你有沒有想過，血液并不總是紅色的？

在地球的生命畫卷上，

還流淌著藍(lán)色、綠色、紫色，

甚至如冰晶般透明的血液。

更奇妙的是，

這些血液的顏色還會在遇到氧氣

時發(fā)生改變。

今天，讓我們拋開對血液的固有印象，用孩童般的好奇心，去探索這些流淌在生命中的“彩虹”。它們每一種獨特的色彩，都講述著一個關(guān)于化學(xué)、演化與生存的精彩故事。

運送氧氣的“分子出租車”

血液顏色的秘密，藏在一種名為呼吸色素的特殊蛋白質(zhì)里。你可以把它想象成一輛輛運送氧氣的“分子出租車”。我們最熟悉的血紅蛋白就是其中的紅色款。此外，自然界還有藍(lán)色的“血藍(lán)蛋白”、紫色的“蚯蚓血紅蛋白”等多種型號。

這些“出租車”的核心部件是一個金屬離子（通常是鐵或銅），它負(fù)責(zé)抓住和釋放氧氣。當(dāng)氧氣“上車”或“下車”時，會引起整個分子結(jié)構(gòu)的微小變化，從而改變它對光線的吸收方式。我們看到的顏色，正是它吸收了某些光之后，反射到我們眼中的“剩余”顏色。

三種主要呼吸色素的對比（從左到右依次是血紅蛋白，蚯蚓血紅蛋白，血藍(lán)蛋白）

鐵銹帝國：我們熟悉的紅色血液

紅色血液是脊椎動物世界的通用標(biāo)準(zhǔn)，其顏色源于血紅蛋白。血紅蛋白的顏色主要來自血紅素這個結(jié)構(gòu)本身。血紅素是一個天然的“發(fā)色團”，其復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)（卟啉環(huán)）使其能夠吸收特定波長的光。在脫氧狀態(tài)下，中心的亞鐵離子（Fe2+）處于卟啉環(huán)平面之外，此時的血紅素吸收光譜使血液呈現(xiàn)暗紅色。

當(dāng)與氧氣結(jié)合后，鐵離子被拉入卟啉環(huán)平面內(nèi)，其電子狀態(tài)也發(fā)生改變（更接近于一個Fe(III)離子與一個超氧根離子O2-的組合）。這個細(xì)微的結(jié)構(gòu)和電子變化，會“微調(diào)”卟啉環(huán)對光的吸收特性，使其吸收藍(lán)綠光，從而反射出我們熟悉的鮮紅色。

因此，氧氣的結(jié)合只是調(diào)節(jié)了血紅素固有的顏色，而非創(chuàng)造了顏色。

血紅蛋白氧合后的結(jié)構(gòu)

為什么靜脈看起來是藍(lán)色的？

這是一個經(jīng)典的視覺錯覺！靜脈中的暗紅色血液本身并非藍(lán)色。光線穿透皮膚時，波長較長的紅光能穿透得更深，被血液吸收；而波長較短的藍(lán)光則更容易被表層皮膚反射回來。因此，我們看到的其實是皮膚反射的藍(lán)光，而非血液的真實顏色。

值得注意的是，血紅蛋白相比于其他呼吸色素更小，具有強反應(yīng)活性的血紅素很容易暴露，使得它具有劇毒性。因此，在人體內(nèi)，血紅蛋白一般被封裝在紅細(xì)胞中。其中，血紅素對一氧化氮的親和力比氧氣還要強，而人體將一氧化氮作為信號分子控制血壓。因此，過量的游離血紅蛋白會奪走血液中的一氧化氮，收縮血管，可能導(dǎo)致高血壓和血流量降低。

紅細(xì)胞

神秘的綠色

綠色血液在動物界極為罕見，其成因不止一種，恰好展示了演化的殊途同歸。

故事一：血綠蛋白的“變身術(shù)”

