2 月、ゲノミクス研究が Nature Ecology &Evolution に掲載されました は、大陸最南端の沖合の極寒の海域を泳ぐ奇妙な南極クロマグロに注目を集めました。カニクイ科の白魚は、いくつかの点で珍しいものです。たとえば、鱗がなく、透明な骨を持っていますが、最も際立っているのは、脊椎動物の中で独特な、いわゆる白い血です。これらの魚は、酸素を輸送するための赤血球もヘモグロビン色素も持たないことが知られている唯一の魚です。酸素は、魚の肥大した鰓と滑らかな皮膚を介して、極寒の海水から循環血しょうに拡散するだけです。
研究チームは、1 種の白魚種のゲノムを調べることで、それが生き残るための進化的適応を垣間見ることができました。いくつかは、不凍液のように作用する血液タンパク質を作るための余分な遺伝子の存在のように、南極海域に生息する赤血魚に共通していました.血液中の反応性の高い遊離酸素から組織を保護する酵素の増加など、白魚の赤血球の欠如により特徴的なものもありました。
白魚は奇妙に見えるかもしれませんが、脊椎動物の中でそれを独特なものにしているのは、他の動物界の標準です.ほとんどの無脊椎動物はヘモグロビンの遺伝子を持っていますが、通常、血液のバージョンでは他の金属タンパク質色素を使用しています.昆虫、甲殻類、その他の節足動物は、青みがかった銅ベースの色素であるヘモシアニンを使用します。アサリからイカ、タコに至るまでの軟体動物もヘモシアニンを使用しますが、彼らは独自のバージョンを発明したようです.一部のワームは紫がかったヘメリトリンを使用します。他の人は緑がかったクロロクルオリンを使用します。顔料の組み合わせを使用するものもあります.
非常に多くの種類の血液が存在することは不可解に思えるかもしれませんが、さらに不可解なのは、無脊椎動物が乱暴に実験を行っている一方で、シロフィッシュを除く脊椎動物が赤血球とヘモグロビンを含む種類に普遍的に忠実であり続けていることです.この説明は生命の歴史に深く根付いており、最古の細胞にまでさかのぼります。
酸素への親和性
ペンシルバニア州立大学の生化学および分子生物学の教授であるロス・ハーディソンは、生命の誕生当初から、細胞は代謝の一部として分子間で電子を移動させる必要があったと説明した。これらのレドックス（酸化還元）反応の制御として、細胞はポルフィリンと呼ばれるリング状の分子を配置しました。これらのポルフィリンが鉄や銅のような金属原子を保持しているとき、それらは酸素に対して猛烈な親和性を持っていました. 「そのポルフィリン環に鉄があれば、それは生物圏全体で使用されます」とハーディソンは言いました.彼は、それが「最終的に細胞に組み込まれた最も初期の分子の 1 つかもしれない」と推測しました。
ヘモグロビンは、それぞれがヘムを保持する 4 つの連結したグロビン タンパク質から生じ、急速に遍在するようになりました。 「ヘモグロビンは動物の起源よりも前に存在し、動物と植物の共通の祖先よりも前に存在していました」と、アメリカ自然史博物館の無脊椎動物部門の学芸員であるマーク シッダルは述べています。
呼吸する動物の細胞の厚さがほんの数個だった頃、彼らは酸素の必要性を満たすために拡散を頼りにすることができました。しかし、ヘモグロビンが組織に酸素を供給し続けるには単純な拡散ができないほど大きくなりすぎたとき、ヘモグロビンは巧妙に仕事の準備ができていました.
ヘモグロビンの成功の秘訣は共同結合です。色素が結合するすべての酸素分子により、4 つの空孔がすべて満たされるまで、次の分子とより容易に結合できます。これにより、ヘモグロビンは、酸素が豊富な場所 (戸外や肺など) で酸素を収集し、酸素が不足している組織で徐々に放出するのに非常に効率的になります.
