鲎的蓝色血液为何能守护药品安全

鲎是什么——4亿年来外形几乎未变的“活化石”

从“鲎”这个名字和圆圆的甲壳来看，很多人会以为它是虾蟹的同类，但在分类学上它其实完全属于另一个类群。它不属于甲壳类，而是属于螯肢亚门，与蜘蛛、蝎子更为接近。其学名为 Tachypleus tridentatus。它的身体由三个部分构成：头胸部的圆形甲壳、腹部较小的甲壳，以及占体长近一半的长长尾剑，结构十分简单。这根又长又尖的尾剑并非毒针，而是内部布满肌肉与神经、可自由活动的器官。当被海浪冲翻时，鲎会借助尾剑支撑身体翻正过来；此外，尾剑在钻入沙中和倒退游泳时用于掌握方向，是它生存中不可或缺的工具。

几乎保持祖先原貌延续至今

鲎类同类的化石可追溯至古生代，而与现存鲎外形几乎相同的化石也在中生代地层中被发现。虽然不同研究者对年代的估计存在差异，但普遍认为，早在恐龙出现在地球之前，鲎就已在几乎没有明显形态变化的情况下延续生命至今，是“活化石”的代表性生物之一。在两栖类、恐龙以及众多海洋生物相继出现又灭绝的漫长岁月中，鲎几乎以相同的姿态延续了下来。

兼具复眼与单眼的独特视觉

鲎甲壳的左右两侧各有一只类似蜻蜓的复眼，身体中央附近还长有数个小小的单眼，加起来共有若干感光器官，据认为即使在昏暗的滩涂或浑浊的海水中，也能借此辨认同伴与障碍物。这种复眼在视觉研究中也具有重要意义：1967年诺贝尔生理学或医学奖授予了“关于视觉中初级生理与化学过程的发现”，获奖者之一哈特兰正是通过使用鲎复眼进行的实验取得了这一成就。

全世界仅有4个种类的同类

被称为“鲎”的同类，其实全世界仅确认有4个物种。分布于北美东岸及尤卡坦半岛的美洲鲎(Limulus polyphemus)；广泛分布于日本濑户内海、北九州至台湾、中国大陆沿岸及东南亚的中国鲎(Tachypleus tridentatus)；栖息于孟加拉湾及东南亚的圆尾蝎鲎(Tachypleus gigas)；以及同样分布于东南亚的南方鲎(Tachypleus rotundicauda)。在这4个物种中，日本产的种类一直被特别重视，是制作药品检测用LAL试剂的重要原料来源。

用如书页般的鳃呼吸

掀开鲎腹部的甲壳，可以看到5对形似书页层叠的器官。这是被称为鳃脚的附肢，其内部收纳着薄薄层叠、形状恰似书页的鳃，称为“书鳃”。这种结构能大幅增加表面积，从而高效吸收滩涂水中的氧气。刚孵化的幼体会活跃地摆动这些鳃脚，仰泳于近海面处，并通过左右摆动尾剑来掌握方向；但成长为背负沉重甲壳的成体后，几乎就不再游泳了。

没有下颚、用脚进食的特殊食性

鲎既没有牙齿也没有下颚。它们钻入滩涂的泥沙中，主要以双壳贝类和沙蚕等环节动物为食，但在将猎物送入口中之前，会先用步足基部的棘状突起像下颚一样咬合，将猎物压碎。碾碎后的食物再被送入位于身体中央的小口中。3岁以后它们会偏好食用沙蚕类，此外也会吃贝类、海胆、浒苔等海藻，属于偏肉食性的杂食动物。依靠坚硬的甲壳与长长的尾剑保护自己，在滩涂的泥中静静爬行觅食——这就是鲎的日常生活。

血液呈蓝色的原因——含铜蛋白血蓝蛋白

包括人类在内的脊椎动物血液之所以是红色，是因为负责运送氧气的蛋白质血红蛋白中含有铁。铁与氧结合后会呈现红色。而鲎的血液中溶解的不是血红蛋白，而是血蓝蛋白——一种不含铁、而是含铜的色素蛋白。铜与氧结合后会带上蓝色，因此鲎的血液呈现出近乎透明的蓝色。

