昆蟲體內的防凍劑勝過毛皮大衣

　　網易探索1月21日報道 據《紐約時報》報道，當一年最冷的季節來臨時，居住在高緯度地區的人們窩在舒適的房子里面。我們可能會同情在外面忍受寒冷天氣的小鳥和小松鼠們，因此會喂給它們一些食物。但我們很少想到那些更小而又不怎么討人喜歡的動物，例如，那些在夏天居住在后院或樹林中的昆蟲和蜘蛛。

　　當春天到來時，它們會重新出現，所以不管怎樣它們必須經受嚴寒的考驗。這些既沒有皮毛又沒有羽毛保護的動物，在天寒地凍的天氣中是怎樣生存下來的呢?

　　低溫天氣對生命的真正威脅并不是寒冷，而是結冰。由于身體和細胞主要是由水組成的，結冰可能是致命的，因為結冰會破壞細胞內液體和細胞外液體的平衡，導致細胞萎縮，并對組織造成不可逆轉的破壞。

　　因此，昆蟲通過進化，采取各種方式以避免結冰。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。這是一個偉大的解決方案，但也是一個相對比較罕見的能力。大多數昆蟲在冬天時留在原來的棲息地，所以必須尋求其他方法以避免結冰。它們有的躲進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完全結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物，要直接與零度以下的氣溫打交道，則會通過在體內產生防凍劑這種生化特性來保護自己。

　　數十年前。現在在伊利諾伊大學的亞瑟?迪夫利(Arthur DeVries)和他的同事在南極魚類的血漿里第一次發現了動物防凍劑。南極洲周邊的海洋非常寒冷，約為零下1.7℃，因為海水的咸度使其在淡水冰點以下幾度仍保持液體狀態。但海水里漂浮的大量冰晶粒子對那里的魚來說是一種危險，如果這些冰晶粒子被魚吞入，會在腸道里形成冰晶，然后，“砰”地一聲，海面上就會出現許多凍魚條。要防止這種情況發生，除非魚的體內能有什么東西來遏止冰晶的膨脹。

　　這時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充滿了防凍劑。它們的防凍劑是一種蛋白質，這些蛋白質有一個不同尋常的重復結構，可以與冰晶結合。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，但與一般魚類(血漿中不含抗凍劑的魚類)血漿的冰點要低整整2℃。這一保護上的小小的差距產生了深遠的影響，使含防凍劑的魚類現在在南極水域中占主導地位。

　　一些動物如雪跳蚤即使在冬季仍很活躍;當溫度降至零下7℃時，仍可發現在雪堆上有雪跳蚤在蹦蹦跳跳。這些小蟲子其實不是真正的跳蚤，它們是躍尾蟲的一種，是一種原始的無翅昆蟲，能夠利用尾巴跳躍很長的距離。加拿大女王大學(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，并發現它們也有一個簡單的重復結構，可以與冰晶結合，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的防凍劑。每種動物的防凍劑都是進化過程中的獨立發展而來的事物。

　　但是，昆蟲的創新并不限于防凍劑。生物學家發現了另一個對付極端寒冷天氣的策略：有些昆蟲能夠忍耐冰凍。像美國阿拉斯加內陸那種最北端的氣候，在隆冬時氣溫能下降到零下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，大多數昆蟲都被凍僵了。例如,阿拉斯加“Upis”甲蟲在零下7℃會凍僵。但是，令人矚目的是，它卻能夠在溫度低至零下70℃的環境下存活下來。

　　昆蟲能夠忍耐冰凍的的關鍵是它們能夠將冰凍(和解凍)通常會產生的損害減少到最小。它們在進化過程中產生了各種防冰凍的物質。當冬天即將到來時，許多耐冰凍昆蟲會產生高濃度的甘油和其它種類的乙醇分子。這些物質并不能阻止結冰，但能使結冰的速度變慢，從而使細胞周圍的液體以一種更可控的方式結冰，而細胞內的物質不會結冰。

　　為了最大限度的保護自己，一些生活在北極的昆蟲綜合使用了防冰凍物質和防凍劑來控制冰晶的形成，從而保護細胞并防止在解凍過程中又重新結冰。事實上，來自美國圣母大學和阿拉斯加費班克大學的一個研究小組，最近在Upis甲蟲中發現一種新型的抗凍劑。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。

　　在進化的過程中，避免體內結冰的必要性導致了許多新事物的出現。防凍劑的新發現提高了利用更多的化學方法去發現昆蟲如何應對極端寒冷天氣的可能性。這不僅是一個深奧的有關北極昆蟲學的問題，而是具有現實意義。長期以來，對人類器官保存的一個挑戰正是這些昆蟲已經解決的問題：如何讓組織可以長時間冰凍，然后能夠成功地解凍。一些研究小組正在探索將動物世界獲得的啟發應用到醫療手術中去。

　　(輸入：劉元宣)