果蝇利用血细胞深呼吸【改教科书】

昆虫的呼吸通常被认为仅依赖于通过充满空气的气管管直接进行气体交换。在果蝇幼虫中发现携带氧气的血细胞，揭示了一种以前未知的给果蝇组织供氧的方式。

氧气是提供生命能量的代谢过程中心。Shin等人在《自然》杂志上报告了一个令人惊讶的发现，关于果蝇如何在其体内运输氧气。

将气体从环境运输到身体内部器官，动物进化出了高效的系统。在脊椎动物中，通过鳃或肺进行的气体交换与血液循环相结合，血液携带着气体遍布全身。被称为红细胞的特殊细胞通过携带绑定在呼吸色素（血红蛋白）上的氧气来增强血液的氧气运输能力，这些呼吸色素根据局部分压（反映血液中溶解的氧气量）结合或释放氧气。

昆虫使用的气体交换系统截然不同。它们的身体被叫做气管的管状结构穿透，这些结构直接将气态氧气输送到大多数细胞，确保了快速的气体扩散，无需循环的血细胞或呼吸色素来实现氧化。Shin及其同事的发现为修订当前关于昆虫呼吸发生方式的教科书观点提供了依据。

在物种数量和生物量方面，昆虫是最成功的动物群体。昆虫几乎能够殖民所有可能的栖息地，这得益于它们高效的呼吸系统，该系统优化了通过扩散进行的气体交换，并同时最小化水分损失。然而，仅依赖氧气扩散的经典昆虫呼吸观点无法解释许多昆虫在其快速发育期间或在高强度活动期间（如飞行）所达到的高代谢率。因此，一些发现强调了通过气管改善外部氧气输送的进一步机制，如主动通风和对流流。然而，与脊椎动物的情况不同，用血液（血淋巴）和血细胞（血球）灌注昆虫身体通常被认为对组织氧化几乎没有或根本没有相关性，尽管一些报告暗示了血球在气体交换和抵抗缺氧状态（称为低氧血症）方面的作用。

Shin等人通过对这一问题的新发现，揭示了一类被称为晶体细胞的血细胞亚群在果蝇Drosophila melanogaster中的重要作用，这些细胞以其在防御感染和伤口愈合中的功能而闻名，它们在机体氧气运输和组织氧化中扮演重要角色。作者们发现，缺乏晶体细胞的突变果蝇幼虫显示出低氧血症的特征，并且这些效应通过在高氧条件（高氧症）下培育幼虫得到逆转，表明晶体细胞对于维持正常氧气水平（稳态）是必需的。如果野生型幼虫经历低氧血症，血球会迅速从循环中撤出并聚集在供氧的气管分支附近。有趣的是，这种血球的行为是由代表血球池一小部分（2-5%）的晶体细胞引导的。

寻找晶体细胞在缺氧诱导重定位中所需的基因产物时，发现了一个名为丙酚氧化酶2（PPO2）的蛋白的作用，该蛋白形成了赋予晶体细胞名称的内部晶体结构。丙酚氧化酶（PPOs）是研究得很好的酶，它们改变（氧化）被称为酚的分子，以在侵入的病原体周围和伤口部位产生凝块。尽管PPOs与一些无脊椎动物中存储和运输氧气的蛋白质——血蓝蛋白密切相关，但PPOs之前并未与氧气运输联系在一起。

引人注目的是，Shin等人发现PPO2蛋白经历了一种状态变化，称为相变，从主要存在于气管相关晶体细胞中的晶体形态变为主要存在于循环晶体细胞中的可溶形态。晶体的形成依赖于PPO2蛋白中含铜的分子环结构的氧化。相反，一种能降低胞质pH的酶——碳酸酐酶2的活性阻止了PPO2晶体的形成。

这些激动人心的发现支持了一种模型，其中晶体细胞在气管和循环之间穿梭，在那里它们通过氧化PPO2蛋白加载氧气，而在循环中释放氧气，可能借助于pH下降。PPO2蛋白的可逆氧气依赖相变被提出用于指导血球在气管和循环之间的移动，促进氧气的装载、卸载和运输。因此，晶体细胞作为氧气载体出现，履行了类似于脊椎动物中红细胞的角色。

图1 | 果蝇幼虫血细胞在气体交换中的作用。果蝇Drosophila melanogaster的幼虫拥有一种叫做血淋巴的循环血液（未显示），其中的血细胞（血球）在称为气管的充满空气的管状网络中的地点和循环血液之间穿梭。Shin等人调查了一种叫做晶体细胞的血球类型。作者们报告说，这些细胞使用一种叫做PPO2的蛋白质将氧气运送到组织，包括那些代谢率高的组织，如脂肪体。PPO2根据细胞pH值以及是否携带氧气，在晶体形态和可溶形态之间切换。PPO2蛋白在气管处装载氧气并在组织处卸载氧气，伴随着一种被描述为相变的变化（在晶体状态和可溶状态之间转换）。（改编自参考文献1扩展数据图8。）

在之前被认为缺乏内部基于细胞的氧气运输的动物群体中发现这种氧化机制，引发了许多关于呼吸系统功能和进化的问题。血球介导的气体交换可能解释了昆虫器官缺乏气管氧气供应的悖论，如脂肪体（其作用相当于哺乳动物的脂肪组织和肝脏），如何能够实现高代谢率。有趣的是，晶体细胞只占血球总数的一小部分，与人类形成鲜明对比，在人类中，红细胞是血液中最丰富的细胞类型。Shin等人报告说，在D. melanogaster中最常见的血球类型，被称为浆细胞的细胞，与晶体细胞一起在气管和血流之间穿梭。然而，浆细胞在多大程度上可能有助于气体交换尚不清楚。

这些发现还为研究血球介导的气体交换的生物物理和细胞基础开辟了迷人的研究领域。作者们发现，晶体细胞“归巢”到与气管相关的生态位依赖于PPO2蛋白的氧化状态和胞质pH值。这些参数如何决定PPO2的相变和氧气结合特性、PPO2的变化是否可能指导晶体细胞向气管移动，如果是的话，这是如何发生的，这些问题还有待研究。一个可能的答案线索可能在于发现晶体细胞被气管产生的过氧化氢分子吸引。

科学家探索血球基础的内部气体交换是否也在其他昆虫中起作用将是令人兴奋的，特别是那些体型较大、活动性较高（例如，能量密集型的飞行）或生活在水生环境中的昆虫。昆虫能够达到的最大体型被认为受到与通过扩散进行的气体交换相关的物理限制的约束。内部对流（通过气管泵送气体或作为溶解在血淋巴中的氧气运输氧气）和血球介导的氧气运输可能会减轻一些这些限制。因此，将血球介导的内部氧气运输纳入昆虫呼吸模型，很可能会增强我们对这一动物群体的生理学和进化的理解。