Обычно, говоря о крови, представляют красный цвет. У человека так и есть. Но у мечехвоста кровь синяя. У морского червя-пескожила — фиолетовая. Ящерица с Новой Гвинеи зелёная, а антарктическая рыба — почти прозрачная. За каждым из этих цветов стоит своя биохимия и свой эволюционный компромисс: как переносить кислород, заплатив за это не слишком высокую цену.

Красный: гемоглобин работает железом

У позвоночных, включая нас, красный цвет крови обеспечивает гемоглобин. В его составе — атомы железа, заключённые в кольцо гема. Когда железо связывает кислород, белок становится ярко-алым, а когда отдаёт — темнеет до вишнёвого. Как пишет биолог-эколог Закари Шевирон из Монтаны в научно-популярном обзоре Knowable Magazine (перепечатанном Nautilus): «гемоглобин доставляет кислород, и его атомы железа, которые захватывают кислород, делают нашу кровь красной».

Связывание кислорода гемоглобином подчиняется физико-химическим законам. В 2023 году группа китайских исследователей во главе с Цяном Чэнем из Ланьчжоуского университета опубликовала в Frontiers in Ecology and Evolution работу о том, как чёрно-пятнистая лягушка Pelophylax nigromaculatus адаптируется к высоте 2292 м над уровнем моря. У высокогорных лягушек гемоглобин связывает кислород прочнее, чем у равнинных сородичей с высоты 135 м. Это помогает загружать кислород в лёгких при пониженном атмосферном давлении. «Повышенное сродство гемоглобина к O₂ у высокогорных видов может улучшить извлечение O₂ из лёгких, — пишут авторы, — но с другой стороны, оно может ухудшать высвобождение O₂ в тканях системных капилляров». Другими словами, чем лучше гемоглобин хватает кислород, тем труднее его отдать работающим органам. Это фундаментальный компромисс, который животные решают по-разному.

У той же лягушки дополнительная поддержка идёт за счёт повышения концентрации гемоглобина в крови: у высокогорных особей она достигала 172,8 г/л против 109,4 г/л у равнинных. И всё равно лягушки сталкиваются с платой за адаптацию, что подробно разбирается в статье блога о скорости облучения в экспериментах с космической радиацией — когда адаптивный механизм имеет свою цену.

Синий: гемоцианин с медью

Осьминоги, крабы и креветки обходятся без гемоглобина — их кислород переносит гемоцианин. Его активный центр составляют два атома меди. Когда на них садится кислород, белок синеет. «Гемоцианин содержит атомы меди, которые выглядят синими при связывании с кислородом, в отличие от железа гемоглобина», — уточняется в том же обзоре Knowable Magazine.

Но это не просто замена железа на медь. Гемоцианин связывает кислород слабее гемоглобина. Зато он отлично работает на холоде — скажем, в придонных слоях океана. Такая «рабочая лошадка» для специфических условий.

Фиолетовый: гемэритрин без гема

У плеченогих (брахиопод) и морских червей-пескожилов кровь фиолетовая. Этот цвет даёт гемэритрин — железосодержащий белок, но устроенный иначе, чем гемоглобин. В нём нет гема. Два атома железа закреплены прямо на полипептидной цепи. До недавнего времени считалось, что гемэритрин встречается редко. Однако в 2017 году группа Элизы Коста-Пайва из Федерального университета Рио-де-Жанейро и Обернского университета опубликовала в BMC Evolutionary Biology анализ транскриптомов кольчатых червей. Учёные нашли 214 предполагаемых генов гемэритрина у 44 видов червей из 40 семейств. «Наши результаты показывают, что разнообразие последовательностей гемэритринов среди изученных видов гораздо больше, чем традиционно предполагалось», — пишут авторы. Они выделяют два основных типа: циркулирующие (в крови) и нециркулирующие (в мышцах и других тканях). Правда, гемэритрин связывает кислород на 25% эффективнее гемоглобина — но только в очищенном виде. В организме ему требуются дополнительные клеточные факторы, которые пока не до конца изучены.

Зелёный: биливердин маскирует гемоглобин

Несколько видов ящериц с Новой Гвинеи — с зелёной кровью. У них есть гемоглобин, кровь должна быть красной. Но её цвет «забивает» высокий уровень биливердина — зелёного пигмента, образующегося при распаде гемоглобина. У большинства позвоночных биливердин быстро превращается в жёлтый билирубин (он придаёт цвет синякам и желтухе). А у этих ящериц пигмент накапливается в крови. Это не способ переноса кислорода, а побочный эффект обмена, ставший частью биологии. Зачем — пока неясно.

Белая: отказ от гемоглобина

Самый радикальный путь — вовсе отказаться от гемоглобина и эритроцитов. Так поступили антарктические ледяные рыбы из семейства Channichthyidae. У них полупрозрачная белёсая кровь. «Они действительно призрачные», — замечает генетик-эволюционист Джон Постлтуэйт из Университета Орегона (цитата по Knowable Magazine). Кислород просто растворяется в их плазме. Компенсация — крупное сердце, расширенные капилляры, увеличенный объём крови. Сами рыбы малоподвижны, подкарауливают добычу — потребность в кислороде невелика. Почему рыбы потеряли гемоглобин, точно не ясно. Одна из гипотез: в холодной и насыщенной кислородом антарктической воде переносчик стал не нужен. Но это лишь предположение, а не доказанный факт.

О чём говорят эти примеры

Красный (железо гема), синий (медь гемоцианина), фиолетовый (двойное железо гемэритрина), зелёный (накопленный пигмент-отход) и прозрачный (отказ от переносчика) — каждый цвет показывает определённое биохимическое решение. И у каждого есть своя цена. Повышенное сродство к кислороду затрудняет его отдачу. Холодоустойчивость снижает общую эффективность. Отказ от белков-переносчиков требует перестройки всей кровеносной системы. Эволюция находит баланс между нуждами организма и условиями среды — результат виден невооружённым глазом.

Источники

  • Costa-Paiva, E. M., Whelan, N. V., Waits, D. S., Santos, S. R., Schrago, C. G., & Halanych, K. M. (2017). Discovery and evolution of novel hemerythrin genes in annelid worms. BMC Evolutionary Biology, 17, 85. https://doi.org/10.1186/s12862-017-0933-z (полный текст в открытом доступе)
  • Ma, M., Pu, P., Niu, Z., Zhang, T., Wu, J., Tang, X., & Chen, Q. (2023). A novel mechanism for high-altitude adaptation in hemoglobin of black-spotted frog (Pelophylax nigromaculatus). Frontiers in Ecology and Evolution, 11, 1103406. https://doi.org/10.3389/fevo.2023.1103406 (полный текст в открытом доступе)
  • Steiner, C. (2026). The Bloody Palette of the Animal Kingdom. Nautilus. https://nautil.us/the-bloody-palette-of-the-animal-kingdom-1286077 (журналистский обзор, первоначально опубликован Knowable Magazine)
Схема четырёх молекулярных механизмов переноса кислорода: гемоглобин, гемоцианин, гемэритрин и растворённый кислород — с указанием цвета крови и ключевых ограничений каждого варианта.

Фото: Engel9 / Pixabay