暫停生命，低溫生物學終極夢想？

當太陽的直射點逐漸移往南半球時，冬天的足步就開始向我們走來，生活在地球最寒冷區域之一的北極熊也即將展開它漫長的冬眠。動物在冬眠的時候，體內的物質代謝過程減緩，幾乎不需要補充外界的食物，就可安然度過漫長寒冷的冬季。這些觀察很自然的激發了科幻小說作家的想像，當宇宙冒險的題材為讀者所追捧的時候，冬眠機幾乎是所有宇宙飛船上的標準配置。1968年，庫布里克導演的幾乎沒有台詞的著名影片《2001太空奧德賽》中就有它們的身影。拋開科幻題材不論，低溫甚至超低溫下的世界一直吸引著物理學家和生物學家的極大興趣。許多物質在低溫、超低溫下會發生一些非常有趣奇妙的變化，比如透明的空氣在零下190℃ 下會變成淺藍色的液體，液態氦變成超流體，而許多金屬和化合物的電阻則會完全消失轉變成超導體。2001早已經過去了，目前載人飛船最遠只到過月球。而人體冷凍復甦技術依然如數十年前一樣屬於科幻題材，究竟是什麼在阻礙著這一夢想成為現實？

低溫的危險

高溫對生命的傷害很容易理解，隨著溫度的升高，蛋白質和核酸的結構隨之解體，溫度繼續升高可直接導致細胞膜上的磷脂彼此分離，作為生命基礎的細胞就此徹底崩解。當然如果溫度繼續升高，在有氧的情況下，大多數有機分子都會被徹底氧化，到此塵歸塵土歸土，鳳凰涅磐終究只是神話傳說，飄飛的塵埃即便再次進入生命循環，也已經與此前的生命體沒有絲毫關係。然而，要深入理解低溫的傷害卻並非易事。

生命世界基本上屬於一個化學世界，而化學反應的速度總是隨著溫度的下降而減緩，並最終停止。常見的由微生物所引起的食物腐敗就是一個典型的化學反應，這樣的化學反應可以被低溫延遲。很早以前，人們就知道儲存冬天的冰塊，以便在夏季用來長期保存食物，而冰箱的發明則將從前貴族才能享受的生活普及給了大眾。所以，從理論上說，生命的進程應該也可以隨著溫度的下降逐漸減緩並最終定格，然後再隨著溫度的回升而再次復甦。

的確，人們在自然界中觀察到一些生物具有驚人的抗凍能力，它們能保持在「暫停」狀態等待溫度的回升。梨樹在零下20~33℃、蘋果樹在零下46℃ 的低溫下休眠一冬之後，仍能春暖花開傳宗結果。而某些溫帶海域，冬季夜晚的溫度可以下降到零下20~30℃，海灘上遍布的軟體動物如貽貝、牡蠣等徑直化為冰雕，但當潮水回漲，它們彷彿睡美人般再次蘇醒。但更多的動物和植物則對低溫十分敏感，它們的生命在寒風中飄逝，再也沒有醒來的機會。

數十年來，許多生物學家致力於探索低溫對生命造成威脅的根本緣由，通過研究抗凍生物所具有的抗凍物質的保護作用以及對細胞的冷凍實驗，目前有兩大相互補充的理論可以對此作出基本解釋：低溫導致的化學損傷以及冰晶傷害。

化學損傷的原因很多，但最基本的來自於氧氣及其衍生物的強大破壞能力，構建生命體的大多數物質都會因氧化而喪失功能。當地球上誕生了第一種能利用陽光、水和二氧化碳製造葡萄糖的生命形式後，氧作為此過程的副產物被釋放到大氣中，伴隨著氧氣濃度的逐漸升高，當時的大多數生命體，被無情的氧化作用淘汰出局，這即是古生物學家認定的第一次生物大滅絕。今天，氧不被稱為毒氣而是生命之息，是因為，在億萬年前，一種微生物「學會」了駕馭氧，利用它強大的氧化能力，分解有機分子藉此獲得大量能量。因為我們還不太清楚的原因，這種微生物放棄了獨立的生活方式，演化成原始真核細胞中的線粒體。正是由於，快速大量的能量供應使得多細胞的生命形式成為可能，而我們正是原始真核細胞的後代子孫。

然而，無論氧氣多麼的重要，也不能掩蓋它氧化分解摧毀生命分子的本質。尤其在細胞主動利用氧的情況下，會有生成大量比分子氧更加活潑的自由基。在正常情況下，細胞利用一系列的酶，直接或間接的對抗氧及其自由基所帶來的損傷。但隨著溫度的下降，雖然破壞的速度也隨之下降，但因酶的催化才加速的對抗能力，現在隨著酶的活性劇烈下降，而急劇降低，本來平衡的化學反應最終倒向了破壞的一方。從根本上而言，生命作為一種有序結構，本來就是一種鋼絲上的舞蹈，平衡如果崩解，生命自然就此終結。當然平衡的崩潰速度，對不同的生命形式而言，差異很大，許多植物的種子只需零度左右的低溫，就可顯著延長儲存期，同時不會受到明顯的化學傷害。但要長時間儲存動物細胞，需要低得多的溫度。

