揭密！冬天能「凍結」的動物們是如何生存的？

抗凍蛋白、含糖細胞、關閉大腦，許多動物為了熬過冬季，發展出各種令人驚嘆的方法來暫停生理機能。

好幾年前，我大學的課堂上有位教授示範了個震驚所有人的展演：他先是拿出了一隻凍成塊但還活著的木蛙（wood frog），接著突然把牠往牆壁上砸。木蛙碎了一地，嚇得大家倒抽了幾口氣。

幾分鐘後，教授才解釋道說，其實他沒有真的把木蛙砸碎，而是用了塊大冰塊來代替木蛙，好達到戲劇效果。這麼做的目的是為了說明：木蛙真的會結凍好度過冬季，直到春天才再度解凍。

木蛙是地球上最常用來研究「結凍」的動物之一。當秋天氣溫下降時，木蛙會窩在樹葉堆中，任憑寒氣滲入體內，直到心臟、大腦乃至整個身子都折服於此。不過，木蛙絕非唯一一種死而復生的動物。

數以千計的昆蟲也耐得住結凍又解凍，甚至有些昆蟲能一天反覆好幾回；錦龜（painted turtle）在小時候能以與木蛙截然不同的方法耐凍；水熊蟲（tardigrade）則能在完全脫水的情況下靜待春天到來。

加拿大渥太華卡爾頓大學研究耐凍性的生物化學教授肯尼斯．斯托里（Kenneth Storey）說：「生物之所以耐凍是為了將分布範圍擴張到更高的緯度或是海拔，例如山頂這樣的地方。」

「如果你能耐凍，就能在這世上佔到一個更好的棲位。」

關鍵的糖分

「回到木蛙吧，剛開始牠身上的水分是液態的，整隻蛙活蹦亂跳，直到身體由外而內開始慢慢結冰。」斯托里說：「牠的皮膚開始結凍了一點，然後冰漸漸透過動脈、靜脈滲透到體內。」

情況從這裡開始愈來愈詭異。木蛙的眼睛漸漸失去生氣、大腦結凍，冰把血液逼向心臟，直到最後心臟也凍得跟塊石頭一樣。

這個轉變需要劇烈的生化變化來因應。木蛙會先透過微小RNA（microRNA）調節細胞，好避免細胞在過程中受損。緊接，當器官和細胞外部開始慢慢結冰時，青蛙的肝臟會釋出令人難以置信的大量葡萄糖，滲入包含細胞內的全身各處。這種糖漿狀的液體就像器官的抗凍劑一般，防止細胞結冰時萎縮及死亡。

等到了春天，斯托里說：「陽光普照、凍土消融，木蛙就會回暖、解凍。」

雖然各地木蛙的結凍程度不一，比如在阿拉斯加，木蛙能凍到攝氏零下20度，而北卡羅來納州及其他地方，則在攝氏零下13度，但牠們憑的都是同一套耐凍機制。無獨有偶，在其他蛙類身上也發現過一樣的機制，例如棕樹蛙（southern brown tree frog）、春雨蛙（spring peeper）、北蝗蛙（northern cricket frog），還有許多昆蟲及昆蟲的幼蟲也是。

但這套並不是動物唯一的耐凍方式。根據《整體環境科學》（Science of the Total Environment）期刊上的新研究指出，錦龜幼龜透過微小RNA重新調節新陳代謝，使其耐凍所需的葡萄糖要遠少於木蛙；成年後，錦龜則改以在水底泥土下屏息冬眠的方式度冬，時間可以長達四個月。

過冷的風險

哈佛大學醫學院研究自然界假死狀態（suspended animation）現象如何應用在人體器官移植的副教授香農．泰西爾（Shannon Tessier）表示，「過冷」（supercool）這個詞有時用來描述物質溫度低於熔點但並未結凍的狀態，而在大自然中（特別是對人體器官而言）過冷有其風險。

冰晶需要依附在某個東西上才能形成，也就是所謂的成核劑（nucleating agent），即便是小如一丁點的灰塵或一個膽固醇分子也行。但是，如果昆蟲或其他動物能抑制冰晶成形，那麽即便牠們的血液過冷仍然能保持液態。

但這個「如果」非常極端。泰西爾表示，除了條件受控的實驗室之外，這個世界到處都是成核劑。人們已經證實北極地松鼠（arctic ground squirrel）可以藉由消除所有潛在的結晶核來避免結凍，但這不代表牠可以達到極端的過冷狀態。斯托里表示，要是北極地松鼠真的進入極端的過冷狀態，那麼任何一點外力或是進入的成核劑，都會讓牠變成一根死氣沉沉的冰棒。

「將器官內的液體維持在液態有很多好處。」泰西爾說：「但如果這些液體總是有意外結冰的風險，就成了個需要解決的問題。」

這也正是許多生活在寒冷氣候下的物種，之所以發展出蛋白質或糖類來避免血液結凍的原因。這些機制能夠讓血液在攝氏0度之下維持液態，比如某些海水魚擁有抗凍蛋白、有些昆蟲則用糖份來抗凍。

不同昆蟲則演化出不同方式來抗凍。斯托里舉例說，一枝黃花癭蠅（goldenrod gall fly）的幼蟲在冬天溫度達攝氏0下時會結凍，等待溫暖時再解凍，過程甚至不到24小時；黄花癭蛾（goldenrod gall moth）的幼蟲則能保持體液全天維持液態。

癭蠅幼蟲像木蛙一樣利用糖分來緩衝零下溫度帶來的傷害；癭蛾幼蟲則利用糖份來防止體液結冰，基本上在攝氏零下38度之內都沒有問題。