這種魚擁有獨一無二的「透明血液」,為什麼牠沒有紅血球仍然可以生存?

你們有看過「透明」的血嗎?在多數人的認知中,血是紅色的;有生物學知識的人會進一步知道,自然界中還有藍色的血液,存在於龍蝦、烏賊等生物體內。但科學家在南極,發現一種特別的魚叫「南極黑鰭冰魚」,牠的血液是透明的,是目前已知的脊椎動物中,唯一擁有透明血液的生物。科學家 將該研究發表在《自然 – 生態與演化》上

南極黑鰭冰魚:生活在南極的冰冷海域,擁有透明的血液

這種擁有透明血液的魚叫「南極黑鰭冰魚(Antarctic blackfin icefish),下文簡稱冰魚」,學名是 Chaenocephalus aceratus,生活在靠近南極大陸海岸線的冰冷海水中,牠們沒有魚鱗、骨骼透明,而且牠們的血液中不含血紅蛋白和紅血球,擁有脊椎動物中獨一無二的透明血液。氧氣透過擴散作用,從海水中穿過魚鰭和皮膚,進入血液循環。

在基因的研究中,科學家發現冰魚為了生存,在演化過程中改變了基因,例如產生新的基因,讓一些蛋白質具有「防凍」功能,保護魚體不被南極海域的冰水凍傷。那麼這種透明的血液,是否也是演化的結果?為什麼除了冰魚,其他脊椎動物的血液都是紅色的?這個問題,我們要從早期的細胞開始談。

左邊是一般的血,右邊是南極黑鰭冰魚的「透明血」

血紅蛋白是最有效率的攜氧媒介

賓夕法尼亞大學的生物化學和分子生物學教授 Ross Hardison 表示,細胞需要透過氧化還原反應完成代謝,而在生命起源時期,為了提升代謝效率,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,例如鐵或銅,它們就會獲得更強的親氧性,代謝效率因而提升。而血液之所以是紅色,就是因為裡面的鐵;至於藍色血液,則是銅離子的顏色。

初期生物構造簡單,只需要透過擴散作用就可以讓所有細胞獲得氧氣;但是生物構造變複雜後,就需要循環系統,提供細胞所需的氧氣,而最有效率的攜帶氧氣媒介就是血紅蛋白。由於脊椎動物的構造極為複雜,因此用血紅蛋白攜帶氧氣最有效率,因此絕大多數的脊椎動物,例如貓、狗、人,血液是紅色的。

而人類的紅血球在氧氣運輸效率上更是進步到了極致。人類的紅血球有兩個凹陷的圓盤,提升表面積 – 體積比,因此可以攜帶更多的血紅蛋白和氧氣。

南極海域含氧量高,冰魚沒有血紅蛋白也可以生存

相較於脊椎動物的紅色血液,無脊椎動物的血液顏色更多樣。血紅蛋白具有一些缺點,例如在環境氧氣不足的狀態,血紅蛋白的表現就不佳,而且容易和一氧化氮、一氧化碳結合,造成中毒;此外,血紅蛋白的效率在低溫也較低。因此生活在寒冷海域的生物,以及某些無脊椎動物會採用血藍蛋白,雖然攜帶氧氣的效率比不上血紅蛋白,但是傳遞方式簡單,不需要紅血球,可以直接溶解在血漿當中攜帶氧氣。

至於冰魚的透明血液,起初科學家假設,這可能是冰魚在演化過程中,對寒冷地區的一種適應。但後來的研究發現,冰魚能在缺乏血紅蛋白基因的狀態下生存,是實上是一種萬幸,因為這種突變是致命的,但南極的冰冷海水比其他海域的溫暖海水溶解了更多的氧(水的溫度愈低,溶氧量愈高),因此冰魚可以在缺乏血紅蛋白的協助下,攜帶足夠的氧氣給身體細胞,在南極的海水中生存著。

參考資料來源:
1.《Nature ecology & revolution》:〈Antarctic blackfin icefish genome reveals adaptations to extreme environments
2.《Quantamagazine》:〈Icefish Study Adds Another Color to the Story of Blood
3.《環球科學》:〈 一个致命的意外,让它拥有独一无二的透明血液
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:twitter

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