Kodėl gyvūnų kraujas būna mėlynas, žalias ar skaidrus

Įsipjauni pirštą ir tikiesi raudono kraujo. Šis įprotis formuoja, kaip įsivaizduojame gyvūnų gyvenimą. Tačiau gamta mėgsta laužyti lūkesčius. Aštuonkojai turi mėlyną kraują. Kai kurie Naujosios Gvinėjos driežai atrodo tarsi jų venos būtų nudažytos žaliai. Kelios Antarkties žuvys plaukioja beveik bespalviu krauju, kuris išgąsdintų bet kurį kraujo ėmėją.

Kaip skirtinga chemija lemia kraujo spalvą

Spalva kraujyje nėra poezija. Tai chemija atlieka savo darbą. Pačioje paletės šerdyje yra molekulės, pernešančios deguonį per audinius. Mums labiausiai pažįstamas hemoglobinas, geležį turinti baltyminė medžiaga žmogaus raudonųjų kraujo kūnelių, kuri paraudonuoja prisijungus deguoniui. Esant mažam deguonies kiekiui, jos atspalvis tamsėja. Tas paprastas metalinis jungiklis paaiškina, kodėl mūsų kraujas atrodo taip, kaip atrodo.

Kiti gyvūnai naudoja kitokius nešėjus. Daugelis moliuskų, galvakojų ir vėžiagyvių naudoja hemocianiną, varį turinčią deguonies transportavimo molekulę, kuri prisotinta deguonies įgauna mėlyną spalvą. Kai kurie jūrų kirminai ir brachiopodai remiasi hemerytrinu, geležies turinčiu baltymu, kurio struktūra skiriasi nuo hemoglobino, o prisotintas deguonimi jis gali atspindėti violetinį atspalvį. Vario ar geležies buvimas šiose molekulėse suteikia kraujui spalvą, tačiau chemija nėra visa istorija. Svarbu, kaip baltymas yra supakuotas, kur jis cirkuliuoja ir kokia yra gyvūno ekologija.

Hemocianinas yra mažiau kompaktiškas nei hemoglobinas. Jis nėra laikomas smulkiuose, koncentruotuose raudonuose kraujo kūneliuose. Vietoje to daugelis bestuburių jį turi ištirpintą kraujo plazmoje. Toks išdėstymas yra reikšmingas. Šaltuose, deguonimi turtinguose vandenyse hemocianinas veikia pakankamai gerai. Jis perneša deguonį ir kai kuriose rūšyse taip pat prisideda prie imuninio atsako ir audinių atstatymo, kas rodo daugiaveikstes funkcijas, viršijančias vien pernešimą.

Pasagavė krabai (kairėje) turi mėlyną kraują dėl vario turtingo hemocianino; Antarkties ledinės žuvys (dešinėje) neturi jokio deguonį pernešančio baltymo ir jų kraujas atrodo vaiduokliškai baltas.

Žalias kraujas ir biliverdino netikėtumas

Žalias kraujas skamba kaip mokslinės fantastikos siužetas. Naujojoje Gvinėjoje tai yra gyva realybė. Prasinohaema genties driežai kaupia milžiniškus kiekius biliverdino, žalią tulžies pigmentą, susidarantį hemoglobinui skaidantis. Daugumoje stuburinių biliverdinas greitai paverčiamas kitomis medžiagomis ir pašalinamas iš organizmo. Šiuose driežuose tas konvertavimas nevyksta įprastai, todėl biliverdinas kaupiasi kraujyje ir audiniuose tol, kol nuslopina hemoglobino raudonį.

Kodėl toleruoti tai, kas kitoms rūšims būtų toksiška? Atsakymas nėra galutinis. Aukštos biliverdino koncentracijos gali būti žalingos, tačiau šie driežai atrodo nepakitę. Kai kurie tyrėjai siūlo, kad didelis biliverdino kiekis gali atbaidyti parazitus ar patogenus. Kita idėja sieja biliverdiną su maskavimu ar signalizacija jų atogrąžų miško aplinkoje. Kad ir koks būtų paaiškinimas, Prasinohaema žalio kraujo pavyzdys parodo, kad ta pati biocheminė grandinė gali būti evoliucijos metu perdaryta.