红血与蓝血，运送氧气机制的差异

血红蛋白被封闭在名为红细胞的专用细胞中发挥作用，而血蓝蛋白则直接溶解在血液(体液)中运送氧气。若单纯比较效率，血红蛋白更胜一筹，但拥有血蓝蛋白的生物其实广泛存在，如章鱼、乌贼以及众多甲壳类动物，这被认为是在进化过程中独立获得多次的机制。正是这种在鲎体内流淌的蓝色血液，引出了下一章将要介绍的医学发现。

拥有血蓝蛋白的不只是鲎

以铜为基础的蓝色血液其实并非鲎独有的特殊能力。章鱼、乌贼等头足类，以及虾、蟹、螺类的同类中，也广泛存在因血蓝蛋白而使血液(体液)带蓝色的物种。若有机会在水族馆近距离观察章鱼或乌贼，不妨想一想它们体内同样流淌着蓝色的血液。不过，目前唯一进化出足以用于药品检测的敏锐凝固反应的，仍只有鲎这一类群。

另一个特征——开放式循环系统

鲎的循环系统还有一个特点。它不像人类那样拥有遍布全身各处的血管构成的“闭锁式循环系统”，而是采用“开放式循环系统”——血液一度流入体腔，直接浸润组织后再返回心脏。这种许多无脊椎动物共有的结构，使血液与体内组织广泛直接接触，也因此更容易暴露于外来入侵的细菌之中。正因如此，鲎才需要一种血液本身能够瞬间凝固、封闭伤口的强力防御反应。

守护生命的凝固反应——鲎试验的诞生过程

鲎的血液除了运送氧气之外，还具备另一项惊人的特性：只要接触到细菌所含的内毒素物质，哪怕极其微量，血液也会立刻凝固成胶状。发现这一现象的是美国病理学家弗雷德里克·邦。邦是约翰斯·霍普金斯大学的研究者，每逢夏季便会前往马萨诸塞州伍兹霍尔的海洋生物学实验室(MBL)，研究鲎的循环系统。1956年，他饲养的一只鲎因不明感染而死亡，他发现其血液几乎全部凝固成了胶状——这正是这一发现的契机。此后的研究在1964年确认，引发这一反应的正是内毒素本身。

变形细胞引发的伤口封闭连锁反应

鲎的血液中漂浮着一种名为变形细胞的血细胞。由于前一章提到的开放式循环系统结构，一旦细菌从伤口随海水侵入，便容易扩散至全身血液，但变形细胞一旦感知到内毒素，便会立即启动酶的连锁反应(级联反应)，使血液本身凝胶化以封闭伤口，防止细菌入侵与扩散。这是不具备人类那样高度获得性免疫系统的鲎，自远古以来所具备的自我防御机制。

1977年，成为药品检测的国际标准

将这一反应加以人工利用的，正是鲎试验(LAL试验)，其名称来源于鲎的学名 Limulus。该方法利用变形细胞的溶解物(裂解物)作为试剂，用来检测注射药、疫苗中是否混入内毒素。在邦的发现基础上，血液学家杰克·莱文于20世纪60年代确立了LAL试验方法；美国食品药品监督管理局(FDA)于1973年认可其有效性，并于1977年正式批准将其用于药品质量检测。相较于此前主流的、实际注射兔子并观察是否发热的方法，这一方法在速度、灵敏度以及动物福利方面都更具优势，因而迅速在全世界普及开来。

从有无凝胶到用数值读取浓度的检测

最基础的检测方法是“凝胶法”：将混合了试剂与样本的试管倾斜，用肉眼确认内容物是否凝固成胶状。如今除此之外，还广泛采用“比浊法”“比色法”等定量方法，通过仪器测量反应产生的浑浊度或呈色强度，将内毒素浓度读取为更精确的数值。这些方法会根据检测目的与所需精度加以区分使用。

支撑药品、疫苗、医疗器械安全的机制

内毒素并非细菌本身，而是细菌细胞壁中含有的成分。即便通过加热灭菌杀死了细菌本身，内毒素也可能不会分解而残留下来，一旦进入人体，就有引发发热或休克症状的风险。正因如此，在最终产品阶段，不仅要确认细菌已被杀灭，还必须检测内毒素本身是否混入。鲎试验不仅广泛用于注射药、点滴液、疫苗，也用于人工关节、心脏起搏器、导管等植入体内的医疗器械的检测。

