它能以每小时50多英里的速度前进，一跃而起30多英尺。鳄鱼作为顶级伏击者的成功在于其血液中的纳米级水肺罐--血红蛋白，它以缓慢而稳定的速度将氧气从肺部卸到组织中，使其能够在没有空气的情况下坚持数小时。这种特殊的血红蛋白的超高效率让一些生物学家想知道，为什么在全世界所有的有颚脊椎动物中，鳄鱼是唯一一个找到这种最佳解决方案来充分利用呼吸循环系统的群体。
一只尼罗河鳄鱼吞下了一只黑斑羚，这是它在水面下长时间等待的回报。通过复活古代鳄鱼祖先的血红蛋白，Husker领导的一个团队帮助解释了为什么其他脊椎动物未能进化出让鳄鱼在没有空气的情况下持续数小时的适应性。资料来源：Cell Press / Current Biology / Shutterstock / Scott Schrage, University of Nebraska-Lincoln
内布拉斯加大学林肯分校的杰伊-斯托兹（Jay Storz）及其同事通过统计学上的重建和实验上的复活主龙类（所有鳄鱼和鸟类的2.4亿年前的祖先）的血红蛋白，对这个原因有了新的见解。鳄鱼血红蛋白的独特属性不是像早期研究表明的那样只需要几个关键的突变，而是源于21个相互关联的突变，这些突变使红细胞的复杂成分变得更加复杂。
研究人员说，这种复杂性以及任何一个突变都能在血红蛋白中引起的多种连锁反应，可能已经形成了一条迷宫般的进化路径，以至于自然界甚至在数千万年内都无法回溯它。
所有的血红蛋白在肺部与氧气结合，然后在血液中游动，最终将氧气释放到依赖它的组织中。在大多数脊椎动物中，血红蛋白捕捉和保持氧气的亲和力主要由被称为有机磷酸盐的分子决定，这些分子通过附着在血红蛋白上，可以"鼓励"它释放其珍贵的货物。
但在鳄鱼类动物--鳄鱼、短吻鳄和它们的亲属中，有机磷酸盐的作用被一种分子--碳酸氢盐所取代，后者是由二氧化碳分解产生的。由于组织产生大量的二氧化碳，它们也间接地产生了大量的碳酸氢盐，这反过来鼓励血红蛋白将其氧气分配给最需要的组织。
Storz说："这是一个超级高效的系统，它提供了一种缓慢释放的机制，使鳄鱼能够有效地利用它们的机载氧气储存，这是它们能够在水下呆这么久的部分原因。"
作为Storz实验室的博士后研究人员，Chandrasekhar Natarajan、Tony Signore和Naim Bautista已经帮助破解了鳄鱼血红蛋白的工作原理。与来自丹麦、加拿大、美国和日本的同事一起，Storz的团队决定开始对这个运送氧气的奇迹是如何产生的进行多学科研究。
之前了解其进化的努力涉及将已知的突变纳入人类血红蛋白，并寻找任何功能上的变化，而这些变化通常是很少的。他自己的实验室最近的发现使Storz相信，这种方法是有缺陷的。毕竟，在人类血红蛋白和古代爬行动物的血红蛋白之间有很多不同之处，现代的鳄鱼就是由这些血红蛋白演变而来的。
Storz说："重要的是了解突变对它们实际进化的遗传背景的影响，这意味着在祖先和后代的蛋白质之间进行纵向比较，而不是在当代物种的蛋白质之间进行横向比较。通过使用这种方法，就可以弄清楚实际发生了什么。"
因此，在生化原理和统计学的帮助下，该团队开始从三个来源重建血红蛋白蓝图：2.4亿年前的主龙类祖先；所有鸟类的最后一个共同祖先；以及8000万年前的当代鳄鱼的共同祖先。在实验室中对所有三种复活的血红蛋白进行测试后，研究小组证实，只有鳄鱼直系祖先的血红蛋白缺乏磷酸盐结合，并拥有碳酸氢盐敏感性。
对比主龙类和鳄鱼祖先的血红蛋白蓝图还有助于确定氨基酸的变化，这基本可以被看成是血红蛋白骨架的关节，这些变化也可能被证明是重要的。为了测试这些突变，Storz和他的同事开始将某些鳄鱼特有的突变引入祖先的血红蛋白中。通过识别使主龙类血红蛋白的行为更像现代鳄鱼的血红蛋白的突变，该团队拼凑出了负责这些独特的、鳄鱼特有的特性的变化。
与传统观念相反，Storz和他的同事们发现，血红蛋白对碳酸氢盐和磷酸盐的反应性的进化变化是由不同的突变组驱动的，因此一种机制的获得并不取决于另一种机制的丧失。他们的比较还显示，尽管几个突变就足以减去磷酸盐结合位点，但需要多个突变才能完全消除磷酸盐敏感性。以同样的方式，两个突变似乎直接推动了碳酸氢盐敏感性的出现--但只有在与血红蛋白偏远区域的其他容易被忽视的突变相结合或在此之前。
Storz说，这些发现说明了一个事实，即突变的组合可能产生超越其单独影响之和的功能变化。一个本身不产生任何功能影响的突变可能以任何方式为其他突变开辟一条道路，产生明确、直接的后果。同样地，如果没有适当的阶段性前例，这些后来的突变可能影响不大。而所有这些因素都可能被它们所处的环境增强或阻挠。
"复杂的相互作用表明某些进化解决方案只能从某些祖先的起点获得，对于主龙类血红蛋白的祖先，遗传背景使得我们有可能进化出我们在现代鳄鱼的血红蛋白中看到的独特属性。相比之下，以哺乳动物的祖先为起点，可能有办法进化出同样的特性，但这必须通过一个完全不同的分子机制，因为你是在一个完全不同的结构背景下工作。无论好坏，这项研究也有助于解释设计一种能够模仿和接近鳄鱼性能的人类血红蛋白的困难。"