Miksi eläinten veri on eri värejä ympäri maailmaa

Leikkaat sormesi ja odotat punaista. Tämä tapa muokkaa käsitystämme eläinten elämästä. Mutta luonto iloitsee odotusten kumoamisesta. Mustekalat kantavat sinistä verta. Jotkut Uuden-Guinean liskot näyttävät siltä, kuin niiden suonet olisi maalattu vihreiksi. Muutamat Antarktiksen kalat uivat lähes värittömällä verellä, mikä saisi verinäytteenottajan huolestumaan.

Miten erilainen kemia vaikuttaa veren väriin

Väri veressä ei ole runoutta. Se on kemiaa, joka hoitaa tehtävänsä. Paletin juurena ovat molekyylit, jotka liikuttavat happea kudoksiin. Meille tutuimpia on hemoglobiini, rautaa sisältävä proteiini ihmisen punasoluissa, joka muuttuu kirkkaan punaiseksi sitoutuessaan happeen. Alhaisen happipitoisuuden tiloissa sen sävy tummuu. Tämä yksinkertainen metallikytkin selittää, miksi meidän veremme näyttää siltä kuin se näyttää.

Muut eläimet käyttävät erilaisia kantajia. Monet nilviäiset, pääjalkaiset ja äyriäiset käyttävät hemosyaniinia, kuparipohjaista hapenvälittäjää, joka muuttuu hapettuneena siniseksi. Jotkin merimadot ja brachiopodit luottavat hemerytriiniin, rautaa sisältävään proteiiniin, jonka rakenne poikkeaa hemoglobiinista ja jonka hapettunut väri voi näyttää purppuran sävyiseltä. Kuparin tai raudan läsnäolo näissä molekyyleissä antaa verelle värin, mutta kemia ei ole koko tarina. Tärkeitä ovat myös se, miten proteiini on pakattu, missä se kiertää ja eläimen ekologia.

Hemosyaniini on vähemmän tiivis kuin hemoglobiini. Sitä ei kuljeteta pienissä, tiivistetyissä punasoluissa. Sen sijaan se kiertää liuenneena veren plasmassa monilla niveljalkaisilla. Tämä rakenne merkitsee paljon. Kylmissä, happea runsaissa vesissä hemosyaniini toimii riittävän hyvin. Se kuljettaa happea ja osallistuu joissain lajeissa myös immuunivasteisiin ja kudosten korjaukseen, mikä vihjaa monikäyttöisistä rooleista pelkän kuljetuksen lisäksi.

Hevosenkenkärapuilla (vasemmalla) on sininen veri kuparipitoisen hemosyaniinin vuoksi; Antarktiksen jääkaloilla (oikealla) ei ole happea kuljettavaa proteiinia ja niiden veri näyttää haamumaisen valkoiselta.

Vihreä veri ja biliverdiinin yllätys

Vihreä veri kuulostaa avaruussarjan juonikuvioilta. Uudessa-Guineassa se on elävä todellisuus. Prasinohaema-suvun liskot kerryttävät valtavia määriä biliverdiiniä, vihreää sappipigmenttiä, joka muodostuu hemoglobiinin hajotessa. Useimmilla selkärankaisilla biliverdiini muutetaan nopeasti muiksi yhdisteiksi ja eritetään. Näissä liskoissa muunnos ei etene tavallisesti, joten biliverdiini kertyy vereen ja kudoksiin niin, että se peittää hemoglobiinin punaisuuden.

Miksi sietää jotain, mikä olisi myrkyllistä muille eläimille? Vastaus ei ole selvillä. Korkeat biliverdiinipitoisuudet voivat olla haitallisia, mutta nämä liskot näyttävät voivan hyvin. Jotkut tutkijat ehdottavat, että voimakas biliverdiinin kertyminen voisi karkottaa loisia tai patogeeneja. Toinen ajatus yhdistää biliverdiinin naamioitumiseen tai viestintään sademetsäympäristössä. Mikä tahansa syy onkaan, Prasinohaeman vihreä veri osoittaa, että sama biokemiallinen reitti voidaan kehittää uudelleen evoluution kuluessa.

