昆蟲體內(nèi)的防凍劑勝過(guò)毛皮大衣

　　網(wǎng)易探索1月21日?qǐng)?bào)道 據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，當(dāng)一年最冷的季節(jié)來(lái)臨時(shí)，居住在高緯度地區(qū)的人們窩在舒適的房子里面。我們可能會(huì)同情在外面忍受寒冷天氣的小鳥和小松鼠們，因此會(huì)喂給它們一些食物。但我們很少想到那些更小而又不怎么討人喜歡的動(dòng)物，例如，那些在夏天居住在后院或樹林中的昆蟲和蜘蛛。

　　當(dāng)春天到來(lái)時(shí)，它們會(huì)重新出現(xiàn)，所以不管怎樣它們必須經(jīng)受嚴(yán)寒的考驗(yàn)。這些既沒(méi)有皮毛又沒(méi)有羽毛保護(hù)的動(dòng)物，在天寒地凍的天氣中是怎樣生存下來(lái)的呢?

　　低溫天氣對(duì)生命的真正威脅并不是寒冷，而是結(jié)冰。由于身體和細(xì)胞主要是由水組成的，結(jié)冰可能是致命的，因?yàn)榻Y(jié)冰會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)液體和細(xì)胞外液體的平衡，導(dǎo)致細(xì)胞萎縮，并對(duì)組織造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

　　因此，昆蟲通過(guò)進(jìn)化，采取各種方式以避免結(jié)冰。一種策略是完全逃避冬季。象蝴蝶中的黑脈金斑蝶遷移到南方越冬。這是一個(gè)偉大的解決方案，但也是一個(gè)相對(duì)比較罕見(jiàn)的能力。大多數(shù)昆蟲在冬天時(shí)留在原來(lái)的棲息地，所以必須尋求其他方法以避免結(jié)冰。它們有的躲進(jìn)積雪覆蓋著或霜凍線以下的洞穴里，還有一些昆蟲的幼蟲躲到不會(huì)完全結(jié)冰的湖泊和池塘的底部越冬。

　　但是有許多昆蟲和其它一些動(dòng)物，要直接與零度以下的氣溫打交道，則會(huì)通過(guò)在體內(nèi)產(chǎn)生防凍劑這種生化特性來(lái)保護(hù)自己。

　　數(shù)十年前?，F(xiàn)在在伊利諾伊大學(xué)的亞瑟?迪夫利(Arthur DeVries)和他的同事在南極魚類的血漿里第一次發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物防凍劑。南極洲周邊的海洋非常寒冷，約為零下1.7℃，因?yàn)楹Ｋ南潭仁蛊湓诘c(diǎn)以下幾度仍保持液體狀態(tài)。但海水里漂浮的大量冰晶粒子對(duì)那里的魚來(lái)說(shuō)是一種危險(xiǎn)，如果這些冰晶粒子被魚吞入，會(huì)在腸道里形成冰晶，然后，“砰”地一聲，海面上就會(huì)出現(xiàn)許多凍魚條。要防止這種情況發(fā)生，除非魚的體內(nèi)能有什么東西來(lái)遏止冰晶的膨脹。

　　這時(shí)候魚類的防凍蛋白在起作用。屬于南極魚(Notothenioidei)科的大約有120種魚，這些魚的組織和血液內(nèi)充滿了防凍劑。它們的防凍劑是一種蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)有一個(gè)不同尋常的重復(fù)結(jié)構(gòu)，可以與冰晶結(jié)合。這樣，能把冰晶膨脹的最低溫度降低到約零下2.2℃。這比南極洋的最低溫度只是稍低點(diǎn)，但與一般魚類(血漿中不含抗凍劑的魚類)血漿的冰點(diǎn)要低整整2℃。這一保護(hù)上的小小的差距產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，使含防凍劑的魚類現(xiàn)在在南極水域中占主導(dǎo)地位。

