国家一级保护动物江豚“迁地保护”，为何被迁去海洋馆？......
2024-11-13 84
人类如何走向星辰大海？冻僵的小青蛙或许有答案
来源：互联网
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三体危机纪元12年，章北海了却了最后一桩心事，安然踏入休眠舱“支援未来”。两个世纪后，深沉如海的政委再次醒来，继续踏上他早已笃定的道路。这是《三体》世界中至关重要的一幕，然而如同在许多科幻作品中的遭遇一样，成就这一幕的关键——将人超低温休眠的技术——却早已被读者有意无意的忽视了。这也难怪，毕竟自从尼尔·琼斯在1931年的科幻小说《奇异的故事》中首次提到了使用低温将人体器官长期保存的设想以来，低温休眠早就成了太空探索背景的科幻故事中的标配。
科幻经典《异形》开篇，一行人从休眠舱中醒来 | Alien (1979)
和其他文学体裁不同，科幻作品素来以大胆设想、天马行空著称，在科幻作品中出现整齐划一的“设定”，只可能基于2个原因——它或许是对科幻史上那些标志性作品中相似场景的致敬，也可能对当先已经初现的技术原型的合理拓展。
《星际穿越》中，众人找到了休眠中的Mann博士 | Interstellar (2014)
凑巧的是，超低温休眠技术，两者兼备。
“死而复生”的青蛙
最早提出“超低温休眠”设想的并非一位科幻作家，然而他足够赫赫有名。传奇的一生里，本杰明·富兰克林做出了许多成就，然而自始至终，探索自然奥秘最让他乐此不疲。彼时的北美洲如同一座充斥着新奇野趣的富矿，但在诸多探险队传回的荒野故事里，来自北方极寒之地的一则尤其引起富兰克林的注意。
北美林蛙 | Brian Henderson / Wikimedia Commons
许多探险家记述道，在大陆北方栖息的一种小蛙似乎拥有“死而复生”的能力，在气温骤降至冰点后，这些小蛙身体冻结，看似已经完全没有生命迹象，然而次年气温回暖后，它们居然可以解冻复苏。”死而复生“的蛙让富兰克林惊奇，也极大地拓展了老人的脑洞。如果可以搞清小蛙解冻复苏的奥妙，是否就可以使用同样的方式将人冰冻起来穿越到未来？今天被恶疾困扰的病人或许可以在未来重获健康，遥不可及的星际航行也能得以实现。
北美林蛙的分布区域纬度跨度极大，不同纬度的林蛙对寒冷环境的适应力也各有不同 | Wikimedia Commons
富兰克林辞世后的35年，神秘的北方之蛙终于得以科学描述，此后的200年里，我们也逐渐洞悉北美林蛙（Rana sylvatica）”死而复生的奥妙。作为无尾目分布最北的一种，北美林蛙享受了高纬度空旷的生态位，却也同时要与这里极端恶劣的环境抗衡。像大多数近亲一般的掘洞冬眠在冻土夯实的极地并不适宜，即便能及时躲入地洞，极寒环境下的低温一样可以沁透土层。
北美林蛙能在低温中生存 | Wikimedia Commons
北美林蛙由此演化出极为特化的保命绝技——初秋时林蛙的肝脏已经开始储备糖原，凛冬将至，肝脏又将糖原转化为葡萄糖；与此同时，通过分解肌肉和蛋白质，林蛙体内的尿素含量也在激增。葡萄糖和尿素充盈在全身各处，林蛙的体液已经成为一种富含葡萄糖和尿素的混合液体，其中尤以脆弱的大脑和心脏处的浓度最高。这种溶液的冰点比水低很多，以此来确保冬季时，这些重要的器官并不会真正结冰。
掌握了防冻技术的北美林蛙 | J.M.Storey
将自己变成全身“糖尿病”实在是无奈之举。人们早已发现，在超低温状态下，细胞的一切化学活动和新陈代谢（包括死亡）都会变得缓慢，甚至停滞，而随着温度的上升，细胞活动又会慢慢恢复活跃。然而低温的另一面却”锋利无比“，液态的水在冻结过程中会结晶，冰晶锋刃锐利，在水结冰体积膨胀的过程中会毫不留情的刺穿细胞膜，造成细胞的结构性破坏。这也是为什么家中的冻肉总是会在化冻后流淌出许多血水。
