[中配]血液如何多次進化？

在著名的加拿大柏烈滇哥倫比亞省 伯吉斯頁巖中 我們發現了超過三萬具名為 Morales Blandens的小型盔甲類結織動物化石 它們的年齡超過五億年 保存完好 從腹部的小段到頭部奇特的彎曲腹肢 樣子都很美 但有一件事破壞了這些古代動物的美 它們的許多化石上布滿了黑色污漬 通常位於頭部或尾部 伯吉斯頁巖中 沒有其他生物擁有這些奇怪的黑色斑點 這些斑點實際上是化石記錄中 關於一種幾乎所有動物 包括我們在內 都與Morales共有的物質的最早證據 血液 血液的故事頗為複雜 因為它是我們進化歷史中 最具革命性的特徵之一 最終讓養分和廢物得以在我們身體內循環 伴隨我們越來越複雜和活躍 但是隨著時間的推移 環境條件的變化 血液完成這些功能的方式 也不斷發生變化 所以今天在與Morales隔了數億年的時間後 我們擁有了熟悉的紅色血液的動物 但我們也有藍色血液 紫色血液 綠色血液 甚至是白色血液 從岩石上的黑色斑點 到我們血管中的血液的故事 正是一例說明 在不斷變化的世界中 進化的反應始終是靈活的 血液的功能很多 它為組織提供氧氣 它將氧分運輸到細胞並清除廢物 但並不是所有動物都需要血液 有些生物比如海綿 海葵和水母 它們的體組織非常薄 以至於氧氣可以直接從海水中 擴散到它們的細胞裡 這意味著地球上最早的動物 可能也不需要血液 因為它們結構簡單或活動緩慢 可以通過擴散來運輸物質 但是一旦動物變得更加複雜和活躍 就需要另一種系統 一種循環血液的系統 現在像海綿、水母和質水母 這樣較簡單的動物 與其他所有種類動物之間的分化 是整個動物王國中 最古老的進化分支點之一 發生在前汗五季的晚期 這意味著所有具有某種 血液循環系統的生物的共同祖先 被認為是在6億多年前生活的 早於瑪爾勒的存在 不幸的是 這位擁有循環系統的祖先 沒有留下化石 但我們對這種生物的外貌 有一些想法 因為我們知道 所有具有血液循環系統的生物的樣子 而它們都有一些重要的共同特徵 比如它們都有雙側對稱 意味著它們有兩個對稱的側面 就像你和我一樣 而不是像水母或海星那樣有很多面 它們幾乎都有一個內部體腔 大多數動物用它來支持和保護它們的內臟 儘管有一兩種動物 隨著時間的推移失去了它 今天具有這些特徵的最簡單生物 是具有蠕蟲形態的扁平動物 即長形扁蟲 所以我們最早的攜帶血液的祖先 可能看起來和它們很像 現在我們也不確切知道 最早的血液是什麼樣的 但基因研究人員認為 一些早期形式的血液 可能使用了許多現代血液 所採用的相同基本化學模型 具體來說 它可能依賴於特殊蛋白質的幫助 這些蛋白質起初可能有不同的功能 比如代謝一氧化氮 或捕獲氧氣 以防止其接觸其他組織 但隨著時間的推移 它們被用於執行另一項任務 運輸氧氣 因此血液蛋白實際上比血液本身更古老 對編碼這些血液蛋白的基因 進行的分子中研究表明 一些血液蛋白可能早在7.4億年前 就開始進化 今天對於許多動物來說 血液中首選的蛋白質是球蛋白 一個豬蛋白分子上 有一個特殊的叉狀結構 它與一個鐵原子結合 而這個鐵原子又被一個叫做 血紅素的環狀分子包圍 而在這個甜甜圈的另一側 氧分子可以與鐵結合 包裹這個血紅素甜甜圈的 基本蛋白結構稱為球蛋白褶疊 這層褶皺非常獨特 能夠很好地抓住和釋放氧氣 因此在漫長的歲月中 今天在包括你在內的許多動物中 血液在一種叫做血紅蛋白的 蛋白質的幫助下 負責將氧氣運輸到全身 血紅蛋白賦予你的血液濃鬱的紅色 那是內部的鐵分子 但不同種類的動物中 已經進化出了不同類型的血紅蛋白 蝙蟲、蟹蟲、節肢動物 軟體動物以及其他動物 都有各自版本的氧結合蛋白 而且它們使用的這些並不完全相同 例如我們利用Hemoglobin 將氧氣從肺部運輸到各個組織 但某些種類的蛤蠣 可以利用血紅蛋白儲存氧氣 以便在缺氧時供神經使用 一種蟹蟲在口腔內壁儲存血紅蛋白 以幫助其口氣在低氧環境下 也能獲得足夠的氧氣 以便繼續進食 