Prasinohaema driežai, kilę iš Naujosios Gvinėjos, turi žalią kraują ir audinius dėl biliverdino kaupimosi.

Žali atspalviai pasitaiko ir kitur dėl skirtingų priežasčių. Keletas jūrinių bestuburių ir tunikatų turi geltonai žalią hemolimfą, kuri gali kilti iš dietinių pigmentų, pavyzdžiui, karotenoidų, arba susikaupusių metalų, tokių kaip vanadis. Mokslininkai dar aiškina priežastis ir koreliacijas, o kandidatų mechanizmų sąrašas vis plečiasi, kai tiriamos naujos rūšys.

Ledinės žuvys: stuburiniai be hemoglobino

Viena keisčiausių biologijos istorijų priklauso Pietų Okeano ledinėms žuvims, šeimai Channichthyidae. Šios žuvys neturi raudonųjų kraujo kūnelių ir negamina hemoglobino. Jų kraujas yra beveik bespalvis, pieniškai permatomas, tarsi paneigiantis stuburinių taisykles. Kaip jos išgyvena be baltymo, kuris perneša didžiąją deguonies dalį beveik visuose kituose stuburiniuose?

Jų sėkmė priklauso nuo kelių kompensacinių sprendimų. Šaltuose Antarkties vandenyse yra daug ištirpusio deguonies. Ledinės žuvys išnaudoja šį gausumą, pernešdamos deguonį tiesiog plazmoje, o ne raudonuosiuose kūneliuose. Jos taip pat linkusios turėti dideles širdis ir išvystytą kapiliarų tinklą, kas didina kraujo srautą. Jų kūnai pritaikyti mažo energijos poreikio gyvensenai; daugelis tyko vietoje, o ne vejasi grobį, todėl sumažėja deguonies poreikis.

Krokodilo ledinė žuvis yra viena iš nedaugelio gyvūnų, kurių kraujas beveik skaidrus ir be spalvos. Ši Antarkties rūšis neturi hemoglobino ir raudonųjų kraujo kūnelių ir perneša deguonį ištirpintą kraujyje.

Genetiniai tyrimai teikia užuominų apie tai, kaip toks išdėstymas galėjo išsivystyti. Tyrėjai, lyginę genomus ir vystymosi programas, siūlo, kad hemoglobino praradimas įvyko mutacijų ir silpnesnio atrankos spaudimo deriniu aplinkoje, kurioje temperatūra žema ir deguonies daug. Ar raudonieji kraujo kūneliai išnyko pirmi, ar hemoglobino gamyba nutrūko anksčiau, tebėra nagrinėjama. Ledinių žuvų atvejis parodo, kad evoliucija kartais atsikrato funkcijos, kuri dažnai laikoma esmine, kai ekologinis kontekstas ją daro mažiau būtina.

Deguonies prisirišimas ir gyvybė aukštikalnėse

Kraujo skirtumai nėra apsiriboję egzotinėmis pigmentų spalvomis ar dingusiais baltymais. Net tarp gyvūnų su raudonu krauju hemoglobinas gali evoliucionuoti, kad atitiktų vietines sąlygas. Aukštikalnių gyventojai pateikia aiškų pavyzdį. Kai oras plonėja kylant, iššūkis yra efetyviai prisirišti prie riboto deguonies ir vis tiek jį pristatyti audiniams.

Elnių pelės, gyvenančios aukščiau nei 4000 metrų, turi hemoglobino variantus su didesniu deguonies prisirišimu. Rezultatas: jos lengviau susiriša deguonį plaučiuose. Tai atrodo idealu. Tačiau yra kompromisas. Stipresnis prisirišimas gali apsunkinti deguonies atidavimą ten, kur jo reikia. Šios pelės subalansuoja kompromisą evoliucionuodamos kitas adaptacijas, pavyzdžiui, padidintą mitochondrijų tankį raumenų skaidulose ir pokyčius kraujotakoje, kurie padeda audiniams išgauti deguonį.