Prasinohaema-liskot, jotka ovat kotoisin Uudesta-Guineasta, omaavat vihreän veren ja kudokset biliverdiini-pigmentin kertymän vuoksi. 

Vihreitä sävyjä esiintyy muuallakin eri syistä. Useilla merinisäkkäillä ja tunikaateilla on kellanvihreää hemolymfaa, joka voi johtua ravinnon mukana tulevista pigmenteistä, kuten karotenoideista, tai metallien, esimerkiksi vanadiinin, kertymisestä. Tutkijat erottelevat yhä syitä ja korrelaatioita, ja ehdokkaiden lista kasvaa sitä mukaa kun lajeja tutkitaan lisää.

Jääkalojen paradoksi: selkärankaisia ilman hemoglobiinia

Yksi biologian oudoimmista tarinoista kuuluu Eteläisen valtameren jääkaloille, heimolle Channichthyidae. Nämä kalat eivät omaa punasoluja eivätkä tuota hemoglobiinia. Niiden veri on lähes väritöntä, maitomainen läpinäkyvyys, joka tuntuu uhmaavan selkärankaisten sääntökirjaa. Kuinka ne selviävät ilman proteiinia, joka siirtää suurimman osan hapesta lähes kaikissa muissa selkärankaisissa?

Näiden menestys perustuu joukkioon kompensaatiota. Kylmät antarktiset vedet sisältävät suuria määriä liuennutta happea. Jääkalat hyödyntävät tätä runsautta kuljettamalla happea suoraan plasmassa sen sijaan, että käyttäisivät punasoluja. Niillä on myös usein suuret sydämet ja laajat hiussuoniverkostot, jotka lisäävät verenvirtausta. Niiden kehot ovat sopeutuneet alhaiseen energiankulutukseen; monet vaanivat saalistaan sen sijaan, että ajaisivat sitä, mikä vähentää hapentarvetta.

Krokotiilijääkala on yksi harvoista eläimistä, joiden veri on lähes väritöntä ja läpinäkyvää. Tämä antarktinen laji ei tuota hemoglobiinia tai punasoluja ja kuljettaa happea veressään liuenneessa muodossa.

Geneettinen tutkimus antaa vihjeitä siitä, miten tämä järjestely kehittyi. Genomien ja kehitysohjelmien vertailu viittaa siihen, että hemoglobiinin menetys tapahtui mutaatioiden ja lievennetyn valinnan yhdistelmän kautta ympäristössä, jossa happea oli runsaasti matalissa lämpötiloissa. Kumpi katosi ensin — punasolut vai hemoglobiinintuotanto — on yhä tutkimuksen kohteena. Jääkalojen tapa osoittaa, että evoluutio joskus karsii toiminnon, joka on muuten keskeinen, kun ekologinen konteksti tekee siitä vähemmän tarpeellisen.

Hapen affiniteetti ja elämä korkealla

Veren erot eivät rajoitu eksoottisiin pigmenteihin tai puuttuviin proteiineihin. Myös eläimillä, joilla on punaista verta, hemoglobiini voi kehittyä vastaamaan paikallisia tarpeita. Korkealla elävät tarjoavat selkeän esimerkin. Ilman harvenneminen korkeuden mukana haastaa sitomaan niukkaa happea tehokkaasti, mutta samalla toimittamaan sitä kudoksiin.

Peurahiiret, jotka elävät yli 4000 metrin korkeudessa, osoittavat hemoglobiinimuotoja, joilla on suurempi hapen affiniteetti. Tuloksena ne sitovat happea herkemmin keuhkoissaan. Tämä vaikuttaa ihanteelliselta. Mutta tässä on vaihtokauppa. Tiukempi sitoutuminen voi tehdä hapen luovuttamisesta kudoksiin vaikeampaa. Nämä hiiret tasapainottavat kompromissin kehittämällä muita sopeutuksia, kuten lisääntynyttä mitokondriotiheyttä lihassoluissa ja muutoksia verenkiertoon, jotka auttavat kudoksia ottamaan happea vastaan.

Samanlaisia strategioita nähdään Andien kolibriosissa ja useissa vuoristoisten sammakkoeläinten lajeissa. Evoluutio pyrkii usein säätämään useita piirteitä samanaikaisesti sen sijaan, että ratkaistaisiin ongelma yhdellä mutaatiolla.