几乎覆盖全世界的注射药与医疗器械

如今，全球流通的注射药、疫苗几乎全部，以及植入或嵌入体内的心脏起搏器、人工血管、支架等医疗器械也几乎全部，都被要求在出厂前通过内毒素检测。据称仅一家行业龙头企业，就承担了全球注射药与植入型医疗器械检测中过半的份额，可见我们在医院、药店随手接过的药品背后，源自鲎的技术其实比想象中渗透得更广。

若疏于检测会发生什么

在鲎试验出现之前，注射药的安全性是通过“热原试验”来确认的，即实际给兔子注射后观察体温变化。这种方法每只动物的检测都很耗时，对微量内毒素的灵敏度也不及鲎试验。倘若疏于检测便出厂的注射药中混入了内毒素，接受注射的患者可能出现发热、血压下降，严重时甚至可能出现类似脓毒性休克的症状。拥有一种能在出厂前确实检测出这种肉眼看不见、加热也无法消除的毒素的机制，正是支撑现代注射医疗的重要前提。此外，使用兔子进行的热原试验需要数天才能出结果，而鲎试验即便采用凝胶法，通常也只需数十分钟到数小时便可得出结果，这对于不停产就能完成检测、支持药品大量生产的生产现场而言，同样具有重要意义。

日本的LAL试剂事业——生化学工业的历程

在日本，自20世纪70年代后期起，制药企业便开始推进高灵敏度、定量化的鲎试验方法研发。日本国内采集的是近缘物种中国鲎(Tachypleus tridentatus)，而长期从事以其血细胞制成的LAL试剂研究与生产的企业之一，便是生化学工业株式会社。近年来，为应对鲎种群数量减少这一课题，该公司也在推进通过基因重组技术再现血液凝固相关蛋白质的研究。

采血的代价——美国的捕捞与对种群的影响

制作鲎试验试剂需要从活体鲎身上采血。在美国，采血对象主要是分布于大西洋沿岸的美洲鲎(Limulus polyphemus)，负责资源管理的大西洋各州海洋渔业委员会(ASMFC)将生物医学用途的年度捕捞配额定为约20万只。被捕获的鲎在被采集部分血液后，会被放归大海。采血本身并非致命处置，但被抽取约三成体液所带来的负担并不小。

独立研究揭示的死亡率与对候鸟的影响

行业方面称采血后的存活率约为85%(即死亡率约15%)，但对放归后的鲎进行追踪调查的独立研究显示，被采血个体的死亡率约为15%〜30%，明显高于未采血个体的死亡率(约数个百分点)。之所以出现评估上的分歧，是因为采血带来的应激性延迟死亡，以及对产卵行为的影响，在调查当时往往难以被完全捕捉到。

鲎的卵对候鸟而言也是不可或缺的营养来源。在北美东海岸的特拉华湾，从南美迁徙至北极圈途中的红腹滨鹬(Red Knot)会在春季短暂停留，大量取食产在沙滩上的鲎卵，使体重几乎增加一倍，为长途迁徙做好准备。红腹滨鹬的北美亚种(rufa)据称在20世纪80年代至21世纪初期间数量减少了约75%，鲎的过度捕捞及产卵地环境变化被认为是原因之一。基于这一情况，目前已实施禁止捕捞雌性、仅限捕捞雄性等措施，力求兼顾资源管理与生态系统保护。值得一提的是，日本国内并没有像美国那样大规模地采集野生个体作为药用LAL试剂原料，日本鲎所面临的最大威胁，与其说是采血，不如说是下一章将提到的栖息地本身的丧失。

此外，鲎除了用于药品检测外，也被用作鳗鱼及海螺(法螺)捕捞的诱饵，生物医学用途与渔业用途这两种需求同时施加在同一资源之上。资源管理部门对两种用途合计的捕捞量设有上限，并每年评估种群状况后调整配额，采取审慎的管理方式。

