2月份，一项基因组学研究发表在自然生态学与进化杂志上，该研究引起了人们对奇异的南极黑棘冰鱼的关注，它们游弋在最南端大陆海岸附近严寒的海水中。南极冰鱼科的鱼类在几个方面都很不寻常——例如，它们没有鳞片，骨骼是透明的——但最引人注目的是它们所谓的白色血液，这在脊椎动物中是独一无二的。这些鱼是已知唯一既没有红细胞也没有血红蛋白色素来运输氧气的鱼类。氧气只是通过鱼类扩大的鳃和光滑的皮肤，从寒冷的海水中扩散到它们的循环血浆中。
通过观察一种冰鱼物种的基因组，研究人员得以窥探使其得以生存的进化适应。有些是红血鱼类也具有的共同特征，这些红血鱼类也是南极水域的原生物种，比如存在额外的基因来制造像防冻剂一样的血液蛋白质。有些对于冰鱼缺乏红细胞来说更具特色，例如保护组织免受血液中高活性游离氧侵害的酶的增强。
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尽管冰鱼可能看起来很奇怪，但在脊椎动物中显得奇特的原因在动物王国的其余部分却是常态。大多数无脊椎动物都携带血红蛋白基因，但它们通常在其血液版本中使用其他金属蛋白色素。昆虫、甲壳类动物和其他节肢动物使用血蓝蛋白，一种蓝色的铜基色素。从蛤蜊到鱿鱼和章鱼的软体动物也使用血蓝蛋白，但它们似乎独立发明了它们的版本。一些蠕虫使用紫色的血红蛋白；另一些使用绿色的绿血红素；有些则使用多种色素的组合。
似乎令人困惑的是，存在如此多的血液种类，更令人困惑的是，尽管无脊椎动物进行了疯狂的实验，但脊椎动物——除了冰鱼——却普遍忠于带有红细胞和血红蛋白的那种。解释是深深扎根于生命的历史，可以追溯到最早的细胞。
对氧气的亲和力
宾夕法尼亚州立大学生物化学和分子生物学教授罗斯·哈迪森解释说，从生命之初，细胞就需要分子之间转移电子，作为其新陈代谢的一部分。作为对这些氧化还原（氧化-还原）反应的控制，细胞部署了称为卟啉的环状分子。当这些卟啉携带铁或铜等金属原子时，它们对氧气具有强烈的亲和力。“一旦你在卟啉环中拥有一个铁原子，它就会在整个生物圈中使用，”哈迪森说。他推测，它“可能是最终被纳入细胞的最早的分子之一。”
血红蛋白由四个相互连接的珠蛋白蛋白组成，每个珠蛋白蛋白都含有一个血红素，它迅速变得无处不在。“血红蛋白的出现早于动物的起源，甚至早于动植物的共同祖先，”美国自然历史博物馆无脊椎动物生物学部馆长马克·西达尔说。
当呼吸动物只有几个细胞厚时，它们可以依靠扩散来满足对氧气的需求。但是，当它们变得过于庞大，以至于简单的扩散无法继续为它们的组织供氧时，血红蛋白巧妙地准备好了这项工作。
血红蛋白成功的秘诀是协同结合：每结合一个氧分子，它就能更轻松地与下一个氧分子结合，直到所有四个空位都被填满。这使得血红蛋白在氧气充足的地方（如在露天和肺部）非常有效地收集氧气，然后在缺氧组织中逐渐释放出来。
脊椎动物通常携带几种变异珠蛋白蛋白的基因，这些珠蛋白蛋白具有微调的用途。例如，胎儿哺乳动物的血液中有一种特殊的血红蛋白，对氧气具有额外的亲和力，这有助于它们从胎盘中的母体血液供应中吸取氧气。我们的骨骼肌产生肌红蛋白，一种血红蛋白的祖先珠蛋白蛋白，它有助于肌肉在运动期间保持氧气储备。
但尽管血红蛋白很好，但它并不是在所有情况下运输氧气的理想分子。考虑一下血蓝蛋白，它在无脊椎动物中被广泛使用。血蓝蛋白在抓取氧气方面的效率不如血红蛋白，因为与其他的血红蛋白替代品一样，它通常不进行协同结合。但协同结合的缺点是，当氧气供应不足时，血红蛋白的表现更差。血红蛋白的效率也会随着温度下降而下降。因此，对于生活在寒冷海底或附近的章鱼和螃蟹等生物来说，血蓝蛋白可能是一个更实用的选择。
对于昆虫来说，情况则不同。它们相当于血液的是血淋巴，一种主要为透明的液体，其中含有少量的血蓝蛋白。但它们通常不依赖血淋巴来运输氧气。大多数昆虫通过“气管”网络呼吸，这些气管遍布它们的组织，并通过外骨骼上的开口与空气相连。昆虫的“开放式”循环系统没有像毛细血管这样的血管来引导血淋巴；相反，血淋巴在体腔中晃动，并帮助分配溶解的营养物质。血淋巴中的血蓝蛋白可能只是为了帮助昆虫储存氧气以备后用。
血红蛋白是环节动物（分节蠕虫）、水蛭和某些其他蠕虫中发现的血液色素，它的名字具有欺骗性，因为它根本不含血红素。然而，与血红蛋白一样，它是一种铁基色素，来源于早期细菌用于控制氧化还原反应的古老蛋白质家族。血红蛋白的携氧能力只有血红蛋白的四分之一左右，但这似乎足以满足蠕虫的需求。这种色素似乎还具有一些免疫功能。
