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漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

来源:光明网-科普中国

  冬天一到,气温跌破零度,土壤里、树皮下、冻结的池塘底泥中,无数生命都要面对同一件事——水要结冰了。纯水在标准大气压下0℃结冰,这就是“冰点”。

  不过,生物的体液不是纯水,溶解着盐类、糖类、蛋白质等溶质,冰点天然就略低于0℃;许多生物正是通过提高溶质浓度进一步压低体液的冰点,让体内的水在零下仍保持液态,从而安全度过寒冬。

漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

  但对另一些生物而言,真正决定生死的不是冰点高低,而是三个更具体的问题:冰什么时候结、结在哪个部位、能长多大。

  一、生物应对冰点的有趣方案

  1.木蛙:主动请冰进门

  北美木蛙主动把冰请进身体,只让冰结在安全的位置。冬季它能在约零下4℃中冻成“冰块”,心脏停跳、呼吸停止,身体总水量的65%结成冰,如此两周以上仍能存活,春天回暖后再化冻复苏。

  它的血液中存在冰核蛋白(ice nucleating proteins),功能不是抗冻,而为,而是促进结冰——在指定的时间和地点为结冰提供“种子”,让冰在细胞之间、器官外围缓慢生长,而不是在细胞内部骤然成核。与此同时,木蛙的肝脏把糖原转为葡萄糖渗入细胞,提高胞内溶质浓度,使细胞在冰晶抽水时不致过度皱缩。冰由此成了保护结构,把器官裹在冰壳里过冬。

漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

  2.昆虫的两套赌局:推迟结冰,还是安排结冰

  昆虫面对冰点,演化出两套几乎对立的策略。第一套是“竭力推迟结冰”,门槛是“过冷却点”——液体最终自发结冰的温度。许多越冬昆虫合成大量甘油把过冷却点大幅压低:甘油若能把冰点降5℃,过冷却点可压低约10℃。

  阿拉斯加的红扁甲幼虫靠高浓度甘油、排出水分和抗冻蛋白,能把体液过冷却到零下五十摄氏度左右。但过冷却只是高风险的亚稳状态,一旦偶然出现冰核,冰晶在细胞内骤然形成,昆虫随即死亡。

漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

  第二套是“指定结冰”。北美一枝黄花瘿实蝇(Eurosta solidaginis)的幼虫躲在茎瘿里越冬,冰核蛋白让冰先在细胞之间形成,体内大半的水结成冰,细胞也安然无恙,来春照常化蛹羽化。前者尽量不让冰出现,后者干脆替冰指定位置。

  3.南极鱼与北极地松鼠:同是抗冻,路径不同

  南极海水因含盐,冰点约为零下1.9℃;南极鱼类靠溶质只能把血液冰点降到约零下1℃,本该结冰。它们依赖的是抗冻糖蛋白——这类分子吸附到微小冰晶的特定晶面上,阻止冰晶继续长大,把冰晶的大小限制在无害范围内。

  哺乳动物中,北极地松鼠冬眠时核心体温可降至零下2.9℃而不结冰,还能自发苏醒;其血浆溶质浓度正常,也检测不到抗冻分子,说明其过冷却可能依赖消除冰核的机制与代谢抑制,目前尚未完全弄清。

  4.雪莲与冬小麦:提前备好抗冻配方

  天山雪线附近的雪莲,细胞内积累大量可溶性糖、蛋白质和脂类,细胞液冰点很低;温度再降,细胞内的水渗透到细胞间隙结成薄冰壳护住细胞本体,回暖后冰化成水再被收回。

漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

  冬小麦则在入冬前经历“冷驯化”,随气温渐降积累可溶性糖和脱水素蛋白,提前备好“抗冻配方”。湖泊,物理规律为生命留出的生存空间。

  5.冰封的湖泊:物理规律留出的生存空间

  还有一例不借助任何生物力量,只靠水的物理性质。水在约4℃时密度最大,表层水温降到4℃后继续冷却便变轻滞留上层,底层4℃水体保持稳定,垂直对流停止;表层结冰后,冰盖封存的空气导热性极差,像隔热被盖住水面,冰下水温因此维持在冰点以上。

  若冰比水重,冰会沉底,池塘将从底部向上冻结,水生生物无处可逃。所以公园湖面封冻时不必担心锦鲤冻死,来年春天它们照旧优雅地游过来。

  二、生物抗冻的技术启示

  人类对生物控制结冰方式的认识,正在转化为实际技术。抗冻蛋白抑制冰晶生长和重结晶的能力,是食品保鲜和低温医学共同关注的焦点。

  在冷冻、储运和解冻过程中,冰晶的重结晶会刺破细胞结构,导致汁液流失、质地劣化、营养损失;抗冻蛋白能够选择性地抑制特定冰晶面的生长,阻断这一过程,从而在食品领域维持冷冻肉类的质地和持水力,在低温医学领域则为细胞、组织和器官的冻存提供减少冰晶损伤的手段。

  辅助生殖领域则提供了更彻底的方案——玻璃化冷冻:以高浓度冷冻保护剂使细胞内外的液体都不经过结晶、直接转变为玻璃态,从根本上跳过结冰。这与昆虫“竭力推迟结冰”的策略一脉相承,只是把这一策略推到了极端。

  关于生物如何做到“冻而复苏”,中国科学家在一种耐冰鱼类中找到了部分线索。中国科学院水生生物研究所何舜平团队研究了葛氏鲈塘鳢——目前已知唯一具有结冰耐受能力的鱼类,民间称之为“还阳鱼”。与近缘但不耐寒的海南新沙塘鳢相比,葛氏鲈塘鳢在低代谢、细胞压力反应、细胞骨架稳定性、抗冻保护剂合成与跨膜转运等通路上发生了快速的进化和表达重塑;冰冻期组织内含量最高的小分子代谢物包括葡萄糖、肌醇和甘油,多种抗氧化剂的含量在冰冻期和复苏期明显增加。

漫话科普|冰点之下,生物界如何“绝处逢生”?

  这项研究为“冻而复苏”提供了遗传学和代谢层面的解释,也为医学抗冻保护剂的研发提供了来自鱼类的参照。

  冰核的思路不止生物在用。人工增雪就是一例:向云中播撒碘化银,让人工“冰核”促使云中的过冷水提前结冰。这与木蛙的冰核蛋白原理相同:木蛙用冰核保护自己,人类用冰核影响天气。

  木蛙用冰核蛋白让冰结在细胞外,雪莲把薄冰壳结在细胞间隙,南极鱼用抗冻糖蛋白限制冰晶的大小,昆虫在“不让冰出现”和“安排冰出现”之间各有选择,湖泊的分层结冰则为水下生物留出4℃的庇护层。

  生物界应对冰点,靠的并不只是“把冰点降低几度”。水结冰本是一个物理过程,但生命用蛋白、糖、代谢调控和生理整合,把冰在哪里出现、什么时候出现、长到多大,都变成了可以商量的问题。

  作者:张长峰 国家农产品现代物流工程技术研究中心 教授

  科学审核:刘雅丹 全国首席科学家传播专家 研究员

  编辑/配图:武玥彤

  配图为AIGC生成

[ 责编:武玥彤 ]
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