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研究闡明鱷魚血紅蛋白之謎
發(fā)布時間：2025-12-10 02:09:14 來源：骨軟筋酥網 作者：探索
尼羅河鱷魚吞下一只黑斑羚，研究這是闡明它在水面下等待的獎勵。通過復活古代鱷魚祖先的鱷魚血紅蛋白，Husker領導的血紅一個團隊幫助解釋了為什么其他脊椎動物未能進化出允許鱷魚在沒有空氣的情況下飛行數小時的適應性。（Shutterstock / Current Biology / Scott Schrage |大學傳播與營銷）
一棵進化樹，蛋白以所有鱷魚和鳥類的研究最后一個共同祖先（AncArchosaur）為特色，分別從中分支出現代鳥類（AncNeornithes）和鱷魚（AncCroc）的闡明最后共同祖先。（當代生物學（2022 年）。鱷魚DOI： 10.1016/j.cub.2022.11.049）
（神秘的血紅地球uux.cn）據美國物理學家組織網（作者：Scott Schrage，內布拉斯加大學林肯分校）：它可以以每小時50多英里的蛋白速度前進，一次跳躍30多英尺。研究但是闡明，這種白金牌的鱷魚運動能力在撒哈拉以南的河邊被擱置一旁，這是血紅小黑斑羚在100度高溫下安靜地喝水的生死之源。
在過去的蛋白一個小時里，一條尼羅河鱷魚在同一條泥濘的河流中默默地洗禮。當看不見的頂級捕食者從水中鞭打以抓住斑羚時，它臭名昭著的牙齒會咬住后軀，下顎緊緊咬著 5，000 磅的力量。然而，殺戮的是水本身，深呼吸的爬行動物拖著獵物到深淵淹死。
鱷魚伏擊的成功在于納米級水肺罐 - 血紅蛋白 - 通過其血液，以緩慢但穩(wěn)定的速度將氧氣從肺部卸載到組織，使其能夠在沒有空氣的情況下運行數小時。這種專門的血紅蛋白的超效率使一些生物學家想知道，為什么在世界上所有的有頜脊椎動物中，鱷魚是唯一一個找到這種最佳解決方案來充分利用呼吸的群體。
通過統計重建和實驗復活主龍的血紅蛋白，2.4億年前所有鱷魚和鳥類的祖先，內布拉斯加大學林肯分校的Jay Storz及其同事收集了新的見解。鱷魚血紅蛋白的獨特特性并不像早期的研究表明的那樣只需要幾個關鍵突變，而是源于21個相互關聯的突變，這些突變散落在紅細胞的復雜成分中。
研究人員說，這種復雜性，以及任何一個突變都可以在血紅蛋白中誘發(fā)的多重連鎖反應，可能已經形成了一條如此迷宮般的進化道路，以至于大自然即使在數千萬年的時間里也未能追溯它。
“如果這是一個如此簡單的技巧 - 如果它很容易做到，只需做出一些改變 - 每個人都會這樣做，”該研究的資深作者，內布拉斯加州生物科學教授Willa Cather教授Storz說。
所有血紅蛋白在游動血液并最終將氧氣釋放到依賴它的組織之前與肺部的氧氣結合。在大多數脊椎動物中，血紅蛋白捕獲和保持氧氣的親和力主要由稱為有機磷酸鹽的分子決定，這些分子通過將自身附著在血紅蛋白上，可以誘導它釋放其寶貴的貨物。
但在鱷魚（鱷魚、短吻鱷及其親屬）中，有機磷酸鹽的作用被一種分子——碳酸氫鹽所取代，碳酸氫鹽是由二氧化碳分解產生的。由于勤勞的組織會產生大量的二氧化碳，它們也會間接產生大量的碳酸氫鹽，這反過來又鼓勵血紅蛋白將其氧氣分配到最需要它的組織。
“這是一個超級高效的系統，提供了一種緩慢釋放機制，允許鱷魚有效地利用它們的船上氧氣儲存，”Storz說。“這是他們能夠在水下呆這么久的部分原因。
