2月份，一項基因組學研究發表在自然生態學與進化雜誌上，該研究引起了人們對奇異的南極黑棘冰魚的關注，它們遊弋在最南端大陸海岸附近嚴寒的海水中。南極冰魚科的魚類在幾個方面都很不尋常——例如，它們沒有鱗片，骨骼是透明的——但最引人注目的是它們所謂的白色血液，這在脊椎動物中是獨一無二的。這些魚是已知唯一既沒有紅細胞也沒有血紅蛋白色素來運輸氧氣的魚類。氧氣只是透過魚類擴大的鰓和光滑的皮膚，從寒冷的海水中擴散到它們的迴圈血漿中。
透過觀察一種冰魚物種的基因組，研究人員得以窺探使其得以生存的進化適應。有些是紅血魚類也具有的共同特徵，這些紅血魚類也是南極水域的原生物種，比如存在額外的基因來製造像防凍劑一樣的血液蛋白質。有些對於冰魚缺乏紅細胞來說更具特色，例如保護組織免受血液中高活性遊離氧侵害的酶的增強。
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儘管冰魚可能看起來很奇怪，但在脊椎動物中顯得奇特的原因在動物王國的其餘部分卻是常態。大多數無脊椎動物都攜帶血紅蛋白基因，但它們通常在其血液版本中使用其他金屬蛋白色素。昆蟲、甲殼類動物和其他節肢動物使用血藍蛋白，一種藍色的銅基色素。從蛤蜊到魷魚和章魚的軟體動物也使用血藍蛋白，但它們似乎獨立發明了它們的版本。一些蠕蟲使用紫色的血紅蛋白；另一些使用綠色的綠血紅素；有些則使用多種色素的組合。
似乎令人困惑的是，存在如此多的血液種類，更令人困惑的是，儘管無脊椎動物進行了瘋狂的實驗，但脊椎動物——除了冰魚——卻普遍忠於帶有紅細胞和血紅蛋白的那種。解釋是深深紮根於生命的歷史，可以追溯到最早的細胞。
對氧氣的親和力
賓夕法尼亞州立大學生物化學和分子生物學教授羅斯·哈迪森解釋說，從生命之初，細胞就需要分子之間轉移電子，作為其新陳代謝的一部分。作為對這些氧化還原（氧化-還原）反應的控制，細胞部署了稱為卟啉的環狀分子。當這些卟啉攜帶鐵或銅等金屬原子時，它們對氧氣具有強烈的親和力。“一旦你在卟啉環中擁有一個鐵原子，它就會在整個生物圈中使用，”哈迪森說。他推測，它“可能是最終被納入細胞的最早的分子之一。”
血紅蛋白由四個相互連線的珠蛋白蛋白組成，每個珠蛋白蛋白都含有一個血紅素，它迅速變得無處不在。“血紅蛋白的出現早於動物的起源，甚至早於動植物的共同祖先，”美國自然歷史博物館無脊椎動物生物學部館長馬克·西達爾說。
當呼吸動物只有幾個細胞厚時，它們可以依靠擴散來滿足對氧氣的需求。但是，當它們變得過於龐大，以至於簡單的擴散無法繼續為它們的組織供氧時，血紅蛋白巧妙地準備好了這項工作。
血紅蛋白成功的秘訣是協同結合：每結合一個氧分子，它就能更輕鬆地與下一個氧分子結合，直到所有四個空位都被填滿。這使得血紅蛋白在氧氣充足的地方（如在露天和肺部）非常有效地收集氧氣，然後在缺氧組織中逐漸釋放出來。
脊椎動物通常攜帶幾種變異珠蛋白蛋白的基因，這些珠蛋白蛋白具有微調的用途。例如，胎兒哺乳動物的血液中有一種特殊的血紅蛋白，對氧氣具有額外的親和力，這有助於它們從胎盤中的母體血液供應中吸取氧氣。我們的骨骼肌產生肌紅蛋白，一種血紅蛋白的祖先珠蛋白蛋白，它有助於肌肉在運動期間保持氧氣儲備。
但儘管血紅蛋白很好，但它並不是在所有情況下運輸氧氣的理想分子。考慮一下血藍蛋白，它在無脊椎動物中被廣泛使用。血藍蛋白在抓取氧氣方面的效率不如血紅蛋白，因為與其他的血紅蛋白替代品一樣，它通常不進行協同結合。但協同結合的缺點是，當氧氣供應不足時，血紅蛋白的表現更差。血紅蛋白的效率也會隨著溫度下降而下降。因此，對於生活在寒冷海底或附近的章魚和螃蟹等生物來說，血藍蛋白可能是一個更實用的選擇。
對於昆蟲來說，情況則不同。它們相當於血液的是血淋巴，一種主要為透明的液體，其中含有少量的血藍蛋白。但它們通常不依賴血淋巴來運輸氧氣。大多數昆蟲透過“氣管”網路呼吸，這些氣管遍佈它們的組織，並透過外骨骼上的開口與空氣相連。昆蟲的“開放式”迴圈系統沒有像毛細血管這樣的血管來引導血淋巴；相反，血淋巴在體腔中晃動，並幫助分配溶解的營養物質。血淋巴中的血藍蛋白可能只是為了幫助昆蟲儲存氧氣以備後用。
血紅蛋白是環節動物（分節蠕蟲）、水蛭和某些其他蠕蟲中發現的血液色素，它的名字具有欺騙性，因為它根本不含血紅素。然而，與血紅蛋白一樣，它是一種鐵基色素，來源於早期細菌用於控制氧化還原反應的古老蛋白質家族。血紅蛋白的攜氧能力只有血紅蛋白的四分之一左右，但這似乎足以滿足蠕蟲的需求。這種色素似乎還具有一些免疫功能。
