一個致命的意外，讓它擁有獨一無二的透明血液

骨骼、血液透明的南極黑鰭冰魚（圖片來源：wikipedia）

在所有脊椎動物中，生活在南極刺骨海水中的南極黑鰭冰魚是一個另類——它們是已知唯一沒有紅細胞和血紅蛋白的脊椎動物。而無脊椎動物則通常依靠其他色素的蛋白運輸氧氣，血紅蛋白倒顯得比較罕見。在豐富多彩的動物世界，不同物種運輸氧氣的方式同樣令人嘆為觀止。

撰文| John Rennie

翻譯 | 王超

審校 | 楊心舟 吳非

今年發表在《自然-生態與演化》的一項基因組學研究，就是關於南極黑鰭冰魚的。這種魚生活在靠近南極大陸海岸線冰冷刺骨的海水中，它們沒有魚鱗、骨骼透明。更惹人注意的是，它們在脊椎動物中獨一無二的透明血液——它們的血液中不含血紅蛋白和紅細胞。對於南極黑鰭冰魚，氧氣通過簡單的擴散過程從海水中穿過魚鰭和皮膚，進入血液循環。

在對南極黑鰭冰魚的基因組研究中，科學家發現冰魚為了生存，在演化過程中做出了許多改變。其中一些改變雖然神奇但並不算獨特，比如它們產生了一些新的基因，讓一些蛋白產生「防凍液」的效果；而有的改變則與缺乏紅細胞的特性緊密相關，例如它們可以產生一些酶，保護組織不受高度活性的氧損傷。

南極黑鰭冰魚的血液（圖右；圖片來源：Bill Detrich, Northeastern）

儘管冰魚看起來有點奇怪，但這在整個動物界並不少見。大部分無脊椎動物都有表達血紅蛋白的相關基因，然而它們還是會使用產生其他色素的蛋白。昆蟲、甲殼類等節肢動物都使用血藍素（血藍蛋白），一種含銅的藍色蛋白。軟體動物中，從蚌到烏賊、章魚，也含有血藍素，但它們似乎是各自獨立演化出血藍素的。值得一提的是，同類生物也可以表達出不同的血蛋白，比如一些蠕蟲的血色素是紫色的蚯蚓血紅蛋白，另一些是綠色的血綠蛋白，甚至還有一些蠕蟲的血蛋白不僅僅為一種。

血液的多樣性實在令人費解，但是更令人感到困惑的是，為什麼無脊椎動物的血液如此多樣，而脊椎動物中除了某些冰魚，都不約而同的是紅色。這個問題的答案和生物的演化密切相關，如果要追根溯源，還得從最早期出現的細胞說起。

親氧能力有所不同

賓夕法尼亞大學的生物化學和分子生物學教授Ross Hardison解釋道，生命最初起源時，細胞間需要通過轉運電子完成代謝。為了控制氧化還原反應，細胞中出現了一種環形分子----卟啉。當卟啉得到一個金屬原子，比如鐵或銅後，他們就會獲得驚人的親氧性。「含有鐵原子的卟啉分子在生物圈應用廣泛。」Hardison說道，他推測含鐵卟啉分子是最早和細胞協同工作的分子之一。

血紅蛋白通過四個珠蛋白亞基互相交聯構成，而每個亞基是由珠蛋白的一條肽鏈和一個血紅素結合而成。「血紅蛋白早於動物出現，甚至比動植物的共同祖先出現時間還早。」美國自然歷史博物館無脊椎動物展廳的負責人Mark Siddall表示。

當能夠呼吸的動物的厚度只有幾個細胞時，它們可以通過擴散獲得氧氣。但是隨著厚度的增加，簡單的擴散無法滿足組織氧供時，血紅蛋白就站了出來。

血紅蛋白的成功秘訣是協同作用。當氧氣分子結合到一個血紅素上，血紅蛋白會更加容易與氧氣結合，直到四個位點全部結合上氧氣分子。這個機制可以讓血紅蛋白在氧氣豐富的環境中（比如空氣和肺）更加有效率地結合氧，然後在缺乏氧氣的組織中釋放。

脊椎動物通常攜帶有多種珠蛋白基因。比如胎兒體內特有的血紅蛋白，可以幫助他們通過胎盤從母體血液中獲得氧。我們的骨骼肌中含有肌紅蛋白，其組成與血紅蛋白的球蛋白同源，可以幫助肌肉在運動時保持一定的氧氣儲備。

儘管血紅蛋白功能強大，但它們並非在所有情況下都能表現完美。例如，協同作用機制有一個缺點：在氧氣供應不足時，血紅蛋白的表現就會受到限制；此外，血紅蛋白的效率在低溫下也較低。因此，對於生活在寒冷海底或者其附近的章魚和螃蟹等無脊椎動物來說，缺乏協同作用機制的血藍蛋白反倒可能是一個更為實用的選擇。

