人類夢寐以求的冷凍復甦技術，動物卻靠憋尿和嗑毒實現了？

漫威電影中美國隊長在二戰後被冷凍70年，復甦後依然能打能殺，拯救世界。

跨越科幻的橋樑回到現實中，自然界中也不乏這樣的冷凍生物。

一種阿拉斯加木蛙能在寒冷環境中讓身體結冰8個月，進入「假死」狀態。

而其中的秘訣就是——憋尿。

冷血動物沒有恆定的體溫。

體內各種複雜的化學反應隨著溫度的變化而改變。

為了在寒冷和饑饉中存活，它們只好通過降低體溫進入類似昏睡的冬眠狀態。

這時新陳代謝等生理活動減慢，也就節省了能量的損耗。

一些哺乳動物和少數鳥類也會進行冬眠。

在冬眠的北極熊

即使新陳代謝降低了，也只能最大限度地減少能量消耗。

而有些動物卻直接不進行新陳代謝，心跳與呼吸也驟然停止。

還在為它活活被凍死而感到同情，一段時間後它又奇蹟般地蘇醒過來。

木蛙廣泛分布於北美洲，它是阿拉斯加分布最廣的青蛙。

冰天雪地的阿拉斯加當年就因沒有開發價值而被俄羅斯賤賣給美國（每英畝2美分）。

長年寒冷的極地氣候常常使冬季的夜晚降到-9至-18℃的低溫。

而其中卻也蘊藏著奇妙的生命現象。

作為阿拉斯加的「土著」，木蛙自然有應對冷冽寒冬的獨門秘笈。

當外界溫度下降時，它的表面皮膚開始凝結一層冰覆蓋全身。

同時，大約60%的體內水分結冰凍結。

整隻結冰的活體冷凍青蛙彷彿一個堅硬的易碎冰雕。

即使在-18℃的環境中，它也能實現長達8個月的「結冰」狀態。

等到天氣回暖，木蛙體內外的冰逐漸融化，它則恢復生龍活虎的行動能力。

然而在複雜的機體結構中，木蛙的防凍機制可遠不止結冰這麼簡單。

大多數生物體耐受不住極端寒冷，是因為此時內環境中大部分的液體狀態發生了改變。

當溫度降低到冰點以下，細胞內液體凝固的冰晶會對細胞造成物理損傷。

而細胞間的冰晶膨脹會阻斷其間的物質交換，從而引發生理傷害。

同時細胞環境中物質濃度可能因液體水的減少而升高。

存在濃度差的情況下，細胞吸水過量會改變了細胞膜的通透性。

這也就導致了離子進出細胞時受到阻礙。

最嚴重可能引發細胞死亡。

變溫動物為了適應溫度變化而具有更複雜的基因組。

在基因正常表達下，它們的變溫機制往往具有4~10個酶系統。

以保證它們在不同溫度下可以完成內環境中的化學反應。

木蛙也是這種效應的一個顯著例子。

當溫度變得寒冷，它體內的基因將啟動血液中的冰晶核蛋白。

這種蛋白是木蛙忍耐冰凍的絕佳武器。

它限制了冰晶只在細胞外形成。

而且細胞外多處形成一些小冰晶，避免形成大冰塊損傷細胞。

除此之外，通過降低冰晶形成的速率，細胞滲透壓變化也放緩了下來。

當細胞外的水結冰，其濃度的升高使細胞內的液體外滲。

細胞在安全的情況下逐漸脫水，平穩進入休眠期。

等滲、低滲、高滲情況下紅細胞的形態

當水中混合有其他溶質時，其凝固點會下降。

因而水變得更不容易結冰。

木蛙的冷凍保護機制便是利用了這個原理。

從而讓自己的細胞、器官得到保護而免受破壞。

木蛙具有獨家秘方的冷凍防護劑——葡萄糖和尿素。

其實這兩種物質在其他生物體中也都是維持生命的基本物質。

只是在木蛙最大限度地發揮了它們的功能。

它們除了提供能量，還摻雜進血液中以降低冰點。

小分子物質進入細胞被利用

這就使得體內結冰的速度變得緩慢，達到保護細胞膜完整性的目的。

在細胞脫水後，充足的葡萄糖和尿素已經準備好，血液緩慢結凍，心臟也暫停了跳動。

於是木蛙就進入了不知限期的休眠狀態。

維持生命最基礎的物質是糖類。

而肝臟是木蛙體內最大的糖原庫，也就具有極其重要的使命。

在冷凍48小時內，肝臟將糖原分解為小分子的葡萄糖運輸進血液。

而當休眠結束，殘餘的葡萄糖再轉化為肝臟糖原。

因此，重任加身的肝臟也在進化中得以強化。

阿拉斯加木蛙的肝臟重量佔到總體重的22%。

比起其他品種的木蛙大概多出兩倍。

青蛙的內臟結構

而原本作為代謝產物排出體外的尿素，此時卻成了秘密法寶。

經過尿素循環，尿素在肝臟中轉換出來並進入血液完成抗凍防寒的艱巨任務。

