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一个致命的意外,让它拥有独一无二的透明血液

2019-6-10 23:01| 发布者: | 查看: 32| 评论: 0

摘要: 骨骼、血液透明的南极黑鳍冰鱼(图片来源:wikipedia)  在所有脊椎动物中,生活在南极刺骨海水中的南极黑鳍冰鱼是一个另类它们是已知唯一没有红细胞和血红蛋白的脊椎动物。而无脊椎动物则通常依靠其他色素的蛋白 ...


骨骼、血液透明的南极黑鳍冰鱼(图片来源:wikipedia)

  在所有脊椎动物中,生活在南极刺骨海水中的南极黑鳍冰鱼是一个另类——它们是已知唯一没有红细胞和血红蛋白的脊椎动物。而无脊椎动物则通常依靠其他色素的蛋白运输氧气,血红蛋白倒显得比较罕见。在丰富多彩的动物世界,不同物种运输氧气的方式同样令人叹为观止。

  撰文:John Rennie

  翻译:王超

  审校:杨心舟 吴非

  今年发表在《自然-生态与演化》的一项基因组学研究,就是关于南极黑鳍冰鱼的。这种鱼生活在靠近南极大陆海岸线冰冷刺骨的海水中,它们没有鱼鳞、骨骼透明。更惹人注意的是,它们在脊椎动物中独一无二的透明血液——它们的血液中不含血红蛋白和红细胞。对于南极黑鳍冰鱼,氧气通过简单的扩散过程从海水中穿过鱼鳍和皮肤,进入血液循环。

  在对南极黑鳍冰鱼的基因组研究中,科学家发现冰鱼为了生存,在演化过程中做出了许多改变。其中一些改变虽然神奇但并不算独特,比如它们产生了一些新的基因,让一些蛋白产生“防冻液”的效果;而有的改变则与缺乏红细胞的特性紧密相关,例如它们可以产生一些酶,保护组织不受高度活性的氧损伤。


南极黑鳍冰鱼的血液(图右,图片来源:Bill Detrich, Northeastern)

  尽管冰鱼看起来有点奇怪,但这在整个动物界并不少见。大部分无脊椎动物都有表达血红蛋白的相关基因,然而它们还是会使用产生其他色素的蛋白。昆虫、甲壳类等节肢动物都使用血蓝素(血蓝蛋白),一种含铜的蓝色蛋白。软体动物中,从蚌到乌贼、章鱼,也含有血蓝素,但它们似乎是各自独立演化出血蓝素的。值得一提的是,同类生物也可以表达出不同的血蛋白,比如一些蠕虫的血色素是紫色的蚯蚓血红蛋白,另一些是绿色的血绿蛋白,甚至还有一些蠕虫的血蛋白不仅仅为一种。

  血液的多样性实在令人费解,但是更令人感到困惑的是,为什么无脊椎动物的血液如此多样,而脊椎动物中除了某些冰鱼,都不约而同的是红色。这个问题的答案和生物的演化密切相关,如果要追根溯源,还得从最早期出现的细胞说起。

  亲氧能力有所不同

  宾夕法尼亚大学的生物化学和分子生物学教授 Ross Hardison 解释道,生命最初起源时,细胞间需要通过转运电子完成代谢。为了控制氧化还原反应,细胞中出现了一种环形分子----卟啉。当卟啉得到一个金属原子,比如铁或铜后,他们就会获得惊人的亲氧性。“含有铁原子的卟啉分子在生物圈应用广泛。”Hardison 说道,他推测含铁卟啉分子是最早和细胞协同工作的分子之一。

  血红蛋白通过四个珠蛋白亚基互相交联构成,而每个亚基是由珠蛋白的一条肽链和一个血红素结合而成。“血红蛋白早于动物出现,甚至比动植物的共同祖先出现时间还早。”美国自然历史博物馆无脊椎动物展厅的负责人 Mark Siddall 表示。


血红蛋白结构(图片来源:wikipedia)

  当能够呼吸的动物的厚度只有几个细胞时,它们可以通过扩散获得氧气。但是随着厚度的增加,简单的扩散无法满足组织氧供时,血红蛋白就站了出来。

  血红蛋白的成功秘诀是协同作用。当氧气分子结合到一个血红素上,血红蛋白会更加容易与氧气结合,直到四个位点全部结合上氧气分子。这个机制可以让血红蛋白在氧气丰富的环境中(比如空气和肺)更加有效率地结合氧,然后在缺乏氧气的组织中释放。

  脊椎动物通常携带有多种珠蛋白基因。比如胎儿体内特有的血红蛋白,可以帮助他们通过胎盘从母体血液中获得氧。我们的骨骼肌中含有肌红蛋白,其组成与血红蛋白的球蛋白同源,可以帮助肌肉在运动时保持一定的氧气储备。

  尽管血红蛋白功能强大,但它们并非在所有情况下都能表现完美。例如,协同作用机制有一个缺点:在氧气供应不足时,血红蛋白的表现就会受到限制;此外,血红蛋白的效率在低温下也较低。因此,对于生活在寒冷海底或者其附近的章鱼和螃蟹等无脊椎动物来说,缺乏协同作用机制的血蓝蛋白反倒可能是一个更为实用的选择。

