细胞中的超级抗冻剂动物在冰雪中生存的能力比我们想象的要早得多

地球又热又湿。大海充满了生命。早期的乌贼、类似鳗鱼的鱼和海虫捕食较小的动物。然而，地面上却没有任何动静。动物们还没有爬上岸。

这就是大约4.5亿年前奥陶纪末期地球的样子。

温暖的海水为野生动物创造了完美的生存条件。但这种情况很快就会改变。不久之后，陆地开始冻结，冰盖开始蔓延。

以前温暖且适合野生动物生存的水变得寒冷且不适宜居住。一个又一个物种屈服了。在很短的时间内，一半的生命被消灭，这是地球历史上第二严重的大规模灭绝的一部分。

然而，幸存下来的动物之一是跳尾鱼。一种类似昆虫的小型动物，已经发展出一种特殊的策略来对抗寒冷。动物的细胞已经开始产生可以保护细胞免于冷冻的蛋白质。

跳尾鱼可能是第一个产生抗冻蛋白的动物。科学家此前认为，动物直到很久以后才开始这样做。奥胡斯大学和加拿大女王大学的研究表明了这一点。

“我们知道，在进化史上，抗冻蛋白已经多次独立发育。鱼类有它们，昆虫有它们，一些蜘蛛也有它们。但在我们看到这些结果之前，我们并不知道它们发育得这么早。在动物世界中，”马丁·霍尔姆斯特鲁普说。

他是奥胡斯大学生态科学系的教授，也是这项新研究的研究人员之一。

跳尾虫随处可见，包括您的花园

跳虫是一种小型动物，最大的跳虫种类只有六毫米长。它有六条腿，前面有两根触角。乍一看像昆虫，其实不然。事实上，它在进化树上有自己的分支。

到目前为止，研究人员已经发现了9,000多种不同种类的跳虫，它们几乎随处可见，包括在您的花园里。跳尾虫通常生活在土壤的上层或落叶中，以微小的真菌、细菌和其他微生物为食。

这种动物因其分叉的尾巴而得名，尾巴像弹射器的杆一样固定在身体下方。尾巴也被称为分叉，如果受到蜘蛛等敌人的攻击，动物可以迅速释放尾巴并跳到空中10厘米。

跳尾草对土壤健康有益，因为它们有助于将养分再循环到植物中。

培养皿中的小动物

MartinHolmstrup在实验室里饲养着近20种不同种类的跳虫。小动物不需要太多的空间。他说，整个群体可以生活在一个玻璃碗中。

奥陶纪时期的生活看起来与今天有很大不同。土地贫瘠，没有生命，但大海却充满了生机。图中所示的鱿鱼和海葵尤其占主导地位。但此时跳尾虫也存在。图片来源：FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons

“我们把它们放在带有石膏底座的培养皿中，这样可以保持湿润。作为饲料，我们给它们一点干酵母。这基本上就是它们所需要的，”他说。

实验中使用的是马丁实验室的弹尾虫。他将这些动物的样本发送给加拿大的三名同事，他们进行了一系列分子实验，以查明这些动物何时首次产生了抗冻蛋白。

由于研究人员知道细胞能够构建抗冻蛋白的DNA序列，因此他们可以跨物种、科和等级搜索相同的序列。他们还可以计算导致基因起源的突变发生的时间：奥陶纪。

“计算表明，弹尾鱼早于其他动物就形成了抗冻蛋白。直到一百万年后，鱼类和昆虫才出现这种情况。尽管植物和微生物，例如细菌和单细胞藻类，可能已经形成了类似的机制甚至更早，”他说。

如何找到跳尾

马丁·霍尔姆斯特鲁普(MartinHolmstrup)和他在生态科学系的同事们自己为实验室收集了弹尾虫。他们聚集在丹麦、冰岛和格陵兰岛。

它们并不难找到，你甚至可以在自己的花园里找到它们。

只需按照以下步骤操作：

从花园里抓起一把土壤或树叶，将其放入筛子中。

将可调灯放在筛子上，并将托盘放在筛子下。

灯发出的热量会使弹尾鱼寻找较冷的环境。这将使它们通过筛子落入托盘，在那里你会发现它们在爬行。

封装并减缓冰晶的形成

尽管您几乎可以在全球任何地方找到弹尾鱼，但北极地区的弹尾鱼数量比其他任何地方都多。只有少数其他陆生动物能够在格陵兰岛和加拿大的寒冷中生存，这意味着弹尾鱼可以不受干扰地以细菌和真菌为食。

