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看看这些耐冻生物:人体冷冻起死回生技术不是梦
看看这些耐冻生物:人体冷冻起死回生技术不是梦
3/18/2016 1:24:51 PM | 浏览:1198 | 评论:0

看看这些耐冻生物:人体冷冻起死回生技术不是梦

  人体冷冻保存技术能否成功,目前还不清楚

新浪科技讯北京时间3月18日消息,据国外媒体报道,大多数动物都痛恨寒冷。当冬日到来时,许多动物都会躲在地下冬眠,或是转移到低纬度、更加温暖的地方去。但有些奇怪的动物的做法正好相反,在寒冷面前也能应对自如。

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  北极松鼠

我们仍在试图解开这些耐冻动物之谜。对于其中一种动物来说,这样做可能具有很重要的意义。几名科学家正在对北极地松鼠展开研究,它们是唯一已知的、能够忍受体温降到零度以下的暖血动物。如果能解开其中的奥秘,也许我们就掌握了冷冻移植所需的人体器官的关键。

该研究甚至能为人体冷冻助一臂之力。这是一个备受争议的话题,有些人将自己的尸体冷冻起来,希望自己在未来更先进的医疗条件下起死回生。

低于零度的体温对于任何生物而言都是一个严重的问题,因为水在结冰时体积会膨胀。“当动物细胞中的水结冰时,形成的冰晶会膨胀、并撑破细胞,导致细胞死亡。”俄亥俄州立大学的一名昆虫学家,戴维·丹林格说道。要想在低温下生活,动物必须设法防止细胞内部结冰。

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  木蛙

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  冰晶会造成毁灭性的伤害。

最著名的耐冻生物当属木蛙了。它们能够在极地的严寒环境中生存数周之久。“耐冻生物会使用各种各样的‘小技巧’来减少身体组织内部结冰造成的伤害,”迈阿密大学俄亥俄分校低温生物生态生理学实验室的琼恩·科斯坦佐表示,“我们的团队首次对阿拉斯加地区的木蛙的抗寒度展开了研究,它们在冷冻到零下14度的时候依然能够存活!”

这种青蛙能够产生一种名叫冷冻保护剂的物质,防止细胞内部形成冰晶。这种物质与汽车防冻液类似,都是通过降低冰点来阻止结冰。

“冷冻保护剂能够降低体内的冰点,防止水一降到零点以下就结冰。”丹林格解释道。当冷冻保护剂在水中溶解之后,它会和水分子紧密地联结在一起。水分子与冷冻保护剂联结在一起之后,就不会和其它水分子之间形成氢键,因此即使温度降到零度以下,水也不会结冰了。

当温度降到零度以下时,木蛙体内会产生尿素、葡萄糖和糖原,这些物质便起到了冷冻保护剂的作用。研究人员还在它们体内发现了一种基因,天气变冷时,这种基因便会负责将葡萄糖运输到细胞中去。

耐冻脊椎动物和昆虫也会产生抗冻蛋白质,与冰晶联结在一起,防止冰晶进一步生成。其中一种糖脂类化合物应用范围十分广泛,从植物到甲虫,它都充当了抗冻剂的作用。2014年,科学家在木蛙体内也发现了这种糖脂类化合物。

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  一只被霜冻住的毛蚊

抗冻动物中最令人惊讶的要算无脊椎动物了。从蟑螂到毛毛虫,许多节肢动物都能一次忍受数天的零下严寒。

这些物种中,有许多都会使用冷冻保护剂和抗冻蛋白质来保护自己的细胞。丹林格称,有些生物的体液冰点可低至零下25摄氏度(这一温度又称过冷却点),并且这并非一种罕见现象。

阿拉斯加有一种树皮甲虫(red flat bark beetle,拉丁名Cucujus clavipes puniceus),它的体液冰点可低至零下50摄氏度。但不同甲虫之间的差别也很明显——有些甚至能低至零下100度。

这些超级耐冻的甲虫体内含有大量抗冻蛋白质,以及甘油之类的冷冻保护剂,这能让它们即使在极端严寒的条件下,也能将冰的形成降到最少。

但这些生物适应严寒的方法却无法解释北极地松鼠的抗寒能力。北极地松鼠不用冷冻保护剂来保护自己的细胞,血液中也检测不出任何抗冻物质成分。

“哺乳动物的血液中没有冷冻保护剂。”阿拉斯加大学费尔班克斯分校北极生物研究所的布莱恩·巴恩斯(Brian Barnes)说道。过去二十多年间,他一直在研究北极地松鼠的冬眠情况。这种松鼠的体内肯定含有其它物质。

