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梦寐以求的冷冻复苏技术 动物却靠憋尿嗑毒实现了?

2018年08月25日

  来源:SME科技故事微信公众号

  漫威电影中美国队长在二战后被冷冻70年,复苏后依然能打能杀,拯救世界。

  跨越科幻的桥梁回到现实中,自然界中也不乏这样的冷冻生物。

  一种阿拉斯加木蛙能在寒冷环境中让身体结冰8个月,进入“假死”状态。

  而其中的秘诀就是——憋尿。

  冷血动物没有恒定的体温。

  体内各种复杂的化学反应随着温度的变化而改变。

  为了在寒冷和饥馑中存活,它们只好通过降低体温进入类似昏睡的冬眠状态。

  这时新陈代谢等生理活动减慢,也就节省了能量的损耗。

  一些哺乳动物和少数鸟类也会进行冬眠。

  在冬眠的北极熊

  即使新陈代谢降低了,也只能最大限度地减少能量消耗。

  而有些动物却直接不进行新陈代谢,心跳与呼吸也骤然停止。

  还在为它活活被冻死而感到同情,一段时间后它又奇迹般地苏醒过来。

  木蛙广泛分布于北美洲,它是阿拉斯加分布最广的青蛙。

  冰天雪地的阿拉斯加当年就因没有开发价值而被俄罗斯贱卖给美国(每英亩2美分)。

  长年寒冷的极地气候常常使冬季的夜晚降到-9至-18℃的低温。

  而其中却也蕴藏着奇妙的生命现象。

  作为阿拉斯加的“土著”,木蛙自然有应对冷冽寒冬的独门秘笈。

  当外界温度下降时,它的表面皮肤开始凝结一层冰覆盖全身。

  同时,大约60%的体内水分结冰冻结。

  整只结冰的活体冷冻青蛙仿佛一个坚硬的易碎冰雕。

  即使在-18℃的环境中,它也能实现长达8个月的“结冰”状态。

  等到天气回暖,木蛙体内外的冰逐渐融化,它则恢复生龙活虎的行动能力。

  然而在复杂的机体结构中,木蛙的防冻机制可远不止结冰这么简单。

  大多数生物体耐受不住极端寒冷,是因为此时内环境中大部分的液体状态发生了改变。

  当温度降低到冰点以下,细胞内液体凝固的冰晶会对细胞造成物理损伤。

  而细胞间的冰晶膨胀会阻断其间的物质交换,从而引发生理伤害。

  同时细胞环境中物质浓度可能因液体水的减少而升高。

  存在浓度差的情况下,细胞吸水过量会改变了细胞膜的通透性。

  这也就导致了离子进出细胞时受到阻碍。

  最严重可能引发细胞死亡。

  变温动物为了适应温度变化而具有更复杂的基因组。

  在基因正常表达下,它们的变温机制往往具有4~10个酶系统。

  以保证它们在不同温度下可以完成内环境中的化学反应。

  木蛙也是这种效应的一个显著例子。

  当温度变得寒冷,它体内的基因将启动血液中的冰晶核蛋白。

  这种蛋白是木蛙忍耐冰冻的绝佳武器。

  它限制了冰晶只在细胞外形成。

  而且细胞外多处形成一些小冰晶,避免形成大冰块损伤细胞。

  除此之外,通过降低冰晶形成的速率,细胞渗透压变化也放缓了下来。

  当细胞外的水结冰,其浓度的升高使细胞内的液体外渗。

  细胞在安全的情况下逐渐脱水,平稳进入休眠期。

等渗、低渗、高渗情况下红细胞的形态等渗、低渗、高渗情况下红细胞的形态

  当水中混合有其他溶质时,其凝固点会下降。

  因而水变得更不容易结冰。

  木蛙的冷冻保护机制便是利用了这个原理。

  从而让自己的细胞、器官得到保护而免受破坏。

  木蛙具有独家秘方的冷冻防护剂——葡萄糖和尿素。

  其实这两种物质在其他生物体中也都是维持生命的基本物质。

  只是在木蛙最大限度地发挥了它们的功能。

  它们除了提供能量,还掺杂进血液中以降低冰点。

小分子物质进入细胞被利用小分子物质进入细胞被利用

  这就使得体内结冰的速度变得缓慢,达到保护细胞膜完整性的目的。

  在细胞脱水后,充足的葡萄糖和尿素已经准备好,血液缓慢结冻,心脏也暂停了跳动。

  于是木蛙就进入了不知限期的休眠状态。

  维持生命最基础的物质是糖类。

  而肝脏是木蛙体内最大的糖原库,也就具有极其重要的使命。

  在冷冻48小时内,肝脏将糖原分解为小分子的葡萄糖运输进血液。

  而当休眠结束,残余的葡萄糖再转化为肝脏糖原。

  因此,重任加身的肝脏也在进化中得以强化。

  阿拉斯加木蛙的肝脏重量占到总体重的22%。

