Η μελέτη Icefish προσθέτει άλλο χρώμα στην ιστορία του αίματος

Τον Φεβρουάριο, μια μελέτη γονιδιωματικής εμφανίστηκε στο Nature Ecology &Evolution επέστησε την προσοχή στα παράξενα παγόψαρα της Ανταρκτικής, που κολυμπούν στα άγρια ​​κρύα νερά στα ανοιχτά της νοτιότερης ηπείρου. Τα παγόψαρα της οικογένειας Channichthyidae είναι ασυνήθιστα από πολλές απόψεις - δεν έχουν λέπια και έχουν διαφανή οστά, για παράδειγμα - αλλά αυτό που ξεχωρίζει περισσότερο είναι το λεγόμενο λευκό αίμα τους, το οποίο είναι μοναδικό μεταξύ των σπονδυλωτών. Αυτά τα ψάρια είναι τα μόνα που είναι γνωστό ότι δεν έχουν ούτε ερυθρά αιμοσφαίρια ούτε χρωστικές αιμοσφαιρίνης για τη μεταφορά οξυγόνου. Το οξυγόνο απλώς διαχέεται στο κυκλοφορούν πλάσμα του αίματος από το παγωμένο θαλασσινό νερό μέσω των διευρυμένων βραγχίων και του λείου δέρματος των ψαριών.

Εξετάζοντας το γονιδίωμα ενός είδους παγόψαρου, οι ερευνητές μπόρεσαν να κοιτάξουν τις εξελικτικές προσαρμογές που του επέτρεψαν να επιβιώσει. Μερικά ήταν κοινά στα ερυθρόαιμα ψάρια που είναι επίσης εγγενή στα νερά της Ανταρκτικής, όπως η παρουσία επιπλέον γονιδίων για την παραγωγή πρωτεϊνών του αίματος που λειτουργούν σαν αντιψυκτικό. Ορισμένα ήταν πιο διακριτικά στην έλλειψη ερυθρών αιμοσφαιρίων του παγόψαρου, όπως η ενίσχυση των ενζύμων που προστατεύουν τους ιστούς από το εξαιρετικά δραστικό ελεύθερο οξυγόνο στο αίμα του.

Όσο περίεργο κι αν φαίνεται το παγόψαρο, αυτό που το κάνει περίεργο μεταξύ των σπονδυλωτών είναι ο κανόνας σε όλο το υπόλοιπο ζωικό βασίλειο. Τα περισσότερα ασπόνδυλα φέρουν γονίδια για αιμοσφαιρίνες, αλλά γενικά χρησιμοποιούν άλλες μεταλλοπρωτεϊνικές χρωστικές στις εκδοχές του αίματος τους. Τα έντομα, τα καρκινοειδή και άλλα αρθρόποδα χρησιμοποιούν αιμοκυανίνη, μια γαλαζωπή χρωστική ουσία με βάση τον χαλκό. Τα μαλάκια, που κυμαίνονται από μύδια μέχρι καλαμάρια και χταπόδια, χρησιμοποιούν επίσης αιμοκυανίνη, αλλά φαίνεται ότι έχουν εφεύρει την εκδοχή τους ανεξάρτητα. Μερικά σκουλήκια χρησιμοποιούν μοβ αιμερυθρίνη. Άλλοι χρησιμοποιούν πρασινωπό χλωροκρουορίνη. Ορισμένοι χρησιμοποιούν συνδυασμό χρωστικών.

Μπορεί να φαίνεται περίεργο το γεγονός ότι υπάρχουν τόσες πολλές ποικιλίες αίματος, και ακόμα πιο μπερδεμένο ότι ενώ τα ασπόνδυλα πειραματίστηκαν άγρια, τα σπονδυλωτά - εκτός από τα παγόψαρα - παρέμειναν παγκοσμίως πιστά στο είδος με τα ερυθρά αιμοσφαίρια και την αιμοσφαιρίνη. Η εξήγηση είναι βαθιά ριζωμένη στην ιστορία της ζωής, πηγαίνοντας πίσω στα πρώτα κύτταρα.