在某些海洋蠕蟲和水蛭體內(nèi)，存在著一種血綠蛋白。它和血紅蛋白是近親，同樣用鐵來運氧。但它的血紅素結(jié)構(gòu)有一個微小的化學(xué)修飾（一個乙烯基被替換為醛基），這個“小改動”就足以讓它的顏色變?yōu)榫G色。有趣的是，它像“紅綠燈”一樣，在稀薄時是綠色，在高濃度下反而會顯現(xiàn)出淡紅色。

血綠蛋白氧合后的結(jié)構(gòu)

故事二：綠血石龍子的“毒血”策略

生活在新幾內(nèi)亞的一種石龍子，血液、骨骼和肌肉都是鮮綠色，但它用的仍然是紅色的血紅蛋白！

這種綠色來源于一種名為膽綠素的物質(zhì)。膽綠素是血紅蛋白分解后的有毒產(chǎn)物（我們皮膚上的淤青變綠就是因為它），大多數(shù)動物會迅速將其代謝掉。

而這種蜥蜴卻反其道而行，在體內(nèi)大量積累高濃度的膽綠素，其濃度足以致死人類，但它卻安然無恙。這種強烈的綠色完全蓋住了血紅蛋白的紅色，科學(xué)家推測這可能是一種抵御寄生蟲的生存策略。

藍(lán)與紫：“從無到有”的色彩魔法

與血紅蛋白不同，一些海洋生物的血液上演著“從無到有”的色彩魔法。

血藍(lán)蛋白的“銅芯”方案

章魚、魷魚、龍蝦和鱟（hòu）等生物擁有藍(lán)色的血液，這要歸功于血藍(lán)蛋白。它的核心金屬是銅。

與血紅蛋白不同，脫氧狀態(tài)的血藍(lán)蛋白是無色的。因為其活性中心的兩個銅離子處于一價（Cu(I)），其d電子層是全滿的（d10構(gòu)型），這種狀態(tài)的離子無法有效吸收可見光。

當(dāng)氧氣結(jié)合時，會發(fā)生一次真正的化學(xué)反應(yīng)。兩個Cu(I)離子被氧化為Cu(II)，同時氧分子被還原為過氧根離子（O22-）。這個新形成的[Cu(II)]?-(O?)2-復(fù)合物從無到有地創(chuàng)造了一個發(fā)色團。

血藍(lán)蛋白

在這個新結(jié)構(gòu)中，電子可以從過氧根“跳躍”到銅離子上，這個過程被稱為配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移（LMCT）。這種電荷轉(zhuǎn)移躍遷強烈地吸收了光譜中的紅橙光部分，因此血液呈現(xiàn)出鮮明的藍(lán)色。

血藍(lán)蛋白雖然攜氧效率不如血紅蛋白，但在低溫、低氧的深海環(huán)境中表現(xiàn)得更穩(wěn)定，是這些“藍(lán)色貴族”的完美選擇。

鱟之“藍(lán)金”

然而，鱟的藍(lán)色血液遠(yuǎn)不止“好看”這么簡單，它還是守護現(xiàn)代醫(yī)學(xué)安全的一道至關(guān)重要的防線。這種看似不起眼的生物，是名副其實的“活化石”，在地球上已存在超過4億年。

在鱟的藍(lán)色血液中，有一種特殊的變形細(xì)胞。一旦遇到細(xì)菌釋放的內(nèi)毒素（一種能引發(fā)人體致命感染的劇毒物質(zhì)），這些細(xì)胞就會迅速將毒素包裹、凝固，形成一道物理屏障。

鱟取血圖

科學(xué)家利用這一特性，從鱟的血液中提取出一種名為“鱟試劑”的物質(zhì)。在制藥領(lǐng)域，任何需要注入人體的產(chǎn)品，從疫苗、注射劑到植入體內(nèi)的醫(yī)療器械（如心臟支架、人工關(guān)節(jié)），在出廠前都必須通過鱟試劑的檢測，以確保其絕對無菌。也正因如此，鱟的藍(lán)色血液比黃金還要昂貴，被稱為“藍(lán)金”。這也引發(fā)了對鱟的過度捕撈和生存困境的擔(dān)憂。

