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冬天一到，气温跌破零度，土壤里、树皮下、冻结的池塘底泥中，无数生命都要面对同一件事——水要结冰了。纯水在标准大气压下0℃结冰，这就是“冰点”。
不过，生物的体液不是纯水，溶解着盐类、糖类、蛋白质等溶质，冰点天然就略低于0℃；许多生物正是通过提高溶质浓度进一步压低体液的冰点，让体内的水在零下仍保持液态，从而安全度过寒冬。
但对另一些生物而言，真正决定生死的不是冰点高低，而是三个更具体的问题：冰什么时候结、结在哪个部位、能长多大。
一、生物应对冰点的有趣方案
1.木蛙：主动请冰进门
北美木蛙主动把冰请进身体，只让冰结在安全的位置。冬季它能在约零下4℃中冻成“冰块”，心脏停跳、呼吸停止，身体总水量的65%结成冰，如此两周以上仍能存活，春天回暖后再化冻复苏。
它的血液中存在冰核蛋白（ice nucleating proteins），功能不是抗冻，而为，而是促进结冰——在指定的时间和地点为结冰提供“种子”，让冰在细胞之间、器官外围缓慢生长，而不是在细胞内部骤然成核。与此同时，木蛙的肝脏把糖原转为葡萄糖渗入细胞，提高胞内溶质浓度，使细胞在冰晶抽水时不致过度皱缩。冰由此成了保护结构，把器官裹在冰壳里过冬。
2.昆虫的两套赌局：推迟结冰，还是安排结冰
昆虫面对冰点，演化出两套几乎对立的策略。第一套是“竭力推迟结冰”，门槛是“过冷却点”——液体最终自发结冰的温度。许多越冬昆虫合成大量甘油把过冷却点大幅压低：甘油若能把冰点降5℃，过冷却点可压低约10℃。
阿拉斯加的红扁甲幼虫靠高浓度甘油、排出水分和抗冻蛋白，能把体液过冷却到零下五十摄氏度左右。但过冷却只是高风险的亚稳状态，一旦偶然出现冰核，冰晶在细胞内骤然形成，昆虫随即死亡。
第二套是“指定结冰”。北美一枝黄花瘿实蝇（Eurosta solidaginis）的幼虫躲在茎瘿里越冬，冰核蛋白让冰先在细胞之间形成，体内大半的水结成冰，细胞也安然无恙，来春照常化蛹羽化。前者尽量不让冰出现，后者干脆替冰指定位置。
3.南极鱼与北极地松鼠：同是抗冻，路径不同
南极海水因含盐，冰点约为零下1.9℃；南极鱼类靠溶质只能把血液冰点降到约零下1℃，本该结冰。它们依赖的是抗冻糖蛋白——这类分子吸附到微小冰晶的特定晶面上，阻止冰晶继续长大，把冰晶的大小限制在无害范围内。
哺乳动物中，北极地松鼠冬眠时核心体温可降至零下2.9℃而不结冰，还能自发苏醒；其血浆溶质浓度正常，也检测不到抗冻分子，说明其过冷却可能依赖消除冰核的机制与代谢抑制，目前尚未完全弄清。
4.雪莲与冬小麦：提前备好抗冻配方
天山雪线附近的雪莲，细胞内积累大量可溶性糖、蛋白质和脂类，细胞液冰点很低；温度再降，细胞内的水渗透到细胞间隙结成薄冰壳护住细胞本体，回暖后冰化成水再被收回。
冬小麦则在入冬前经历“冷驯化”，随气温渐降积累可溶性糖和脱水素蛋白，提前备好“抗冻配方”。湖泊，物理规律为生命留出的生存空间。
5.冰封的湖泊：物理规律留出的生存空间
还有一例不借助任何生物力量，只靠水的物理性质。水在约4℃时密度最大，表层水温降到4℃后继续冷却便变轻滞留上层，底层4℃水体保持稳定，垂直对流停止；表层结冰后，冰盖封存的空气导热性极差，像隔热被盖住水面，冰下水温因此维持在冰点以上。
若冰比水重，冰会沉底，池塘将从底部向上冻结，水生生物无处可逃。所以公园湖面封冻时不必担心锦鲤冻死，来年春天它们照旧优雅地游过来。
二、生物抗冻的技术启示
人类对生物控制结冰方式的认识，正在转化为实际技术。抗冻蛋白抑制冰晶生长和重结晶的能力，是食品保鲜和低温医学共同关注的焦点。
在冷冻、储运和解冻过程中，冰晶的重结晶会刺破细胞结构，导致汁液流失、质地劣化、营养损失；抗冻蛋白能够选择性地抑制特定冰晶面的生长，阻断这一过程，从而在食品领域维持冷冻肉类的质地和持水力，在低温医学领域则为细胞、组织和器官的冻存提供减少冰晶损伤的手段。
辅助生殖领域则提供了更彻底的方案——玻璃化冷冻：以高浓度冷冻保护剂使细胞内外的液体都不经过结晶、直接转变为玻璃态，从根本上跳过结冰。这与昆虫“竭力推迟结冰”的策略一脉相承，只是把这一策略推到了极端。
关于生物如何做到“冻而复苏”，中国科学家在一种耐冰鱼类中找到了部分线索。中国科学院水生生物研究所何舜平团队研究了葛氏鲈塘鳢——目前已知唯一具有结冰耐受能力的鱼类，民间称之为“还阳鱼”。与近缘但不耐寒的海南新沙塘鳢相比，葛氏鲈塘鳢在低代谢、细胞压力反应、细胞骨架稳定性、抗冻保护剂合成与跨膜转运等通路上发生了快速的进化和表达重塑；冰冻期组织内含量最高的小分子代谢物包括葡萄糖、肌醇和甘油，多种抗氧化剂的含量在冰冻期和复苏期明显增加。
这项研究为“冻而复苏”提供了遗传学和代谢层面的解释，也为医学抗冻保护剂的研发提供了来自鱼类的参照。
冰核的思路不止生物在用。人工增雪就是一例：向云中播撒碘化银，让人工“冰核”促使云中的过冷水提前结冰。这与木蛙的冰核蛋白原理相同：木蛙用冰核保护自己，人类用冰核影响天气。
木蛙用冰核蛋白让冰结在细胞外，雪莲把薄冰壳结在细胞间隙，南极鱼用抗冻糖蛋白限制冰晶的大小，昆虫在“不让冰出现”和“安排冰出现”之间各有选择，湖泊的分层结冰则为水下生物留出4℃的庇护层。
生物界应对冰点，靠的并不只是“把冰点降低几度”。水结冰本是一个物理过程，但生命用蛋白、糖、代谢调控和生理整合，把冰在哪里出现、什么时候出现、长到多大，都变成了可以商量的问题。
作者：张长峰 国家农产品现代物流工程技术研究中心 教授
科学审核：刘雅丹 全国首席科学家传播专家 研究员
编辑/配图：武玥彤
配图为AIGC生成
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