血の色の化学

もうすぐハロウィンですね。 偽血が人間の血の赤色を模倣している理由については、すでによくご存じでしょう。 しかし、血の色は赤だけではありません。青、緑、紫、さらには無色のものもあり、これは、さまざまな生物で血を構成する特定の化学物質の結果です。 ほとんどの人は、他のほとんどの脊椎動物と同様に、人間の血液が赤いのは、赤血球に含まれるヘモグロビンという大きなタンパク質が、その構造内に鉄原子を含んでいるからだと習ったことでしょう。 ヘモグロビンは呼吸器系色素と呼ばれ、体内の酸素を細胞に運び、二酸化炭素を肺に戻して吐き出すという重要な役割を担っている。 この大きなタンパク質は、4つの小さなユニットで構成されており、そのユニット自体にはヘムという小さな部分があり、その一つ一つに鉄原子が含まれています。 この鉄原子は酸素と「結合」することができ、赤血球に酸素運搬能力を与えます。

鉄原子は、ヘモグロビンの色の原因ともなっています。 ヘモグロビンは共役分子で、炭素原子間に二重結合と単結合を交互に多数持つ構造をしており、この共役によって可視光領域の波長を吸収し、色がついたように見えるのである。 鉄原子の存在がこの吸収をわずかに変化させ、その結果、ヘモグロビンは酸素化すると赤色になり、脱酸素化するとやや暗い赤色になります。

脱酸素化した血液は青いという俗説がありますが、実際、皮膚を通して脱酸素化血液を体細胞から運ぶ静脈を見ると、明らかに青っぽい灰色を呈しています。 しかし、このように見えるのは、血液と静脈を覆う皮膚や組織と光の相互作用によるものなのです。 赤色であるにもかかわらず、静脈が青く見える少し複雑な理由については、この問題を検証したこの論文で詳しく見ています。

しかし、青い血液が普通である生物もいます。 甲殻類、クモ、イカ、タコ、および一部の軟体動物はすべて、異なる呼吸色素を持つ結果、青い血液を持つようになります。 これらの生物は、ヘモグロビンではなく、ヘモシアニンというタンパク質を用いて酸素を運搬しているのだ。 この色素の構造が異なることと、鉄の代わりに銅原子が組み込まれていることにより、血液は脱酸素時には無色で、酸素が供給されると青色になる。 また、ヘモグロビンとは異なる方法で酸素と結合し、2個の銅原子がそれぞれの酸素分子に結合します。

これだけにとどまらず、ミミズやヒルの一部の種では、緑色の血液も可能です。 これは興味深いことで、緑色の血液の色につながるタンパク質であるクロロクルオリンの個々の単位は、実際にはヘモグロビンと非常によく似た外観をしているのです。 実際、両者はほとんど同じで、唯一の違いは、化学構造におけるビニル基の代わりにアルデヒド基があることです（名前から想像されるかもしれませんが、クロロクルオリンには塩素原子が含まれていません）。

このわずかな違いにもかかわらず、クロロクルオリンを含む脱酸素状態の血液は薄緑色で、酸素を含むとやや濃い緑色になります。 また、高濃度の溶液では薄い赤色を呈します。

ただし、緑色の血液を持つトカゲが示すように、クロロクルオリンは必ずしも緑色の血液に必要なわけではありません。 このトカゲはニューギニアに生息し、他の脊椎動物と同様に血液中にヘモグロビンを含んでいるにもかかわらず、その血液は独特の緑色をしています。 この色は、ヘモグロビンの再利用の仕方の違いによるものだ。 人間は肝臓でヘモグロビンをビリベルジン、ビリルビンの順に分解してリサイクルしているのだが、ギニアの血液はビリベルジン、ビリルビンの順に分解している。 しかし、トカゲはビリベルジンをそれ以上分解できないので、血液中に蓄積され、ヘモグロビンの赤色を圧倒するほど強い緑色になります。

最後に、限られた範囲の海洋生物（ちょっと残念な名前のペニスワームを含む）ではありますが、紫色の血液も可能です。 この色は、また別の呼吸色素、今度はヘモリスリンと呼ばれるものによって引き起こされます。 ヘモリスリンは、それ自体が鉄原子を含む個々のユニットを含んでおり、脱酸素状態では血液は無色であるが、酸素を含むと鮮やかなバイオレットピンクになる。 他の呼吸器系色素と同様に、ヘモグロビンよりもはるかに効率が悪く、場合によっては酸素運搬能力の約4分の1しかありません。

血液の色の変化で最も興味深いのは、同じ問題（この場合は酸素の運搬）に対して、進化が異なる解決策を考え出したことを示すことでしょう。 もし、私たちの血液に、鉄の代わりに銅を含む呼吸色素が組み込まれていたら、私たちは皆、ハロウィンで赤ではなく別の色の偽血を塗っていたかもしれないと考えると、面白いですね！

この記事のグラフィックは、クリエイティブ・コモンズ・表示-非営利-改変禁止 4.0 国際ライセンスの下でライセンス供与されています。 サイトのコンテンツ利用ガイドラインをご覧ください。