水中の動物たちの呼吸 12

ヘモグロビンとヘモシアニンその3
美味しい無脊椎動物たち

今回は、エビ・カニ・イカ・タコなどの無脊椎動物が美味しいのは、細胞が海と戦っているから、という話をしましょう。
その前に、前回、軟体動物は「すべてHc（ヘモシアニン）を利用して、赤血球を持たない」と書きましたが、「ほとんどすべて」のまちがいでした。

海生二枚貝の赤貝は古生代オルドビス紀に発生した原始的なフネガイ目に属していて、ヘモリンパ液の中に直径約16μmの赤血球を持っています。その中にヘモグロビンに似た赤いエリスロクルオリンを持っていて開放血管系で酸素を運んでいるとのことです。

イカでもヒトでも体を構成している細胞は塩類やタンパク質を一定の濃度に保って生きています。（正確には濃度でなく、浸透圧ですが）
「水中の動物たちの呼吸2（2021/06/04）」では、海に住む魚は体から水分が海水中へ逃げていくのを防ぐため沢山海水を飲んで水を吸収し、余分な塩類は腎臓とエラにある塩類細胞を用いて捨てて、体内の濃度を一定に調節していると話しました。これを浸透調節型の動物と言い、魚から私たち哺乳類まで脊椎動物はこの調節をしています。

一方、イカ・タコ（軟体動物）や、二枚貝、エビ・カニ（甲殻類）などの無脊椎動物はこの調節機構がないので体液は海水に近い成分・濃度になっていて、それを浸透順応型動物と言います。
浸透順応型のうち、貝類やエビ・カニなどの循環系は解放循環系なので、間質液とヘモリンパ液は同一であり、成分や濃度（浸透圧）も海水とほとんど同じになります。
しかし細胞内液は海水よりも物質の濃度は薄いので、そのままであれば細胞から間質に向かって水分が出て行き、細胞は脱水・濃縮されて代謝に障害が起きます。この脱水を防ぐために塩分濃度を上げると、その過剰な塩分が代謝を阻害します。

そこで、細胞内の代謝に影響を与えない水溶性のアミノ酸やその類似物質（グリシンやグルタミン、タウリン、オクトピンなど）の濃度を上げて細胞の脱水を防いでいます。
例えば、フジツボの筋肉細胞では脱水を防ぐ力（浸透圧）の70％がアミノ酸で。その内グリシンが半分以上を占めています。

イカ・タコでは？
イカ・タコも同じように浸透順応型なので、間質液の成分や濃度はほぼ海水と同じです。
しかし、他の軟体動物と違って閉鎖循環系なので、ヘモリンパ液は海水と異なる成分を持つことができます。特に、海水にはほとんど含まれていないタンパク質が高濃度に（タコでは8～13g/100mlも！）含まれています。
ヒトでは血液中に7～8g/100ml溶けているタンパク質（主にアルブミンとグロブリン）の役割は、栄養素や免疫として働くほかに、浮腫（むくみ）をおこした組織や、間質の余分な水分を血管内に回収する働きがあります。栄養不良で血液中のタンパク質が減ると全身がむくむのはそのためです。
イカ・タコがヒトと大きく違うのは、そのタンパク質の約40～80％ほどがヘモシアニン（Hc）なのです。前回の話のようにHcはとても大きな分子です（分子量385万、ヒトアルブミンは6.9万）。その大きさのために、10g/100ml前後と高い濃度でも間質液からヘモリンパ管内に水を回収する力（浸透圧）は極めて弱くなっています。過剰な水分を吸収しないで循環液量を保てるので、閉鎖循環が可能になっているのでしょう。
細胞内液については、エビやカニ、貝類と同じように間質液へ水分が抜けていかないように、アミノ酸類を大量に持っているのは同じです。
因みに、スルメイカの筋肉（外套膜）中のアミノ酸類はプロリン、グリシン、アラニン、アルギニン、タウリン、オクトピンが全体の94％を占めています。どれも美味しいアミノ酸です。
また、一部のエビの仲間（オキアミ）では、栄養をとれない時にはHcをタンパク源として消費するという、栄養素としての役割も報告されています（Spicer 2010）

