@ 2016.03.17 , 12:00

动物们如何度过极寒低温

北极地松鼠即使体温降到冰点以下,也依旧能够存活。

大多数动物都厌弃严寒。一旦冬天来临,许多物种就钻到地底蛰伏起来,或迁徙到气候更为温暖的低纬度地区。

然而总有一些物种不按常理出牌。它们迎着风雪,敞开毛茸茸的胸怀,连冷颤都不打一个。

直到现在,我们也没能解开这些鹅妹子嘤的耐寒生物的谜团。尤其对于某个物种(人类)而言,此举意义重大。北极地松鼠(Spermophilus parryii)是唯一已知的能耐受零度以下体温的温血哺乳动物。若能得以冰解的破,或许有助于解决人体器官冷冻运输中的受损问题。

而人体冷冻技术这一屡有争议的领域也将为之一振,那些冻在冰坨子里指盼着未来医术昌明能够重获生机的尸体,都一个个禁不住真的笑,笑出声。

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一只困在严霜中的毛蚊

零下低温对于生物而言是一项挑战,因为水变成冰,会发生体积膨胀。“动物细胞内的自由水倘若结冰的话,冰晶膨大会对细胞造成物理伤害,从而导致死亡。”哥伦布市俄亥俄州立大学的昆虫学家David Denlinger解释道。为了在零度以下生存,动物们必须找出阻止细胞内水结冰的方法。

最为人熟知的耐寒物种要数林蛙(Rana sylvatica),它们在近北极圈生存数周也毫无压力。

“一旦发生组织内结冰,耐寒生物则有特别的减少伤害的技巧,”俄亥俄州迈阿密大学低温生物生态生理学实验室的Jon Costanzo说。“我们小组最先对阿拉斯加近北极地区的林蛙进行极端耐寒实验,”他说,“它们在零下14度还能谈笑风生!”

随着温度的降低,林蛙相应地产生一种低温保护剂——阻止体内细胞结冰的物质。

这种低温保护剂,有点类似你加到汽车散热器中的防冻剂,可以降低水的冰点,从而防止结冰。

“低温保护剂的作用是降低身体的冰点,使得水的冰点远低于0℃,”Denlinger说道。当低温保护剂溶解到水里,便和水分子紧密结合,水分子都连结到这种物质上,就不再相互作用结成冰了,这就意味着水温降至零度以下也不会结冰。

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一只林蛙(Rana sylvatica)

林蛙能产生类似于防冻剂作用的尿素、葡萄糖、肝糖原,以应对零下低温。而研究者们也已证实,(抗)冷冻诱导基因负责将葡萄糖输送至细胞。

受冻的脊椎动物和昆虫体内还能产生防冻结蛋白质,其与冰晶结合,阻止冰晶的进一步长大。从植物到甲虫,均存在一种抗冻糖脂(AFGL),2014年,科学家在林蛙体内也发现了一种类似抗冻糖脂的化合物。

令人印象深刻的耐低温动物大多是无脊椎动物。从蟑螂到毛虫,一大波节肢动物都能在零下气候中生存数天。

许多这些生物都是采用低温防冻剂和抗冻蛋白质来保护自身的,Denlinger说,它们体腔内的流体冻结点(或称为过冷却点)低至零下25℃也毫不稀奇。

其中一种阿拉斯加的树皮甲虫(Cucujus clavipes puniceus),能使体内流体过冷至-50℃。不过个体之间存在极大的差异——有一些甚至能耐受-100℃。

这些超低温甲虫含有高浓度的抗冻蛋白质和防冻剂如丙三醇(甘油),即使它们身处极端环境,也不致冻成渣渣。

但这些特出的适应性改变并不能解释地松鼠的抗冻本领。北极地松鼠压根不用低温保护剂来保护它们的细胞,它们的血液里头也循不到抗冻剂的踪影。

“哺乳动物不用低温保护剂来维持血液的流动,”阿拉斯加州费尔班克斯市北极生物研究所的Brian Barnes说。他曾研究北极地松鼠的冬眠习性长达20年。说起来它们可完全是另外一回事。

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北极地松鼠(Spermophilus parryii)