  比起其他品种的木蛙大概多出两倍。

青蛙的内脏结构青蛙的内脏结构

  而原本作为代谢产物排出体外的尿素,此时却成了秘密法宝。

  经过尿素循环,尿素在肝脏中转换出来并进入血液完成抗冻防寒的艰巨任务。

  于是即使在长达8个月的休眠期内,木蛙也把尿憋着,把它用在有更需要的地方。

  因此,按照人类的角度理解,木蛙可谓是重度“尿毒症患者”。

人体肾脏的工作过程人体肾脏的工作过程

  但实际上,木蛙异常强大的肝脏早已将有毒的尿素转化为无害的氮。

  进入血液后除了发挥溶质的功能外,还促进了休眠等温体的代谢减退。

  同时,唤醒与休眠之间的转换是通过调节酶的活性状态实现的。

  尿素、pH和温度也就成为了遥控“唤醒/休眠”开关的按钮。

  然而,这种冬眠机制并不是木蛙与生俱来的。

  阿拉斯加木蛙通过漫长的演变,才进化出强大的受冻能力。

  居住在美国东部俄亥俄州的木蛙则表现出不同的生理机制。

  其脑类及全身的葡萄糖和尿素都具有较低的浓缩水平。

  因此在同样的低温环境下,它因能量供应不足而具有更低的存活率。

  它们通常只能耐受-3至-6℃的寒冷条件。

  而另一种昆虫能在零下70℃的低温下生存14年。

  要知道,通常昆虫只有几个月的寿命。

  它则因为强大的耐寒能力而成为了昆虫界的“千年老妖”。

  北极灯蛾生活在加拿大北极群岛和格林兰岛的极寒地带。

  14年的寿命中,它的幼虫形态就保持有大约7年。

  这是因为毛茸茸的幼虫大部分时间都会因寒冷而冻结。

北极灯蛾幼虫北极灯蛾幼虫

  而只有每次短时间的解冻时,它才能在小范围内寻觅食物。

  经过漫长的积累与消耗,它才得以在最后一个夏天蛹化成蛾。

  因此有人戏称,北极灯蛾幼虫的一顿饭吃了7年才喂饱肚子。

  除了自身冻结的防冷冻机制外,美国生物学家发现它们经常服用一种特殊的食物。

  这是一些含有带毒的吡咯里西啶生物碱的食物。

  这种生物碱会抑制幼虫的生长,但同时却增加了20%的存活率。

  因此猜测,抗寒体质的维持也许与该药物存在一定程度的联系。

野茼蒿中含有这种生物碱野茼蒿中含有这种生物碱

  虽然人体内没有这类冰冻动物独特的进化适应机制。

  但至少通过对它的观察研究,得出某种涉及葡萄糖水平和尿素处理过程的适应性过程。

  电影和小说中常出现冷冻人的情节故事。

  而现在人体冷冻技术也正在试验当中。

  把患病人体在极低温下保存冷冻,直到将来先进的医疗科技能够治愈时再解冻治疗。

  而正常人也可以通过这种方式实现永生的希冀。

  人体冷冻也许是实现永生的可行手段,但也是一场向死而生的赌局。

  冰冷的实验室整齐排列着里等待着“死而复生”的身体。

  复苏后的面临的新世界既是憧憬也是迷茫。

  唯一没有改变的,是你的身体与固有认知。

  通过这样的方式留存生命,其意义与价值难道还依存吗?

  *参考资料

  变温动物过冬。 科学月刊。

  Linda Crampton。 Cryobiology: Frozen WoodFrogs and Adaptations for Survival。 Owlcation。 2017。

  Larson D J, Middle L, Vu H, et al。 Woodfrog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezingtolerance。[J]。 Journal of Experimental Biology, 2014, 217(Pt 12):2193-2200。

  Costanzo J P, do Amaral M C, Rosendale A J,et al。 Hibernation physiology, freezing adaptation and extreme freeze tolerancein a northern population of the wood frog。[J]。 Journal of Experimental Biology,2013, 216(18):3461-3473。

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