“弹尾虫的超强抗冻蛋白使它们能够在寒冷地区生存，在那里它们只需要与其他一些蠕虫和昆虫分享食物。而且它们没有很多天敌，”马丁·霍尔姆斯特鲁普说。

冬季，当北极气温下降时，跳尾鱼开始产生抗冻蛋白。它们也被称为“冰结合蛋白”，因为它们可以附着在微小冰晶的表面并阻止它们长大。当土壤结冰时，陆生动物会与冰晶密切接触，因此抗冻蛋白在防止冰扩散到动物体内并杀死动物方面发挥着重要作用。

“就像我们和大多数其他动物一样，如果弹尾鱼的‘血液’结冰，它们就无法生存。抗冻蛋白有助于防止这种情况发生，”他说。

跳尾鱼有多种形状和大小，有超过9,000种不同的物种。这些只是我们发现的物种数量。研究人员估计，跳虫的种类数量是其两倍甚至更多。图片来源：安迪·穆雷/维基共享资源

像葡萄干一样干燥

然而，这种特殊的蛋白质并不是跳尾鱼在北极严寒中生存的唯一能力。他们还有另一个伎俩。

“因为每种生物的细胞内都含有水分子，所以我们很容易受到冰冻温度的影响。如果水结冰，细胞就会被破坏。为了防止这种情况，跳虫会让自己变干，并在冬天进入一种冬眠状态。”，马丁·霍尔姆斯特鲁普解释道。

当跳尾冬眠时，它们的新陈代谢变得如此缓慢，以至于科学家无法实际测量它。然而，当春天到来时，它们会吸收水分回到体内并重新开始新陈代谢。

“你可以将它们与葡萄干燥成葡萄干进行比较，这个过程让人想起冷冻干燥。在冬天，跳虫会收缩，变成小而有皱纹的生物。然后，当春天到来时，它们吸收水分并膨胀回正常大小。，“他说。

在本应冻死的鱼中发现

多年来，某些动物物种如何在地球上最寒冷的地区生存一直是个谜。直到上世纪中叶，科学家们才发现了使动物能够应对寒冷的抗冻蛋白。

几十年来，科学家们一直想知道北极鱼类如何能够在-1.8摄氏度的海水中游泳。海水因其含盐量而冰点较低。另一方面，鱼的血液的冰点为-1摄氏度，这意味着它们在水中无法避免结冰。

“长期以来，鱼类如何在冰冷的海水中生存一直是个谜。然而，在20世纪60年代末，美国研究人员ArthurDeVries能够分离出北极鱼类中发现的蛋白质，他发现这些蛋白质能够防止冰形成存在于鱼的细胞和血液中，即使鱼在其一生中都处于过冷状态，”MartinHolmstrup解释道

从那时起，研究人员在许多其他动物、植物和微生物中发现了抗冻蛋白。这些抗冻蛋白现在已被工业界使用。

如今，抗冻蛋白在食品工业中发挥着重要作用

如今，许多食品都是以冷冻食品的形式买卖的。然而，问题是，如果冰晶开始形成，冷冻食品就会发生变化。它们通常会降低食物的味道和质地。

然而，这种情况可以通过特殊的抗冻蛋白来预防，MartinHolmstrup解释道：

“编码鱼类抗冻蛋白的基因已被复制到工业酵母细胞培养物中。这使得酵母产生非常有用的蛋白质，然后可以将其添加到不同的食物中，”他说。

蛋白质特别有效的食物之一是冰淇淋。

“我知道联合利华在冰淇淋中使用了蛋白质，因为它们有助于创造出非常可爱的质地。冰淇淋也可以解冻并再次冷冻，而不会变成坚硬的冰晶块。从长远来看，可以利用这种效果与移植器官的冷冻保存有关。”

“航空航天和风力涡轮机行业等其他行业也对这些蛋白质进行了实验。他们希望这些蛋白质能够保护机翼免受结冰和需要除冰的影响。”