エビや貝をもっと美味しくする方法！
間質液の濃度（浸透圧）が高くなると細胞内のアミノ酸が増えるということを確認した実験がありました。生きているエビやハマグリを3日から6日間かけて徐々に海水の1.5倍の塩水に順応させると、なんとエビでもハマグリでも、旨みと甘みの成分であるグリシンとアラニンが増えていました（阿部2008）。
.図のようにエビではアラニンとグリシンが増えて、ハマグリではアラニンがすごく増えているのがわかります。つまり、更に美味しくなると言うことです。エビやハマグリには苦労をかけますが、頑張って美味しくなってほしいものです。
（生きたまま買ってきたエビや貝は少し濃いめの塩水につけた方が美味しくなると言うことです！）


参考文献
・船越　Bu1L　NatL　Res．Inst、Aquacult．No．29，1－103（2000
・高橋　農業と科学　4-5　H9年3月
・阿部 生化学 (2008) ８０:４, 308-15
・佐藤　化学と生物　28：82-90（1990）
・ガイトン生理学書　第11版
・K.シュミット・ニールセン　動物生理学―環境への適応 2007
・https://ocw.kyoto-u.ac.jp/wp-content/uploads/2012/04/2012_shigenseibutsukagakuganrion-b_05.pdf
よりダウンロード
・Spicer et al. Physiology and metabolism of Northern krill,
Advances in Marine Biology (2010) 57:91-126.
・Oellermann et al.　Blue blood on ice　Frontiers in Zoology (2015) 12:6

水中の動物たちの呼吸１１

ヘモグロビンとヘモシアニン　その2

ヘモグロビン（Hb）とヘモシアニン（Hc）はどちらも酸素を運ぶ血液中の色素ですが、今回はそれぞれの分子と循環系の違いについて見てみます。
なお、イカとタコのHcについてはほぼ同じものとして区別していません。
1． それぞれの構造と特徴
まず、その分子の大きさが図のように大きく違い、直径の比較ではHbはHcの約1/6程度です。
Hb分子は鉄原子を1つ持つ単位分子が4つ集まっていて、形は球状に近く直径が約６nmです。（nm（ナノメーター）とは１ｃｍの1千万分の１）
Hc分子は図のように円筒形をしていて、それは80個の単位分子から成り立っている。その単位分子にそれぞれ2つの銅原子が含まれている。

HbとHcの分子量（分子の重さに相当、水素原子の重さを1としたときの比率）
はHbが約6万4500に対して、Hｃは約385万と約60倍にもなります。
Hbは4つの鉄原子に酸素分子4つを結合し、Hcは160個の銅原子に酸素分子80個を結合して運ぶのです。

Hbでは6万4500の分子が4個の酸素を運ぶので酸素1分子当たりでは1.6万の分子量となり、Hcでは同様に4.8万の分子量となります。
重さが60倍も差があるにもかかわらず、HbとHcが酸素1分子を運ぶには3倍程度の分子量の差しかありません。Hbの方が確かに効率は良いですが、Hcもいい仕事をしています。

Hbの中の鉄イオン（Fe2＋）は酸素と結合して錆（さび）やすい（酸化されるとFeOになる）という性質があるので、鉄原子が酸素を引き付けてそばに置くけど、酸化はしないように周囲の分子が制御しています。

一方、Hc中の２個の銅イオン（Cu＋）は酸素がくると酸化して酸化第２銅
（Cu２O2）つまりCu2＋に変わります。酸素と結合してもしなくても、銅の安定性はほとんど変わらないので酸素を簡単に放出できます。でも酸素と結合したCu2＋は青い色をしているのでイカ・タコの動脈血の色は青く、静脈血は透明です。

２．　Hcとイカ・タコの血液循環
Hbは魚類から鳥類、哺乳類まで赤血球の中に納められていますが、Hcはすべて循環血液であるヘモリンパ液に溶解・分散しています。
さて、イカ・タコ以外では、Hcを利用する軟体動物の血管系は、解放血管系といって動脈から先の末梢毛細血管と静脈系を持たない構造です。

