Evolution of mammalian diving capacity traced by myoglobin net surface charg.pdf

鱼类拥有在水下生活的能力，有一些鸟如鸭子企鹅和哺乳动物如鲸鱼海豹也具有强大的潜水能力。是什么功能造就这些动物在水下生活的能力？这些动物都必须氧气才能生存，鱼类依靠鳃可以从水中获得氧气，但鸟和哺乳动物只能依靠呼吸从空气中摄取氧气，因此他们必须解决水下用氧的问题。

解决水下持续活动的氧气供应问题，只有两种方案，一是减少消耗，另一个就是增加体内储存的问题。前者早在160年前就有人开始研究，最有名的是1870年法国潜水生理学家鲍尔·贝尔发现的一种现象，潜水的鸭子心跳频率会骤然减慢。后人对这种现象进行更深入的研究，把这种反应称为潜水反射，其实人类也具有同样的反应，当人潜水时，特别是在冷水中潜水，心跳也会迅速变慢，这种反应的最重要意义是让最大限度地将体内氧气供应脑、心脏这些最重要器官。而且人类在没有出生前，在子宫内也类似潜水状态。

关于增加氧气储存的问题，一直是学术界关心的问题，比如人类如果从平原移居到高原，虽然氧气浓度并没有改变，但由于空气压力下降，氧气分压相应降低，人体内负责运输氧气的血红蛋白数量就会增加。研究发现，引起血红蛋白增加的原因是我们血液中存在一种激素，称为红细胞生成素（EPO），红细胞生成素已经被开发成药物用于临床，当然也被一些不良运动员使用来提高运动成绩。红细胞生成素是相对分子质量为（3.5 ~ 4.0）×104 的糖蛋白，为促进骨髓红系祖细胞生长、增生、分化和成熟的主要刺激因子。1984 年重组人红细胞生成素研究成功并广泛应用于临床，大大加速了人们对EPO的基础及应用研究。红细胞生成素是一种由肾脏产生的糖蛋白。研究发现，控制这种基因表达的一种重要转录因子是低氧诱导因子，当体内氧浓度下降的时候，低氧诱导因子会增加，功能增强，促进红细胞生成素的表达，这样就形成了一个很精巧的调节。

最近有研究发现，能潜水的动物，其肌肉中的肌红蛋白也具有特殊性质，这种肌红蛋白的特征是分子表面正电荷数量更多，正电荷数量的增加导致这些蛋白具有更强的储存氧气的能力，上周（2013年6月14日）《科学》杂志上有数篇论文探讨氧气携带进化的问题，其中有一篇论文针对130多种动物肌红蛋白表面电荷进行分析，结果发现存在非常有规律的改变。参与研究的学者对这一研究进行的形象描述为：肌红蛋白会使肌肉呈现红色，海洋哺乳动物体内的肌红蛋白浓度非常高，以至于肌肉颜色红得发黑。通常情况下，蛋白浓度越高就越容易“粘”在一起，储氧能力会减弱。而海洋哺乳动物体内的肌红蛋白储氧能力却明显不受影响，这可能是因为这些肌红蛋白已进化出了“不粘”的特性。研究人员发现，深潜海洋哺乳动物体内的肌红蛋白表面电荷增加，这导致肌红蛋白相互排斥，而不是“粘”在一起，这和磁铁同性相斥是一个道理。这种“不粘”特性的结果是，鲸和海豹这些“潜水能手”体内肌红蛋白浓度越来越高，而储氧能力却不受影响，从而支持它们在水下长时间活动。

如果我们可以采用某些手段，修饰人类的肌红蛋白的表面电荷，也许只通过简单的磁场和电场等方法，就可以治疗如心肌梗死，运动疲劳等疾病，另外，其实除肌肉细胞外，我们所有细胞中都存在类似肌红蛋白的蛋白，例如一般细胞中存在细胞红蛋白，神经细胞中存在脑红蛋白，而这些蛋白对每个细胞的氧气运输和储存都十分关键，因此针对这些蛋白的表面性质开展研究，应该有非常大的想象空间。

原文检索：

1.         Scott Mirceta, Anthony V. Signore, Jennifer M. Burns, Andrew R. Cossins, Kevin L. Campbell,and Michael Berenbrink. Evolution of Mammalian Diving Capacity Traced by Myoglobin Net Surface Charge. Science 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1234192

2.         Chandrasekhar Natarajan, Noriko Inoguchi, Roy E. Weber, Angela Fago, Hideaki Moriyama, and Jay F. Storz. Epistasis Among Adaptive Mutations in Deer Mouse Hemoglobin. Science 14 June 2013; DOI:10.1126/science.1236862

3.         Jodie L. Rummer, David J. McKenzie, Alessio Innocenti, Claudiu T. Supuran, and Colin J. Brauner. Root Effect Hemoglobin May Have Evolved to Enhance General Tissue Oxygen Delivery. Science 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1233692

4.         Enrico L. Rezende. Better Oxygen Delivery. Science, 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1240631

       关于人类潜水的生理学问题

      象鱼儿一样潜水一直是人类的梦想之一，但人类不具备潜水动物的特殊本领，只能借助设备才能解决水下供氧的问题，当然深度小时间短完全可以采用屏气潜水，就是扎猛子。但是如果希望长时间潜水，则是非常复杂的问题。其中最关键的问题是气体供应，气体供应设计压强和气体成分问题，压强必须供应给同样深度压力的条件，因为深度越大，压强越大，10米深度就达到2个大气压，100米达到11个大气压。另一个要命问题是气体成分，首先纯氧气一般不能使用，因为氧气有毒，超过10米就不可以用了。压缩空气可以，但也只能达到60米，原因是空气中的氮气有麻醉作用，而且空气的密度太大，呼吸阻力也比较大。为解决麻醉和呼吸阻力问题，超过60米，一般使用氦气代替氮气。

     当然潜水也有减压的问题，而且深度越大就越是大问题，例如潜水到100米工作20小时，可能需要10个小时的缓慢减压过程。这根本不具有任何作业价值，促使人们采用更复杂的技术来解决这个问题，就是现在的饱和潜水技术。但是随后又发现，深度超过150米，潜水会遇到另一个棘手问题，高压神经综合症。而且压力越大越明显。这也正是人类难以实现500米以深潜水的最重要影响因素。