幻想通过“人体冬眠”去看未来？这种动物早就做到了

发布于:动物植物研究 2023-02-25 3226

漫漫冬日如此难熬，不如趁机把自己冻成“冰块”。

许多科幻小说和电影中，都有将人体冷冻起来，到未来再解冻复苏的情节。然而，我们的科学技术尚未达到这种水平，目前能在冷冻条件下保存的只有单细胞（如胚胎细胞、卵细胞、精子等），而且需要冷冻在特殊试剂中。至于稍复杂的器官，则只能在低温条件（通常为4°C）下短期保存，如心脏能保存约4~6小时、肝脏约8~12小时、肾脏约24~30小时。

可偏偏就有这样一种生物，冬天会冻成“冰块”，春天又能融化苏醒。

它就是木蛙（Rana sylvatica），这是一种在北美广泛分布的蛙类，也是唯一一种能在北极圈内生存的两栖动物。

冷冻状态下，木蛙的心脏会停止跳动，大脑也会暂时歇业。极端情况下，木蛙最低能耐受-18°C的严寒，即便是冷冻7个月之久，气温升高后还依然能够正常复苏，活蹦乱跳、毫发无损。

△正常状态和冰冻下的木蛙（左），以及它们的分布范围（右）

机体冷冻后无损解冻之所以困难，是因为冷冻和解冻过程会造成不可逆的损伤。

例如，在细胞外基质结冰的过程中，由于细胞外基质的水分结成了冰晶，溶质析出，所以细胞外基质的渗透压会逐渐升高，造成细胞内的水分转移到细胞外，使细胞脱水、体积减小；这些冰晶还会破坏细胞膜，以及细胞内的细胞器和细胞骨架。

另外，血液凝固导致的局部缺血还会使组织缺氧坏死；而解冻过程又会促进活性氧（ROS）的产生，进一步损伤细胞。

△细胞外液结冰对细胞的影响

所以，在漫漫冬季，木蛙是如何避免这些损伤的呢？

冰冻的木蛙

1994年，研究人员利用核磁共振对冷冻和解冻过程中的木蛙进行成像，发现木蛙身体结冰和解冻的过程都很缓慢。

结冰过程从身体边缘的肢体部位开始，以特定方向逐渐蔓延至身体内部。冷冻开始的2小时后（下图左D），木蛙的心脏已经结冰，停止了跳动，但肝脏却依然保持着未冻结的状态，不过体积大大减小。慢慢地，木蛙的肝脏也开始结冰，最终全身冻成冰块，整个过程持续4个多小时。

而解冻则是个完全相反的过程。

当外界温度恢复到0°C以上，首先解冻的是木蛙的内脏，再向全身各方向蔓延开去。到52分钟（下图右C）时，木蛙的肝脏已经完全解冻，成为最先解冻的器官，不过肝脏的体积并没能恢复到原始状态。慢慢地，木蛙四肢的肌肉组织也开始解冻。3个小时过去后，木蛙的心脏才完全恢复，血液再次灌注到血管和肝脏之中。

△冷冻（左）和解冻（右）过程中的木蛙，黑色部位（i）表示结冰，“h”指示心脏，“l”指示肝脏

可见，肝脏在木蛙的耐冻特性中有着重要作用。科学家们发现，在夏季和秋季，木蛙会在肝脏中储备大量的肝糖原。到了冬季，当温度降低，它们的肝脏会开始快速分解肝糖原，产生大量葡萄糖。同时，木蛙的心率会快速上升，在结冰过程开始的1分钟内，木蛙的心率直接会翻一番，这有助于葡萄糖快速地分布到全身。

对于细胞来说，葡萄糖是一种很好的冷冻保护剂。而为了快速吸收血液中大量的葡萄糖，木蛙的细胞从秋季开始，就会大量表达葡萄糖转运蛋白，并一直维持到冬季。这样当冬季来临，这些细胞就会高效地将葡萄糖转运至细胞内，避免细胞内部结冰。由于不同器官和组织对葡萄糖的摄取能力不同，最终，木蛙的大脑和腹部核心器官会获得更多葡萄糖，而骨骼肌和皮肤等外周组织中的葡萄糖浓度则相对较低。

与夏季的木蛙相比，秋冬季木蛙血浆和组织中的葡萄糖水平升高了50~80倍。要知道，正常人的空腹血糖水平低于5.0mmol/L，而木蛙在冬季的血糖水平可以高于200mmol/L，是名副其实的“高血糖患者”。