至於冰晶傷害，和水的性質有關，水是一種少見的在結晶固化後，體積不減反增的物質，這是冰塊可以漂浮在水面上的原因。而因冰凍暴裂的水管，可以讓你直觀的想像到細胞凍結爆裂的場景。除此之外，冰晶的剛性結構，會將其它物質排斥在外，導致尚未凍結的液體中溶質的濃度大幅上升，過高的鹽濃度以及有害物質可直接損傷細胞。

通往安全凍結之路

從基本的物理和化學規律，可以推導出長時間儲存動物細胞，通常需要零下120度，當然零下196度更好，在這樣的溫度下，一切化學進程都幾乎完全停滯，除非儲存時間以地質時間為標尺，此時唯一的傷害來自於高能射線的，但這通常需要數百年的時間才會具有真正的威脅。數十年的研究，科學家發現，凍結和復甦動物細胞時，存在一個明顯的危險溫區，零度到零下60度，損傷主要發生在這個溫區。如何度過這個危險溫區安全抵達零下120度，就是研究的重點，先讓我們看看在凍結動物細胞時，可能發生的事情。

細胞的凍結，通常是從零下5度開始，這是因為細胞內外的液體都是鹽溶液。當細胞內外的液體進入過冷態後，細胞外液率先結冰，這些冰基本上由不含鹽分的水構成。如果降溫過快，這些冰就可能突破細胞膜進入細胞，或者細胞內液也迅速開始結冰，這些快速生長的冰晶幾乎一定會導致細胞膜發生嚴重損傷，復甦的希望就此終結。那麼抗寒生物的能力從何而來？答案是甘油類抗凍物質的合成。

甘油溶液的冰點很低，當細胞外液開始結冰後，胞內液的溫度還在冰點之上。而伴隨著結冰的過程，外液的鹽濃度開始上升，在滲透作用的影響下，細胞開始脫水，速度因細胞膜等因素的不同而有所差異。細胞體積收縮，一方面可以規避胞外的冰晶，一方面還可進一步降低胞內的冰點。所以，這些抗凍生物的細胞在自然環境的低溫下，大多並沒有被真正冰凍，這就有效了防止了冰晶的損傷。而這些抗凍物質的存在，還可防止細胞過度脫水收縮帶來的損傷，同時使得有害物質的濃度不會上升得太高，減緩了可能的化學傷害。

但要想在數年甚至更長的時間內保存細胞，零下數十度的溫度是太高了，不凍結住胞內的液體，化學損傷就無法真正避免。而凍結胞內液體的時機選擇就是關鍵中的關鍵，如果一直低速降溫，那麼細胞就可能過度收縮，同時高濃度的胞內溶液將直接損傷細胞。所以，我們需要當細胞收縮恰到好處之時，急速降溫凍結住胞內液體。而目前的研究顯示，不同的細胞，安全凍結的降溫以及復甦的過程差異很大。這就是為什麼，直到今天為止，器官移植中「浪費」現象非常嚴重，一個器官由太多不同類型的細胞構成，要長時間的安全凍存，今天的科技還無法做到。當然對低溫生物學的研究，已經大幅度的延長了器官的保存時間，比如腎臟，從前離體後，必須在六小時內移植，而現在通過低溫抗凍液體灌流術，已經可以延長到72小時，但這點時間依然太短。許多志願捐獻的器官，在突發事件發生後，根本來不及移植給任何人，就徹底的死亡。這是不是意味著，類似冬眠機這樣的東西永遠都只能屬於科學幻想呢？近年來，低溫生物學的新發現，也許可以幫助我們開闢另一條安全凍結之路。

展望生命之冰

液體轉變成固體有兩種方式，一是經過相變，以晶體方式的不連續的固化，而玻璃態固化過程中不經歷相變，液體連續的被固化。其結果是玻璃化態下的固體，依然具有流動性，也就是說你可以認為常溫下的玻璃是一種奇特的液體，但是它的粘滯度比普通液體高得多，要想觀察到它的流動現象，需要等待百年的時光。如果水在常壓下以每秒100萬度的速度冷卻，就可以形成低密度無定形冰，也即是玻璃化的冰。這種形態的冰最初是在彗星中發現的，低密度無定形冰可能是宇宙製造有機分子的「實驗室」，雖然時間以十萬年為單位，這些分子很有可能參與了生命的起源過程。在地球上，1985年，人們在實驗室製造出了無定形冰，這是在研究真空中緩慢沉積的水蒸氣的行為時偶然實現的。近年來超低溫生物學家發現，凡是成功的超低溫保存，細胞內的溶液均以玻璃態的形式被固化，亦即在胞內不會出現晶態的冰。

當前的研究熱點在於，如何實現超快速冷凍，可以讓細胞直接進入玻璃化狀態，尋找新型玻璃化溶液，以便讓組織、器官甚至完整的生物體比如人，進入玻璃化狀態。去年六月一則的科學新聞讓我們看到一點希望，芬蘭赫爾辛基大學的阿納托利·博葛丹博士，在研究低密度無定形冰時，發現水可以被緩慢的過度冷卻為玻璃狀，同時緩慢的升溫也可避免結晶的形成。這個發現如果能反覆再現的話，無疑將極大的促進超低溫生物保存技術的發展，畢竟超快速降溫以及尋找特別的玻璃化溶液都均非易事。無論如何，「冬眠術」比超光速要現實許多。浩瀚的宇宙在召喚著我們，但這一切都仰賴冬眠術從幻想成為現實。

（作者： 三思逍遙）

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