低調(diào)紫：蚯蚓血紅蛋白的獨特鐵鍵

在一些穴居的海洋蠕蟲和腕足動物體內(nèi)，流淌著紫色的血液。它們的“出租車”是蚯蚓血紅蛋白。

它雖然也用鐵，但結(jié)構(gòu)非常獨特：用兩個鐵原子直接與蛋白質(zhì)側(cè)鏈結(jié)合來捕獲氧氣。與血藍(lán)蛋白類似，脫氧狀態(tài)的蚯蚓血紅蛋白也是無色的。其活性中心由兩個亞鐵離子（Fe2+）構(gòu)成，但沒有血紅素的卟啉環(huán)，無法有效吸收可見光。

蚯蚓血紅蛋白

與氧氣的結(jié)合同樣是一次化學(xué)反應(yīng)。兩個Fe2+離子被氧化為三價鐵（Fe3+），而氧分子被還原并獲得一個質(zhì)子，形成一個氫過氧根配體（-OOH）。這個新形成的Fe(III)?-(-OOH)結(jié)構(gòu)也通過LMCT躍遷產(chǎn)生顏色：電子從氫過氧根躍遷至鐵離子，導(dǎo)致分子吸收特定波長的光，最終呈現(xiàn)出柔和的紫紅色或粉紅色。

它的效率不高，更像一個“氧氣儲存罐”，非常適合氧氣濃度穩(wěn)定但偏低的穴居生活。

幽靈血：南極冰魚的生存極限

演化的想象力遠(yuǎn)超于此，最極端的例子莫過于南極冰魚。它是已知唯一完全沒有呼吸色素的脊椎動物，血液像水一樣透明。

南極黑鰭冰魚

這種“放棄治療”的策略在別處是致命的，但在南大洋的極端環(huán)境中卻成為可能。這里的海水常年接近冰點，溶解了大量的氧氣，同時低溫也讓冰魚的新陳代謝變得極為緩慢。

為了在沒有“出租車”的情況下生存，冰魚演化出了一套驚人的補償機制：

• 一顆異常巨大的心臟和超高的血流量。

• 一個龐大、密集的血管網(wǎng)絡(luò)，將血液送到身體的每個角落。

• 一身無鱗的皮膚，可以直接從富氧海水中吸收氧氣。

• 血液中含有高效的“抗凍蛋白”，防止自身結(jié)冰。

冰魚的無色血液，是一場在極端環(huán)境下的演化豪賭。它告訴我們，演化并非總是在追求完美，有時它會容忍一個“意外”，并圍繞這個意外，構(gòu)建出一套全新的、令人嘆為觀止的生存法則。

從我們熟悉的紅色，到海洋中的藍(lán)與紫，再到南極的透明，血液的每一種色彩，都是生命為適應(yīng)這個星球多樣的環(huán)境而精心調(diào)配的“化學(xué)配方”。它們共同繪成了一道絢麗的生命彩虹，展示著演化的無窮創(chuàng)造力。

參考文獻

1. https://sciencefocus.hkust.edu.hk/zh-hant/natures-palette-the-astonishing-spectrum-of-animal-blood-colors

2. https://teachchemistry.org/chemmatters/february-2010/the-many-colors-of-blood

3. https://www.compoundchem.com/2014/10/28/coloursofblood/

4. https://www.scientificamerican.com/article/icefish-study-adds-another-color-to-the-story-of-blood

5. Klotz I M, Klippenstein G L, Hendrickson W A. Hemerythrin: Alternative Oxygen Carrier: Nature has developed an effective transport protein with a binuclear iron center in place of a heme[J]. Science, 1976, 192(4237): 335-344.

6. https://www.bilibili.com/opus/186459768866156436

編輯：Meyare