血管から流れ出たヘモリンパ液は各臓器の間隙（血体腔）や臓器内の細胞へ直接に酸素と栄養を運び老廃物と二酸化炭素を受け取って、臓器の間を流れてから再び心臓に戻ります。Hcはヘモリンパ液に溶けていますが、もしもHbのように血球に収納されたらどうなるでしょうか。
比較のために、脊椎動物である魚の赤血球の大きさを見てみましょう。Hcは巨大な分子ですが、図のように赤血球はヘモシアニンの約300倍も大きいので、十分に血球に収納することは可能です。

ここからは、私の推論です。
このような大きさの細胞が組織間隙を十分な早さで流れるのは無理でしょう。
組織内を滞ることなく流れて酸素を運搬するためにはHcが分子として循環液に溶けている方が有利だったと思われます。
ヘモグロビンの場合はHcと同じように血漿中に分散するとその毒性（一酸化窒素との結合）による血管収縮、心筋毒性、腎障害を引き起こすために、赤血球に収納するようになったのかもしれません。
イカ・タコの話に戻りましょう。
約5億年前にエディアカラ紀、カンブリア紀に、一枚貝に似たキンベレラやプレクトロノセラスのような祖先の軟体動物から、現在のハマグリ（二枚貝）、オウムガイやアワビ（巻き貝）イカ・タコへ分化して進化しました。貝類はすべて解放血管系であり、末梢毛細管と静脈系をもつ閉鎖循環系となったのはイカ・タコだけです。
進化の中で、貝殻のような盾を作るという防御作戦の代わりに魚類に匹敵する飛躍的な運動能力を得て生存を図るために、閉鎖循環系という酸素運搬には効率の良い循環系を獲得していった。しかし循環血液中に溶解しているHcを血球に納めるような進化圧力はなかったのかもしれません。こうして、イカ・タコは閉鎖循環系にもかかわらずHcを酸素運搬色素としているのでしょう。

参考文献
・3.8MDaの超巨大酸素運搬タンパク質Hcの結晶構造.　生化学　90：238-243（2018）
・キャンベル生物学 原書11版 2018
・「タコの身体問題」ピーター・ゴドフリー=スミス
・魚類生理学概論第5版　2000　恒星社厚生閣
・水産無脊椎動物学入門　2014　恒星社厚生閣

水中の動物たちの呼吸10

血色素のヘモグロビンとヘモシアニンについて

現在の地球上の全動物の種類を比べると、昆虫や蜘蛛、エビなどの節足動物は全動物種の85%を占めて第1位、第2位は貝やタコ、イカなどの軟体動物であり約8％を占め、脊椎動物（魚から鳥、ほ乳類まで）は5％以下です（国際自然保護連合レッドリスト2014年3月版）。節足動物のほぼ全てと軟体動物ではHcが使われ、脊椎動物ではHbです。
このように、地球全体で考えると、Hcを利用している生物の種類の方がHbを利用しているものよりもはるかに多いのです。
空気呼吸の陸上動物についてみると、軟体動物ではナメクジとカタツムリくらいしかいませんが、昆虫のような節足動物は種数も個体数も圧倒的に多いのです。これらの節足動物と軟体動物はいずれも小型の動物であり例外なく外温動物（変温動物）で省エネルギー生物です。
一方Hbを利用する脊椎動物は個体数などでは負けますが多くは大型であり、鳥類や哺乳類では内温性（恒温性）を獲得し大量にエネルギーを消費する動物となりました。
水中では、Hc動物の甲殻類（エビ、カニ、フジツボ、ミジンコなど）と軟体動物（イカ、タコ、ウミウシ、貝類など）は大いに繁栄していて、そのサイズも魚類や水生は虫類（ウミガメ、ウミヘビなど）、水生ほ乳類（クジラやイルカなど）と決して負けていません。最大のダイオウイカ（体長18m）とマッコウクジラ（20ｍ）の戦いはHc動物とHb動物が雌雄を決しようとしている数億年にわたる戦いなのでしょうか！

