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這些動物能在冬天“凍結” 它們是怎么活下來的？

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這些動物能在冬天“凍結” 它們是怎么活下來的？


木蛙在冬季會結成冰，直到春天才解凍 。PHOTOGRAPH BY JANET M. STOREY
據美國國家地理（撰文：CHRISTINE PETERSON 編譯：曾柏諺）：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范了個震驚所有人的展演：他先是拿出了一只凍成塊但還活著的木蛙（wood frog） ， 接著突然把它往墻壁上砸 。木蛙碎了一地，嚇得大家倒抽了幾口氣 。
幾分鐘后，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 。這么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于此 。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復好幾回；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范圍擴張到更高的緯度或是海拔，例如山頂這樣的地方 ?！?br>「如果你能耐凍，就能在這世上占到一個更好的棲位 ?！?br>關鍵的糖分
「回到木蛙吧 ， 剛開始它身上的水分是液態的，整只蛙活蹦亂跳 ， 直到身體由外而內開始慢慢結冰 ?！顾雇欣镎f：「它的皮膚開始結凍了一點，然后冰漸漸透過動脈、靜脈滲透到體內 ?！?br>情況從這里開始愈來愈詭異 。木蛙的眼睛漸漸失去生氣、大腦結凍，冰把血液逼向心臟，直到最后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 ?！?br>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，但它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 。
但這套并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于木蛙；成年后，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于熔點但并未結凍的狀態，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，那麼即便它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，但這不代表它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，那么任何一點外力或是進入的成核劑，都會讓它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 ?！固┪鳡栒f：「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 ?！?br>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；黃花癭蛾（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沖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 。
脫水保持干冷
在地球上最極端的環境中所發現的水熊蟲，則另辟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干燥 。此時它們的大腦停機、八腿縮攏，以這個姿態度過酷寒 。
「這時你把它們放進液態氮中都沒事 。」斯托里說 。
而且只要再給它們水 ， 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，心臟在離開人體后只能存活約四個小時 。
泰西爾說：「時間限制局限了后勤的可能性 。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，并在隨后安全的恢復其生命狀態、進行移植 ?！?br/>