南极摇蚊(Belgica antarctica)则另有一套对抗严寒的方法。“它们既不产生低温保护剂也不产生抗冻蛋白质,”Denlinger说,“而只是通过简单地去除体内的水分。”

许多昆虫在损失20%~30%水的情况下也能存活,而南极摇蚊即使脱除70%的水也安然无虞,他说。脱去自身的水分后,南极摇蚊就能在零下20℃的环境中浮泛冰雪了。

受到冻结后,它们的新陈代谢就中止了,看起来也没有生命迹象。“似乎脱除这么多的水,它们已经死翘翘了,”Denlinger说,“但这时如果你再洒点儿水上去,它们立刻又变得Q弹爽滑一脸轻松了。”

“摇蚊具有防冻性脱水的能力,”Shin Goto说。他在日本大阪市立大学研究动物生理学。他解释道,当摇蚊身处在冰天雪地,周围的冰能从它高渗透性的身体中把水汲走,从而防止娇弱的组织中任何结冰的可能。

脱水是一个防止结冰的有效方法——没有水,就不会结冰。但是在这种脱水程度下,哺乳动物恐怕是活不成了。防冻性脱水无疑解释不了北极地松鼠超强的耐寒能力。

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冰晶具有毁灭性

阻遏并不是对抗冻结的唯一途径。譬如林蛙和其他一些耐寒动物,反而通过产生所谓的成核剂来促进结冰。

虽然有悖常理,不过成核物质在合适的地方生成却能够保证结冰发生在细胞间而不是在胞内。这种“胞外结冰”的伤害要小得多,因为细胞内的精密结构远离了锐利的冰晶。

成核剂可以是任何物质:一撮尘埃或是一粒细菌,在耐寒生物体中,它们也可以是蛋白质或脂肪,不过科学家尚未在实验室分离出这些天然成核剂。

“这些成核剂是冰的拟态分子,”Barnes说。它们与冰晶具有相同结构,使得它们在冰晶生长过程中起到种子的作用,林蛙体内含有成核蛋白质,而在昆虫、软体动物甚至植物中也发现了成核剂。

当受冻时,林蛙和其他耐寒脊椎动物就发生宕机——它们没有心跳也不呼吸。这些动物不但要适应身体里结的冰,还得为在缺氧条件下生存铆劲。

幼年中部锦龟(Chrysemys picta marginata)应对低温缺氧状态的一个手段就是生成抗氧化物和含铁蛋白质。一项2015年的研究证实,南极摇蚊在缺氧条件下具有同样的防御机制,其幼虫会提高抗氧化物的表达。

但是诸如防冻性脱水、成核剂都不是地松鼠的策略,像是南极摇蚊这类无脊椎动物,抑或是林蛙这类冷血动物,均进化出了耐受体内结冰的机制,但这对于哺乳动物根本不适用。(有完没完?)

事实上,不存在成核物是地松鼠超绝的耐寒能力的关键。

“北极地松鼠在冬眠前将体内的成核物排个一干二净,”Barnes说。虽然确切机制仍是个谜,但Barnes的研究表明,地松鼠通过产生一种蒙囿剂来实现以上目的,它在可能结冰以前使成核物失效。

“北极地松鼠在体温低至零下3℃仍能生存,它们也不会被冻结,”他解释说。“它们体内的流体呈一种‘过冷’状态”。

由于失去了有效的成核剂诱发冰晶的形成,地松鼠体内的水便无法冻结。

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北极地松鼠

不论应对零下体温的策略是什么,这项生理绝技带来的压力是显而易见的。许多耐寒物种一年玩一把就已血槽放空。在春天进行的实验中,林蛙只能耐受-5℃,但它们在秋天时的状态仍然无匹。

“我们不是很明白为什么它们的耐寒能力会在春天骤降,可能跟组织内低温保护剂的产生能力有关,”Costanzo说,“葡萄糖和尿素这两种主要的低温保护剂在入春的林蛙体内浓度很低”——人工冷冻试验中,这些林蛙也更容易受到伤害。

