【菜科解读】

木蛙在冬季会结成冰，直到春天才解冻。PHOTOGRAPH BY JANET M. STOREY

（神秘的地球uux.cn）据美国国家地理（撰文：CHRISTINE PETERSON 编译：曾柏谚）：抗冻蛋白、含糖细胞、关闭大脑，许多动物为了熬过冬季，发展出各种令人惊叹的方法来暂停生理机能。

好几年前，我大学的课堂上有位教授示范了个震惊所有人的展演：他先是拿出了一只冻成块但还活着的木蛙（wood frog），接着突然把它往墙壁上砸。木蛙碎了一地，吓得大家倒抽了几口气。

几分钟后，教授才解释道说，其实他没有真的把木蛙砸碎，而是用了块大冰块来代替木蛙，好达到戏剧效果。这么做的目的是为了说明：木蛙真的会结冻好度过冬季，直到春天才再度解冻。

木蛙是地球上最常用来研究「结冻」的动物之一。当秋天气温下降时，木蛙会窝在树叶堆中，任凭寒气渗入体内，直到心脏、大脑乃至整个身子都折服于此。不过，木蛙绝非唯一一种死而复生的动物。

数以千计的昆虫也耐得住结冻又解冻，甚至有些昆虫能一天反复好几回；锦龟（painted turtle）在小时候能以与木蛙截然不同的方法耐冻；水熊虫（tardigrade）则能在完全脱水的情况下静待春天到来。

加拿大渥太华卡尔顿大学研究耐冻性的生物化学教授肯尼斯.斯托里（Kenneth Storey）说：「生物之所以耐冻是为了将分布范围扩张到更高的纬度或是海拔，例如山顶这样的地方。」

「如果你能耐冻，就能在这世上占到一个更好的栖位。」

关键的糖分

「回到木蛙吧，刚开始它身上的水分是液态的，整只蛙活蹦乱跳，直到身体由外而内开始慢慢结冰。」斯托里说：「它的皮肤开始结冻了一点，然后冰渐渐透过动脉、静脉渗透到体内。」

情况从这里开始愈来愈诡异。木蛙的眼睛渐渐失去生气、大脑结冻，冰把血液逼向心脏，直到最后心脏也冻得跟块石头一样。

这个转变需要剧烈的生化变化来因应。木蛙会先透过微小RNA（microRNA）调节细胞，好避免细胞在过程中受损。紧接，当器官和细胞外部开始慢慢结冰时，青蛙的肝脏会释出令人难以置信的大量葡萄糖，渗入包含细胞内的全身各处。这种糖浆状的液体就像器官的抗冻剂一般，防止细胞结冰时萎缩及死亡。

等到了春天，斯托里说：「阳光普照、冻土消融，木蛙就会回暖、解冻。」

虽然各地木蛙的结冻程度不一，比如在阿拉斯加，木蛙能冻到摄氏零下20度，而北卡罗来纳州及其他地方，则在摄氏零下13度，但它们凭的都是同一套耐冻机制。无独有偶，在其他蛙类身上也发现过一样的机制，例如棕树蛙（southern brown tree frog）、春雨蛙（spring peeper）、北蝗蛙（northern cricket frog），还有许多昆虫及昆虫的幼虫也是。

但这套并不是动物唯一的耐冻方式。根据《整体环境科学》（Science of the Total Environment）期刊上的新研究指出，锦龟幼龟透过微小RNA重新调节新陈代谢，使其耐冻所需的葡萄糖要远少于木蛙；成年后，锦龟则改以在水底泥土下屏息冬眠的方式度冬，时间可以长达四个月。

过冷的风险

哈佛大学医学院研究自然界假死状态（suspended animation）现象如何应用在人体器官移植的副教授香农.泰西尔（Shannon Tessier）表示，「过冷」（supercool）这个词有时用来描述物质温度低于熔点但并未结冻的状态，而在大自然中（特别是对人体器官而言）过冷有其风险。

冰晶需要依附在某个东西上才能形成，也就是所谓的成核剂（nucleating agent），即便是小如一丁点的灰尘或一个胆固醇分子也行。但是，如果昆虫或其他动物能抑制冰晶成形，那麽即便它们的血液过冷仍然能保持液态。

但这个「如果」非常极端。泰西尔表示，除了条件受控的实验室之外，这个世界到处都是成核剂。人们已经证实北极地松鼠（arctic ground squirrel）可以藉由消除所有潜在的结晶核来避免结冻，但这不代表它可以达到极端的过冷状态。斯托里表示，要是北极地松鼠真的进入极端的过冷状态，那么任何一点外力或是进入的成核剂，都会让它变成一根死气沉沉的冰棒。

「将器官内的液体维持在液态有很多好处。」泰西尔说：「但如果这些液体总是有意外结冰的风险，就成了个需要解决的问题。」

这也正是许多生活在寒冷气候下的物种，之所以发展出蛋白质或糖类来避免血液结冻的原因。这些机制能够让血液在摄氏0度之下维持液态，比如某些海水鱼拥有抗冻蛋白、有些昆虫则用糖份来抗冻。

不同昆虫则演化出不同方式来抗冻。斯托里举例说，一枝黄花瘿蝇（goldenrod gall fly）的幼虫在冬天温度达摄氏0下时会结冻，等待温暖时再解冻，过程甚至不到24小时；黄花瘿蛾（goldenrod gall moth）的幼虫则能保持体液全天维持液态。

瘿蝇幼虫像木蛙一样利用糖分来缓冲零下温度带来的伤害；瘿蛾幼虫则利用糖份来防止体液结冰，基本上在摄氏零下38度之内都没有问题。

脱水保持干冷

在地球上最极端的环境中所发现的水熊虫，则另辟蹊径来防止细胞中的水结冰：把水排出去。

虽然人类只要失去身体5%的水分就会死亡，因此难以仿效「脱水」这招，但水熊虫可以将自身水分排出到自己近乎完全干燥。此时它们的大脑停机、八腿缩拢，以这个姿态度过酷寒。

「这时你把它们放进液态氮中都没事。」斯托里说。

而且只要再给它们水，他们就会用跟脱水一样快的速度重新水合，回到我们熟悉的「生命」状态。

泰西尔说到，木蛙与其他能在自然界极端环境中生存的动物，能在医学上发挥许多应用，尤其在器官移植领域更是如此。举例来说，心脏在离开人体后只能存活约四个小时。

泰西尔说：「时间限制局限了后勤的可能性。我们正试着应用木蛙耐冻的原理，以大量的葡萄糖来使心脏或肝脏的生命迹象暂时停止，并在随后安全的恢复其生命状态、进行移植。」

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