让采血本身更安全的努力

为了尽可能降低死亡率，资源管理部门为从事生物医学用途的业者制定了鲎处理方法的相关指南。其中具体规定了：尽量缩短从捕获、采血到放归大海的时间；避免阳光直射与高温，防止体液干燥；将采血量控制在与体重相应的一定范围内等。业者也依据这些指南不断改进作业流程。这些看似朴素的技术努力，正是为了让被借用血液的对象能够尽可能长久地存活并被放归。

鲎的血液是我们为守护药品而向野生世界借用的资源，并非取之不尽。

— 摘自美国保护研究者的相关论述

合成替代品rFC的出现，以及普及缓慢的原因

近年来作为减轻野生种群负担的技术而备受关注的，是名为重组C因子(rFC)的合成试剂。该技术锁定鲎血液凝固反应核心的酶前体“C因子”基因，在不使用动物源血液的情况下以人工方式生产，多项研究已确认其在内毒素检测方面的性能与天然LAL试剂相当。

美国药典(USP)正式认可的新章节

美国药典(USP)专家委员会决定将采用rFC的内毒素检测方法收录为正式章节，使这种合成试剂与天然LAL试剂成为地位相当的可选方案。已有部分大型制药企业将rFC引入生产流程，从行业整体来看，天然试剂的使用量有望大幅减少。

美国大型药企率先采用的实例

作为实际推进切换的案例，制药巨头礼来公司自2016年起开始引入rFC检测；2018年美国食品药品监督管理局(FDA)批准的偏头痛预防药“Emgality”，成为首个未经天然LAL检测、而是通过rFC检测出厂的FDA批准药物。随着这类具体成果的不断积累，rFC正逐渐从“可用的替代品”转变为“实际被采用的标准”。日本药典中也设有内毒素检测项目，长期以来一直采用天然LAL试剂的方法，但随着国际药典之间协调统一的推进，日本制药业界向rFC切换的可能性预计也会逐渐扩大。

不受活体数量左右的优势

除了不依赖野生鲎之外，rFC在实务上还有其他优势。天然LAL试剂容易因鲎的捕获时期及个体差异而导致品质出现波动，而rFC通过基因重组技术由培养细胞生产，理论上可随时以稳定的品质获得所需数量。即便野生种群因气候变化或过度捕捞而出现波动，检测试剂的稳定供应——这一对制药行业而言攸关生死的问题——也有可能因此摆脱对生物资源增减的依赖，这对产业界而言同样是不可忽视的优势。

普及仍然缓慢的原因

另一方面，LAL试验长期作为行业标准已深入人心、各监管机构的审批框架各不相同、以及切换所伴随的重新验证成本等因素，成为阻碍rFC推广的壁垒，使得整个行业向rFC的转移进展缓慢。天然LAL试剂凭借多年积累的实绩，深受监管机构信赖，业界对大幅改变现有生产线与质量管理流程仍抱有根深蒂固的谨慎态度。即便一项旨在保护鲎这一单一物种的技术已经实现实用化，要将其真正推广到社会层面，仍横亘着制度与商业惯例这一另一重壁垒。

日本的鲎——濑户内海与北九州残存的产卵地

在日本国内，鲎的栖息范围仅限于濑户内海沿岸(兵库县、冈山县、广岛县、山口县、德岛县、香川县、爱媛县等)以及北九州的部分地区。它曾经在各地海岸都能见到，但近年来栖息地已大幅缩减。

栖息地为何逐渐消失

鲎要生存下去，需要同时具备两种环境：作为产卵场的浅滩沙地，以及供幼体成长的滩涂。然而自经济高速增长期以来，沿海地区的填海造地以及港湾、护岸工程的推进，使得这类浅滩海岸线在各地相继消失。此外，水质污染以及作为幼体藏身之所的藻场减少，也叠加造成影响，使适宜产卵的地区如今仅剩濑户内海部分区域及北九州曾根滩涂周边等有限地点。

产卵在夏季大潮之夜进行

鲎的产卵在7〜8月的大潮满潮时进行。雌鲎会在沙滩上挖洞，一处产下约500〜600颗卵，如此重复数次至约10次。刚产下的卵直径约3毫米，到约50天后孵化时，已成长至直径约6毫米。孵化后的幼体主要以滩涂为成长场所，通过反复蜕皮逐渐长成成体。

