有的人水性好，有的人水性不好，但无论如何，在水中游泳都避免不了要抬头换气，毕竟我们没法在水下呼吸。在水下呼吸必须具备怎样的条件？电影《哈利·波特》中，哈利·波特与同伴利用“鱼鳃草”在水中呼吸令人艳羡。现代生物学研究是否有可能改造人类，实现人类在水下遨游呢？
我呼吸，故我在
从宏观意义上来说，呼吸就是帮助生物体排出二氧化碳、同时从环境中吸收氧气的过程。
对于单细胞生物来说，它们不需要特殊的结构就可以完成呼吸了，因为一个细胞很容易和环境实现物质交换。
而对于结构简单的多细胞生物，比如海蜇，一般也不需要特殊的结构，因为通过简单的扩散，氧气可以轻而易举的渗透到身体的每个细胞。
而对于复杂的多细胞生物，比如虾蟹和鱼，它们则需要利用一些特殊的结构来完成呼吸过程，这个结构就是——鳃。我们可以把鳃看做是体表的高度皱褶，它有效的扩大了二氧化碳及氧气的交换面积，使获得的氧气能够满足生物体的基本需求。
我们能注意到，之前举的都是水下呼吸的例子，事实上在进化中，所有的原始生命都是从水中开始的。水不仅提供了阻挡紫外线的天然屏障，而且由于细胞都是生活在水环境中的，所以呼吸时的气体交换界面都是在水环境中进行的。
那么，大家可能要问，陆地生物是如何呼吸的呢？
目前世界上存在的在陆地上生存的动物主要就两种：一个是高等脊椎动物（包括人），另一个就是高等节肢动物（昆虫，蜘蛛和蜈蚣等）。前者利用肺或体表（比如蛙）进行呼吸，后者利用节肢动物中特有的气管进行呼吸。但是不管生存在陆地还是水中，气体交换的界面都是在水环境中的。比如人体内的肺的表面是浸润在一层薄薄的液体中的，再比如蛙的体表总是有粘液。
可为什么人的肺不能像鳃一样在水中呼吸呢？那是因为水中溶解的氧气远小于空气中的，而人体需要大量氧气，所以就需要大量水流高速通过肺，这就要求我们有极其强大的呼吸肌来高速吞吐大量的水。而水远比空气密度大，人类的呼吸肌是无论如何也不可能完成这个任务的。更为现实的是，气管进水后会有很强烈的痉挛，使得我们无法在水中正常呼吸。这个事实让我们大为头疼。那么科学家又有什么好办法呢？
共生打造太阳能蝾螈
就像其他的生物研究一样，科学家总是倾向于在生物界已知的现象中找到规律并加以利用。这次他们找到了互利共生这样一个有趣的现象。互利共生，就是两种不同的生物或生物体交互在一起的互惠过程，两种生物各取所需，共同繁荣。
共生分为外共生和内共生。经典的外共生的例子就是海葵和小丑鱼，海葵为小丑鱼在海底提供庇护场所，而小丑鱼则可以帮助海葵清理食物残渣，以及作为海葵捕食的诱饵。经典的内共生的例子包括藻类和海葵的共生，地衣中藻类和真菌的共生。最广泛的内共生的例子就是豆科植物和根瘤菌了，豆科植物的根部一般会共生有根瘤菌，根瘤菌可以将环境中的氮气固定成为可以被植物利用的氮肥料，而植物则可以提供给根瘤菌必要的有机能源物质，比如糖。
回到水下呼吸这个话题，这也就生出了一个假设，如果能够让人类和藻类共生，藻类给人体提供氧气，不就解决了人类在水下生存的难题吗？
那么这个假设是否能实现？
藻类和动物共生的现象已广泛在无脊椎动物中发现，虽然早些也有过报道蝾螈和藻类在生存上的关联，但是直至去年8月份，《自然》杂志才真正报道了藻类和脊椎动物共生的现象：加拿大科学家报道发现斑点蝾螈和绿藻的共生现象，并且指出能绿藻正常地生存在蝾螈胚胎细胞内（见下图）。
图片来源：EarthSky
今年二月份发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章更是指出，藻类早在蝾螈发育早期就入侵到了蝾螈体内。斑点蝾螈一生中大部分时候生存在地下的环境中，但在水域中产卵受精，卵被包裹于带状胶质卵囊中，由于卵中覆盖有大量的绿藻，使得卵囊呈现绿色。
早先，科学家使用投射电子显微镜发现，在蝾螈细胞内的绿藻周围聚集了大量的线粒体。而线粒体则正是细胞内呼吸作用发生的主要结构。这一点说明了绿藻在蝾螈细胞内可能提供了大量的氧气以供蝾螈细胞呼吸。
为了证明蝾螈和绿藻是互利互惠的，科学家将蝾螈卵在黑暗中饲养，这样做使得绿藻无法生存，分离绿藻后的蝾螈胚胎发育出现了较高的死亡率、较迟滞的发育、不同步的孵化和较小的孵化个体。同样，若将蝾螈卵从卵囊中取出，绿藻的生长受到了严重影响。所以，蝾螈和绿藻的共生是互利的。