Μια συγγένεια για το οξυγόνο

Από την αρχή της ζωής, τα κύτταρα χρειάζονταν να μετακινούν ηλεκτρόνια μεταξύ των μορίων ως μέρος του μεταβολισμού τους, εξήγησε ο Ross Hardison, καθηγητής βιοχημείας και μοριακής βιολογίας στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Ως έλεγχοι σε αυτές τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής (αναγωγής οξείδωσης), τα κύτταρα ανάπτυξαν μόρια σε σχήμα δακτυλίου που ονομάζονται πορφυρίνες. Όταν αυτές οι πορφυρίνες κρατούσαν ένα άτομο μετάλλου όπως ο σίδηρος ή ο χαλκός, είχαν μια άγρια ​​συγγένεια με το οξυγόνο. «Μόλις έχετε ένα σίδερο σε αυτόν τον δακτύλιο πορφυρίνης, χρησιμοποιείται σε όλη τη βιόσφαιρα», είπε ο Χάρντισον. Υπέθεσε ότι «ίσως να είναι ένα από τα πρώτα μόρια που τελικά ενσωματώθηκαν σε κύτταρα».

Η αιμοσφαιρίνη προέκυψε από τέσσερις αλληλένδετες πρωτεΐνες σφαιρίνης, η καθεμία από τις οποίες κρατούσε μια αίμη, και έγινε γρήγορα πανταχού παρούσα. «Οι αιμοσφαιρίνες προηγούνται της προέλευσης των ζώων και ακόμη και του κοινού προγόνου των ζώων και των φυτών», δήλωσε ο Mark Siddall, επιμελητής στο τμήμα βιολογίας ασπόνδυλων στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας.

Όταν τα ζώα που αναπνέουν είχαν μόνο λίγα κύτταρα πάχους, μπορούσαν να βασίζονται στη διάχυση για να ικανοποιήσουν τις ανάγκες τους σε οξυγόνο. Αλλά όταν έγιναν πολύ ογκώδεις για απλή διάχυση για να συνεχίσουν να οξυγονώνουν τους ιστούς τους, η αιμοσφαιρίνη ήταν έξυπνα έτοιμη για τη δουλειά.

Το μυστικό της επιτυχίας της αιμοσφαιρίνης είναι ο συνεργατικός δεσμός:Με κάθε μόριο οξυγόνου που δεσμεύει η χρωστική ουσία, μπορεί να συνδεθεί με το επόμενο πιο εύκολα, μέχρι να καλυφθούν και οι τέσσερις κενές θέσεις. Αυτό καθιστά την αιμοσφαιρίνη εξαιρετικά αποτελεσματική στη συλλογή οξυγόνου όπου είναι άφθονο (όπως στον ανοιχτό αέρα και στους πνεύμονες) και στη συνέχεια να το απελευθερώνει ξανά σταδιακά σε ιστούς που λιμοκτονούν για οξυγόνο.

Τα σπονδυλωτά συνήθως φέρουν γονίδια για διάφορες παραλλαγές πρωτεϊνών σφαιρίνης με λεπτά συντονισμένες χρήσεις. Για παράδειγμα, τα εμβρυϊκά θηλαστικά έχουν μια ειδική αιμοσφαιρίνη στο αίμα τους με επιπλέον συγγένεια για το οξυγόνο, η οποία τα βοηθά να αντλούν οξυγόνο από την παροχή αίματος της μητέρας στον πλακούντα. Οι σκελετικοί μας μύες παράγουν τη μυοσφαιρίνη, μια ενιαία πρωτεΐνη σφαιρίνης προγονική της αιμοσφαιρίνης, η οποία βοηθά τους μυς να κολλούν σε ένα απόθεμα οξυγόνου για χρήση κατά τη διάρκεια της άσκησης.

Αλλά όσο καλή και αν είναι η αιμοσφαιρίνη, δεν είναι το ιδανικό μόριο για τη μεταφορά οξυγόνου σε όλες τις περιστάσεις. Εξετάστε την αιμοκυανίνη, η οποία χρησιμοποιείται τόσο ευρέως στα ασπόνδυλα. Η αιμοκυανίνη είναι λιγότερο αποτελεσματική από την αιμοσφαιρίνη στην πρόσληψη οξυγόνου, επειδή, όπως και οι άλλες εναλλακτικές λύσεις αιμοσφαιρίνης, συνήθως δεν συνδέεται συνεργατικά. Αλλά το μειονέκτημα της συνεργατικής σύνδεσης είναι ότι η αιμοσφαιρίνη αποδίδει χειρότερα όταν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου. Η αποτελεσματικότητα της αιμοσφαιρίνης μειώνεται επίσης με τη θερμοκρασία. Κατά συνέπεια, για πλάσματα όπως τα χταπόδια και τα καβούρια που ζουν πάνω ή κοντά στον κρύο βυθό του ωκεανού, η αιμοκυανίνη μπορεί να είναι μια πιο πρακτική επιλογή.