Panašios strategijos pasitaiko Andų kolibriuose ir keliuose aukštų vietovių varliagyviuose. Evoliucija linkusi vienu metu pertvarkyti kelias savybes, o ne išspręsti problemą vienu vieninteliu mutacijos žingsniu.

Ką šie neįprasti kraujai moko medicinos mokslą

Kodėl turėtume domėtis mėlynu ar žaliu krauju? Atsakymai svyruoja nuo smalsumo iki galimų praktinių taikymų. Hemocianino ir hemerytrino tyrimai gilina supratimą apie alternatyvius deguonies nešėjus, o tai yra svarbu kuriant kraujo pakaitalus arba terapijas, pritaikytas žemo deguonies sąlygoms. Neįprasta ledinių žuvų fiziologija, pavyzdžiui, suteikia natūralų eksperimentą, kaip susidoroti su anemija. Jei gyvūnas gali efektyviai pernešti deguonį be hemoglobino, mechanizmų pažinimas galėtų įkvėpti naujus klinikinius sprendimus.

Antifriziniai baltymai, aptikti Antarkties žuvyse, taip pat turi praktinių implikacijų. Jie parodo, kaip stabilizuoti ląsteles ir audinius esant žemoms temperatūroms, su galimybėmis pagerinti organų saugojimą ir kriobiologiją. Hemocianino imuninės funkcijos, pastebėtos kai kuriose bestuburėse, yra dar viena kryptis. Šis baltymas dalyvauja žaizdų gijime ir patogenų gynyboje; šių funkcijų supratimas gali padėti kurti antimikrobines strategijas.

Tačiau reikia atsargumo. Evoliucinių adaptacijų vertimas į medicininius gydymo būdus nėra tiesmukas. Kas tinka šaltavandenėms žuvims ar driežams, sukaupusiems biliverdino, nebūtinai būtų saugu ar veiksminga žmonėms. Vis dėlto šios rūšys plečiasi fiziologinių sprendimų rinkinį, kurį galime tirti.

Ekspertės įžvalga

Dr. Rachel Kim, komparatyvinė fiziologė iš Britų Kolumbijos universiteto, pažymi: "Gamta nemokamai atlieka tūkstančius eksperimentų. Gyvūnai su nestandartine kraujo chemija yra gyvi pavyzdžiai, kad deguonies transportui galima rasti daugybę sprendimų. Mes nekopijuojame tų sprendimų tiesiogiai. Vietoje to skolinamės principus. Pavyzdžiui, kaip žuvis padidina deguonies pernešimą plazmoje arba kaip antifriziniai baltymai užkerta kelią ledo kristalų susidarymui, abu gali įkvėpti biomedicinos naujoves. Svarbiausia yra atsargi vertimas ir griežtas testavimas."

Išvados

Kraujų spalva yra matomas užuomina apie gilėjančią adaptacijų istoriją. Per moliuskus, vėžiagyvius, kirminus, žuvis ir roplius evoliucija eksperimentavo su variu, geležimi pakitusiomis formomis, tulžies pigmentais ir net pilnu kraujotakos strategijos pertvarkymu. Kai kurie pokyčiai atsirado dėl šalčio, kiti dėl mitybos, dar kiti dėl parazitų spaudimo arba geografijos. Rezultatas yra sprendimų spektras tam pačiam biologiniam iššūkiui: kaip pristatyti deguonį iki ląstelių.

Evoliucija išsprendė skubų fiziologinį klausimą daugeliu skirtingų būdų, ir kraujo spalvos užrašo šiuos sprendimus.

Šių variantų tyrinėjimas gilina mūsų supratimą apie fiziologiją ir siūlo netikėtų idėjų medicinai bei biotechnologijai. Tai taip pat moko nuolankumo. Raudonas skystis, tekantis per mūsų venas, yra įprastas, bet ne visuotinė norma. Šis paprastas faktas primena, kad gyvenimas nuolat kuria alternatyvas, o dėmesys keistuoliams, žaliems, mėlyniems ir permatomiems gali praplėsti tiek mūsų žinias, tiek priemonių rinkinį.