除葡萄糖外，木蛙还会累积其他的抗冻分子，例如，从夏季到冬季，木蛙体内的尿素水平升高了10倍。这些分子和葡萄糖被细胞吸收后，会一起增加细胞内的渗透压，在避免胞内结冰的同时，减少水分流失。

可是，除了细胞之外，木蛙身体的其他部分都会冻结，其体内65%~70%的水分都会结冰，仅仅避免细胞内不结冰还远远不够，还得让细胞外的冰晶不对细胞造成损伤。而木蛙采取了两种方式来应对这一难题。

首先，木蛙会表达专门的冷冻响应蛋白（Fr10），这种蛋白会在寒冷和细胞脱水、缺氧时高表达。这是一种冰结合蛋白，它能到达细胞外并和冰晶结合，最大限度地避免小冰晶再次结晶形成大冰晶，从而降低冰晶生长对细胞和组织造成的伤害。其次，木蛙还会在冬季改变细胞膜的组成成分，增加细胞膜的流动性，维持细胞膜的稳定。

不只是抗冻

由于冻结状态下的木蛙会停止呼吸，机体内的氧气会很快耗尽，细胞产生的能量会大大减少。所以，木蛙必须要在冬季数个月的时间内，将机体维持在低耗能的状态，诸如蛋白质合成、细胞分裂等细胞活动都需要维持在最低限度，同时还要维持生存必要的活动，例如抗氧化、抗细胞凋亡、基础的免疫功能等。

为了抑制机体的代谢，木蛙一方面会以表观遗传学的方式，通过DNA修饰和转录因子的调节，下调某些基因的表达。例如，由于氧气缺失，细胞只能以无氧呼吸方式供能，木蛙就会下调线粒体相关基因（参与有氧呼吸）的表达，这同时能减少对细胞有害的活性氧的产生。

另一方面，木蛙还会表达特定的microRNA，在一些基因正常转录后，限制并大大减少后续蛋白质的合成。这些用于调控的microRNA会在冷冻时显著增加，而解冻时显著减少，蛋白质的合成就会快速恢复，这样木蛙能在冷冻/解冻两种状态之间的实现切换。对于合成出来的蛋白质，木蛙也会通过翻译后修饰（PTM）稳定或增加它们的活性，让它们在代谢抑制的状态下能正常工作。

同样地，也是利用这些方式，木蛙上调了凝血和抗氧化应激相关基因的表达，以及相关蛋白的稳定性与活性。这样，即便机体内不幸出现的大冰晶造成了组织损伤和出血，木蛙也能迅速修复这些伤害。并且在春天到来、体内的冰晶融化时，尽量减少氧化应激带来的危害。

可是，停止呼吸带来的问题远不止能量供应受限。你也许知道，长时间剧烈运动，肌肉细胞的无氧呼吸会累积大量乳酸，严重时甚至会造成乳酸酸中毒。木蛙面临的是每年好几个月的无氧呼吸。因此，木蛙会调整部分组织中的代谢通路。在无氧呼吸中，乳酸主要由丙酮酸转化形成。木蛙通过将丙酮酸更多地用于合成丙氨酸，减少了乳酸的累积，最大限度地避免组织中的乳酸酸中毒。

科幻小说或许能成真

极寒地带生活着许多动物，木蛙是其中少见的、以冷冻机体的方式过冬的生物，其他生物通常会避免体内结冰。一般来说，动物们会运用两种策略：一是产生抗冻蛋白或如甘油类的冷冻保护剂，以维持机体内水分的过冷状态，例如陆生节肢动物通常会以这种方式应对寒冷；二是让机体低温脱水，例如水熊虫一类的缓步动物采取的就是这种方式。

△水熊虫

科学家们也一直在从这些生物的抗冻机制中汲取灵感。例如，他们已经能利用葡萄糖的类似物，把大鼠肝脏的冷冻保存时间延长到96小时；通过一些小分子来抑制细胞的代谢，使得冷冻又复苏的细胞的活力得以保持，DNA损伤也大大减少。这些工作不仅能给那些想冷冻身体看看未来世界的人们带来希望，还会极大地推动再生医学和器官移植等学科的发展。

随着全球气候的变暖，木蛙原本用来度过冬季的机制或许会在未来的某一天成为历史。至于在无法靠冰冻自己度日的冬天里，它们能否找到充足的食物，又会以怎样的方式去应对新的气候挑战，就有待更多科学家们的研究了。