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關(guān)于生命的論文范文
生命中的過冷現(xiàn)象
關(guān)鍵字： 過冷現(xiàn)象
在某些情況下，動(dòng)物組織溫度雖然在冰點(diǎn)以下，但不發(fā)生凍結(jié)，此即過冷現(xiàn)象(Supercooling)’但在致冷因素持續(xù)作用下降至某溫度時(shí)過冷狀態(tài)瓦解迅速發(fā)生凍結(jié)，該溫度即組織的過冷點(diǎn)。水對生命極為重要，脫水、鹽化、凍結(jié)均可對生命造成不利影響。在高寒地區(qū)凍結(jié)的影響較為普遍。在有些情況下，由于發(fā)生過冷現(xiàn)象抑制冰晶的形成，從而避免了凍結(jié)損傷。
1 單細(xì)胞的過冷與凍結(jié)損傷
人類很早就認(rèn)識到，生物材料能在低溫情況下長期保存而不致死亡。但是真正實(shí)現(xiàn)生物材料的深低溫保存，始于本世紀(jì)五十年代。1949年英國劍橋大學(xué)的青年學(xué)者C*Polge將甘油作為低溫保護(hù)劑，添加在精子的稀釋液中，實(shí)現(xiàn)了精子的深低溫保存，給生物材料的深低溫保存的 發(fā)展拉開幃幕[1]。此后，生物材料深低溫保存技術(shù)開始迅速發(fā)展。譬如，血細(xì)胞的保存和成分輸血、造血干細(xì)胞的保存和骨髓移植、精子的保存和人工授精、受精卵的保存和胚胎移植，以及角膜、皮膚、骨、細(xì)胞株、菌種等的深低溫保存均得到廣泛的應(yīng)用。
生物材料雖然能深低溫保存，但有時(shí)存活率偏低。要提高存活率將涉及許多問題，如冷卻與解凍速率，合理的使用低溫保護(hù)劑及其添加程序等。
實(shí)驗(yàn)表明，冷卻速率十分重要。不同的生物材料有不同的最佳冷卻速度，此速率附近存活率較高，否則存活率下降(圖1)。為了解釋這種現(xiàn)象，美國學(xué)者P*Mazur提出一個(gè)理論，認(rèn)為導(dǎo)致細(xì)胞在冷凍過程中死亡的主要因素有兩個(gè)，一個(gè)是細(xì)胞膜處于高濃度介質(zhì)中的時(shí)間過長，這在慢速冷卻時(shí)起主導(dǎo)作用;另一個(gè)是細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰，這在快速冷卻時(shí)起主導(dǎo)作用。
在現(xiàn)今的低溫生物箱中，細(xì)胞是置于某種液體介質(zhì)中冷卻。在冷卻過程中存在著溫度梯度，細(xì)胞內(nèi)液的溫度高于細(xì)胞外液體介質(zhì)的溫度。當(dāng)溫度降至某一程度時(shí)，胞外溶液中一部分水會(huì)結(jié)晶出來形成純水的水晶，而剩余的未結(jié)凍的液體中溶質(zhì)濃度將會(huì)越來越濃。此時(shí)細(xì)胞內(nèi)、外原來的化學(xué)平衡被打破，胞內(nèi)的水分子透過細(xì)胞膜向外滲透。在慢速冷卻情況下，有足夠的時(shí)間讓水分子從胞內(nèi)滲透到胞外。如冷卻過慢，胞內(nèi)水分滲出過多造成細(xì)胞皺縮，細(xì)胞內(nèi)容質(zhì)濃度也不斷增高，最終細(xì)胞內(nèi)液與胞外介質(zhì)均變?yōu)楦邼舛热芤骸Ｓ捎陔娊赓|(zhì)可使蛋白質(zhì)變性，在高濃度溶液作用下細(xì)胞膜和細(xì)胞器發(fā)生損傷，稱此種損傷為溶質(zhì)性損傷。對于溶質(zhì)性損傷，冷卻速率越慢越嚴(yán)重，存活率越低，這是造成細(xì)胞死亡的第一個(gè)原因。
由于細(xì)胞膜對水的滲透率是有限值，在快速冷卻時(shí)，胞內(nèi)的水來不及滲 出膜外，細(xì)胞外液已經(jīng)結(jié)冰。此時(shí)，細(xì)胞內(nèi)液處于過冷狀態(tài)。過冷狀態(tài)是一種亞穩(wěn)定狀態(tài)，可由于某種條件的變化，使過冷狀瓦解，驟然結(jié)冰。而冷卻速率越快，越容易使細(xì)胞內(nèi)的過冷狀態(tài)瓦解和發(fā)生結(jié)冰，這是造成細(xì)胞死亡的另一個(gè)原因。對于細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰造成的損傷，冷卻速率越慢存活率越高。上述兩個(gè)因素共同作用使存活率曲線近似拋物線形。