於是即使在長達8個月的休眠期內，木蛙也把尿憋著，把它用在有更需要的地方。

因此，按照人類的角度理解，木蛙可謂是重度「尿毒症患者」。

人體腎臟的工作過程

但實際上，木蛙異常強大的肝臟早已將有毒的尿素轉化為無害的氮。

進入血液後除了發揮溶質的功能外，還促進了休眠等溫體的代謝減退。

同時，喚醒與休眠之間的轉換是通過調節酶的活性狀態實現的。

尿素、pH和溫度也就成為了遙控「喚醒/休眠」開關的按鈕。

然而，這種冬眠機制並不是木蛙與生俱來的。

阿拉斯加木蛙通過漫長的演變，才進化出強大的受凍能力。

居住在美國東部俄亥俄州的木蛙則表現出不同的生理機制。

其腦類及全身的葡萄糖和尿素都具有較低的濃縮水平。

因此在同樣的低溫環境下，它因能量供應不足而具有更低的存活率。

它們通常只能耐受-3至-6℃的寒冷條件。

而另一種昆蟲能在零下70℃的低溫下生存14年。

要知道，通常昆蟲只有幾個月的壽命。

它則因為強大的耐寒能力而成為了昆蟲界的「千年老妖」。

北極燈蛾生活在加拿大北極群島和格林蘭島的極寒地帶。

14年的壽命中，它的幼蟲形態就保持有大約7年。

這是因為毛茸茸的幼蟲大部分時間都會因寒冷而凍結。

北極燈蛾幼蟲

而只有每次短時間的解凍時，它才能在小範圍內尋覓食物。

經過漫長的積累與消耗，它才得以在最後一個夏天蛹化成蛾。

因此有人戲稱，北極燈蛾幼蟲的一頓飯吃了7年才餵飽肚子。

除了自身凍結的防冷凍機制外，美國生物學家發現它們經常服用一種特殊的食物。

這是一些含有帶毒的吡咯里西啶生物鹼的食物。

這種生物鹼會抑制幼蟲的生長，但同時卻增加了20%的存活率。

因此猜測，抗寒體質的維持也許與該藥物存在一定程度的聯繫。

野茼蒿中含有這種生物鹼

雖然人體內沒有這類冰凍動物獨特的進化適應機制。

但至少通過對它的觀察研究，得出某種涉及葡萄糖水平和尿素處理過程的適應性過程。

電影和小說中常出現冷凍人的情節故事。

而現在人體冷凍技術也正在試驗當中。

把患病人體在極低溫下保存冷凍，直到將來先進的醫療科技能夠治癒時再解凍治療。

而正常人也可以通過這種方式實現永生的希冀。

人體冷凍也許是實現永生的可行手段，但也是一場向死而生的賭局。

冰冷的實驗室整齊排列著里等待著「死而復生」的身體。

復甦後的面臨的新世界既是憧憬也是迷茫。

唯一沒有改變的，是你的身體與固有認知。

通過這樣的方式留存生命，其意義與價值難道還依存嗎？

*參考資料

變溫動物過冬. 科學月刊.

Linda Crampton. Cryobiology: Frozen WoodFrogs and Adaptations for Survival. Owlcation. 2017.

Larson D J, Middle L, Vu H, et al. Woodfrog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezingtolerance.[J]. Journal of Experimental Biology, 2014, 217(Pt 12):2193-2200.

Costanzo J P, do Amaral M C, Rosendale A J,et al. Hibernation physiology, freezing adaptation and extreme freeze tolerancein a northern population of the wood frog.[J]. Journal of Experimental Biology,2013, 216(18):3461-3473.

作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者

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