Για τα έντομα, είναι διαφορετικό. Το ισοδύναμό τους με το αίμα είναι η αιμολέμφος, ένα κυρίως διαυγές υγρό που περιέχει μικρές ποσότητες αιμοκυανίνης. Αλλά γενικά δεν βασίζονται σε αυτή την αιμολέμφο για τη μεταφορά οξυγόνου. Τα περισσότερα έντομα αναπνέουν μέσω ενός δικτύου «τραχειακών σωλήνων» που διαπερνούν τους ιστούς τους και συνδέονται με τον αέρα μέσω ανοιγμάτων στον εξωσκελετό. Το «ανοιχτό» κυκλοφορικό σύστημα των εντόμων δεν έχει αγγεία όπως τριχοειδή για να κατευθύνουν την αιμολέμφο. Αντίθετα, η αιμολέμφος διέρχεται μέσα από την κοιλότητα του σώματος και βοηθά στη διανομή των διαλυμένων θρεπτικών συστατικών. Η αιμοκυανίνη μπορεί να βρίσκεται στην αιμολέμφο απλώς για να βοηθήσει τα έντομα να αποθηκεύσουν οξυγόνο για μελλοντική χρήση.

Η Hemerythrin, η χρωστική του αίματος που βρίσκεται στα annelids (segmented worms), στις βδέλλες και σε ορισμένα άλλα σκουλήκια, έχει ένα παραπλανητικό όνομα, επειδή δεν περιέχει καθόλου αίμη. Ωστόσο, όπως η αιμοσφαιρίνη, είναι μια χρωστική ουσία με βάση τον σίδηρο που προέρχεται από μια οικογένεια αρχαίων πρωτεϊνών που τα πρώιμα βακτήρια χρησιμοποιούσαν για τον έλεγχο των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Η Hemerythin έχει μόνο περίπου το ένα τέταρτο της χωρητικότητας οξυγόνου της αιμοσφαιρίνης, αν και αυτό φαίνεται να εξυπηρετεί επαρκώς τα σκουλήκια. Η χρωστική ουσία φαίνεται επίσης να έχει κάποιες ανοσολογικές λειτουργίες.

Μια τοξική τριπλή απειλή

Ακόμα κι αν οι εναλλακτικές χρωστικές του αίματος είναι γενικά φτωχές σε σχέση με την αιμοσφαιρίνη στην πρόσληψη οξυγόνου, έχουν ένα πλεονέκτημα όσον αφορά την απλότητα:Συνήθως δεν χρειάζονται κάτι σαν ερυθρά αιμοσφαίρια για να τις συγκρατήσουν. Στα καλαμάρια, τους αστακούς και τα άλλα γαλαζοαίματα, για παράδειγμα, η αιμοκυανίνη διαλύεται απευθείας στο πλάσμα τους. Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί επειδή η αιμοκυανίνη, η αιμορυθρίνη και οι άλλες χρωστικές είναι μεγάλα, συχνά πολυμερισμένα μόρια που κρατούν τα άτομα μετάλλου που δεσμεύουν το οξυγόνο κρυμμένα μακριά από περιστασιακές αλληλεπιδράσεις. Αντίθετα, η αιμοσφαιρίνη είναι μικρή και η επιθετικά αντιδραστική αίμη της εκτίθεται εύκολα, γεγονός που την καθιστά εξαιρετικά τοξική — τόσο πολύ που το συκώτι μας παράγει μια πρωτεΐνη, την απτοσφαιρίνη, για να καθαρίσει την αδέσποτη αιμοσφαιρίνη από τα σπασμένα αιμοσφαίρια από το αίμα μας.