这或是一个常见的问题。对四种耐寒青蛙的实验结论表明,它们的耐寒能力在春天时均大打折扣,而这与低温保护剂的产生存在一定的关联。

事实上,大多数耐寒生物得益于寒冬来临前短时期的风土驯化。气温骤降,即使最硬扎的物种也扛不住。

伊莎贝拉虎蛾(Pyrrharctia isabella)生活在北极圈,它们产下的毛毛虫能在零下20℃生存,其体内的流体能过冷至-10℃。这些毛虫,经过12周的风土驯化,将体内流体温度提升至2℃左右,从而有时间产生丙三醇、脯胺酸和氨基酸等低温保护剂。

北极地松鼠更擅于对抗寒冬的风雪。“相比夏天时抽取的血样,从冬眠动物抽取的血样能过冷至更低的温度,”Barnes说,不过这一机理至今也没搞清楚。

他猜测可能与地松鼠诸多季节性变化有关。“我们目前在研究它们如何计算冬眠周期。”他说这取决于大脑内置的“日历”,为寒冬时的生理变化掐准时间。

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一只觅食的北极地松鼠

在最为寒冷的地区,动物们进化出了对抗恶劣天气的方法。了解这些方法有助于我们发展人体器官冷冻技术,以便于保存运输。另外,了解它们的冷冻机制或是实现人类冻存的关键。

目前,器官运输采取的是冷藏而非冷冻。这意味着那些器官只能存活数小时,一副匡救人命的器官,却并不能总是及时送达。通过冷冻来提高存活率不啻器官运输的重大革命。而北极地松鼠等耐寒动物则掌握着打开这扇大门的钥匙。

事实上,对耐寒的研究已颇有成果。

鉴定鱼类和昆虫的抗冻蛋白质是提高冷冻保存技术的明确目标。2005年,一个来自加州大学、伯克利大学和以色列舍巴医学中心的研究小组成功利用从南极鱼类中提取的抗冻蛋白质冷冻和保存大鼠心脏长达21小时。这些心脏随后被移植给受体大鼠,它们又继续跳动了至少24小时。

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冷冻储藏时云遮雾绕

人体组织保存公司现在正在调研,哪一种昆虫的抗冻蛋白质更为高效,有潜力用作保存人体器官的低温保护剂。

相比于北极地松鼠,我们从昆虫和青蛙那里学来的冷冻技术简直相形见绌。冷冻一只昆虫或两栖动物是一回事,而要成功冻存人体细胞,我们就需要搞懂温血动物譬如地松鼠是如何对抗零下温度的。

倘若我们证实了地松鼠是如何清除成核剂的,将之应用于人类,则过冷的细胞和器官中就不会再形成冰晶。

也有人希望冷冻技术有朝一日能保存完整的人体。事实上,基于我们所掌握的耐寒动物的保护机制,人体冷冻法业已开端。

譬如,一些人体冷冻公司将尸体脱水,使用丙三醇或二甲基亚砜的溶液来取代血液,最后将其深度冷冻,藉此希望不致伤害到人体组织,或在将来复生。

但即使最赛雷的动物也只能对抗-50℃,远远不及完整人体深度冷冻所需要的温度。

Shin Goto看到了昆虫的低温保护剂和抗冻蛋白质对于提高人体细胞、组织和器官的保存技术的潜力。但他怀疑的是我们是否有能力冷冻和解冻完整的人体。“人的体型过大,无法进行冷冻和解冻,” 他说。

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我们可以保存人体器官

David Denlinger表示同意,他说:“我觉得这不太可能,但我对冷冻和解冻人体组织倒是持有希望。”他补充说,南极摇蚊防冻性脱水对于“人体器官保存领域意义非凡”。
如果我们真正理解了(摇蚊)是如何做到的,我们就能够将这些机制用于保存人体组织和器官,”他说。

对耐寒的鱼类、蛙类以及昆虫三十多年的研究教给我们许多在零度以下的低温下生存的方法。不过仍有许多值得探寻的地方。

北极地松鼠,唯一能长时间耐零下低温的哺乳动物,或许能给以我们人体组织零下低温稳妥的保存方法。说不定有那么一天,唤醒你的不是王子而是一只松鼠。

本文译自 BBC,由译者 放学回家 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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