昆蟲的情況有所不同，它們體內流動的液體與脊椎動物的血液不同。這種含有少量血藍蛋白的透明液體兼具血液和淋巴樣組織液的特性，因此被稱作「血淋巴」。但昆蟲一般不會依賴「血淋巴」轉運氧氣，昆蟲組織內分布著網狀的氣管結構，這些結構通過外骨骼上的開口與空氣連通，昆蟲通過這個系統進行呼吸。昆蟲的開放式循環系統與毛細血管不同，沒有用於運輸血淋巴的管道結構。血淋巴一般是在體腔內流動，並向身體各部位分配營養物質。其中的血藍蛋白可能僅僅是為了儲存氧氣作為備用。

蚯蚓血紅蛋白存在於環節動物、水蛭和一些蠕蟲中。就像血紅蛋白一樣，蚯蚓血紅蛋白也是一種源自遠古時期的含鐵蛋白，它的「祖先」正是古細菌用於控制氧化還原反應的蛋白家族。蚯蚓血紅蛋白的攜氧能力只有血紅蛋白的四分之一，但對於蠕蟲來說已經足夠了，此外它還具有一定的免疫功能。

血紅蛋白的三重毒性

儘管其他種類的蛋白獲取氧氣的效率不如血紅蛋白，但是它們使用起來更簡單。比如，它們不需要紅細胞攜帶，像龍蝦、烏賊等動物，血藍蛋白能直接溶解在血漿之中。這是因為像血藍蛋白、蚯蚓血紅蛋白中血色素的分子量比較大，一般都是聚合而成，可以防止其中的金屬離子相互作用；相反，血紅蛋白較小，反應活性很高的血紅蛋白亞基就很容易暴露，從而帶有很強的毒性。所以，我們的肝臟會製造結合珠蛋白來捕捉並清除一些從紅細胞中逸出的血紅蛋白。

紅細胞是兩面凹陷具有彈性的盤狀細胞，裝載著血紅蛋白。這種結構可以在更有效率的轉運氧氣的同時，將血紅蛋白和外界安全的隔離開，防止血紅蛋白的毒性作用。

美國紅十字會生物醫學服務的首席醫療官Pampee Young解釋說，從毒性角度來說，血紅蛋白具有三重威脅。

首先，相較於氧氣，血紅素對一氧化氮的結合能力更強。一氧化氮是人體中用於控制血壓的重要信號分子。過量的遊離血紅蛋白會將一氧化氮從血液中搶奪過來，導致血壓升高、流向器官的血液減少。

其次，當血紅蛋白裸露在血漿中時，會分解成血紅素。裸露的血紅素會隨機破壞組織細胞的脂質層或者其他結構。

最致命的是，這些遊離的蛋白會阻塞腎臟的濾過膜，導致腎功能衰竭。

而解決血紅蛋白毒性的方法，就是用紅細胞包裹住血紅蛋白，讓它們在血管內更高效地分配氧。否則，如此小的分子完全有可能滲透至組織中去。

演化中的意外

人的紅細胞在分配和運輸氧氣上做到了極致。它們緊湊、靈活，兩面凹陷的圓盤形讓它們能夠穿越狹窄的毛細血管，且具有很高的表面積-體積比，因而可以攜帶更多的血紅蛋白和氧氣。而且，人類的紅細胞在行使功能時比其他物種的要多一個步驟：它們在合成自身所需的所有蛋白後，會將細胞核和細胞器排出去。Young說，這就相當於形成了一個專門裝血紅蛋白的袋子。但是細胞也為這種行為付出了代價：由於紅細胞在穿越毛細血管時會遭到磨損，自身也缺乏修復磨損的能力，所以它們只有大約120天的壽命。

當紅細胞死亡之後，血紅蛋白就會被降解成綠色的膽綠素（在碰撞之後，皮下會呈綠色就是因為膽綠素）。人體中膽綠素過多會導致黃疸，但是膽綠素在一些特定的昆蟲或者魚類體內卻正常存在，即使它們並不轉運氧氣。去年，一項研究報道了對生活在新幾內亞的一種蜥蜴的基因分析，這種蜥蜴體內的含有大量膽綠素（是人類致死量的50倍），以至於其所顯現的綠色完全壓制了血紅蛋白的紅色。遺傳學證據表明，這種特徵一共經歷了4次演化，它可以保護蜥蜴免受瘧疾或其他一些寄生蟲的感染。

蜥蜴的綠色血液說明，自然界中存在那麼多種血色素並不完全是演化所致。大部分演化只是歷史的偶然。遠古生物有很多參與氧氣交換的血色素，但是隨著生物譜系的發展，它們決定使用某種血色素負責專門的工作時，再想要做出改變就很難了。脊椎動物的血色素種類少，原因很簡單，因為無脊椎動物的生物多樣性遠超脊椎動物。

同樣，冰魚不尋常的血液與普遍規律也並不矛盾。當20世紀50年代，生物學家發現冰魚的清澈血液後，他們首先假設這可能是冰魚在演化過程中對寒冷的一種適應。然而後來的研究表明，冰魚缺乏血紅蛋白基因可能只是不幸中的萬幸。因為這種突變在大多數情況下幾乎是致命的，但是由於寒冷的南極海水溶解了比溫暖海水更多的氧，而且冰魚的祖先可能適應了寒冷環境，因此它們在這種寒冷但是富氧的環境中存活了下來。這個看法可能是正確的，就像路易斯·巴斯德所說，機會垂青於有準備的人，有一個完備的基因組總歸不是什麼壞處。

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