　　一些動(dòng)物如雪跳蚤即使在冬季仍很活躍;當(dāng)溫度降至零下7℃時(shí)，仍可發(fā)現(xiàn)在雪堆上有雪跳蚤在蹦蹦跳跳。這些小蟲子其實(shí)不是真正的跳蚤，它們是躍尾蟲的一種，是一種原始的無(wú)翅昆蟲，能夠利用尾巴跳躍很長(zhǎng)的距離。加拿大女王大學(xué)(Queen’s University)的勞里?格雷厄姆和彼得?戴維斯兩位教授從雪跳蚤中分離出防凍蛋白，并發(fā)現(xiàn)它們也有一個(gè)簡(jiǎn)單的重復(fù)結(jié)構(gòu)，可以與冰晶結(jié)合，防止冰晶膨脹。

　　雪跳蚤的防凍蛋白與其它昆蟲如赤翅甲蟲分離出的防凍蛋白有完全不同的組成，而后者的抗凍蛋白又與從云杉卷葉蛾幼蟲的不同。而且，所有這些昆蟲的防凍劑都不同于使南極魚存活下來(lái)的防凍劑。每種動(dòng)物的防凍劑都是進(jìn)化過(guò)程中的獨(dú)立發(fā)展而來(lái)的事物。

　　但是，昆蟲的創(chuàng)新并不限于防凍劑。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)對(duì)付極端寒冷天氣的策略：有些昆蟲能夠忍耐冰凍。像美國(guó)阿拉斯加內(nèi)陸那種最北端的氣候，在隆冬時(shí)氣溫能下降到零下50℃ ，而且直到5月份還是白雪皚皚，溫度仍在零度以下。在這種極端天氣下，大多數(shù)昆蟲都被凍僵了。例如,阿拉斯加“Upis”甲蟲在零下7℃會(huì)凍僵。但是，令人矚目的是，它卻能夠在溫度低至零下70℃的環(huán)境下存活下來(lái)。

　　昆蟲能夠忍耐冰凍的的關(guān)鍵是它們能夠?qū)⒈鶅?和解凍)通常會(huì)產(chǎn)生的損害減少到最小。它們?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了各種防冰凍的物質(zhì)。當(dāng)冬天即將到來(lái)時(shí)，許多耐冰凍昆蟲會(huì)產(chǎn)生高濃度的甘油和其它種類的乙醇分子。這些物質(zhì)并不能阻止結(jié)冰，但能使結(jié)冰的速度變慢，從而使細(xì)胞周圍的液體以一種更可控的方式結(jié)冰，而細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)不會(huì)結(jié)冰。

　　為了最大限度的保護(hù)自己，一些生活在北極的昆蟲綜合使用了防冰凍物質(zhì)和防凍劑來(lái)控制冰晶的形成，從而保護(hù)細(xì)胞并防止在解凍過(guò)程中又重新結(jié)冰。事實(shí)上，來(lái)自美國(guó)圣母大學(xué)和阿拉斯加費(fèi)班克大學(xué)的一個(gè)研究小組，最近在Upis甲蟲中發(fā)現(xiàn)一種新型的抗凍劑。這種防凍劑與其它甲蟲、雪跳蚤和飛蛾的防凍蛋白不同，它是一種被稱為“xylomannan”的多糖，但在抑制冰晶膨脹上，其效果可以與活性最高的昆蟲防凍蛋白相媲美。

　　在進(jìn)化的過(guò)程中，避免體內(nèi)結(jié)冰的必要性導(dǎo)致了許多新事物的出現(xiàn)。防凍劑的新發(fā)現(xiàn)提高了利用更多的化學(xué)方法去發(fā)現(xiàn)昆蟲如何應(yīng)對(duì)極端寒冷天氣的可能性。這不僅是一個(gè)深?yuàn)W的有關(guān)北極昆蟲學(xué)的問(wèn)題，而是具有現(xiàn)實(shí)意義。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)人類器官保存的一個(gè)挑戰(zhàn)正是這些昆蟲已經(jīng)解決的問(wèn)題：如何讓組織可以長(zhǎng)時(shí)間冰凍，然后能夠成功地解凍。一些研究小組正在探索將動(dòng)物世界獲得的啟發(fā)應(yīng)用到醫(yī)療手術(shù)中去。

　　(輸入：劉元宣)