Από την άποψη της τοξικότητας, η αιμοσφαιρίνη είναι μια τριπλή απειλή, εξήγησε ο Pampee Young, επικεφαλής ιατρικός υπεύθυνος των βιοϊατρικών υπηρεσιών του Αμερικανικού Ερυθρού Σταυρού. Η αίμη έχει ακόμη μεγαλύτερη συγγένεια με το μονοξείδιο του αζώτου από το οξυγόνο και το σώμα χρησιμοποιεί το μονοξείδιο του αζώτου ως σηματοδοτικό μόριο για τον έλεγχο της αρτηριακής πίεσης. Επομένως, η περίσσεια ελεύθερης αιμοσφαιρίνης θα στερήσει από το αίμα το μονοξείδιο του αζώτου, θα συσπάσει τα αιμοφόρα αγγεία και ενδεχομένως θα προκαλέσει υπέρταση και μειωμένη ροή αίματος στα όργανα. Το πρόβλημα που επιδεινώνεται είναι ότι η αιμοσφαιρίνη, όταν δεν προστατεύεται στο πλάσμα του αίματος, αποσυντίθεται στις υπομονάδες σφαιρίνης των συστατικών της. Στη συνέχεια, τα γυμνά μόρια αίμης προσβάλλουν τυχαία τις λιπιδικές μεμβράνες και άλλες δομές στους ιστούς, καταστρέφοντάς τους. Και ως coup de grâce , οι απομονωμένες πρωτεΐνες σφαιρίνης μπορεί να φράξουν το σύστημα φιλτραρίσματος των νεφρών και να τους κλείσουν.

Η συσκευασία της αιμοσφαιρίνης σε ερυθρά αιμοσφαίρια (ερυθροκύτταρα) βοηθά στον περιορισμό των προβλημάτων τοξικότητας. Κάνει επίσης την κατανομή του οξυγόνου πιο αποτελεσματική διατηρώντας την αιμοσφαιρίνη μέσα στα αιμοφόρα αγγεία:Το μόριο κατά τα άλλα είναι τόσο μικρό που ένα μέρος του θα διαρρεύσει στους ιστούς και θα έπεφτε εκτός κυκλοφορίας.

Οι κίνδυνοι της δικαιολόγησης της εξέλιξης

Τα ανθρώπινα ερυθρά αιμοσφαίρια είναι ιδιαίτερα βελτιστοποιημένα για τη δουλειά της διανομής οξυγόνου. Είναι συμπαγείς, εύκαμπτοι και έχουν σχήμα αμφίκοιλων δίσκων, κάτι που τους βοηθά να γλιστρούν μέσα από στενά τριχοειδή αγγεία και τους δίνει υψηλή αναλογία όγκου προς επιφάνεια, ώστε να μπορούν να συγκρατούν πολλή αιμοσφαιρίνη και οξυγόνο. Επιπλέον, τα ανθρώπινα ερυθροκύτταρα προχωρούν ένα βήμα παραπέρα από εκείνα των περισσότερων ειδών εκτινάσσοντας τον πυρήνα τους και άλλα οργανίδια αφού αποθηκεύσουν όλες τις πρωτεΐνες που θα χρειαστούν για την ισορροπία της ζωής τους - αυτό που απομένει είναι «βασικά ένας σάκος αιμοσφαιρίνης», είπε ο Young. Ωστόσο, τα κύτταρα πληρώνουν πρόστιμο για αυτόν τον εξορθολογισμό:Λόγω της περιορισμένης ικανότητάς τους να επιδιορθώνουν τη φθορά από την ώθηση μέσω των τριχοειδών αγγείων, τα ανθρώπινα ερυθρά αιμοσφαίρια που κυκλοφορούν έχουν διάρκεια ζωής μόνο περίπου 120 ημέρες.

