树懒或考拉在森林中悠闲漫步的节奏确实令人向往，但并非所有动物都适合这样的栖息地和生活方式。对于那些需要在地球上一些更极端的环境中生存的动物，例如缺氧的海洋或稀薄的山顶空气，掌握高效的氧气吸收至关重要。最近发表在《科学》杂志上的一系列研究揭示了某些动物突破低氧生存极限的能力所涉及的分子。
动物的深潜
化石记录表明，从陆地转向海洋的哺乳动物在体型、四肢和尾巴上发生了巨大的变化，以使其在水中捕食、隐藏和生存时更加高效。但直到上周，科学家们对这些潜水行为背后的分子变化知之甚少。斯科特·米尔塞塔（Scott Mirceta）、迈克尔·贝伦布林克（Michael Berenbrink）及其在利物浦大学的同事们不仅确定了现代海洋哺乳动物如何能长时间潜水，而且还估计了今天精英潜水哺乳动物的 130 位祖先的潜水能力。
关键在于著名的储氧蛋白肌红蛋白。肌红蛋白使人类肌肉呈现红色，而潜水哺乳动物的肌肉中肌红蛋白含量如此丰富，以至于它们的肌肉看起来是黑色的。但如此高的浓度，肌红蛋白本应结块并失去活性。
米尔塞塔的团队研究了海洋哺乳动物肌红蛋白的电荷，发现其带正电荷非常高，以至于它们相互排斥，从而可以更安全地将更多的肌红蛋白装入更小的体积中。研究人员发现，动物的潜水时间与其肌红蛋白的带电荷量之间存在显著相关性——因此，抹香鲸的肌红蛋白正电荷比人类高得多。
以抹香鲸为例，其肌红蛋白的密度加上庞大的体型意味着鲸鱼可以潜水近两个小时。全世界的极限运动员都会羡慕不已。
重构过去的动物
一旦团队意识到潜水能力与肌红蛋白的高正电荷相关，他们就开始思考古代潜水哺乳动物肌红蛋白的相对电荷。正如科学作家埃德·永（Ed Yong）解释的那样，研究人员重构了蛋白质的组成单元——氨基酸，并确定了古代潜水哺乳动物肌红蛋白的不同电荷。
基于肌红蛋白的电荷和相对体型，他们计算了不同古代动物的肌红蛋白含量，从而推断出它们的潜水能力。一种早期、陆生的、狼大小的鲸鱼祖先——巴基鲸（Pakicetus），其憋气时间仅为 90 秒，但 1500 万年后，六吨重的陆行鲸（Basilosaurus）可以潜水 17 分钟。随着哺乳动物扩展到水生环境，携带大量氧气进行长时间潜水的优势显然受到了自然选择的青睐。
充满空气的膀胱
在另一项研究中，研究人员发现了一个线索，解释了鱼类为何能够比哺乳动物更长时间地占据如此有压力的、有利的生态位。
在鳟鱼以及许多其他鱼类中，循环的携氧蛋白血红蛋白在血液 pH 值降低时可以被诱导释放氧气。鳟鱼利用这种技巧来充气它们的鱼鳔，鱼鳔就像一个内部的浮漂：它帮助鱼在不需要持续努力保持浮力的情况下保持漂浮。但这项研究揭示了鱼鳔的另一种用途：它有助于鱼类承受水中低氧水平带来的压力。
来自澳大利亚汤斯维尔詹姆斯库克大学的鱼类生理学家 Jodie Rummer 是这项研究的主要作者，她在活鱼肌肉中植入了氧气传感器。当她将它们暴露于压力情况时，她观察到它们肌肉中的氧气水平最多可增加 65%。她确定，鱼类在压力下会发生一种化学反应，迫使血红蛋白释放其氧气，将氧气输送到鱼的组织中。因此，在压力时期能够快速迫使血红蛋白释放其氧气的能力，对于鱼类来说可能是一个关键的进化优势——适用于缺氧、躲避捕食者或其他水生生活中的压力情况。
登上高山
根据内布拉斯加大学林肯分校 Jay Storz 领导的一项研究，海平面之上很远的地方也缺乏氧气，并且已经进化出了不同的血红蛋白适应性来应对它。
Storz 及其团队早期的研究表明，北美高海拔的鹿鼠进化出了对氧气亲和力很高的血红蛋白，这可以在稀薄的空气中提高氧气的吸收。这项研究特别重要的是，它表明改变的血红蛋白是由血红蛋白蛋白 RNA 中 12 个不同位点的基因突变共同作用引起的。
在这项最新研究中，这项研究也发表在《科学》杂志上，Storz 团队通过一种称为蛋白质工程的过程对血红蛋白进行了调整，产生了自然存在的突变的所有不同组合。他们发现，某些突变组合提高了血红蛋白的氧结合亲和力，而其他组合则降低了它。
似乎有限的氧气获取能力需要一套进化适应。关键的分子参与者——血红蛋白和肌红蛋白，在物种间不断演变，变异和转移，使动物能够在比我们舒适、富氧环境高得多、深得多、氧气浓度低得多的条件下生存。
