چرا خون جانوران در طبیعت آبی، سبز یا بی رنگ می شود؟

وقتی انگشتتان را می‌برید، انتظار دارید خون قرمز ببینید. همین عادت، تصور ما از زندگی جانوران را شکل می‌دهد. اما طبیعت از برهم‌زدن انتظارها لذت می‌برد. اختاپوس‌ها خون آبی دارند. بعضی مارمولک‌های گینه نو طوری به نظر می‌رسند که انگار رگ‌هایشان با رنگ سبز نقاشی شده است. چند گونه از ماهی‌های جنوبگان نیز با خونی تقریبا بی‌رنگ شنا می‌کنند؛ خونی که هر کارشناس خون‌گیری را نگران می‌کند.

شیمی متفاوت چگونه خون را رنگ‌آمیزی می‌کند

رنگ خون شعر و خیال نیست. حاصل شیمی است که وظیفه‌اش را انجام می‌دهد. در ریشه این طیف رنگی، مولکول‌هایی قرار دارند که اکسیژن را در بافت‌های بدن جابه‌جا می‌کنند. آشناترین نمونه برای ما هموگلوبین است؛ پروتئین آهن‌دار موجود در گلبول‌های قرمز انسان که وقتی اکسیژن به آن متصل می‌شود، به رنگ قرمز روشن درمی‌آید. در وضعیت کم‌اکسیژن، رنگ آن تیره‌تر می‌شود. همین تغییر ساده فلزی توضیح می‌دهد چرا خون ما چنین رنگی دارد.

جانوران دیگر از حامل‌های متفاوتی استفاده می‌کنند. بسیاری از نرم‌تنان، سرپایان و سخت‌پوستان از هموسیانین بهره می‌برند؛ ناقل اکسیژن بر پایه مس که هنگام اکسیژن‌دار شدن آبی می‌شود. برخی کرم‌های دریایی و بازوپایان به همریترین تکیه دارند؛ پروتئینی آهن‌دار با ساختاری متفاوت از هموگلوبین که رنگ آن در حالت اکسیژن‌دار می‌تواند بنفش به نظر برسد. وجود مس یا آهن در این مولکول‌ها به خون رنگ می‌دهد، اما شیمی تمام ماجرا نیست. نحوه بسته‌بندی پروتئین، محل گردش آن و بوم‌شناسی جانور نیز اهمیت دارد.

هموسیانین از هموگلوبین کم‌فشرده‌تر است. این مولکول در سلول‌های قرمز کوچک و متراکم حمل نمی‌شود. در عوض، در پلاسمای خون بسیاری از بی‌مهرگان به صورت محلول گردش می‌کند. همین معماری اهمیت زیادی دارد. در آب‌های سرد و سرشار از اکسیژن، هموسیانین به اندازه کافی خوب عمل می‌کند. این ماده اکسیژن را حمل می‌کند و در برخی گونه‌ها در پاسخ‌های ایمنی و ترمیم بافت نیز نقش دارد؛ نشانه‌ای از کارکردهای چندگانه فراتر از انتقال اکسیژن.

خرچنگ‌های نعل‌اسبی، در سمت چپ، به دلیل هموسیانین سرشار از مس خون آبی دارند؛ ماهی‌های یخی جنوبگان، در سمت راست، از هیچ پروتئین حامل اکسیژنی استفاده نمی‌کنند و خونشان سفید و شبح‌مانند به نظر می‌رسد.

خون سبز و شگفتی بیلی‌وردین

خون سبز بیشتر شبیه ابزار داستان‌های بیگانه‌هاست. اما در گینه نو، واقعیتی زنده است. مارمولک‌های سرده پراسینوهما مقدار عظیمی بیلی‌وردین در بدن خود انباشته می‌کنند؛ رنگدانه‌ای سبز در صفرا که هنگام تجزیه هموگلوبین شکل می‌گیرد. در بیشتر مهره‌داران، بیلی‌وردین به سرعت به ترکیبات دیگر تبدیل و دفع می‌شود. در این مارمولک‌ها، این تبدیل طبق روال معمول پیش نمی‌رود؛ بنابراین بیلی‌وردین در خون و بافت‌ها جمع می‌شود تا جایی که قرمزی هموگلوبین را می‌پوشاند.

چرا باید چیزی را تحمل کرد که برای جانوران دیگر سمی است؟ پاسخ هنوز قطعی نیست. غلظت بالای بیلی‌وردین می‌تواند زیان‌آور باشد، اما این مارمولک‌ها ظاهرا آسیبی نمی‌بینند. برخی پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که حجم زیاد بیلی‌وردین شاید انگل‌ها یا عوامل بیماری‌زا را دور نگه دارد. فرضیه‌ای دیگر بیلی‌وردین را با استتار یا پیام‌رسانی در محیط جنگل‌های بارانی مرتبط می‌داند. دلیل هرچه باشد، خون سبز پراسینوهما نشان می‌دهد که یک مسیر بیوشیمیایی واحد می‌تواند در روند تکامل بازطراحی شود.