  昆虫的情况有所不同,它们体内流动的液体与脊椎动物的血液不同。这种含有少量血蓝蛋白的透明液体兼具血液和淋巴样组织液的特性,因此被称作“血淋巴”。但昆虫一般不会依赖“血淋巴”转运氧气,昆虫组织内分布着网状的气管结构,这些结构通过外骨骼上的开口与空气连通,昆虫通过这个系统进行呼吸。昆虫的开放式循环系统与毛细血管不同,没有用于运输血淋巴的管道结构。血淋巴一般是在体腔内流动,并向身体各部位分配营养物质。其中的血蓝蛋白可能仅仅是为了储存氧气作为备用。

  蚯蚓血红蛋白存在于环节动物、水蛭和一些蠕虫中。就像血红蛋白一样,蚯蚓血红蛋白也是一种源自远古时期的含铁蛋白,它的“祖先”正是古细菌用于控制氧化还原反应的蛋白家族。蚯蚓血红蛋白的携氧能力只有血红蛋白的四分之一,但对于蠕虫来说已经足够了,此外它还具有一定的免疫功能。

  血红蛋白的三重毒性

  尽管其他种类的蛋白获取氧气的效率不如血红蛋白,但是它们使用起来更简单。比如,它们不需要红细胞携带,像龙虾、乌贼等动物,血蓝蛋白能直接溶解在血浆之中。这是因为像血蓝蛋白、蚯蚓血红蛋白中血色素的分子量比较大,一般都是聚合而成,可以防止其中的金属离子相互作用;相反,血红蛋白较小,反应活性很高的血红蛋白亚基就很容易暴露,从而带有很强的毒性。所以,我们的肝脏会制造结合珠蛋白来捕捉并清除一些从红细胞中逸出的血红蛋白。

  红细胞是两面凹陷具有弹性的盘状细胞,装载着血红蛋白。这种结构可以在更有效率的转运氧气的同时,将血红蛋白和外界安全的隔离开,防止血红蛋白的毒性作用。

  美国红十字会生物医学服务的首席医疗官 Pampee Young 解释说,从毒性角度来说,血红蛋白具有三重威胁

  首先,相较于氧气,血红素对一氧化氮的结合能力更强。一氧化氮是人体中用于控制血压的重要信号分子。过量的游离血红蛋白会将一氧化氮从血液中抢夺过来,导致血压升高、流向器官的血液减少。

  其次,当血红蛋白裸露在血浆中时,会分解成血红素。裸露的血红素会随机破坏组织细胞的脂质层或者其他结构。

  最致命的是,这些游离的蛋白会阻塞肾脏的滤过膜,导致肾功能衰竭。

  而解决血红蛋白毒性的方法,就是用红细胞包裹住血红蛋白,让它们在血管内更高效地分配氧。否则,如此小的分子完全有可能渗透至组织中去。

  演化中的意外

  人的红细胞在分配和运输氧气上做到了极致。它们紧凑、灵活,两面凹陷的圆盘形让它们能够穿越狭窄的毛细血管,且具有很高的表面积-体积比,因而可以携带更多的血红蛋白和氧气。而且,人类的红细胞在行使功能时比其他物种的要多一个步骤:它们在合成自身所需的所有蛋白后,会将细胞核和细胞器排出去。Young 说,这就相当于形成了一个专门装血红蛋白的袋子。但是细胞也为这种行为付出了代价:由于红细胞在穿越毛细血管时会遭到磨损,自身也缺乏修复磨损的能力,所以它们只有大约 120 天的寿命。

  当红细胞死亡之后,血红蛋白就会被降解成绿色的胆绿素(在碰撞之后,皮下会呈绿色就是因为胆绿素)。人体中胆绿素过多会导致黄疸,但是胆绿素在一些特定的昆虫或者鱼类体内却正常存在,即使它们并不转运氧气。去年,一项研究报道了对生活在新几内亚的一种蜥蜴的基因分析,这种蜥蜴体内的含有大量胆绿素(是人类致死量的 50 倍),以至于其所显现的绿色完全压制了血红蛋白的红色。遗传学证据表明,这种特征一共经历了 4 次演化,它可以保护蜥蜴免受疟疾或其他一些寄生虫的感染。


研究中使用的五个蜥蜴物种

  蜥蜴的绿色血液说明,自然界中存在那么多种血色素并不完全是演化所致。大部分演化只是历史的偶然。远古生物有很多参与氧气交换的血色素,但是随着生物谱系的发展,它们决定使用某种血色素负责专门的工作时,再想要做出改变就很难了。脊椎动物的血色素种类少,原因很简单,因为无脊椎动物的生物多样性远超脊椎动物。

  同样,冰鱼不寻常的血液与普遍规律也并不矛盾。当 20 世纪 50 年代,生物学家发现冰鱼的清澈血液后,他们首先假设这可能是冰鱼在演化过程中对寒冷的一种适应。然而后来的研究表明,冰鱼缺乏血红蛋白基因可能只是不幸中的万幸。因为这种突变在大多数情况下几乎是致命的,但是由于寒冷的南极海水溶解了比温暖海水更多的氧,而且冰鱼的祖先可能适应了寒冷环境,因此它们在这种寒冷但是富氧的环境中存活了下来。这个看法可能是正确的,就像路易斯·巴斯德所说,机会垂青于有准备的人,有一个完备的基因组总归不是什么坏处。

  原文链接:

  https://www.quantamagazine.org/icefish-study-adds-another-color-to-the-story-of-blood-20190422/

 

 


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