Question

什么是冰冻生物学？

Answer 1

对器官移植手术来说，最大的困难莫过于时间压力：由于器官保存的时间太短，医生们不得不接受一些对患者并不是很合适的器官。器官保护专家认为，肾脏移植中，只有5％是非常合适的。尽管其他的也是合适的，但并不是完全合适。肝脏和心脏保存的时间这么短，我们只有等移植后才能知道其适合与否。

冰天雪地中，一只棕色的小山蛙在几米深处被冰困住，蜷曲着，它被冻僵了，它的心脏停止了跳动，它的呼吸也终止了。但是当太阳又一次溶解池塘，山蛙也被解放了，它身上的冰融化了，它的心脏又开始了跳动，血液又开始了循环。它狠命地呼吸着空气，似乎僵死的那段时间只是个小小的插曲。

山蛙是怎样成功地以冰冻的方式存活的呢？罗马尼亚科学家鲁宾斯基等人在冰冻和融解山蛙时做了磁共振记录。结果他们发现：当一只山蛙被冰冻时，它的肝脏产生了大量的葡萄糖，这在血液中起到了防冻剂的作用。在冰冻的山蛙中产生的葡萄糖是正常人体中葡萄糖的100倍，而且脑和肝脏、心脏中糖的浓度达到了最高。青蛙冰冻的顺序是慢慢地从外部到内部关键器官，肝脏、心脏和脑是身体冰冻的最后几个部分；而融化时则从里到外。显然，如果动物的手足先开始解冻，它们将被冻坏，因为心脏和肺在那时还处于冰冻状态，还不能提供血和氧气；青蛙的幸存依赖于部分的细胞脱水。当冰形成在细胞膜外，细胞开始脱水直到里面溶质的浓度和外面液体的一样，但是这会增加细胞内葡萄糖的浓度，它能防止细胞内的水结冰。

冰冻显微镜看起来象一个普通的显微镜，带有一个目镜和一个试片平台。这个显微镜的关键之处是平台的一头连接着池槽中的液氮，它能把温度降到-160℃，另外一头接近体温。一个小马达把试片在台子的两头移动，这样，试片的温度就能在这头和那头之间改变200℃。

一台摄象机通过显微镜记录的所有活动，在几步远处的电视上显示出来：在试片冷的那头，冰从红色的血细胞中汹涌而出，滚动在它们上面，像致命的泥流，把细胞压碎在平台上，使它们陷在冰刀片狭窄的空间里，有些血细胞被拉长了，有一些被扯开了。但是，当鲁宾斯基加了一些丙三醇溶剂去降低幻灯片上血的冰点时，冰晶体从尖锐的刀片变成了一些羽毛状的分支，当冰呈现这个样子时，它就不是很危险了。

1957年，有位生理学家发现南极的鱼生活在温度比它们血的冰点还低的水中，他意识到肯定有什么东西能够使鱼的血不会结冰。十年以后，一位研究生仔细地研究了从南极带来的鱼，发现防冻剂就在血液的蛋白质中。几年之内，他鉴定并且提取出了其中的一些“防冻蛋白质”。而且他已弄清楚防冻剂是怎样工作的：那些蛋白质粘在小冰晶体上，直接阻止了冰晶的生长。这些蛋白质使鱼的冰点降低了1℃。鱼一般在-1℃被冰冻，但是它们血液中的防冻剂使血的冰点下降到-2℃，这恰恰是南极大陆上的水温，如果鱼还没有进化到有防冻蛋白质，那么整个南极将没有鱼了。

防冻蛋白质不仅能征服冰晶体，而且能保护细胞膜。鲁宾斯基还研究了怎样用玻璃化过程来保存单卵细胞。玻璃化是指很快地冷却液体，使其分子来不及形成规则的结构，即冰晶体，这样，液体变成了一个坚硬的但却结构松散的玻璃状固体。把卵细胞浸没在丙三醇或酒精等有保护性的溶液里，可以把卵细胞冷却到－130℃而不产生任何可探测到的冰晶体。

不幸的是，当温度进一步降低时，玻璃体开始破坏卵细胞膜。问题出在细胞膜的油脂上，这些油脂是体温的主要液体，但是在很低的温度下，它们变成了凝聚体，就象平底锅上冻结的脂肪。在这个从液体到凝聚体的改变中，细胞膜暂时失去了束缚离子流和别的流体进出细胞的能力，这会破坏细胞。

鲁宾斯基已经观察到了防冻蛋白质能够改变冰晶体的结构，而且认为它们也许会对器官有所帮助，所以他用防冻蛋白质冰冻了肝脏，结果观察到细胞膜未被破坏，这使他想到，也许它们也能保护卵细胞的膜。他把一些粉末加到玻璃状的溶液中，在冰冻显微镜下，他看到细胞膜没有受损，觉得很奇怪，因为防冻蛋白质主要是妨碍冰晶体的形成，但是在玻璃状溶液内，并没有晶体，这是为什么？鲁宾斯基核对结果，试验不同冷却速度下膜的弹力，然后实在太累了，他去了酒吧，走之前把剩余的那些放在防冻蛋白质中没有冰冻的卵子细胞放到了冷藏箱里。他并不是有意这样做的，但是24小时以后，当他把卵细胞从冻箱取出，在显微镜下观察它们，发现卵细胞的膜仍未被破坏！这说明，防冻蛋白质不仅能粘在冷水中的鱼的冰晶体上，同样也能在冰冻点左右粘在细胞膜上。当细胞膜处于危险的相变之中时，它们发挥了作用。除了延迟冰点，防冻蛋白质从某种程度上支撑了膜，塞住了漏洞。这样看来防冻蛋白在有机体战胜寒冷中扮演了不止一个的关键角色。

现在鲁宾斯基知道应该怎样成功地去冰冻器官了。当冰冻一个哺乳动物的器宫时，应该用防冻剂（鱼的防冻蛋白质）去保护细胞膜。还应该慢慢地冰冻，使器官的细胞有时间脱水，而且要用葡萄糖去保护细胞内部，除了葡萄糖，还有丙三醇，因为它更容易通过哺乳动物的细胞膜。为了让丙三醇有足够的时间渗到细胞中去保护里面的水，要慢慢地把它引到循环系统中。他和博士生一起发展了一个温度控制的、计算机驱动的动力系统，它能精确控制注射筒压力，保证一定量的化学药品在准确的时间里注射到器宫中。用这些新的仪器和一些防冻蛋白质，他们成功地冰冻了3个老鼠的肝脏，并在6小时后使其复活。

冰冻和解冻过程伴随着很大的危险，所以至今用以移植的器官还不能采用这种方法来保存。但是鲁宾斯基认为，这只是一个时间问题。他说：“我相信，找到了大自然早已设计好的规律后，长时间保存器官将变成现实。”