甚至大腸桿菌 它似乎是感知而非運輸氧氣 就蛋白質而言 Hemoglobin是一種具有非常悠久歷史的分子 化石記錄中一些最古老的確認的血紅蛋白 正來自於你可能猜到的生物 一種蚊子 一隻在蒙大拿的頁巖中 發現的4600萬年前的蚊子化石 而當科學家在2013年探測它的位置時 它們並沒有發現漸星室公園的蹤跡 相反它們發現了一些血紅素塊 這些可能是血紅蛋白的分解碎片 但血紅蛋白比這隻蚊子要古老得多 例如我們使用的這種類型是特有的脊椎動物 根據分子中研究 它可能與有核脊椎動物本身一樣古老 約為4億5千萬年前 現在血紅蛋白並不是唯一進化出的血液蛋白 我們的老朋友米雷拉就是證據所在 2014年科學家們分析了 Meralla化石上的那些奇怪斑點 發現它們相比於岩石的其他部分 富含金屬 但是奇怪的是 Meralla血液中富含的金屬並不是鐵 而是像我們血液中的那樣 相反它含有銅 Meralla是我們所知的最早使用銅 而不是鐵的生物 而Meralla很可能使用了一種不同的蛋白質 叫做血藍蛋白而不是血紅蛋白 血藍蛋白似乎是完全獨立於血紅蛋白進化的 不僅使用了不同種類的金屬來攜帶氧氣 還發展出了不同的蛋白質結構 而這些蛋白質可能並不是由球蛋白折疊退化而來的 相反它們是從某種酶適應而來的 而且發現 軟體動物中發現的血藍蛋白的基因序列 與脊椎動物中發現的完全不同 它們之間差異如此之大 以至於科學家認為 軟體動物和脊椎動物 很可能在完全不同的時間進化出血清蛋白 軟體動物的版本大約在7億4千萬年前 而脊椎動物的對應版本則是在6億年前 因此血藍素是古老的 而且軟體動物和脊椎動物 都有同含量的血液蛋白 似乎是趨酮進化的一個特徵 順便說一下這些血藍蛋白 是前行蟹血液呈藍色的原因 因為酮在氧化時會變成青綠色 所以Meralla的血可能也是藍色的 但是如果血紅蛋白對我們來說已經足夠好 為什麼軟體動物和脊椎動物 會進化出自己的氧運輸蛋白 這可能是因為儘管血紅蛋白更有效 但在寒冷的溫度下 酮藍蛋白的效果可能更好一些 一些生物實際上保留了兩種類型的蛋白質 也許是為了在環境發生劇烈變化時 提供靈活性 因此酮血藍蛋白和血紅蛋白 是目前動物中最常見的氧載運輸血蛋白 而它們是我們瞭解最多的那些 但它們不是唯一的 例如許多海洋蠕蟲和隻口動物 使用一種完全不同的血液蛋白質 叫做血紅素赤血素 它也使用鐵來運輸氧氣 但它沒有那種甜甜圈形狀的血紅素 因此這些動物的血液在氧合時 會變成鮮艷的紫羅藍色 與血藍蛋白類似 這種蛋白質效率較低 但也更加簡單 實際上是如此簡單 以至於人們認為它曾被最早的 血液也可以是綠色的 一些動物 例如某些種類的蜥蜴 血液中含有一種叫做 膽綠素的石灰綠色顏料 這種物質是在血紅蛋白被分解時產生的 擁有大量膽綠素 可能實際上會使它們的血液 對疾病更具抵抗力 但其他動物甚至完全失去了 它們的血液蛋白 例如名副其實的冰魚 它生活在南極海岸附近 它的血液呈蛋白色 因為與其他魚類不同 這可能是因為在如此寒冷的環境中 擁有血細胞會導致血液過於容易凝結 或者這僅僅是一個基因意外 但即使沒有血液蛋白 冰魚也能靠低代謝率 和生活在富含氧氣的水域中生存 因此血液的歷史可以追溯到數億年前 連接著我們與Miralla 以及所有擁有某種循環系統的古老祖先 而我們血液中所含的蛋白質 更是可以追溯到更久遠的時期 幾乎可以說是複雜生命誕生之初 在那個時期 遠古和今天之間 發生了一波又一波的趨同進化 造就了多種多樣各色各樣的血液 感謝你今天一如既往地加入我 特別感謝我們當前的Eontologists Jake Hart John Ivey John Davidson Angie 以及大家最喜歡的同名者 Steve 如果你想加入他們 也許還想讓我念錯你的名字 你可以去patreon.com slash eons 進行支持 那麼你想了解什麼呢? 給我們留言 別忘了去youtube.com slash eons 訂閱哦