有毒的三重威脅
即使替代的血液色素在抓取氧氣方面通常不如血紅蛋白，但它們在簡單性方面確實具有優勢：它們通常不需要像紅細胞這樣的東西來容納它們。例如，在魷魚、龍蝦和其他藍血動物中，血藍蛋白直接溶解在它們的血漿中。這種方法之所以有效，是因為血藍蛋白、血紅蛋白和其他色素都是大的、經常聚合的分子，它們將結合氧氣的金屬原子隱藏起來，避免隨意相互作用。相反，血紅蛋白很小，其具有高反應性的血紅素很容易暴露出來，這使得它劇毒——以至於我們的肝臟會產生一種蛋白質，結合珠蛋白，以清除血液中破損紅細胞中的遊離血紅蛋白。
人類紅細胞是富有彈性的雙凹圓盤，其中充滿了紅色色素血紅蛋白。它們的設計有助於它們有效地將氧氣輸送到組織，同時安全地隔離所含的血紅蛋白，血紅蛋白在細胞外會變得有毒。圖片來源：David McCarthy Getty Images
從毒性角度來看，血紅蛋白是一種三重威脅，潘佩·楊解釋說，她是美國紅十字會生物醫學服務的首席醫療官。血紅素對一氧化氮的親和力甚至高於氧氣，而身體使用一氧化氮作為訊號分子來控制血壓。因此，過量的遊離血紅蛋白會剝奪血液中的一氧化氮，收縮血管，並可能導致高血壓和器官血流量減少。更糟糕的是，血紅蛋白在血漿中不受保護時，會分解成其組成珠蛋白亞基。裸露的血紅素分子隨後會隨機攻擊組織中的脂膜和其他結構，從而損害它們。而作為最後一擊，分離的珠蛋白蛋白會堵塞腎臟的過濾系統並使其停止工作。
將血紅蛋白包裝到紅細胞（紅細胞）中有助於控制毒性問題。它還可以透過將血紅蛋白保持在血管內來提高氧氣分佈的效率：否則，該分子太小，以至於其中一部分會洩漏到組織中並脫離迴圈。
為進化辯護的危險
人類紅細胞經過特別最佳化，可以執行氧氣分佈的任務。它們緊湊、靈活，形狀像雙凹圓盤，這有助於它們滑過狹窄的毛細血管，並使它們具有高體積與表面積之比，因此它們可以容納大量的血紅蛋白和氧氣。此外，人類紅細胞比大多數物種的紅細胞更進一步，它們在儲存了生命剩餘時間所需的所有蛋白質後，會排出細胞核和其他細胞器——剩下的“基本上是一個血紅蛋白袋子，”楊說。然而，細胞為這種精簡化付出了代價：由於它們修復在毛細血管中擠壓造成的磨損的能力有限，迴圈的人類紅細胞的壽命只有大約120天。
當紅細胞死亡時，身體會將血紅蛋白分解成毒性稍低的化合物，包括綠色色素膽綠素。（癒合瘀傷的綠色來自膽綠素。）人體內過多的膽綠素會導致黃疸，但膽綠素通常存在於某些昆蟲和魚類的血液中，即使它不運輸氧氣。去年，路易斯安那州立大學的爬蟲學家克里斯托弗·奧斯汀和扎卡里·羅德里格斯以及美國自然歷史博物館無脊椎動物動物學部的寄生蟲研究員蘇珊·珀金斯報告了他們對新幾內亞某些石龍子的基因分析，這些石龍子的血液中含有大量的膽綠素，以至於其綠色壓倒了血紅蛋白的紅色。（“它們的膽綠素含量大約是殺死人類所需量的 50 倍，”珀金斯說。）基因證據表明，這種性狀在這些蜥蜴中獨立進化了四次，這讓研究人員認為膽綠素可能有助於保護石龍子免受瘧疾或其他寄生蟲感染。不幸的是，對於這一理論，初步證據表明情況並非如此，珀金斯說，這使得為什麼進化如此偏愛這一性狀在這個小群體中仍然是一個謎。
石龍子的綠色血液說明了試圖將自然界中各種血液色素僅僅作為適應性來辯解的危險。進化的很大一部分也取決於歷史的偶然性。最早的生物體擁有許多可供使用的氧氣控制色素。但是，一旦生物譜系致力於將某些色素用於某些工作，它們可能很難甚至不可能徹底修改該選擇。脊椎動物在其血液色素中表現出的多樣性不如無脊椎動物的原因很簡單，因為無脊椎動物總體上是一個更加多樣化的生物群體（所有脊椎動物都屬於一個門，脊索動物門，而無脊椎動物則屬於 30 多個門）。
冰魚異常的血液並沒有反駁這一概括；實際上，它證實了這一點。當生物學家在 20 世紀 50 年代發現冰魚的血液是透明的時，他們最初認為這是對寒冷的適應。隨後的研究然而，指出冰魚血紅蛋白基因的丟失更像是一個幸運的意外。在大多數環境中，這種突變將是致命的。但是，由於寒冷的南極海域比溫暖的海水含有更多的溶解氧，並且由於冰魚的祖先可能已經有一些適應性來幫助它們在寒冷中繁榮，因此這些魚倖存了下來。正如路易斯·巴斯德所說，機會偏愛有準備的頭腦，但擁有準備充分的基因組也無妨。
經誇塔雜誌許可轉載，西蒙斯基金會的編輯獨立出版物，該基金會的使命是透過報道數學以及物理和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。