研究人员认为，绿藻利用蝾螈产生的氮废物，而蝾螈则利用绿藻产生的氧气在氧气不足的卵囊中快速发育。当蝾螈胚胎长大成为成年蝾螈后，一部分绿藻会死去，但是在蝾螈体内仍能够检测到有共生的绿藻。研究人员利用绿藻细胞中叶绿体可以发出荧光的特性，当他们扫描成年的蝾螈身体时仍然可以发现斑点状分布的绿藻细胞。
那么共生的绿藻能否通过母体遗传给子代呢？研究人员利用核糖核酸探针，探测到了在某些蝾螈的生殖系统内某些细胞内有绿藻特有的核糖核酸（RNA），虽然没有在生殖细胞内（精子或卵子）发现绿藻的直接证据，但是这个研究结果预示着共生的绿藻可能被遗传。
更有意思的是，在无脊椎动物海蛞蝓中，与其共生的藻类的DNA被整合到了海蛞蝓细胞的基因组中，所以研究人员甚至认为，绿藻的DNA可能被平行转移到了蝾螈细胞的基因组中，虽然目前仍然没有任何证据支持这一个看法。
如果这个看法得到了证实，我们将可以猜测，蝾螈细胞因为获取了绿藻的某些DNA，而获得了一些本身没有的功能，比如产生氧气，这将是一个非常激动人心的结果。
上帝说，要有氧气，于是有了光
说到这里，我们不得不提到一个问题——藻类是如何产生氧气的？
和我们每天见到的植物一样，氧气的产生来源于藻类和植物的光合作用。可以说地球上绝大部分有机物质的最终来源都是光合作用，而且地球上绝大部分的氧气也认为来源于光合作用。
光合作用包含各种复杂的化学反应，而氧气的产生则源于光合作用的第一步——水的光解。简单说来，就是藻类和高等植物绿色细胞中的叶绿体（或类似结构）中的叶绿素（或其他色素）吸收光能，激发水而使其裂解释放出氧气。这就是说，要产生氧气就必须要有光，而自然界中的光主要来自太阳。藻类和植物产生的氧气是光合作用的副产物，而光合作用的主要产物则是利用光解水产生的高能分子对环境中的二氧化碳进行固定并且还原成糖，而这些糖则作为大量生命活动的基本能源和生命物质的基本骨架。
绿藻：人类未来水下呼吸的助手？
即便如此，人类在水下生存是否就变得可行了？这可未必。
我们首先假设有一种藻类可以与人类细胞共生，并且这种共生开始于受精卵或早期胚胎发育。大家可能要问，为什么共生必须开始于受精卵或者早期胚胎呢？为什么藻类不能够入侵成年人体内而成为和人体互利共生的一部分呢？这源于高等脊椎动物有着强大的免疫系统，成熟的免疫系统将识别藻类细胞并进行攻击。
免疫系统的功能就是识别自己和异己并且做出免疫反应排斥异己。如果免疫系统出了问题，它就有可能进攻自己——自身的组织或器官，导致各类风湿性疾病；它也有可能无法识别异己，导致免疫功能低下。简单说来，如果藻类试图入侵成年人体内，那么它将受到免疫系统排斥而无法完成其正常功能。而若藻类在胚胎发育早期入侵，这时候人体免疫系统正在发育初期，将把藻类细胞识别为“自己”，从而绕过免疫系统的藻类细胞得以在人体内生存。（大家可以想想一个问题，是不是早期生活在较脏乱环境下的人不容易对各种物质过敏？）
现在的问题就是，是否可以让受精卵或早期胚胎和藻类共生呢？我们注意到人的受精卵和蝾螈卵的一个重要区别就是：人的受精卵位于体内，而蝾螈卵是在开放水域的。简单说来，人的受精卵及早期胚胎是在黑暗环境下发育的，而这个环境是藻类无法生存的，或者至少无法通过共生为早期胚胎提供氧气。藻类之所以能产生氧气，就是来源于藻类植物的光合作用。没有光，怎么行。
即便如此，或许依旧会有人不死心。的确，从理论上来说，研究者可以通过工程学手段，用人工方法将藻类负责光合作用产生氧气的功能的DNA片段导入人体细胞中，从而使得人类细胞可以进行光合作用产生氧气。但目前看来，科学家做到这一步尚需时日。
现在我们假定我们已经可以做到这一切，那么我们接下来将面临怎样的问题呢？还是光照！
即使人体内的所有细胞都具有了一套可以进行光合作用产生氧气的系统，但是只有位于体表的可以接受到光照的细胞能够进行光合作用，也就是说只有皮肤和毛发细胞中可以产生氧气。那么体表的细胞产生的氧气能够维持人体的基本功能和生存吗？人在空气中利用肺呼吸，而肺泡的总表面积有约一百平方米，是人体体表面积的五十倍还多。而且肺泡表面直接利用被动的气体扩散交换比体表进行光合作用产生氧气的效率要显著高。显然，仅仅利用体表进行光合作用是不能维持人体的基本需求的。但是无论如何，这样的设计将会使人类在水下仅需要略少的氧气，并且由于体表的光合作用会产生必需的能量物质糖，人类将可能获得更持久的活动能力。
本文已发表于2011-7-30《东方早报 身体》，有改动