脊椎動物は通常、細かく調整された用途を持ついくつかのバリアント グロビン タンパク質の遺伝子を持っています。たとえば、哺乳類の胎児は、血液中に酸素との親和性が高い特別なヘモグロビンを持っており、胎盤で母体の血液供給から酸素を引き出すのに役立ちます。私たちの骨格筋は、ヘモグロビンの祖先である単一のグロビンタンパク質であるミオグロビンを作ります。これは、運動中に使用するために筋肉が酸素の貯蔵庫に留まるのを助けます.
しかし、ヘモグロビンは優れた分子ですが、あらゆる状況で酸素を輸送するのに理想的な分子ではありません。無脊椎動物の間で非常に広く使用されているヘモシアニンについて考えてみましょう。ヘモシアニンは、他のヘモグロビン代替物と同様に、通常は協調的に結合しないため、ヘモグロビンよりも酸素を取り込む効率が低くなります。しかし、共同結合の欠点は、酸素が不足するとヘモグロビンのパフォーマンスが低下することです。ヘモグロビンの有効性も温度とともに低下します。したがって、冷たい海底またはその近くに生息するタコやカニなどの生物にとっては、ヘモシアニンがより実用的な選択肢となる可能性があります.
昆虫の場合は別です。血液に相当するのは体液で、少量のヘモシアニンを含むほぼ透明な液体です。しかし、彼らは通常、酸素を運ぶためにこの体液に依存していません.ほとんどの昆虫は、組織に浸透し、外骨格の開口部から空気につながる「気管チューブ」のネットワークを通じて呼吸します。昆虫の「開いた」循環系には、血リンパを導く毛細血管のような血管がありません。代わりに、血リンパは体腔を通り抜け、溶解した栄養素を分配するのに役立ちます.ヘモシアニンは、昆虫が後で使用するために酸素を貯蔵するのを助けるためだけに血リンパにある可能性があります.
ヘメリトリンは、環形動物 (分節化されたワーム)、ヒル、およびその他の特定のワームに見られる血液色素であり、ヘムをまったく含まないため、欺瞞的な名前を持っています。しかし、ヘモグロビンと同様に、初期の細菌が酸化還元反応を制御するために使用した古代のタンパク質ファミリーに由来する鉄ベースの色素です。ヘメリチンはヘモグロビンの約 4 分の 1 の酸素容量しか持っていませんが、これは線虫にとって十分に機能しているようです。この色素には免疫学的機能もあると思われます.
有毒な三重の脅威
代替の血液色素は、一般的にヘモグロビンに次ぐ酸素の取り込みに劣りますが、単純さの点で利点があります。通常、それらを保持するために赤血球のようなものは必要ありません.たとえば、イカ、ロブスター、その他の青血動物では、ヘモシアニンは血漿に直接溶解しています。このアプローチが機能するのは、ヘモシアニン、ヘメリトリン、およびその他の色素が大きく、頻繁に重合する分子であり、酸素結合金属原子を偶然の相互作用から遠ざけるためです。逆に、ヘモグロビンは小さく、その積極的に反応するヘムは簡単に露出するため、毒性が非常に高くなります。そのため、私たちの肝臓はタンパク質であるハプトグロビンを生成し、血液から壊れた血球から浮遊ヘモグロビンを除去します.
毒性の観点から、ヘモグロビンは三重の脅威であると、アメリカ赤十字社の生物医学サービスの最高医療責任者である Pampee Young 氏は説明しています。ヘムは酸素よりも一酸化窒素との親和性が高く、体は血圧を制御するシグナル分子として一酸化窒素を使用します。したがって、過剰な遊離ヘモグロビンは、血液から一酸化窒素を奪い、血管を収縮させ、高血圧や臓器への血流の減少を引き起こす可能性があります.問題を複雑にしているのは、ヘモグロビンが血漿中で保護されていない場合、その構成要素であるグロビン サブユニットに分解することです。裸のヘム分子は、組織内の脂質膜やその他の構造をランダムに攻撃し、それらを損傷します。そして、とどめの一撃として 分離されたグロビンタンパク質は、腎臓のろ過システムを詰まらせ、それらをシャットダウンする可能性があります.