南极蠓(Antarctic midge,拉丁名Belgica Antarctica)则采取了另一种策略来应对严寒。“南极蠓也不会产生冷冻保护剂或抗冻蛋白质,”丹林格说道,“它们的方法是将体内的水排出体外。”

他指出,大多数昆虫只能失去体内20%~30%的水,但南极蠓失去70%的水后仍能存活。通过让自己失水,南极蠓便可以忍受零下20度的低温。

在冷冻期间,它们的新陈代谢也会停止,看上去就像死亡了一样。“它失去了这么多水之后,看上去就像死了一样,”丹林格说道,“但如果你给它加了点水,它很快就会满‘水’复活。”

“南极蠓有冷冻脱水的能力,”日本大阪市立大学研究动物生理学的Shin Goto说道。他解释称,当南极蠓生活的地方开始结冰时,周围的冰便会从南极蠓渗透性很高的身体中吸收水分,防止它们脆弱的组织内部结冰。

脱水是防止结冰的一种有效手段。毕竟没有了水,也就不可能有冰。但哺乳动物失去了这么多水是不可能存活下来的。因此冷冻脱水仍然不能解释北极地松鼠的超级抗冻能力。

不过,预防并不是解决结冰问题的唯一方法。木蛙和其它耐冻动物还采取了另一种手段,即产生一种名叫冰核促进剂的物质(ice-nucleating agents),促进冰的生成。

虽然这看上去和我们的直觉相悖,但冰核能够确保冰在细胞之间、而不是细胞内部生成。这种“细胞外的冰”造成的伤害要小得多,因为尖利的冰晶可以远离细胞内部精细脆弱的细胞器。

任何物质都可以成为冰核:一小粒灰尘,甚至一个细菌细胞也可以。而在耐冻生物体内,冰核应该是蛋白质或者脂肪。不过科学家目前还没有在实验室中分离出这些天然的冰核。

“冰核是模仿成冰的分子。”巴恩斯说道。它们和冰晶有着类似的结构,就像种子一样,开始冰晶的形成过程。木蛙的血液中含有冰核蛋白质,昆虫、贝类、甚至植物体内也检测出了冰核。

一旦冷冻起来之后,木蛙和其它耐冻脊椎动物就不得不关闭自己的生命系统,停止心跳和呼吸。因此,除了适应体内结冰之外,这些耐冻动物还进化出了在缺氧条件下生存的能力。

在遇到低温时,刚孵化出的锦龟幼崽会产生一种抗氧化剂和蛋白质,与体内的铁结合,这也是生物在缺氧情况下的普遍应对措施。2015年的一项研究证实,脱水的南极蠓也会采取类似的防御机制来解决缺氧问题:南极蠓的幼虫在冷冻状态下,体内的抗氧化剂含量也会升高。

但就像冷冻脱水一样,冰核对地松鼠也不管用。虽然像南极蠓这样的无脊椎动物和木蛙这样的冷血动物能够忍受体内出现一定量的冰,但哺乳动物是不可能的。

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  一只北极地松鼠正在寻找食物

事实上,缺少冰核正是地松鼠独特耐冻能力的关键。

“北极地松鼠在进入冬眠之前便会将体内可能成为冰核的物质清理干净。”巴恩斯说道。虽然它们的具体做法仍是一个谜团,但巴恩斯的研究指出,地松鼠可能是通过产生一种名叫掩蔽剂的物质,在冰核周围开始结冰之前就把冰核中和掉的。

“北极地松鼠在体温低至零下3度时仍能存活,但它们的身体不会结冰,”他解释道,“它们的体液会进入一种‘过冷却’状态。”

既然北极地松鼠体内缺乏冰核,无法触发冰晶形成,地松鼠体内的水自然也就无法结冰了。

不管这些动物究竟采取的是哪种抗冻策略,这样做的时间都是有限的。大多数耐冻生物一年只能来这么一次。在春天进行测验时,木蛙就只能忍受零下5度的低温了。虽然这已经是了不起的成就,但和它们秋天的抗冻能力相比可谓不值一提。

“我们还没完全弄清为什么它们的抗冻能力在春天会骤然下降,但这也许是因为它们生产冷冻保护剂的能力是有限的,”科斯坦佐说道,“两种主要冷冻保护剂,葡萄糖和尿素,在春天的木蛙体内含量都很低。在被人类冷冻起来之后,这些木蛙受到的伤害也比冬天更严重。”