مارمولک‌های پراسینوهما که بومی گینه نو هستند، به دلیل تجمع رنگدانه بیلی‌وردین، خون و بافت‌های سبز دارند. 

سایه‌های سبز در جاهای دیگر نیز به دلایل متفاوت دیده می‌شوند. چندین بی‌مهره دریایی و آب‌دزدک دریایی همولنف زردسبز دارند که ممکن است از رنگدانه‌های غذایی مانند کاروتنوئیدها یا از تجمع فلزاتی مانند وانادیوم ناشی شود. دانشمندان هنوز در حال جدا کردن علت‌ها از همبستگی‌ها هستند و با مطالعه گونه‌های بیشتر، فهرست سازوکارهای احتمالی همچنان بلندتر می‌شود.

پارادوکس ماهی یخی: مهره‌داران بدون هموگلوبین

یکی از عجیب‌ترین داستان‌های زیست‌شناسی به ماهی‌های یخی اقیانوس جنوبی، از خانواده شانیکتیئیده، مربوط می‌شود. این ماهی‌ها گلبول قرمز ندارند و هموگلوبین تولید نمی‌کنند. خون آن‌ها تقریبا بی‌رنگ است؛ شفافیتی شیری که به نظر می‌رسد قوانین رایج مهره‌داران را به چالش می‌کشد. آن‌ها بدون پروتئینی که در تقریبا همه مهره‌داران دیگر بخش عمده اکسیژن را جابه‌جا می‌کند، چگونه زنده می‌مانند؟

موفقیت آن‌ها به مجموعه‌ای از سازگاری‌ها وابسته است. آب‌های سرد جنوبگان غلظت بالایی از اکسیژن محلول دارند. ماهی‌های یخی از این فراوانی استفاده می‌کنند و اکسیژن را به جای گلبول‌های قرمز، مستقیما در پلاسما جابه‌جا می‌کنند. همچنین معمولا قلب‌های بزرگ و شبکه‌های مویرگی گسترده دارند که جریان خون را افزایش می‌دهد. بدن آن‌ها برای سبک زندگی کم‌انرژی سازگار شده است؛ بسیاری از آن‌ها به جای تعقیب طعمه، کمین می‌کنند و همین موضوع نیاز به اکسیژن را کاهش می‌دهد.

ماهی یخی تمساحی یکی از معدود جانورانی است که خونی تقریبا بی‌رنگ و شفاف دارد. این گونه جنوبگانی هموگلوبین و گلبول قرمز ندارد و اکسیژن را به صورت محلول در خون خود حمل می‌کند.

پژوهش‌های ژنتیکی سرنخ‌هایی درباره چگونگی تکامل این وضعیت ارائه می‌کنند. پژوهشگرانی که ژنوم‌ها و برنامه‌های رشدی را مقایسه کرده‌اند، پیشنهاد می‌کنند که از دست رفتن هموگلوبین از ترکیبی از جهش‌ها و کاهش فشار انتخاب طبیعی در محیطی پدید آمده است که در دماهای پایین، اکسیژن فراوان بوده است. اینکه ابتدا گلبول‌های قرمز ناپدید شده‌اند یا ابتدا تولید هموگلوبین مختل شده، همچنان موضوع مطالعه است. مورد ماهی یخی نشان می‌دهد تکامل گاهی عملکردی را که در جای دیگر حیاتی است، هرس می‌کند؛ اگر زمینه بوم‌شناختی آن عملکرد را کمتر ضروری کند.

میل ترکیبی اکسیژن و زندگی در ارتفاع

تفاوت‌های خون فقط به رنگدانه‌های عجیب و پروتئین‌های گمشده محدود نمی‌شود. حتی در میان جانورانی با خون قرمز، هموگلوبین می‌تواند برای پاسخ به نیازهای محلی تکامل یابد. ساکنان ارتفاعات نمونه‌ای روشن از این موضوع‌اند. با رقیق‌تر شدن هوا در ارتفاع، چالش این است که اکسیژن کمیاب به‌خوبی جذب شود و در عین حال به بافت‌ها تحویل داده شود.

موش‌های گوزنی که در ارتفاع بالای ۴۰۰۰ متر زندگی می‌کنند، گونه‌هایی از هموگلوبین دارند که میل ترکیبی بیشتری به اکسیژن نشان می‌دهد. نتیجه این است که آن‌ها اکسیژن را در ریه‌های خود آسان‌تر جذب می‌کنند. این ویژگی در نگاه اول ایده‌آل به نظر می‌رسد. اما بهایی هم دارد. اتصال محکم‌تر می‌تواند رهاسازی اکسیژن در جایی را که به آن نیاز است دشوارتر کند. این موش‌ها این بده‌بستان را با تکامل سازگاری‌های دیگر متعادل می‌کنند؛ مانند افزایش تراکم میتوکندری در فیبرهای عضلانی و تغییراتی در گردش خون که به بافت‌ها کمک می‌کند اکسیژن را بهتر استخراج کنند.