ヘモグロビンを赤血球 (赤血球) にパッケージ化すると、毒性の問題を封じ込めるのに役立ちます。また、ヘモグロビンを血管内に保持することで、酸素の分配をより効率的にします。それ以外の場合、分子は非常に小さいため、一部が組織に漏れ出し、循環から外れます.
進化を正当化することの危険
人間の赤血球は、酸素分配の仕事のために特に最適化されています。それらはコンパクトで柔軟性があり、両凹ディスクのような形をしているため、狭い毛細血管を通り抜けるのに役立ち、体積と表面積の比率が高くなるため、大量のヘモグロビンと酸素を保持できます.さらに、人間の赤血球は、生命のバランスをとるために必要なすべてのタンパク質を備蓄した後、核や他の細胞小器官を排出することで、ほとんどの種の赤血球よりも一歩進んでいます。残っているのは「基本的にヘモグロビンの袋」です.しかし、細胞はその合理化に対して代償を払っています:毛細血管を押し進めることによる消耗を修復する能力が限られているため、循環している人間の赤血球の寿命は約 120 日しかありません。
赤血球が死ぬと、体はヘモグロビンを緑色色素のビリベルジンなどの毒性の低い化合物に変換します. （治癒中のあざの緑色はビリベルジンによるものです。）ヒトのビリベルジンが多すぎると黄疸を引き起こしますが、ビリベルジンは通常、特定の昆虫や魚の血液中に存在しますが、酸素を輸送しません.昨年、ルイジアナ州立大学の爬虫類学者クリストファー・オースティンとザカリー・ロドリゲス、およびアメリカ自然史博物館の無脊椎動物学部門の寄生虫研究者であるスーザン・パーキンスは、ニューギニアの特定のトカゲの遺伝子分析について報告しました。血液中のビリベルジンの緑色がヘモグロビンの赤色を圧倒する. （「人間を殺すのに必要なビリベルジンの量の約 50 倍の量を持っています」とパーキンスは言いました。）遺伝的証拠は、この形質がこれらのトカゲの間で 4 回別々に進化したことを示唆しており、研究者はビリベルジンがトカゲをマラリアやその他の寄生虫感染から保護するのに役立ちます。その理論にとって残念なことに、予備的な証拠はそうではないことを示唆していると Perkins 氏は述べ、進化がなぜこの小さなグループで形質をそれほど好むのかは謎のままです.
トカゲの緑色の血は、自然界のさまざまな血液色素を純粋に適応的であると正当化しようとする危険性を示しています。進化の多くは、歴史的な不測の事態にも依存しています。初期の生物には、自由に使える酸素制御色素がたくさんありました。しかし、生物の系統が特定の仕事のために特定のものを使用することを約束すると、その選択を大幅に変更することは、不可能ではないにしても困難だった可能性があります.脊椎動物が無脊椎動物よりも血液色素の多様性を示さない理由は、単純に、無脊椎動物が全体としてはるかに多様な生物のグループであるためです (すべての脊椎動物は単一の脊索動物門に分類されますが、無脊椎動物は 30 以上に分類されます)。
白魚の異常な血は、この一般化と矛盾しません。それは実際にそれを確認します。生物学者が 1950 年代に白魚の血が澄んでいることを発見したとき、最初は寒さに適応したものだと考えました。しかし、その後の研究では、シロフィッシュのヘモグロビン遺伝子の喪失は、むしろ幸運な事故であることが指摘されました。ほとんどの環境では、その突然変異は致命的でした。しかし、南極の極寒の海は、暖かい水よりも多くの溶存酸素を保持しているため、また、アイスフィッシュの祖先はおそらく寒さの中で繁栄するための適応をすでに持っていたため、魚は生き残った.ルイ パスツールが言ったように、チャンスは心の準備ができている人に有利に働くというのは本当かもしれませんが、十分に準備されたゲノムを持っていても問題はありません。
この記事は ScientificAmerican.com に転載されました。
