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科学小馆儿|为什么南极的鱼不怕冻?

发布日期:2021-12-20 01:38   来源:未知   阅读:
 

  南极是地球上最冷的地方,而围绕南极洲的南大洋是地球上最冷的水域,从3200万年前的渐新纪开始,南极绕极流就阻碍了南极海域与其他海域的热量交流,导致南大洋的水温逐步下降。在南极大陆架周围的海水温度常年维持在0℃以下,并被冰雪覆盖。

  极低的气温使得这片地区的海洋被“冰封千里”。这里就是一个冰封的“小世界”。在这里生活的动物往往有厚厚的皮毛和脂肪,比如企鹅就拥有厚厚的皮下脂肪,仿佛一件“厚大衣”。这些脂肪为企鹅提供了抵抗寒冷的能量。

  根据科研人员的观察,生活在南极的鱼类并没有企鹅那样“厚厚”的脂肪,但依旧不会被冻僵。那么没有“厚大衣”的它们是依靠什么来抵抗严寒的呢?

  一般而言,鱼作为一种变温动物,它们的体温会随着水温的改变而改变,变得和水温一样,以此来适应周围的环境。鱼类生理学的研究结果表明,一般鱼类血液的冰点是-1℃左右。也就是说,如果温度到-1℃以下,鱼就会被冻成“冰棒”。而南极海水的温度常年低于这个冰点温度,普通的鱼儿是无法在这里生存的。

  可是科学家发现,南极的鱼不仅没有被冻成冰块,还若无其事地游来游去,繁衍生息。那为什么这里的鱼不怕冻呢?

  以世界上最不怕冷的南极鳕鱼为例。南极鳕鱼体形较粗、较胖,表皮是一种自然的带有黑褐色斑点的银灰色。它主要生活在南极附近比较寒冷的海域之中,甚至在位于南纬82°的罗斯冰架附近都有可以找到它们。

  科学家通过研究发现,与其他地区的鱼相比,生活在南极的鱼血液中有一种特殊的成分——糖肌,以它为主要成分的一种特殊的化学物质可以帮助这些鱼面对寒冷。科学家把这种东西叫作抗冻蛋白质(Antifreeze Proteins),这种抗冻蛋白质是一种高分子蛋白质,能与冰或水相互作用,降低水结冰的温度。除此之外,还能随着海水温度的变化而自动调节。夏天,抗冻蛋白停止产生,直到冬天才继续发挥“魔力”。

  第一是热滞活性(the rmalhysteresis activity,THA),抗冻蛋白以非依数性形式降低水溶液的冰点而对其熔点(melting point, MP)影响甚微,从而导致水溶液的熔点(MP)和冰点(freezing point,FP)之间出现差值。即它可以改变冰鱼的体内环境,降低血液的冰点,阻止冰晶的形成。

  第二是冰重结晶抑制(ice recrystallization inhibition,IRI),冰重结晶(IR)解释了一个热力学上有利的过程,其中较大的冰晶的形成以牺牲较小的冰晶为代价,较大的冰晶对于冷冻保存的细胞以及栖息在极地或寒冷地区的生物体可能是致命的,而抗冻蛋白可以在非常低的浓度下抑制冰重结晶。也就是说,如果真的形成了冰晶,抗冻蛋白会把冰晶的开放面直接黏住。这是一种直接干涉,从物理层面干预了冰晶的变化,使得它们无法轻易地扩张、融化或者重新冻结。这样就保障了安全的体内环境,让冰晶数量变得很少,而且很稳定。

  南极鱼身上的这种蛋白质使得它们可以在零度以下的水域维持非结冰的状态。也就是靠这种“天赋”,南极鱼才能在冰冷的海水里自由游弋。

  随着各种科学技术的进步,近10多年来,极地鱼类对低温环境生理适应的遗传基础正在得到揭示。抗冻蛋白的热滞活性和冰重结晶抑制活性使其在冷冻保存中具有重要作用,可用于在极低温度下储存各种类型的细胞、组织和器官、鲜冷食品等,已成为生命科学、医药卫生、食品、农业等领域的关键技术。

  在生殖医学领域,冷冻保存是关键技术之一,可以解决不孕不育、延迟生育等问题。抗冻蛋白可应用于精子、卵子和胚胎等组织器官的冷冻保存;在外科领域,冷冻手术是目前肿瘤治疗的一项关键技术,研究报道手术前将少许抗冻蛋白注射到待切除组织中,可以提高手术成功率,减少冷冻手术后的目标组织发生冷冻损伤问题;在食品领域,抗冻蛋白作为食品添加剂可以抑制冰晶生长,改善冷冻食品的品质;在农业领域,抗冻蛋白转基因技术提高动植物的耐寒能力,效提高水产经济鱼类的耐寒能力。

  尽管南极鱼抗冻蛋白在医药、食品、农业等领域都有良好的应用前景,但是目前在生产成本和产业化等方面还存在一些限制和不足,生产仅限于研究和专门的应用。因此,如何低成本地生产高活性的抗冻蛋白是未来应用开发的技术关键。