长成成体需十余年，蜕皮10次以上

关于长成成体所需的蜕皮次数与年数，不同调查的数值存在差异。但各项调查的共同结论是：鲎需要经过十年以上、蜕皮10次以上，才能长到足以产卵的体型，是一种成长极为缓慢的生物。唯有作为产卵场的沙滩与作为幼体成长场所的滩涂长期得到保存，生命才能延续至下一代。鲎的寿命据称约为20年左右，长成成体后每年仍会反复产卵，用漫长的时间延续生命。

部分地区也可观察夏夜产卵景象

在部分靠近鲎产卵地的自治体，会配合夏季大潮的时期举办观察活动，让居民与游客近距离观看产卵过程。平日安静栖息在滩涂泥中的鲎，仿佛受到月亮引力的指引般齐聚浅滩，在沙滩上产卵——这一景象正是感受这种生物生活史的宝贵机会。参加当地博物馆或环境学习设施举办的活动，也是亲身感受滩涂生态系统的一种方式。

就滩涂生物之间的联系而言，潮间带(潮池)生物图鉴与被称为“海洋摇篮”的红树林，同样都是与鲎一样依赖浅滩沿岸环境而存续的生态系统。一并阅读，可以更深切地体会到日本沿岸环境孕育着何等丰富多样的生命。

作为濒危物种的现状，以及冈山县笠冈市的保护活动

受栖息地减少与种群数量急剧下降的影响，鲎已被列入日本环境省红色名录(2020年)中灭绝风险最高的类别之一——濒危I级(CR+EN)。这种曾经在各地海岸随处可见的生物，如今已沦落到只能在有限的滩涂上产卵的境地。

国家指定天然纪念物“鲎繁殖地”

在此背景下，面向冈山县笠冈市神岛水道的滩涂，已被指定为国家天然纪念物“鲎繁殖地”。该市于2003年制定了“鲎保护条例”，对繁殖地内挖掘海蟳、赶海等扰乱栖息环境的行为加以限制。与此同时，世界上唯一一家鲎专题博物馆——笠冈市立鲎博物馆，也承担着生态展示、调查研究以及普及保护理念的职责。

通过幼体饲养与放流恢复种群数量的尝试

笠冈市立鲎博物馆将卵孵化后的幼体在馆内大量饲养，在其最容易遭天敌捕食、存活率较低的幼年阶段以人工方式加以扶持，之后再放流至天然纪念物繁殖地内。对于需要经过漫长岁月才能长成成体的鲎而言，这类脚踏实地的保护活动，对提升种群数量而言不可或缺。

调查与环境教育支撑保护工作

统计前来产卵的鲎配对数量的实地调查，以及面向当地学校开展的环境教育项目，同样是保护活动的重要组成部分。鲎也是反映滩涂生态系统是否健康的指标生物，长期记录其数量，也有助于把握滩涂环境整体的变化。在北九州市曾根滩涂等其他产卵地，同样由居民与非营利组织持续开展着观察与保护活动。

从濒危物种保护的角度来看，这与海龟的一生与保护一文中介绍的产卵地保护举措有诸多共通之处，如何在沿岸开发与珍稀物种保护之间取得平衡，是海洋生物普遍面临的共同课题。

结语——连接活化石与现代医疗的细线

早在恐龙出现在地球之前就几乎未改变形态、延续生命至今的鲎，如今正以现代医疗这一意想不到的形式支撑着人类。与其一味依赖它的蓝色血液，不如同步推进向合成替代品的转变以及栖息地的保护，这才是连接这一“活化石”与持续受益于它的我们自身未来的道路。

当我们在医院接受注射时，其安全性的一部分，正是由生活在遥远滩涂或海岸的鲎这一种生物所支撑的。医疗技术带来的恩惠，与这项技术所依赖的野生生物的保护，是无法割裂开来看待的同一个问题。鲎的蓝色血液的故事，再次提醒我们：人类的生活正建立在自然界种种意想不到的机制之上。