原初の魚類では皮膚呼吸により酸素を吸収し二酸化炭素を放出した血液をまず心臓に送ってから全身へと循環させていました。その後エラ呼吸をはじめてから、エラ単独では全身を巡った後の低酸素、高二酸化炭素の血液が心臓へ循環するようになりましたが、すぐに肺を獲得してその困難を乗り越えました（Farmerの説）。現在の魚類では肺を使っていませんが、両生類から哺乳類への進化では血液が肺を通って酸素と二酸化炭素を整えてから心臓へと流れるようになっています。
このように、脊椎動物は水棲から陸棲への進化を契機に血液が呼吸器から心臓へと流れる循環構造を獲得していますが、これは鞘型類の循環系と機能的に同様のものです。
鞘型類が選択したような、Hcを利用して、エラから酸素の豊富な血リンパを心臓へ循環させる体制というのは、水中生活にとっては、まさに改良の余地のないほど優れていたのかもしれません。その体制があまりに優れていたために、魚類で起きたような空気呼吸動物（は虫類、鳥類、ほ乳類）への進化は起きなかったのだろうか。軟体動物は進化の袋小路に入って次の段階の進化に進むことができなかったのか、あるいはもしかすると大型空気呼吸動物へと進化するには、まだ数千万年から数億年という時間が必要なだけかもしれません。

空気呼吸する軟体動物について
頭足類の祖先にまで進化を遡ると、貝類の中から陸棲で肺呼吸する有肺類（代表はナメクジ、カタツムリなど）がいます。
その中で、海岸の岩礁に生息しているカラマツガイは、外套腔での空気呼吸と鰓呼吸の両方を行っていて、有肺類の原初的動物の可能性があると考えられています。それよりも進化したカタツムリでは外套腔内に鰓がなく、外套腔の壁に血管が密に分布しているので、これが肺の働きをして空気呼吸を行なっています（これは例えば、イカの胴体の内側が肺になったようなもの）。これはカエルなどの両生類の単純な袋状の肺に似ています。しかし現在まで、有肺類が肺を獲得する機構や過程については解明されていません。


****ここからは私の空想です***
そうすると、イカやタコのような頭足類でも、その外套膜の内側にカタツムリの様な単純な肺を作って空気呼吸をする陸上動物となり、それから更に効率的な肺（哺乳類や鳥類のような）を持つ動物へと進化した可能性があるのではないか。
陸上での体型を保持する支持組織には外套膜の本来の役割である貝殻を作る遺伝子が再び働いて、石灰質の骨格を作ることができるかも。
それに、なんといっても頭足類は知的能力がかなり高い（以前のイカとタコの記事参照）ので、陸上での生存競争にも有利ではないか。
水中で生息しているときでさえ哺乳類に匹敵する知的能力を持っているのだから、陸上動物となったときに、脊椎動物・哺乳類が繁栄を謳歌しているこの世界でもその地位に取って代わるかもしれない！
まさに、春の世の夢のごとし。
**********
次回もこのあたりの話になります。
参考文献
・ブリタニカ百科事典「有肺類」より
・国際自然保護連合レッドリスト2014年3月版
・飯島 実　科研報告2008軟体動物有肺類の肺形成に関する研究
・佐々木猛智.貝類学. 1.5 頭足綱の系統と分類　東京大学出版会2010.
（Index page: http://www.um.u-tokyo.ac.jp/hp/sasaki/index.htm）
・ダナ・スターフ著　イカ4億年の生存戦略　エクスナレッジ社　2018

水中の動物たちの呼吸9

魚類と頭足類（イカ、タコ）の呼吸循環系の比較

魚のエラ呼吸と循環についてみてくると、同じ水棲動物のイカ、タコも気になります。以前タコとイカの記事に書きましたが、今回は特にイカについて少し詳しく魚と比較してみます。
イカもタコも、貝殻を作る働きを持つ外套膜が形を変えて内蔵を収める鞘のような形になったので、鞘型類（しょうけいるい）という分類名です。イカでは貝殻のなごりとして、外套膜内に柔らかな軟甲を持つものや石灰質の甲を持っています。

