動(dòng)物血液被凍住后還能復(fù)活嗎？為什么有些動(dòng)物會(huì)在夏天進(jìn)入冬眠？

撰文 | 劉六七???????????????????????????????????????????????????????????????????????

此時(shí)此刻，在高緯度地區(qū)，許多動(dòng)物為了躲避嚴(yán)寒和食物驟減，進(jìn)入到冬眠或類冬眠狀態(tài)。

以人類視角解讀，冬眠頗有些“順其自然”的哲思意味：遇到生存困境干脆一睡了之，待到睜眼之時(shí)，冰川消融，萬(wàn)物復(fù)蘇，又可以繼續(xù)生長(zhǎng)和繁衍。

為了減少冬眠期間的能量消耗，動(dòng)物會(huì)主動(dòng)降低新陳代謝速率。以馬達(dá)加斯加的矮狐猴為例，它們的心跳能從每分鐘300次降至6次，呼吸頻率能從每秒1次變?yōu)?0分鐘1次，體溫也從35度左右一下滑至和環(huán)境溫度差不多。

矮狐猴屬的動(dòng)物會(huì)在冬季進(jìn)入4~5個(gè)月長(zhǎng)的冬眠，靠?jī)?chǔ)存在尾巴的脂肪提供能量|Animalia

于是網(wǎng)友發(fā)問(wèn)，有沒(méi)有動(dòng)物的體溫能隨環(huán)境降至冰點(diǎn)以下，那時(shí)它們是否會(huì)因血液凍結(jié)而死亡？比如，冬天時(shí)被凍成冰坨的青蛙，解凍后還能不能活過(guò)來(lái)？

還有網(wǎng)友對(duì)“冬眠”一詞提出了根本性的疑問(wèn)，問(wèn)為啥有動(dòng)物在炎炎夏日也可以進(jìn)入冬眠狀態(tài)，還有人說(shuō)黑熊的冬季長(zhǎng)眠不算冬眠？

是不是有些暈了？本篇文章，讓我們一起聊聊動(dòng)物冬眠那些事。

-3度的血液

說(shuō)到冬眠動(dòng)物，就不得不提大名鼎鼎的北極地松鼠。

大約40年前，研究北極生物學(xué)的布萊恩·巴恩斯好奇，這種小型嚙齒哺乳動(dòng)物如何熬過(guò)北極圈的寒冬，便在冬眠季前，向它們的胃中裝入可以傳輸溫度信息的無(wú)線電裝備。

最后的讀數(shù)讓他大吃一驚：冬眠時(shí)，北極地松鼠的核心體溫可以降至-3攝氏度。

布萊恩·巴恩斯（Brian Barnes）|阿拉斯加大學(xué)系統(tǒng)

這種溫度對(duì)哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)是致命的，因?yàn)椴溉閯?dòng)物的血液在-0.5~-0.7度間會(huì)開(kāi)始結(jié)成冰晶。尖銳的晶體會(huì)刺穿紅細(xì)胞的細(xì)胞膜并讓細(xì)胞脫水坍塌，最終導(dǎo)致個(gè)體死亡。不過(guò)神奇的是，在這樣的溫度下，北極地松鼠的血液并沒(méi)有結(jié)冰。

對(duì)其血液樣本進(jìn)行分析后，研究人員發(fā)現(xiàn)，北極地松鼠保持血液流動(dòng)的秘訣不是分泌出了某些物質(zhì)，反而是“做減法”，讓血液變得干凈無(wú)比，以至于冰晶找不到能成形的地方。

冬眠中的北極地松鼠，它是目前哺乳動(dòng)物最低體溫的紀(jì)錄保持者|Joel Sartore

在物理學(xué)中，有一個(gè)名詞叫“成核點(diǎn)”，這是指物質(zhì)發(fā)生相變的最初位置。比如，可樂(lè)中的二氧化碳要想從液體變?yōu)闅怏w就需要找到一個(gè)平面來(lái)結(jié)核，這就是為什么可樂(lè)與瓶身接觸的位置氣泡冒得最兇——瓶壁是巨大的成核點(diǎn)。

同樣的道理，如果血液想從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)也需要依靠成核點(diǎn)來(lái)完成，這些成核點(diǎn)可以是死細(xì)胞碎片或是微小的氣泡。

然而通過(guò)某種科學(xué)家還不清楚的機(jī)制，北極地松鼠可以在冬眠前將血液中的雜質(zhì)清除干凈。水找不到能成核的位置，便不容易結(jié)晶。

將手或吸管插入汽水中后，表面會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，相當(dāng)于為氣體形成提供了成核點(diǎn)|ISP tutor

當(dāng)然，它們的抗凍能力也不是沒(méi)有極限。布萊恩的同事曾經(jīng)將一只冬眠中的北極地松鼠放進(jìn)冷凍風(fēng)洞里，然后逐漸降低溫度。當(dāng)溫度來(lái)到-26度時(shí)，松鼠開(kāi)始戰(zhàn)栗并有了蘇醒趨勢(shì)。

科學(xué)家估計(jì)，如果溫度繼續(xù)下降，北極地松鼠的血液就可能凍結(jié)，因此它們會(huì)結(jié)束冬眠狀態(tài)，并讓體溫回升。

有選擇性地凍結(jié)

