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天再冷怎么也冻不死的动物们

人类如果没有衣服,恐怕只能在温热带生活。你看现在的灵长类动物,大多数生活在南北回归线之间的地方。但大多数动物都不喜欢寒冷。当冬季到来的时候,能飞的、能跑的,就迁徙到低纬度、更加温暖的地方。不能迁徙的,依靠厚厚的脂肪和皮毛,可以在寒冷的地方过冬,或躲在地下冬眠。

不过,也有少数动物不按常理出牌,它们“定居”于极地,在寒冷面前应对自如,即使体温跌到了零下,它们连冷颤都不打一个。

科学家知道,如果体温低于0℃,这对于任何动物来说都是一项严峻的挑战,水在零下很容易结冰,然后发生体积膨胀。倘若动物细胞内自由流动的水结冰的话,那么冰晶膨大会撑破细胞,从而导致动物死亡。所以,为了在零度以下生存,耐寒动物必定具备能够减少冰晶伤害的特殊技巧。科学家希望能解开那些耐寒动物的抗冻技巧,这不仅有助于解决人体器官冷冻移植中的受损问题,甚至还能够延长人类的平均寿命,目前已有一些患有绝症的人将自己的身体冷冻起来,等到未来医疗水平更加先进的时候再起死回生,但将来能否正常地活过来,现在谁都不敢说,科学家只是在加快这方面的研究。

自产防冻液的动物

科学家首先将目光投向了最为人熟知的耐寒动物——木蛙。在阿拉斯加寒冷的北极地区,小小的木蛙即使体温下降到-14℃, 仍然能够健康地度过严冬。科学家发现,木蛙之所以能有这么神奇的抗寒能力,主要是由于体内能够生产高浓度的“低温保护剂”。这种“低温保护剂”由尿素、葡萄糖、肝糖原组成,可以阻止体内细胞结冰。这有点类似于汽车防冻液,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,以至于体液降至零度以下也不会结冰。

许多无脊椎动物也拥有强大的耐寒能力。从蟑螂到毛虫,许多节肢动物都能忍受数天0℃以下的严寒。这些动物除了拥有“低温保护剂”,还有一种叫做“抗冻蛋白质”的法宝,这种蛋白质喜欢和冰晶联结在一起,可以防止冰晶进一步长大。在双重保护下,节肢动物的体液的结冰点通常都低于-25℃。比如,阿拉斯加有一种树皮甲虫,根据个体的差异,其体液的结冰点可以低于-50℃到-100℃不等。这些超级耐寒的甲虫体内含有大量“抗冻蛋白质”,以及甘油之类的“低温保护剂”,这能让它们即使在极端严寒的条件下,也能最大限度地减少冰的形成。

防冻另有高招

在寒冷的南极,南极蠓(一种生活在南极半岛的没有翅膀的蚊子)可以忍受-20℃的低体温,可它们既不生产“低温保护剂”也不生产“抗冻蛋白质”,它们的方法是将体内的水排出体外。大多数昆虫最多只能失去体内20%~30%的水,但南极蠓失去70%的水后仍能存活。当南极蠓身处在冰天雪地时,由于南极蠓的身体具有高渗透性,体内的水会扩散到体外,从而防止它们脆弱的组织内部结冰,毕竟没有了水,也就不可能有冰了。当然,在失水的同时,南极蠓的新陈代谢也会停止,看上去就像死亡了一样。但如果你给它加了点水,它很快就会“复活”。

不过,预防结冰并不是动物抗冻的唯一方法。木蛙和其它耐寒动物还采取了另一种手段,即生产一种名叫“冰核促进剂”的物质,该物质和冰晶有着类似的结构,就像种子一样,可以方便冰晶的形成,促进冰的生长。虽然这看上去有悖常理,但如果“冰核促进剂”能够保证结冰发生在细胞之间而不是在细胞之内的话,那么这种“细胞外的冰晶”造成的伤害要小得多,因为尖利的冰晶不会伤害到细胞内部精密而脆弱的结构。

“冰核促进剂”可以是任何物质,比如一小粒灰尘,甚至一个细菌。而在耐寒动物的体内,“冰核促进剂”应该是蛋白质或者脂肪——科学家目前还没有在实验室中分离出这些物质,因而无法确定其成分。不过,木蛙等动物的身体一旦开始结冰(即使是相对安全的“细胞外结冰”)时,它们也不得不关闭自己的生命系统,停止心跳和呼吸。因此,除了适应体内结冰之外,这些耐寒动物还进化出了在缺氧条件下生存的能力。比如,在遇到低温时,刚孵化出的锦龟会产生一种抗氧化剂和蛋白质,同样,脱水的南极蠓也会采取类似的机制来解决缺氧问题:南极蠓的幼虫在冷冻状态下,体内的抗氧化剂的含量也会升高。

无法破解的秘招

但有些哺乳动物没被发现有什么抗冻妙招,也依然抗冻。

在温血的哺乳动物中间,存在一种耐寒的能手——北极地松鼠,它是唯一已知的能耐受零度以下体温的哺乳动物,冬眠时体温长期可以保持在-3℃。然而,诸如防冻性脱水、分泌“冰核促进剂”等方法显然不是哺乳动物可以使用的策略,而科学家也没有在北极地松鼠体内检测到任何“低温保护剂”的成分,这种松鼠为何抗冻的机制目前还是一个谜题。

科学家猜测,北极地松鼠可能也是通过预防结冰来提升耐寒能力的。在进入冬眠前,北极地松鼠可能会生产一种叫做“掩蔽剂”的物质,将体内可能成为冰核的物质清理干净。既然北极地松鼠体内缺乏冰核,无法触发冰晶形成,那么北极地松鼠体内的水自然也就无法结冰了。

不论应对零下体温的策略是什么,这项生理绝技对身体带来的压力是巨大的,大多数耐寒动物一年只能“玩”一次。比如,在春天的时候,木蛙的耐寒能力会骤降,最多忍受-5℃的低温,北极地松鼠也有类似的现象——它们只是在冬天更耐寒。所以,动物的耐寒能力显然又和生物钟有千丝万缕的联系。可见,人类想发展人体器官冷冻技术,需要学习的知识还多着呢。

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