1．循環系
イカは3つの心臓を持っています。その１つの体心臓（systemic heart）は１つの心室と2つの心房で構成されていて、心室からは前後に大動脈が分岐して全身に血液を送り出しています。全身の毛細血管網を通って組織に酸素を供給した血液は静脈を通って左右にある2つのエラ心臓（branchial heart）に帰ってきます。エラ心臓はエラに入る静脈の一部が膨らんでポンプの機能を持つようになったもので、静脈血の血圧を高めてエラへ送ります。エラを通って酸素を結合した血液は左右の心房を通って体心臓の心室に入って、再び全身へ巡ります。
心臓と血液の酸素化はこの図のようになっています。

一方、魚では1心房1心室の心臓が1つだけです。酸素と栄養を全身の細胞に渡して、二酸化炭素を受け取った血液は心臓に戻り残った酸素をスポンジ状心筋に供給した後、エラで酸素を受け取って、また全身へと巡っていきます。一部の魚では心臓に冠動脈を持ち酸素の豊富な血液がエラから還流しています。

心臓とエラの位置関係を見ると、頭足類では血液はエラで酸素を受け取った後に心臓に流れますが、魚類では心臓からエラへと反対になっています。

2．頭足類の呼吸体制の進化
イカ・タコはコウモリダコ、アンモナイト、オウムガイとともに軟体動物の頭足類に分類されます。
古生代カンブリア紀の初期（5．4億年前）に貝殻を持つ軟体動物が出現し、その中のプレクトロノセラスが最古の頭足類とされています。

シルル紀末期にオウムガイ類が、更にデボン紀にアンモナイト類が分岐し、イカやタコの祖先の鞘型類が分枝しました。軟体動物ではエラで吸収した酸素を運ぶ血色素はヘモシアニン（Hc）です。Hcは血リンパ液といわれる循環体液中に分散していて、脊椎動物のように赤血球の中に収納されていません。
脊椎動物はカンブリア紀後期に原始魚類の顎口類があらわれ、シルル紀には硬骨魚類へと進化し、獲得した肺とエラを使いました。血色素はヘモグロビン（Hb）で赤血球の中に収められています。

このように同じ地質年代に、酸素を運ぶ血色素としてHbを用いる脊椎動物とHcを用いる無脊椎動物が出現しました。
原初の動物が誕生するとき、どのような環境や生物の体制が、鉄を含むHbあるいは銅を含むHcを選択する要因だったのでしょう、海水中の鉄と銅の濃度差？　海水中の酸素濃度？　海水温？　紫外線量？　分子の大きさ？　進化段階の差？・・・・
しかしHbを採用した魚類はシルル紀には肺を獲得してエラと肺を使うようになりましたが、Hcを選択した軟体動物たちは肺を必要としませんでした。このことは、エラと心臓が前後する位置関係とも関連するのでしょうが、Hcを利用した方がHbよりも水中の酸素の吸収と利用に有利であった可能性を示唆しているように思えます。


参考文献
・WWW.quora.com/Which-invertebrates-have-a-closed-circulatory-system
・佐々木猛智.貝類学. 1.5 頭足綱の系統と分類　東京大学出版会2010.
（Index page: http://www.um.u-tokyo.ac.jp/hp/sasaki/index.htm）
・ダナ・スターフ著　イカ4億年の生存戦略　エクスナレッジ社　2018

水中の動物たちの呼吸 ８

水生動物の循環器への酸素供給
前回は、魚類の心臓への酸素供給と肺の獲得、その後の肺から浮き袋への進化について紹介しました。　現生の魚のエラ呼吸と心筋への酸素供給についての文献や図が手に入りましたので、もう少し詳細に見てみましょう。

１．心筋の構造―哺乳類との違い
次の図のように、哺乳類では99％以上が緻密型の心筋から構成されています。心筋細胞へは心臓周囲の冠動脈を通って酸素を豊富に含んだ血液が運ばれています。
一方、ほとんどの魚類の心筋ではスポンジのように隙間の多い構造になっていて、そこを流れる血液が酸素を供給しています。その血液は全身に酸素を供給した後なので、酸素の含有量はかなり低くなっています。酸素の豊富な血液を心筋に送るための冠動脈はありません。