面對(duì)極端低溫，有的動(dòng)物設(shè)法讓血液保持流動(dòng)，有的動(dòng)物卻有選擇性地讓部分血液先凍起來(lái)。

木蛙是唯一生活在北極地區(qū)的兩棲動(dòng)物，每年，一捕捉到冬天的訊號(hào)，它們就會(huì)鉆進(jìn)落葉堆中，準(zhǔn)備開(kāi)啟類冬眠模式。

處于類冬眠狀態(tài)中的木蛙|Fish and Wildlife Service

起初，冰晶先在它們的皮膚上凝結(jié)，隨后便向內(nèi)侵入血液和器官。最后，木蛙體內(nèi)三分之二的液體都會(huì)變?yōu)楸鶋K，整個(gè)蛙看起來(lái)就像個(gè)冰坨，沒(méi)有心跳，沒(méi)有呼吸，也檢測(cè)不到任何腦活動(dòng)。變?yōu)楸鶋K還能復(fù)活的秘訣，就在于沒(méi)有凍起來(lái)的那部分。

當(dāng)木蛙的皮膚上開(kāi)始出現(xiàn)冰晶時(shí)，它們的大腦就會(huì)發(fā)出信號(hào)，讓肝臟加速將儲(chǔ)存的糖原轉(zhuǎn)化為葡萄糖。葡萄糖隨后順著血液抵達(dá)全身各處，并與尿素一起進(jìn)入細(xì)胞，形成高效的“生物防凍液”。

Science Friday

由高濃度葡萄糖和尿素組成的“防凍液”有幾大作用。首先，“防凍液”顯著增加了細(xì)胞液濃度，從而使冰點(diǎn)降低，讓細(xì)胞內(nèi)部更不容易結(jié)冰。其次，高濃度葡萄糖對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞器也能起到一定程度的保護(hù)作用，就算產(chǎn)生了冰晶也不至于輕易將膜系統(tǒng)戳破。

“防凍液”還能抵消掉細(xì)胞內(nèi)外的滲透差，防止細(xì)胞脫水成“葡萄干”。

木蛙的血糖濃度能在短時(shí)間內(nèi)飆升50~100倍|Wikipedia by Brian Gratwicke

所以說(shuō)，雖然表面看木蛙的血液被凍住了，但是真正結(jié)冰的是以水分為主的血漿部分，紅細(xì)胞內(nèi)部卻沒(méi)有結(jié)冰遭到損壞。同理，木蛙體內(nèi)其他關(guān)鍵器官的細(xì)胞也在“防凍液”的保護(hù)下沒(méi)有受損，待春天到來(lái)，冰晶融化，水分將重新流回細(xì)胞內(nèi)。

那時(shí)，木蛙的心跳、血流和呼吸會(huì)漸漸恢復(fù)，然后“嘎”一聲（是的，聲音如鴨）投入到新一輪的飲食、生長(zhǎng)和交配中。

“奇怪”的冬眠

不管是讓血液凍住或不讓血液凍住，嚴(yán)寒是讓這些動(dòng)物進(jìn)入冬眠或類冬眠狀態(tài)的主要誘因。

然而對(duì)于矮狐猴、尼羅鱷、沙漠龜?shù)葎?dòng)物來(lái)說(shuō)，它們卻會(huì)在一年中最炎熱和干旱的時(shí)節(jié)進(jìn)入類似冬眠的狀態(tài)，以減少水分散失和脫水發(fā)生——頗為反直覺(jué)的感覺(jué)。

其實(shí)只要牢記一點(diǎn)就好。冬眠或類冬眠狀態(tài)是動(dòng)物為了保存身體能量而進(jìn)入的一種新陳代謝大幅度降低的休眠狀態(tài)，其發(fā)生并不取決于季節(jié)本身，而取決于環(huán)境壓力。

高溫時(shí)期，沙漠龜會(huì)鉆進(jìn)深洞，一連幾周甚至整個(gè)旱季都不露面|animalia

比如澳大利亞的針鼴會(huì)在森林火災(zāi)后進(jìn)入類似冬眠的狀態(tài)，等生態(tài)環(huán)境恢復(fù)得差不多時(shí)，才重新活躍起來(lái)。還有研究指出，小型哺乳動(dòng)物可能會(huì)為了活命進(jìn)入到休眠中，畢竟這種狀態(tài)下生命體征微弱，更不容易被天敵發(fā)現(xiàn)，死亡概率比正常活動(dòng)時(shí)低了5倍。

再有就是為什么會(huì)有“冬眠”和“類冬眠”的說(shuō)法。這其實(shí)是因?yàn)橹形睦锏亩呤且粋€(gè)過(guò)于籠統(tǒng)的詞匯，在生物學(xué)中，判斷是否為真冬眠主要有兩點(diǎn)：一，新陳代謝率是否顯著下降（下降90%左右）；二，動(dòng)物是否可以自主回升體溫。

可以將黑熊的“冬眠”稱為淺冬眠|North American Bear Center

黑熊其實(shí)就不算真冬眠，因?yàn)樗拇x率大約只下降了一半多，你甚至可以將其迅速喚醒。冷血?jiǎng)游铮ㄇ嗤?、烏龜?shù)龋┯捎隗w溫主要隨環(huán)境變化，無(wú)法自主控制，所以也不算真冬眠。

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