Όταν τα ερυθρά αιμοσφαίρια πεθαίνουν, το σώμα μετατρέπει την αιμοσφαιρίνη σε κάπως λιγότερο τοξικές ενώσεις, συμπεριλαμβανομένης της πράσινης χρωστικής ουσίας biliverdin. (Το πράσινο χρώμα ενός θεραπευτικού μώλωπα προέρχεται από τη μπιλιβερδίνη.) Η υπερβολική ποσότητα biliverdin σε έναν άνθρωπο προκαλεί ίκτερο, αλλά η biliverdin υπάρχει συνήθως στο αίμα ορισμένων εντόμων και ψαριών, παρόλο που δεν μεταφέρει οξυγόνο. Πέρυσι, οι ερπετολόγοι Christopher Austin και Zachary Rodriguez του State University της Λουιζιάνα και η Susan Perkins, ερευνήτρια παρασίτων στο τμήμα ζωολογίας ασπόνδυλων στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας, ανέφεραν τη γενετική τους ανάλυση ορισμένων δερμάτων από τη Νέα Γουινέα που έχουν τόσα πολλά μπιλιβερδίνη στο αίμα τους που το πράσινο της υπερισχύει του κόκκινου της αιμοσφαιρίνης. ("Έχουν περίπου 50 φορές μεγαλύτερη ποσότητα μπιλιβερδίνης από αυτή που θα χρειαζόταν για να σκοτώσει έναν άνθρωπο", είπε ο Πέρκινς.) Γενετικά στοιχεία υποδηλώνουν ότι αυτό το χαρακτηριστικό εξελίχθηκε τέσσερις διαφορετικές φορές μεταξύ αυτών των σαυρών, γεγονός που οδήγησε τους ερευνητές να σκεφτούν ότι η μπιλιβερδίνη μπορεί να βοηθούν στην προστασία του δέρματος από ελονοσία ή άλλες παρασιτικές λοιμώξεις. Δυστυχώς για αυτήν τη θεωρία, τα προκαταρκτικά στοιχεία υποδηλώνουν ότι δεν συμβαίνει αυτό, είπε ο Perkins, γεγονός που αφήνει μυστήριο γιατί η εξέλιξη ευνοεί τόσο πολύ το χαρακτηριστικό σε αυτή τη μικρή ομάδα.

Το πράσινο αίμα των skinks απεικονίζει τους κινδύνους της προσπάθειας να δικαιολογηθεί η ποικιλία των χρωστικών του αίματος στη φύση ως καθαρά προσαρμοστική. Μεγάλο μέρος της εξέλιξης εξαρτάται επίσης από το ιστορικό ενδεχόμενο. Οι πρώτοι οργανισμοί είχαν στη διάθεσή τους πολλές χρωστικές ουσίες ελέγχου του οξυγόνου. Αλλά από τη στιγμή που οι γενεαλογίες οργανισμών δεσμεύτηκαν να χρησιμοποιούν ορισμένους για συγκεκριμένες εργασίες, μπορεί να ήταν δύσκολο αν όχι αδύνατο να αναθεωρήσουν δραστικά αυτήν την επιλογή. Ο λόγος που τα σπονδυλωτά παρουσιάζουν λιγότερη ποικιλομορφία στις χρωστικές του αίματος από ό,τι τα ασπόνδυλα είναι απλώς ότι τα ασπόνδυλα είναι μια πολύ πιο ποικιλόμορφη ομάδα οργανισμών συνολικά (όλα τα σπονδυλωτά εμπίπτουν σε μια ενιαία φυλή, το Chordata, ενώ τα ασπόνδυλα είναι σε περισσότερα από 30).

Το ασυνήθιστο αίμα του παγόψαρου δεν έρχεται σε αντίθεση με αυτή τη γενίκευση. στην πραγματικότητα το επιβεβαιώνει. Όταν οι βιολόγοι ανακάλυψαν ότι τα παγόψαρα είχαν καθαρό αίμα στη δεκαετία του 1950, στην αρχή υπέθεσαν ότι ήταν μια προσαρμογή στο κρύο. Η μεταγενέστερη εργασία, ωστόσο, έδειξε ότι η απώλεια των γονιδίων της αιμοσφαιρίνης από το παγόψαρο ήταν περισσότερο ένα τυχερό ατύχημα. Στα περισσότερα περιβάλλοντα, αυτή η μετάλλαξη θα ήταν θανατηφόρα. Αλλά επειδή τα παγωμένα νερά της Ανταρκτικής περιέχουν περισσότερο διαλυμένο οξυγόνο από το θερμότερο νερό και επειδή οι πρόγονοι των παγόψαρων πιθανώς είχαν ήδη κάποιες προσαρμογές για να τους βοηθήσουν να ευημερήσουν στο κρύο, τα ψάρια επέζησαν. Μπορεί να είναι αλήθεια, όπως είπε ο Λουί Παστέρ, ότι η πιθανότητα ευνοεί το προετοιμασμένο μυαλό, αλλά το να έχεις ένα καλά προετοιμασμένο γονιδίωμα δεν βλάπτει.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο ScientificAmerican.com.