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南極是地球上最冷的地方，而圍繞南極洲的南大洋是地球上最冷的水域，從3200萬(wàn)年前的漸新紀(jì)開(kāi)始，南極繞極流就阻礙了南極海域與其他海域的熱量交流，導(dǎo)致南大洋的水溫逐步下降。在南極大陸架周?chē)暮Ｋ疁囟瘸Ｄ昃S持在0℃以下，并被冰雪覆蓋。

極低的氣溫使得這片地區(qū)的海洋被“冰封千里”。這里就是一個(gè)冰封的“小世界”。在這里生活的動(dòng)物往往有厚厚的皮毛和脂肪，比如企鵝就擁有厚厚的皮下脂肪，仿佛一件“厚大衣”。這些脂肪為企鵝提供了抵抗寒冷的能量。

但不是所有生活在南極的生物都擁有企鵝的“厚大衣”，比如生活在南極的魚(yú)。

根據(jù)科研人員的觀察，生活在南極的魚(yú)類(lèi)并沒(méi)有企鵝那樣“厚厚”的脂肪，但依舊不會(huì)被凍僵。那么沒(méi)有“厚大衣”的它們是依靠什么來(lái)抵抗嚴(yán)寒的呢？

為什么南極的魚(yú)不會(huì)被凍死？

一般而言，魚(yú)作為一種變溫動(dòng)物，它們的體溫會(huì)隨著水溫的改變而改變，變得和水溫一樣，以此來(lái)適應(yīng)周?chē)沫h(huán)境。魚(yú)類(lèi)生理學(xué)的研究結(jié)果表明，一般魚(yú)類(lèi)血液的冰點(diǎn)是－1℃左右。也就是說(shuō)，如果溫度到－1℃以下，魚(yú)就會(huì)被凍成“冰棒”。而南極海水的溫度常年低于這個(gè)冰點(diǎn)溫度，普通的魚(yú)兒是無(wú)法在這里生存的。

可是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，南極的魚(yú)不僅沒(méi)有被凍成冰塊，還若無(wú)其事地游來(lái)游去，繁衍生息。那為什么這里的魚(yú)不怕凍呢？

以世界上最不怕冷的南極鱈魚(yú)為例。南極鱈魚(yú)體形較粗、較胖，表皮是一種自然的帶有黑褐色斑點(diǎn)的銀灰色。它主要生活在南極附近比較寒冷的海域之中，甚至在位于南緯82°的羅斯冰架附近都有可以找到它們。

科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，與其他地區(qū)的魚(yú)相比，生活在南極的魚(yú)血液中有一種特殊的成分——糖肌，以它為主要成分的一種特殊的化學(xué)物質(zhì)可以幫助這些魚(yú)面對(duì)寒冷。科學(xué)家把這種東西叫作抗凍蛋白質(zhì)（Antifreeze Proteins），這種抗凍蛋白質(zhì)是一種高分子蛋白質(zhì)，能與冰或水相互作用，降低水結(jié)冰的溫度。除此之外，還能隨著海水溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)。夏天，抗凍蛋白停止產(chǎn)生，直到冬天才繼續(xù)發(fā)揮“魔力”。

抗凍蛋白有兩種主要功能：

第一是熱滯活性(the rmalhysteresis activity，THA)，抗凍蛋白以非依數(shù)性形式降低水溶液的冰點(diǎn)而對(duì)其熔點(diǎn)(melting point， MP)影響甚微，從而導(dǎo)致水溶液的熔點(diǎn)(MP)和冰點(diǎn)(freezing point，F(xiàn)P)之間出現(xiàn)差值。即它可以改變冰魚(yú)的體內(nèi)環(huán)境，降低血液的冰點(diǎn)，阻止冰晶的形成。

第二是冰重結(jié)晶抑制(ice recrystallization inhibition，IRI)，冰重結(jié)晶(IR)解釋了一個(gè)熱力學(xué)上有利的過(guò)程，其中較大的冰晶的形成以犧牲較小的冰晶為代價(jià)，較大的冰晶對(duì)于冷凍保存的細(xì)胞以及棲息在極地或寒冷地區(qū)的生物體可能是致命的，而抗凍蛋白可以在非常低的濃度下抑制冰重結(jié)晶。也就是說(shuō)，如果真的形成了冰晶，抗凍蛋白會(huì)把冰晶的開(kāi)放面直接黏住。這是一種直接干涉，從物理層面干預(yù)了冰晶的變化，使得它們無(wú)法輕易地?cái)U(kuò)張、融化或者重新凍結(jié)。這樣就保障了安全的體內(nèi)環(huán)境，讓冰晶數(shù)量變得很少，而且很穩(wěn)定。

南極魚(yú)身上的這種蛋白質(zhì)使得它們可以在零度以下的水域維持非結(jié)冰的狀態(tài)。也就是靠這種“天賦”，南極魚(yú)才能在冰冷的海水里自由游弋。

特殊的蛋白質(zhì)能用來(lái)做什么？

隨著各種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近10多年來(lái)，極地魚(yú)類(lèi)對(duì)低溫環(huán)境生理適應(yīng)的遺傳基礎(chǔ)正在得到揭示。抗凍蛋白的熱滯活性和冰重結(jié)晶抑制活性使其在冷凍保存中具有重要作用，可用于在極低溫度下儲(chǔ)存各種類(lèi)型的細(xì)胞、組織和器官、鮮冷食品等，已成為生命科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

在生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，冷凍保存是關(guān)鍵技術(shù)之一，可以解決不孕不育、延遲生育等問(wèn)題。抗凍蛋白可應(yīng)用于精子、卵子和胚胎等組織器官的冷凍保存；在外科領(lǐng)域，冷凍手術(shù)是目前腫瘤治療的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研究報(bào)道手術(shù)前將少許抗凍蛋白注射到待切除組織中，可以提高手術(shù)成功率，減少冷凍手術(shù)后的目標(biāo)組織發(fā)生冷凍損傷問(wèn)題；在食品領(lǐng)域，抗凍蛋白作為食品添加劑可以抑制冰晶生長(zhǎng)，改善冷凍食品的品質(zhì)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，抗凍蛋白轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高動(dòng)植物的耐寒能力，效提高水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)的耐寒能力。

盡管南極魚(yú)抗凍蛋白在醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景，但是目前在生產(chǎn)成本和產(chǎn)業(yè)化等方面還存在一些限制和不足，生產(chǎn)僅限于研究和專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用。因此，如何低成本地生產(chǎn)高活性的抗凍蛋白是未來(lái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。

創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：中國(guó)科學(xué)技術(shù)館新媒體團(tuán)隊(duì)

審核專(zhuān)家：李維陽(yáng) 知名科普作家