Mitä nämä erikoiset verimuodot opettavat lääketieteelle

Miksi meidän pitäisi välittää sinisestä tai vihreästä verestä? Vastaus ulottuu uteliaisuudesta mahdollisiin sovelluksiin. Hemosyaniinin ja hemerytriinin tutkiminen syventää ymmärrystämme vaihtoehtoisista hapenkuljettajista, mikä on tärkeää verikorvikkeiden suunnittelussa tai terapioissa, jotka on räätälöity vähähappisiin olosuhteisiin. Jääkalojen epätavallinen fysiologia tarjoaa esimerkiksi luonnollisen kokeen anemian kanssa selviytymisestä. Jos eläin voi kuljettaa happea tehokkaasti ilman hemoglobiinia, mekanismien oppiminen voisi innoittaa uusia kliinisiä lähestymistapoja.

Antarktisten kalojen jäätymistä estävät proteiinitkin ovat käytännön kannalta merkityksellisiä. Ne opettavat, miten soluja ja kudoksia voidaan stabiloida alilämpötiloissa, mikä voi hyödyttää elinten säilytystä ja kryobiologiaa. Hemosyaniinin immuuniroolit, joita on havaittu joissain niveljalkaisissa, ovat toinen tutkimusalue. Tämä proteiini osallistuu haavan paranemiseen ja patogeenien torjuntaan; näiden toimintojen ymmärtäminen voisi opastaa antimikrobisia strategioita.

Kuitenkin varovaisuuden nuotti on tarpeen. Evolutiivisten sopeutusten kääntäminen lääketieteellisiksi hoidoiksi ei ole yksinkertaista. Se, mikä toimii kylmässä vedessä elävälle kalalle tai biliverdiinimäärältään poikkeavalle liskolle, ei välttämättä ole turvallista tai tehokasta ihmisille. Silti nämä lajit laajentavat niitä fysiologisia ratkaisuja, joita voimme tutkia.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Rachel Kim, vertaileva fysiologi Brittiläisen Kolumbian yliopistosta, toteaa: "Luonto suorittaa ilmaiseksi tuhansia kokeita. Eläimet, joilla on epätavallinen veren kemia, ovat eläviä esimerkkejä siitä, että hapenkuljetus voidaan ratkaista monin tavoin. Emme kopioi näitä ratkaisuja suoraan. Sen sijaan lainamme periaatteita. Esimerkiksi se, miten kala lisää hapen kuljetusta plasmassa tai miten jäätymistä estävät proteiinit estävät jääkiteiden muodostumista, voi inspiroida biolääketieteellisiä innovaatioita. Avain on varovainen soveltaminen ja perusteellinen testaus."

Yhteenveto

Veren väri on näkyvä vihje syvempään tarinaan sopeutumisesta. Nilviäisistä, äyriäisistä, madosta, kaloista ja matelijoista evoluutio on kokeillut kuparia, rautaa muutetuissa muodoissa, sappipigmenttejä ja jopa koko verenkiertojärjestelmän uudelleenohjelmointia. Jotkin muutokset vastaavat kylmyyteen, toiset ruokavalioon, jotkin loispainetta ja toiset maantiedettä. Tuloksena on kirjo ratkaisuja samaan biologiseen haasteeseen: miten saada happi soluihin.

Evoluutio ratkaisi kiireellisen fysiologisen ongelman monin eri tavoin, ja veren värit tallentavat nämä ratkaisut.

Näiden varianttien tutkiminen syventää fysiologian ymmärrystämme ja tarjoaa odottamattomia johtolankoja lääketieteelle ja bioteknologialle. Se nöyrtyttää meitä myös. Se tuttu punainen neste, joka virtaa suonissamme, ei ole yleismaailmallinen. Tuo yksinkertainen tosiasia muistuttaa, että elämä keksii jatkuvasti vaihtoehtoja, ja että huomion kiinnittäminen oudoihin, vihreisiin, sinisiin ja läpinäkyviin ilmiöihin voi laajentaa sekä tietämystämme että työkalujamme.