这样的细胞即便解冻也不可能再存活，想要掌握冷冻休眠技术，首先要过冰晶这一关。北美林蛙利用葡萄糖和尿素加浓体液，正是为了避免冰晶对身体组织、尤其是大脑和心脏等重要器官的损害，今天的观察发现，北美林蛙可以在零下4摄氏度的环境下存活2个月，也能抵挡零下16度的极端低温。
强大的适应能力让北美林蛙成为北美最常见的两栖类之一 | Dave Huth / Flickr
防冻剂与人类的未来
受到林蛙的启发，人类也尝试着使用同样的方式达到相似的目的。人们用甘油来渗透到细胞内部，置换游离的水，并与水分子通过氢键结合，干扰冰晶的形成，此后，人们又相继发现了二甲基亚砜、乙二醇（汽车防冻液主要成分）等也可以起到类似的作用，它们被统称为——抗冻剂。此外，冰冻还需要考虑到微生物的侵袭，人们又学会了利用液氮营造零下-196℃的超低温环境，这个温度下微生物也无法存活，如此一来就达到了长期冰冻保存的目的。
小小的林蛙，可能对人类探索太空有所启发 | Benny Mazur / Wikimedia Commons
至此，超低温休眠技术慢慢走上实用。首先采取超低温保存技术的领域是畜牧业。以前，人们为了获得更好的牲畜幼崽，会让母牛、母猪之类的和基因优良的种牛、种猪交配，这受到了交通等的局限，效率也极为低下，大型牲畜的配种过程还时常对人和畜带来伤害。
在1951年，人们首次采用超低温休眠成功完成了牛的精液保存，今天的种畜业已经可以将种猪、种牛的精液人工采集下来，低温环境下贩卖到全球各地，再用人工授精的方式完成授精。仅仅在2年后，人的精液保存和人工授精也取得了成功。自此，“捐精”一词就进入了公众的视野。
液氮中冷冻保存的牛精液 | Uwemuell / Wikimedia Commons
单个细胞的超低温保存已经实现了，但将整个人体超低温保存依旧困难重重。对细胞的冷冻基本不需要考虑冷冻均匀的问题，但人不同，人是有厚度的，这个厚度会导致各个器官和组织之间的冷冻有先有后，而冷冻的不均匀就会导致冰晶的产生。
此外，人体内细胞太多，不可能被抗冻剂完全置换掉所有水分，这也会导致冰晶的产生，所以，以现有的技术来看，人体的超低温冷冻不可避免的会造成一些细胞受损。此外，人体的解冻更是复杂，如果不能保证同步解冻，甚至会发生生物组织的脱离——也就是一些细胞会脱落。在1957年对一些大型动物进行了超低温保存技术的实验，实验证明，虽然有些动物可以复苏，但器官仍受到了严重的伤害，不久就一命呜呼。
想象中的人体休眠技术 | SpaceWorks
尽管我们目前还没有完全掌握对大型动物和人的超低温保存技术，但已经有多家人体超低温保存公司涌现，比较著名的有美国的Alcor和Cryonice Institute，以及俄罗斯的KrioRus。这几家公司采用玻璃化保存技术——即先把血液完全抽干，再注入高浓度抗冻液，最后用液氮超低温保存50年。此外，他们把大脑和心脏摘除，单独冰冻保存。但至关重要的解冻技术依旧未能实现。
或许是受到了章北海的启发，2015年5月，《三体》的编审杜虹女士因病去世，在临终前她自愿选择美国Alcor为自己做人体超低温保存，这也是国内首例采用超低温保存人体的案例。
KrioRus使用的储存罐 | KrioRus / Wikimedia Commons
从跨入休眠舱到苏醒，章北海沉睡了两百年，从初闻北美林蛙的奥妙到尝试将同样的技术应用于自身，人类也摸索了两百年。林海雪原中的小蛙，或许会成为人类走向星辰大海的关键，但梦想何时能照进现实，恐怕还需要更多时间来见证。
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