还没有好好学习就在一夜之间全部长大成人，瞬时变成老龄社会的场景。

为了给干细胞保鲜，就需要把它们储存在低氧的地方，比如骨髓里面。所以给白血病人捐骨髓造血干细胞就需要在骨髓里钻洞。

如果不能保护好干细胞，那么氧气满满的寒武纪就相当于一个毒气室，生物很快就会GG。

比如，本来生活在缺氧的深海的埃迪卡拉动物群（Ediacaran fauna）或许就是因为受不了氧气变多的寒武纪而灭亡的。

埃迪卡拉动物群

所以，厌氧的生物是如何在寒武纪保存自己的干细胞的呢？

你可以想象，如果没有保护干细胞的特殊技巧，厌氧生物就只能躲在低氧的环境里，比如水底。一旦环境里氧气变多，它们的干细胞就会不受控制地分化。

但是，保护干细胞的特殊技巧出现了，那就是一种叫做缺氧诱导因子-2α（HIF-2α）的蛋白质。缺氧诱导因子-2α可以为干细胞编织一个虚假的梦想，让干细胞以为自己在低氧的环境里。

有了缺氧诱导因子-2α，生物就相当于有了一台干细胞冰箱，就可以在寒武纪里充分地适应氧气，变得更大更快更强。

因此现在有人认为（一个假说），寒武纪大爆发的本质原因就在于缺氧诱导因子-2α的出现。缺氧诱导因子-2α出现在运输氧气的血红细胞之前，而不是之后，就是一项关键的证据。

由于缺乏缺氧诱导因子-2α，无脊椎动物的许多习性就能得到解释。

所有的脊椎动物，比如人类还有猫狗都有缺氧诱导因子-2α，而所有无脊椎动物（比如昆虫）的身体里就没有。

对无脊椎动物来说，氧气是一种会呼吸的痛。它们的身体里没有干细胞冰箱，只能靠缺氧的环境保护干细胞。

如果你留心观察的话会发现，静止不动的昆虫身体上的气管开口（相当于它们的鼻子）几乎是闭着的，不常打开。这种令人窒息的操作，或许是为了它们的干细胞续命。

红点就是昆虫体表的气管开口，它们就是靠这些开口呼吸

另外，大部分昆虫还有蜗牛一类的无脊椎动物的幼虫都是在地下度过的，或许也是为了在细胞剧烈分化的幼年为珍贵的干细胞制造缺氧环境。

不幸的是，缺氧诱导因子-2α很可能也让脊椎动物的癌症变得更加无敌。

这是因为肿瘤里也有干细胞，而脊椎动物的肿瘤能任性增殖的一大因素或许就在于它们绑架了缺氧诱导因子-2α，笼络了干细胞，让自己可以在高低氧气环境中愉快生长。

学会了呼吸氧气后，癌症也变得强大了起来。无脊椎动物虽然因为干细胞不易保存而容易衰老，但是它们的肿瘤或许也因此不会那么嚣张。

有了这个缺氧诱导因子-2α保护干细胞的假说，许多电影中对怪兽的设定就变得很合理了。

比如在2014年《哥斯拉》中，巨型怪兽“穆透”以虫蛹的形态蛰伏在缺氧的地底，这很有可能是因为它们像昆虫一样缺乏缺氧诱导因子-2α，无法长时间应付地表的氧气，因此在缺氧环境中保存干细胞以期待东方再起。

来自深海的哥斯拉

哥斯拉也是。哥斯拉从海底出现，打败“穆透”后又迅速潜入深海功成身退，很可能也是由于缺乏缺氧诱导因子-2α而惧怕氧气，不敢在地表放纵太久。

惧怕氧气的设定也在电影《环太平洋》中出现了。

曾经在大约2亿年前的三叠纪造访地球的开菊兽（日语发音是开菊）为什么没有在那个时候拿下地球？因为那时候地球含氧量很高，让它们无法适应，所以开菊兽选择在人类工业文明排出大量二氧化碳后再次尝试统治地球。以上是电影自己说的。

环太平洋中的先驱者开菊兽，长得就像红螳螂。

所以为什么开菊兽受不了太多氧气？

从开菊兽的类似于无脊椎动物的身体构造就可以看出，它们不能适应高氧的地球很可能也是因为缺乏缺氧诱导因子-2α，无法在2亿年前的地球氧气中保护自身的干细胞。

环太平洋中的二级怪兽恶魔女巫（Onibaba），长得像一种大家常吃的无脊椎动物——帝王蟹。当然，无脊椎动物都缺乏缺氧诱导因子-2α。

工业文明后，二氧化碳含量骤增，氧气含量相对下降，反而对它们比较有利。开菊兽对氧气的敏感度也可以从它们选择虫洞的地点看出来。

来自外星的开菊兽和地球对接的虫洞通道选在深海的海底——一个多么缺氧的地方！

因此，杀死开菊兽的最有效武器或许并不是氪金重型机甲，而是制氧机。

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图片来源：Vaping Daily, AA Ireland, NBC News

参考资料：

Hammarlund, E. U., von Stedingk, K., & Påhlman, S. (2018). Refined control of cell stemness allowed animal evolution in the oxic realm. Nature ecology & evolution, 1.

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-01/uosd-nho011618.php

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20059947

http://www.pbs.org/wgbh/nova/next/evolution/cancer-tumors-could-help-explain-the-explosion-of-life-on-earth/

https://www.quantamagazine.org/oxygen-and-stem-cells-reshaped-animals-during-the-cambrian-explosion-20180307/