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Nov. 28 2022

這些動物能在冬天「凍結」,但牠們是怎麼活下來的?

  • 木蛙在冬季會結成冰,直到春天才解凍。 PHOTOGRAPH BY JANET M. STOREY

    木蛙在冬季會結成冰,直到春天才解凍。 PHOTOGRAPH BY JANET M. STOREY

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抗凍蛋白、含糖細胞、關閉大腦,許多動物為了熬過冬季,發展出各種令人驚嘆的方法來暫停生理機能。

好幾年前,我大學的課堂上有位教授示範了個震驚所有人的展演:他先是拿出了一隻凍成塊但還活著的木蛙(wood frog),接著突然把牠往牆壁上砸。木蛙碎了一地,嚇得大家倒抽了幾口氣。

幾分鐘後,教授才解釋道說,其實他沒有真的把木蛙砸碎,而是用了塊大冰塊來代替木蛙,好達到戲劇效果。這麼做的目的是為了說明:木蛙真的會結凍好度過冬季,直到春天才再度解凍。

木蛙是地球上最常用來研究「結凍」的動物之一。當秋天氣溫下降時,木蛙會窩在樹葉堆中,任憑寒氣滲入體內,直到心臟、大腦乃至整個身子都折服於此。不過,木蛙絕非唯一一種死而復生的動物。

數以千計的昆蟲也耐得住結凍又解凍,甚至有些昆蟲能一天反覆好幾回;錦龜(painted turtle)在小時候能以與木蛙截然不同的方法耐凍;水熊蟲(tardigrade)則能在完全脫水的情況下靜待春天到來。

加拿大渥太華卡爾頓大學研究耐凍性的生物化學教授肯尼斯.斯托里(Kenneth Storey)說:「生物之所以耐凍是為了將分布範圍擴張到更高的緯度或是海拔,例如山頂這樣的地方。」

「如果你能耐凍,就能在這世上佔到一個更好的棲位。」

關鍵的糖分

「回到木蛙吧,剛開始牠身上的水分是液態的,整隻蛙活蹦亂跳,直到身體由外而內開始慢慢結冰。」斯托里說:「牠的皮膚開始結凍了一點,然後冰漸漸透過動脈、靜脈滲透到體內。」

情況從這裡開始愈來愈詭異。木蛙的眼睛漸漸失去生氣、大腦結凍,冰把血液逼向心臟,直到最後心臟也凍得跟塊石頭一樣。

這個轉變需要劇烈的生化變化來因應。木蛙會先透過微小RNA(microRNA)調節細胞,好避免細胞在過程中受損。緊接,當器官和細胞外部開始慢慢結冰時,青蛙的肝臟會釋出令人難以置信的大量葡萄糖,滲入包含細胞內的全身各處。這種糖漿狀的液體就像器官的抗凍劑一般,防止細胞結冰時萎縮及死亡。

等到了春天,斯托里說:「陽光普照、凍土消融,木蛙就會回暖、解凍。」

雖然各地木蛙的結凍程度不一,比如在阿拉斯加,木蛙能凍到攝氏零下20度,而北卡羅來納州及其他地方,則在攝氏零下13度,但牠們憑的都是同一套耐凍機制。無獨有偶,在其他蛙類身上也發現過一樣的機制,例如棕樹蛙(southern brown tree frog)、春雨蛙(spring peeper)、北蝗蛙(northern cricket frog),還有許多昆蟲及昆蟲的幼蟲也是。

但這套並不是動物唯一的耐凍方式。根據《整體環境科學》(Science of the Total Environment)期刊上的新研究指出,錦龜幼龜透過微小RNA重新調節新陳代謝,使其耐凍所需的葡萄糖要遠少於木蛙;成年後,錦龜則改以在水底泥土下屏息冬眠的方式度冬,時間可以長達四個月。

過冷的風險

哈佛大學醫學院研究自然界假死狀態(suspended animation)現象如何應用在人體器官移植的副教授香農.泰西爾(Shannon Tessier)表示,「過冷」(supercool)這個詞有時用來描述物質溫度低於熔點但並未結凍的狀態,而在大自然中(特別是對人體器官而言)過冷有其風險。

冰晶需要依附在某個東西上才能形成,也就是所謂的成核劑(nucleating agent),即便是小如一丁點的灰塵或一個膽固醇分子也行。但是,如果昆蟲或其他動物能抑制冰晶成形,那麽即便牠們的血液過冷仍然能保持液態。

但這個「如果」非常極端。泰西爾表示,除了條件受控的實驗室之外,這個世界到處都是成核劑。人們已經證實北極地松鼠(arctic ground squirrel)可以藉由消除所有潛在的結晶核來避免結凍,但這不代表牠可以達到極端的過冷狀態。斯托里表示,要是北極地松鼠真的進入極端的過冷狀態,那麼任何一點外力或是進入的成核劑,都會讓牠變成一根死氣沉沉的冰棒。

「將器官內的液體維持在液態有很多好處。」泰西爾說:「但如果這些液體總是有意外結冰的風險,就成了個需要解決的問題。」

這也正是許多生活在寒冷氣候下的物種,之所以發展出蛋白質或糖類來避免血液結凍的原因。這些機制能夠讓血液在攝氏0度之下維持液態,比如某些海水魚擁有抗凍蛋白、有些昆蟲則用糖份來抗凍。

不同昆蟲則演化出不同方式來抗凍。斯托里舉例說,一枝黃花癭蠅(goldenrod gall fly)的幼蟲在冬天溫度達攝氏0下時會結凍,等待溫暖時再解凍,過程甚至不到24小時;黄花癭蛾(goldenrod gall moth)的幼蟲則能保持體液全天維持液態。

癭蠅幼蟲像木蛙一樣利用糖分來緩衝零下溫度帶來的傷害;癭蛾幼蟲則利用糖份來防止體液結冰,基本上在攝氏零下38度之內都沒有問題。

脫水保持乾冷

在地球上最極端的環境中所發現的水熊蟲,則另闢蹊徑來防止細胞中的水結冰:把水排出去。

雖然人類只要失去身體5%的水分就會死亡,因此難以仿效「脫水」這招,但水熊蟲可以將自身水分排出到自己近乎完全乾燥。此時牠們的大腦停機、八腿縮攏,以這個姿態度過酷寒。

「這時你把牠們放進液態氮中都沒事。」斯托里說。

而且只要再給牠們水,他們就會用跟脫水一樣快的速度重新水合,回到我們熟悉的「生命」狀態。

泰西爾說到,木蛙與其他能在自然界極端環境中生存的動物,能在醫學上發揮許多應用,尤其在器官移植領域更是如此。舉例來說,心臟在離開人體後只能存活約四個小時。

泰西爾說:「時間限制侷限了後勤的可能性。我們正試著應用木蛙耐凍的原理,以大量的葡萄糖來使心臟或肝臟的生命跡象暫時停止,並在隨後安全的恢復其生命狀態、進行移植。」

 

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