しかし、魚の中でも、高速遊泳をするサケやマグロ、サメなどの一部の魚や両生類と爬虫類の一部では緻密心筋が周囲を取り巻いています。そこの酸素供給は冠動脈の血流が担っています。
高速遊泳魚の冠動脈は次の図のように酸素化した血液が下鰓弓動脈から分かれて心室へ流入するので、鰓（エラ）に向かう腹大動脈の血流とは逆方向に流れています。


大型肉食魚の冠動脈と心室の解剖では、心室の大きさに比べ太い冠動脈が見られます。

２．心筋はどのようにして酸素を吸収するのか－動物達の工夫―（次の図を参照）
A　　スポンジ心筋
前記のように、ほとんどの魚とごく一部の両生類や爬虫類、ヤツメウナギやヌタウナギなどの原始的魚類が持っている構造です。この心室腔を流れる血液には酸素が少なく、激しい運動では酸素が足りなくなって、死亡することもあります。

B　　心室の内側スポンジ心筋＋外側に緻密心筋と冠動脈
高速遊泳魚や肉食魚、サメなどの酸素消費量が多い魚と、両生類と爬虫類の一部はこの構造を持っていて、心房に冠動脈を持つ魚もいます。
緻密心筋には酸素が豊富な冠動脈血が流れていますが、スポンジ心筋にはAと同じように酸素供給に制限があります。


C　　緻密心筋＋冠動脈
成人の哺乳類や鳥類では心筋の99％以上が緻密型で、発達した冠動脈から酸素の胸腔を受けています。肺で酸素化された血液がそのまま冠動脈を通るために豊富な酸素供給が可能です。

D　　緻密型とスポンジ型の混合心筋＋心筋を貫く冠動脈
「タコとイカその3」で話題としたように、タコやイカの血液はエラを通った後に心臓に流入するために酸素を十分に含んでいます。
ある種のタコではDの図のように、その心腔内の血液が混合心筋を貫く冠動脈から心筋に酸素を十分に供給しています。これはエラ呼吸をする動物の中でも特に効果的な酸素供給システムになっています。

まとめ
・魚では、ほとんどの魚種で心筋はスポンジ状であり、酸素の乏しい静脈血をスポンジ状心筋に流して酸素を吸収している。
・活動的な高速遊泳魚や肉食魚ではスポンジ状心筋の周囲を緻密心筋が取り巻いていて、そこへはエラで酸素化された血液が冠動脈を通して酸素供給している。
・軟体動物のタコはエラで酸素化した血液を心室腔内に送り、その血液は心筋壁を貫く冠動脈を通して効率的に酸素を供給している。（イカについては、不明）



魚たちはその生活行動に合わせて、心臓へ酸素を送るシステムを構成しています。
一方、同じエラ呼吸をする軟体動物のイカ・タコでは心臓の上流にエラを配置して、脊椎動物である魚や哺乳類、鳥類とは違う独特の心筋酸素化を行っています。


なお、最後の図Dでは血液を赤く書いていますが、正確にはこれは間違いです。イカとタコは酸素を運ぶ分子としてヘモグロビンではなくヘモシアニンを使っています。ヘモシアニンは酸素化により青い血液になり、酸素を放出すると透明になります。
なので、以下のような図のほうが誤解は少ないかもしれません。


次回は、軟体動物のイカについて呼吸循環をみましょう。

参考文献・URL
1．http://www.bio.miami.edu/dana/360/360F16_18.html
2．https://slideplayer.com/slide/4220271/
3．DESIGN AND PHYSIOLOGY OF THE HEART | The Coronary Circulation
A.P. Farrell, in Encyclopedia of Fish Physiology, 2011
4．http://www.bio.miami.edu/dana/360/360F16_18.html
5．Thermal tolerance in teleost fish.　 Andreas Ekström
University of Gothenburg Sweden　2017（doctoral thesis）