鳥類適應缺氧環境，如何改變血紅素？

演化適應的方式可以預測嗎？

生物處於不利的環境下，如何演化而適應逆境，是有趣的演化學問題。當不同的生物面臨類似的狀況時，將會演化出類似的適應方式嗎？若是如此，適應（adaptation）似乎是可以預期的。相對的，假如面臨同一類困境時，不同的生物演化出不一樣的應變方式，如此代表同一道難題，其實不只有單一的解決方案，那麼生物會採取哪一種就難以預料了。

適應在遺傳方面能不能被預測，還要考慮到層次的問題。動物的遺傳訊息以DNA的形式存在，多數狀況下，DNA要先轉錄為mRNA，再轉譯為氨基酸形成蛋白質，才有實際上的生理作用。生物個體的外在表現叫作「表現型（phenotype）」，由內在的「基因型（genotype）」決定。

蛋白質是由許多氨基酸（amino acid）組成的長鏈，再經過修飾、包裝、摺疊以後形成的大分子，每個蛋白質都有自己的作用方式。考量遺傳的不同層次，我們可以這樣看問題：影響蛋白質功能的適應性改變（表現型），如果只能發生在少數關鍵的氨基酸位置（基因型），遺傳適應將不難預測；假如許多不同的突變，都能導致類似的表現型適應性改變，那麼就不容易預測基因型的變化方式。

究竟哪一種才是對的？最近一項針對多種鳥類血紅素（hemoglobin，簡稱Hb）的研究發現，遺傳適應是否能夠預期，這個問題視層次而定[1]。

表現型層次的適應，可以預測

論文設定的逆境是是高海拔的缺氧環境，為了比較血紅素在遺傳上的變化，有28對，共56種鳥類被選來比較。這28對的每一對，都是一種生活在高海拔，另一種住在低海拔地區；而牠們彼此間的關係，都是演化上的近親，或是同一物種的不同族群。

大部分鳥類的血紅素是由4個單元組成（α₂β₂），也就是2個α球蛋白（α-globin）加上2個β球蛋白（β-globin）。成年鳥類的血紅素分為兩種亞型（isoform）：主要的是hemoglobin A（HbA），以及少數的hemoglobin D（HbD）。

定序56種鳥類血紅素的基因序列後可知，HbA與HbD兩種亞型的血紅素，各自的β球蛋白都是同一個（β^A），差異在於彼此的α球蛋白不同，HbA用的是α^A球蛋白（α^Aα^Aβ^Aβ^A），而HbD用的是α^D球蛋白（α^Dα^Dβ^Aβ^A）。

血紅素要增進運輸氧氣的效率，從已知的例子中已經知道有幾種方式，初步測試發現所有鳥類，都是透過增加血紅素與氧氣的親和性（Hb-O₂ affinity）來適應缺氧情境。兩種血紅素亞型中，HbD的親和性比HbA更好，某些動物增進效率的方法，正是增加HbD的表現量，然而鳥類並不是採取這個策略，HbD的表現量並沒有普遍較高。

高海拔鳥類的血紅素，不論HbD或是HbA對氧氣的親和性，都比其低海拔的親戚來得更佳。由此看來在增進氧氣運輸能力，適應低氧環境這方面，所有高海拔鳥類都呈現一致的適應方式，也就是增加「血紅素與氧氣的親和性」這個表現型。

一種蜂鳥：紅喉北蜂鳥（ruby-throated hummingbird）。（圖片來源）

基因型層次的適應，難以預測

改變表現型，首先要改變基因型。每段球蛋白都由141個氨基酸（amino acid）組成，血紅素基因上是哪些氨基酸位置的改變，造成對氧氣親和性的增加？

觀察發現，固然有些位置的氨基酸改變次數較多，例如N/G83S（第83號氨基酸由N或G突變為S，之後依此類推）、D94E，然而整體看來，要達到增加血紅素與氧氣親和性的效果，並不見得非得要在某些特定的位置改變。換句話說，遺傳在分子層次上的不同變化，都能獲得類似的效果。

這項研究還深入探討了蜂鳥支系（hummingbird clade）。研究者人為改造血紅素基因序列，創造出眾多蜂鳥還處於共同祖先時期，最原始的蜂鳥血紅素基因後，實測發現，蜂鳥血紅素β球蛋白上G83S這個突變，的確會造成親和性的上升。

左圖是G83S對蜂鳥親和力的影響，右圖N83S與V67A對刺花鳥的影響，縱軸較高代表血紅素與氧氣的親和性較低。（圖片來源）

β球蛋白上第83號氨基酸的改變，對其他鳥類也有類似效果嗎？另一個鳥類分支刺花鳥（flowerpiercer），Diglossa brunneiventris是高海拔，而Diglossa glauca是低海拔物種。D. brunneiventris除了β球蛋白基因發生N83S以外，其α^A球蛋白也出現V67A的突變。實測發現這兩項改變，各自都有效果，而且是加成性（addictive）的：單一突變使親和性增加一些，同時存在上升更多。

新突變的影響，建基於更早之前的累積

在鳥類的兩個不同支系中，同一位置的突變都產生類似的效果，看來遺傳適應在分子層次上，似乎可以預期？且慢，事情沒有這麼簡單。

所有鳥類配備N/G83S這個變異後，都可以對抗缺氧環境嗎？往回追溯血紅素基因在更久以前的樣貌，當鳥類還處於新鳥小綱（Neoaves）時期（包括蜂鳥與刺花鳥，以及絕大部分鳥類都屬於這群），甚至是現存所有鳥類的共同祖先，年代超越一億年的今鳥亞綱（Neornithes）的序列，實測結果卻顯示，即使把這些基因的第83號氨基酸改為S，對親和力也毫無影響。

左圖是各種鳥類間的親緣關係，右圖是各個演化分支中，血紅素基因N/G83S突變對與氧氣親和性的影響。（圖片來源）

論文推論可能的原因是，不同支系的鳥類在演化之路上，各自累積有不同的變異，一個新的突變的效果，部分會取決於已經存在的序列。由此推論，N/G83S這突變在早期鳥類的血紅素中，並不影響與氧氣的親和力，至少要等到蜂鳥與刺花鳥的共同祖先時，才會產生適應的作用。而其餘鳥類在其他位置的突變，也能達到增加親和力的效果，應該也是相似的道理－大家目標一致，但步驟不一。

演化適應是否可以預測？由研究高海拔鳥類血紅素的適應可知，在功能層次上似乎可以，然而分子遺傳層次上不行。更精確地說，新突變的效果，取決於之前累積的變異，由此或許能夠衍生出這個推論：親戚關係愈接近，累積的差異愈少，愈有預測的機會[2]。

參考資料：

Natarajan, C., Hoffmann, F. G., Weber, R. E., Fago, A., Witt, C. C., & Storz, J. F. (2016). Predictable convergence in hemoglobin function has unpredictable molecular underpinnings. Science, 354(6310), 336-339.
Predicting the basis of convergent evolution

撰文：寒波（作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》同名粉絲團，歡迎參觀、拍打、與餵食）