為什么南極的魚(yú)不怕凍?| 科學(xué)小館兒
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
【免責(zé)聲明】本文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò),與科技網(wǎng)無(wú)關(guān)。科技網(wǎng)站對(duì)文中陳述、觀點(diǎn)判斷保持中立,不對(duì)所包含內(nèi)容的準(zhǔn)確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請(qǐng)讀者僅作參考,并請(qǐng)自行承擔(dān)全部責(zé)任。