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科学解释冷血动物过冬

科学解释冷血动物过冬
对恒温动物而言,御寒是以厚长的皮毛留在当地渡过严冬,或是向南迁移到较温暖的地方;而那些变温(ectothermal)或冷血动物如蜘蛛、昆虫、青蛙或乌龟等,则是以冬眠的方式,将生理代谢降低到近似无生命的状态,来渡过这段天寒地冻的日子。但她们冬眠的场所如池底、土穴或树缝中的温度,常会降至零度以下,此时的温度总称之为“冰温”。这些生物如何能避免细胞质及细胞间质的液体在冰温时结冰,是个有趣的问题。
当温度降至冰点以下,会对生物体造成物理性及生理上的伤害。物理上的伤害主要是由结冰造成:当冰晶在细胞间逐渐变大时,会改变细胞间质溶液的性质,并且因为冰晶的膨胀而阻断细胞与细胞间物质的交换,进而引发生理上的伤害。冰温对生物生理上造成的伤害,可能因为冰晶在细胞外形成时,会使细胞外水分子的浓度减低,因此造成细胞内水分子的浓度大于细胞外水分子的浓度,使得水分子向细胞外渗透,造成细胞内渗透压的剧烈变化,导致细胞体积萎缩与pH值的改变,使细胞膜的通透性异于常态,阻塞了离子进出细胞的通道,导致细胞死亡。
变温动物为了在冰温时仍能生存,有两种适应上的选择。一种是“忍耐冰冻”,当细胞间存有冰晶时,动物仍然可以生存,这就称为“忍耐冰冻”。当生物选择以忍耐冰冻来适应冰温时,牠必须能够克 服以下的问题:一、冰晶必须只存在于细胞外,而且愈小愈好,因为细胞内如果结冰,会使细胞质的浓度改变,再加上低温会改变蛋白质的活性,影响生理代谢,细胞可能会立即死亡;二、细胞间质液体结冰的速率愈慢愈好;三、细胞必须避免脱水和萎缩; 四、细胞必须维持代谢上的恒定。动物为了能成功克服以上问题,以“忍耐冰冻”方式生存,则体内必须具有特殊的“冰晶核蛋白” (ice-nucleating protein ; INP),以控制细胞外冰晶的形成,并利用抗冻蛋白 (antifreezing protein或thermal hysteresis proetin;THP)来控制冰晶的扩大。此外,动物体内必须具有低分子量的抗冻剂 (cryoprotectants),来维持细胞的体积和细胞膜的结构,及保持未结冰的水分不结冰,同时再减低代谢速率或是以无氧呼吸方式,来维持生命。
另一种适应方式是“避免冰冻”。此种适应和“忍耐冰冻”最大的不同是,体液如果出现结冰现象,则会危及生存,所以如何避免体内出现冰晶,是此类动物必须克服的。欲解决这问题,动物体内必须具备抑制冰晶核的形成和避免体温降 至凝固点以下的能力,牠们在低温时必须能清除体内的冰晶核,并且以体内的抗冻蛋白抑制冰晶核的形成,及累积高浓度的抗冻剂以维持体温在凝固点以上,才能避免结。
无论变温动物选择那一种适应方式来渡过冰温的环境,在她们体内都发现有冰晶核蛋白、抗冻蛋白和抗冻剂,只是它们在两种不同适应方式的动物体内的组成和所扮演的角色,各有不同 。

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