有毒的三重威胁
即使替代的血液色素在抓取氧气方面通常不如血红蛋白，但它们在简单性方面确实具有优势：它们通常不需要像红细胞这样的东西来容纳它们。例如，在鱿鱼、龙虾和其他蓝血动物中，血蓝蛋白直接溶解在它们的血浆中。这种方法之所以有效，是因为血蓝蛋白、血红蛋白和其他色素都是大的、经常聚合的分子，它们将结合氧气的金属原子隐藏起来，避免随意相互作用。相反，血红蛋白很小，其具有高反应性的血红素很容易暴露出来，这使得它剧毒——以至于我们的肝脏会产生一种蛋白质，结合珠蛋白，以清除血液中破损红细胞中的游离血红蛋白。
人类红细胞是富有弹性的双凹圆盘，其中充满了红色色素血红蛋白。它们的设计有助于它们有效地将氧气输送到组织，同时安全地隔离所含的血红蛋白，血红蛋白在细胞外会变得有毒。图片来源：David McCarthy Getty Images
从毒性角度来看，血红蛋白是一种三重威胁，潘佩·杨解释说，她是美国红十字会生物医学服务的首席医疗官。血红素对一氧化氮的亲和力甚至高于氧气，而身体使用一氧化氮作为信号分子来控制血压。因此，过量的游离血红蛋白会剥夺血液中的一氧化氮，收缩血管，并可能导致高血压和器官血流量减少。更糟糕的是，血红蛋白在血浆中不受保护时，会分解成其组成珠蛋白亚基。裸露的血红素分子随后会随机攻击组织中的脂膜和其他结构，从而损害它们。而作为最后一击，分离的珠蛋白蛋白会堵塞肾脏的过滤系统并使其停止工作。
将血红蛋白包装到红细胞（红细胞）中有助于控制毒性问题。它还可以通过将血红蛋白保持在血管内来提高氧气分布的效率：否则，该分子太小，以至于其中一部分会泄漏到组织中并脱离循环。
为进化辩护的危险
人类红细胞经过特别优化，可以执行氧气分布的任务。它们紧凑、灵活，形状像双凹圆盘，这有助于它们滑过狭窄的毛细血管，并使它们具有高体积与表面积之比，因此它们可以容纳大量的血红蛋白和氧气。此外，人类红细胞比大多数物种的红细胞更进一步，它们在储存了生命剩余时间所需的所有蛋白质后，会排出细胞核和其他细胞器——剩下的“基本上是一个血红蛋白袋子，”杨说。然而，细胞为这种精简化付出了代价：由于它们修复在毛细血管中挤压造成的磨损的能力有限，循环的人类红细胞的寿命只有大约120天。
当红细胞死亡时，身体会将血红蛋白分解成毒性稍低的化合物，包括绿色色素胆绿素。（愈合瘀伤的绿色来自胆绿素。）人体内过多的胆绿素会导致黄疸，但胆绿素通常存在于某些昆虫和鱼类的血液中，即使它不运输氧气。去年，路易斯安那州立大学的爬虫学家克里斯托弗·奥斯汀和扎卡里·罗德里格斯以及美国自然历史博物馆无脊椎动物动物学部的寄生虫研究员苏珊·珀金斯报告了他们对新几内亚某些石龙子的基因分析，这些石龙子的血液中含有大量的胆绿素，以至于其绿色压倒了血红蛋白的红色。（“它们的胆绿素含量大约是杀死人类所需量的 50 倍，”珀金斯说。）基因证据表明，这种性状在这些蜥蜴中独立进化了四次，这让研究人员认为胆绿素可能有助于保护石龙子免受疟疾或其他寄生虫感染。不幸的是，对于这一理论，初步证据表明情况并非如此，珀金斯说，这使得为什么进化如此偏爱这一性状在这个小群体中仍然是一个谜。
石龙子的绿色血液说明了试图将自然界中各种血液色素仅仅作为适应性来辩解的危险。进化的很大一部分也取决于历史的偶然性。最早的生物体拥有许多可供使用的氧气控制色素。但是，一旦生物谱系致力于将某些色素用于某些工作，它们可能很难甚至不可能彻底修改该选择。脊椎动物在其血液色素中表现出的多样性不如无脊椎动物的原因很简单，因为无脊椎动物总体上是一个更加多样化的生物群体（所有脊椎动物都属于一个门，脊索动物门，而无脊椎动物则属于 30 多个门）。
冰鱼异常的血液并没有反驳这一概括；实际上，它证实了这一点。当生物学家在 20 世纪 50 年代发现冰鱼的血液是透明的时，他们最初认为这是对寒冷的适应。随后的研究然而，指出冰鱼血红蛋白基因的丢失更像是一个幸运的意外。在大多数环境中，这种突变将是致命的。但是，由于寒冷的南极海域比温暖的海水含有更多的溶解氧，并且由于冰鱼的祖先可能已经有一些适应性来帮助它们在寒冷中繁荣，因此这些鱼幸存了下来。正如路易斯·巴斯德所说，机会偏爱有准备的头脑，但拥有准备充分的基因组也无妨。
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