作為Storz實驗室的博士后研究人員，Chandrasekhar Natarajan，Tony Signore 和 Naim Bautista 已經幫助破譯了鱷魚血紅蛋白的工作原理。與來自丹麥，加拿大，美國和日本的同事一起，Storz的團隊決定開始一項多學科研究，研究氧氣運輸奇跡是如何形成的。
先前了解其進化的努力涉及將已知的突變整合到人類血紅蛋白中，并尋找任何功能變化，而這些功能變化通常很少。他自己實驗室的最新發(fā)現使Storz相信這種方法是有缺陷的。畢竟，人類血紅蛋白與現代鱷魚進化而來的古代爬行動物的血紅蛋白之間存在很多差異。
“重要的是了解突變對它們實際進化的遺傳背景的影響，這意味著在祖先和后代蛋白質之間進行垂直比較，而不是當代物種蛋白質之間的橫向比較，”Storz說。“通過使用這種方法，你可以弄清楚實際發(fā)生了什么。
因此，在生化原理和統計數據的幫助下，該團隊著手從三個來源重建血紅蛋白藍圖：2.4 億年前的主龍祖先;所有鳥類的最后共同祖先;以及8000萬年前當代鱷魚的共同祖先。在實驗室中對所有三種復活的血紅蛋白進行檢測后，研究小組證實，只有直接鱷魚祖先的血紅蛋白缺乏磷酸鹽結合，并具有碳酸氫鹽敏感性。
比較主龍和鱷魚祖先的血紅蛋白藍圖也有助于確定氨基酸的變化 - 基本上是血紅蛋白骨架的關節(jié) - 這可能已被證明是重要的。為了測試這些突變，Storz和他的同事開始將某些鱷魚特異性突變引入祖先主龍血紅蛋白中。通過確定使主龍血紅蛋白表現得更像現代鱷魚的突變，該團隊將負責這些獨特的鱷魚特異性特性的變化拼湊在一起。
與傳統觀點相反，Storz和他的同事發(fā)現，血紅蛋白對碳酸氫鹽和磷酸鹽的反應性的進化變化是由不同的突變組驅動的，因此一種機制的增益不依賴于另一種機制的損失。他們的比較還表明，盡管一些突變足以減去磷酸鹽結合位點，但需要多個其他突變來消除磷酸鹽敏感性。以大致相同的方式，兩個突變似乎直接推動了碳酸氫鹽敏感性的出現 - 但只有在血紅蛋白的偏遠區(qū)域與其他容易錯過的突變相結合或之前。
Storz說，這些發(fā)現說明了這樣一個事實，即突變的組合可能會產生超越其個體影響總和的功能變化。對自身不產生功能影響的突變可能會以多種方式為其他突變開辟一條道路，并產生明確、直接的后果。他說，同樣，如果沒有適當的舞臺設置前輩，這些后來的突變可能影響不大。所有這些因素都可以被它們展開的環(huán)境所增壓或阻礙。
“當你有這些復雜的相互作用時，這表明某些進化解決方案只能從某些祖先的起點獲得，”Storz說。“有了祖先主龍的血紅蛋白，你就有了遺傳背景，可以進化出我們在現代鱷魚血紅蛋白中看到的獨特特性。相比之下，以哺乳動物的祖先為起點，可能有某種方式可以進化出相同的特性，但它必須通過完全不同的分子機制，因為你在一個完全不同的結構環(huán)境中工作。
Storz說，無論好壞，這項研究還有助于解釋設計一種可以模仿和接近鱷魚性能的人類血紅蛋白的困難。
“我們不能只是說，'好吧，這主要是由于這五種突變。如果我們采用人類血紅蛋白并引入這些突變，瞧，我們將擁有一個具有相同確切特性的突變，我們也將能夠在水下停留兩個小時，'“Storz說。“事實證明，事實并非如此。
“生命之樹中有很多無法從這里到達那里的問題。
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