这也许是一个普遍的问题。一项研究发现,四种耐冻蛙类在春天的耐冻能力都会下降,这与它们生产抗冻保护剂的能力下降有关。

事实上,大多数耐冻生物在进入冷冻状态之前都会有一小段适应过程。如果气温骤降,即使对最坚强的物质来说,也是难以忍受的。

伊莎贝拉虎蛾(Isabella tiger moth,拉丁名Pyrrharctia Isabella)生活在北极地区,它的毛虫可以在零下20度的严寒下存活,使体液过冷到零下10度。12周的适应期能够让它们将体液的冰点降低2度左右。在这段时间里,它们会产生甘油,脯氨酸和氨基酸来作为冷冻保护剂,在生理上做好应对严寒的准备。

北极地松鼠对付冬季严寒的手段要高明得多。“从冬眠的动物体内抽取的血液冰点比夏季动物的血液要低得多。”巴恩斯说道。但具体的原因仍是一个未解之谜。

他怀疑这可能与松鼠的大规模季节性变化有关。“我们正在研究它们是怎么确定每年冬眠的时间的。”他表示这是由它们脑中的生物钟决定的,它会设定好松鼠产生生理变化的时间,从而让它们为冬季做好准备。

在动物世界中,生活在极寒地区的动物们都进化出了应对天寒地冻的适应方法。理解这些过程,将帮助我们研发出冷冻移植所需的人体器官的新技术。此外,了解动物冷冻的原理,也许正是使人体冷冻变为现实的关键所在。

目前,用于移植的器官只能进行冷藏,不能冷冻。这意味着它们只能存放短短几个小时,因此用来救人的器官往往来不及及时赶到病人身边。如果能对器官进行冷冻,增加器官的存活率,对于器官移植领域而言将具有革命性的意义。而像北极地松鼠这样的耐冻生物身上,或许就隐藏着实现这一切的秘密。

事实上,对耐冻能力的研究已经取得了一些成果。

在鱼类和昆虫体内发现的防冻蛋白质显然是改进冷冻保存技术的目标之一。2005年,一支由加州大学伯克利分校和以色列希巴医疗中心组成的研究团队成功使用从南极鱼类体内提取的防冻蛋白质冷冻并保存了老鼠心脏,时间长达21小时。然后这些心脏被移植进另外一些老鼠体内,又继续跳动了至少24小时。

组织保存公司目前正在研究,比鱼类更加有效的昆虫防冻蛋白质能否用作人体器官保存的冷冻保护剂。

不过,与能从北极地松鼠身上学习的知识相比,从昆虫和蛙类那里学到的东西就很有限了。将一只昆虫或两栖动物冷冻起来是一回事,如果我们要想成功冷冻保存人类细胞的话,我们就得了解地松鼠这样的暖血动物是如何处理体温低至零下的问题的。

如果我们能弄清地松鼠清除体内冰核的方法,并将其运用到人类身上的话,我们也许就能冷冻细胞和器官、并防止细胞内部结冰了。

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  人体冷冻保存技术能否成功,目前还不清楚

有些人还希望,冷冻技术有朝一日能够冷冻整个人体。事实上,随着我们对耐冻动物的自我保护机制的了解不断增加,人体冷冻技术也开始从中学习了一些方法。

例如,有些人体冷冻公司会先给尸体脱水,用甘油和二甲亚砜等物质组成的冷冻保护剂取代血液,然后再把尸体深度冷冻起来,希望这样做不会损伤人体组织,或影响他们在未来复活。

但即使是最厉害的动物也没法在零下50度左右存活,而这离人体全身冷冻的温度还差得远呢。

Shin Goto认为对昆虫冷冻保护剂和防冻蛋白质的研究具有较大的潜力,但他仍然怀疑我们是否真的能将整个人体冷冻起来、再将其解冻,“人体体积太大,难以冷冻和解冻。”他指出。

戴维·丹林格也赞同他的观点:“我觉得冷冻整个人体是不太可能发生的,但我对冷冻和解冻人体组织仍抱有很大希望。”他补充说,南极蠓的冷冻脱水方法对“器官储存领域也有很大的启发”。

“如果我们真的弄清了南极蠓是如何做到这一点的,我们也许就能应用类似的方法来储存人体组织和器官。”他说道。

到目前为止,对耐冻鱼类、蛙类和昆虫的研究已经进行了三十年,我们也从中学到了很多,但也还有许多谜团尚未解开。

北极地松鼠是唯一能长时间在体温低于零度下存活的哺乳动物,它也许正是我们实现零下器官冷冻技术的关键。或许有朝一日,这只松鼠真的能救你一命呢。(叶子)

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