راهبردهای مشابهی در مرغ‌های مگس‌خوار آندی و چندین گونه قورباغه کوهستانی دیده می‌شود. تکامل معمولا هم‌زمان چندین ویژگی را دستکاری می‌کند، نه اینکه مسئله‌ای را فقط با یک جهش حل کند.

این خون‌های عجیب چه چیزی به علم پزشکی می‌آموزند

چرا باید به خون آبی یا سبز اهمیت بدهیم؟ پاسخ از کنجکاوی علمی تا کاربردهای بالقوه را دربر می‌گیرد. مطالعه هموسیانین و همریترین درک ما را از حامل‌های جایگزین اکسیژن عمیق‌تر می‌کند؛ موضوعی که برای طراحی جایگزین‌های خون یا درمان‌های مناسب شرایط کم‌اکسیژن اهمیت دارد. فیزیولوژی غیرمعمول ماهی‌های یخی، برای نمونه، یک آزمایش طبیعی در سازگاری با کم‌خونی فراهم می‌کند. اگر جانوری بتواند بدون هموگلوبین اکسیژن را به‌طور مؤثر به گردش درآورد، شناخت سازوکارهای آن می‌تواند الهام‌بخش رویکردهای بالینی تازه باشد.

پروتئین‌های ضدیخ موجود در ماهی‌های جنوبگان نیز پیامدهای کاربردی دارند. آن‌ها به ما می‌آموزند چگونه سلول‌ها و بافت‌ها را در دماهای زیر صفر پایدار نگه داریم؛ دانشی که می‌تواند برای نگهداری اندام‌ها و زیست‌شناسی سرما سودمند باشد. نقش‌های ایمنی هموسیانین که در برخی بی‌مهرگان مشاهده شده، مسیر دیگری برای پژوهش است. این پروتئین در ترمیم زخم و دفاع در برابر عوامل بیماری‌زا مشارکت دارد؛ فهم این کارکردها می‌تواند به راهبردهای ضد میکروبی کمک کند.

با این حال، یک نکته احتیاطی ضروری است. تبدیل سازگاری‌های تکاملی به درمان‌های پزشکی ساده نیست. چیزی که برای ماهی آب سرد یا مارمولکی با بیلی‌وردین کار می‌کند، لزوما برای انسان ایمن یا مؤثر نیست. با وجود این، این گونه‌ها مجموعه راه‌حل‌های فیزیولوژیکی قابل مطالعه را گسترده‌تر می‌کنند.

دیدگاه کارشناس

دکتر ریچل کیم، فیزیولوژیست تطبیقی در دانشگاه بریتیش کلمبیا، می‌گوید: «طبیعت هزاران آزمایش را رایگان اجرا می‌کند. جانورانی با شیمی خون غیرمعمول، نمایش‌های زنده‌ای هستند از اینکه انتقال اکسیژن را می‌توان به چندین روش حل کرد. ما این راه‌حل‌ها را مستقیما کپی نمی‌کنیم. در عوض، اصول را قرض می‌گیریم. برای مثال، اینکه یک ماهی چگونه حمل اکسیژن در پلاسما را افزایش می‌دهد یا اینکه پروتئین‌های ضدیخ چگونه از رشد بلورهای یخ جلوگیری می‌کنند، هر دو می‌توانند الهام‌بخش نوآوری‌های زیست‌پزشکی باشند. کلید کار، ترجمه محتاطانه و آزمون دقیق است.»

نتیجه‌گیری

رنگ خون سرنخی دیدنی از داستانی عمیق‌تر درباره سازگاری است. در میان نرم‌تنان، سخت‌پوستان، کرم‌ها، ماهی‌ها و خزندگان، تکامل با مس، آهن در شکل‌های تغییر‌یافته، رنگدانه‌های صفراوی و حتی بازآرایی کامل راهبرد گردش خون آزمایش کرده است. برخی تغییرات پاسخی به سرما هستند، برخی به رژیم غذایی، برخی به فشار انگل‌ها و برخی به جغرافیا. حاصل این روند، طیفی از راه‌حل‌ها برای یک چالش زیستی مشترک است: رساندن اکسیژن به سلول‌ها.

تکامل یک مسئله فوری فیزیولوژیک را به روش‌های گوناگون حل کرده است و رنگ‌های خون، این راه‌حل‌ها را ثبت می‌کنند.

مطالعه این گونه‌گونی‌ها درک ما را از فیزیولوژی عمیق‌تر می‌کند و سرنخ‌هایی غیرمنتظره برای پزشکی و زیست‌فناوری به دست می‌دهد. همچنین ما را فروتن می‌کند. مایع قرمزی که در رگ‌های ما جاری است برایمان آشناست، اما جهانی نیست. همین واقعیت ساده یادآور می‌شود که زندگی پیوسته جایگزین‌هایی تازه می‌آفریند و توجه به موارد عجیب، سبز، آبی و شفاف می‌تواند هم دانش ما و هم ابزارهای ما را گسترش دهد.