通過上述分析，我們對問題有了定性的認(rèn)識。若定量的研究這個(gè)問題就必須研究水分子透過細(xì)胞膜的動(dòng)力學(xué)，建立細(xì)胞凍結(jié)過程水分子轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)方程。美國學(xué)者P.Mazur對此做出貢獻(xiàn)并推導(dǎo)出下述方程[2]：
式中V：胞內(nèi)水體積;T：胞內(nèi)溫度;K：細(xì)胞膜對水的通透系數(shù);A：細(xì)胞膜有效滲透面積;B：冷卻速率;Vw：純水摩爾體積;P0：細(xì)胞外液的水蒸氣壓;Pi：細(xì)胞內(nèi)液的水蒸氣壓。
該方程是建立在物理化學(xué)模型基礎(chǔ)上。這里一個(gè)重要的假設(shè)條件是在冷卻過程中細(xì)胞內(nèi)液處于冷狀態(tài)而不結(jié)冰，細(xì)胞外介質(zhì)是在水、冰、溶質(zhì)共存情況下該方程才能成立。
一般情況，單細(xì)胞是在液氮中保存，其溫度為-196 ℃。筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[3]，紅細(xì)胞、魚受精卵等生物材料，在添加DMSO、甘油等低溫保護(hù)劑后以不同降溫程序降至-196 ℃時(shí)，絕大部分細(xì)胞內(nèi)液發(fā)生凍結(jié)。雖有少數(shù)細(xì)胞內(nèi)液未發(fā)生凍結(jié)，但在復(fù)溫解凍時(shí)，其過冷的平衡條件遭到破壞，引起細(xì)胞內(nèi)液的重結(jié)晶現(xiàn)象。綜上所述，細(xì)胞深低溫保存和解凍過程細(xì)胞內(nèi)液結(jié)冰是不可避免的。筆者認(rèn)為，添加低溫保護(hù)劑的作用是增加細(xì)胞外介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)數(shù)，降低細(xì)胞外介質(zhì)的冰點(diǎn)和過冷點(diǎn)，盡可能使細(xì)胞外介質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)液同時(shí)結(jié)冰，以避免在凍結(jié)過程中過多地引起細(xì)胞內(nèi)失水而發(fā)生的溶質(zhì)性損傷。因此，對細(xì)胞凍結(jié)損傷的理論應(yīng)該進(jìn)一步探討。
2 溫血?jiǎng)游镏w的過冷現(xiàn)象及其耐寒特征
溫血?jiǎng)游?包括哺乳動(dòng)物和烏類)能夠調(diào)節(jié)自己的體溫，以抵抗環(huán)境溫度的巨大變化。在高寒地區(qū)，譬如黑龍江省北部，冬季野外氣溫可達(dá)-50 ℃，而那里溫血?jiǎng)游锏捏w溫(Core Temperature)卻相當(dāng)恒定，一般維持在37 ℃附近，冬夏和日夜的變化不超過0.5 ℃。但是，這些動(dòng)物肢體的組織溫度卻不是 ，它經(jīng)常受環(huán)境溫度的影響，有時(shí)很低，甚至在冰點(diǎn)以下處于過冷狀態(tài)。
1983年在英國劍橋大學(xué)召開的第二十屆國際低溫生物學(xué)年會(huì)上張誠提出[4]，哺乳動(dòng)物肢體組織的過冷現(xiàn)象是動(dòng)物為適應(yīng)寒冷環(huán)境而形成的抗寒能力，是進(jìn)化的產(chǎn)物，是逐漸發(fā)展和完善的。這一概念為以后研究動(dòng)物肢體的抗寒能力凍結(jié)損傷開辟了新的途徑。筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[5-7]，凡是能夠長時(shí)間維持過冷亞穩(wěn)定狀態(tài)的肢體一般不出現(xiàn)凍結(jié)損傷。但是對于有些肢體，過冷狀態(tài)一經(jīng)瓦解隨即發(fā)生凍結(jié)，不論凍結(jié)程度深淺復(fù)溫后均出現(xiàn)不同程度的損傷。所以，組織中冰晶的形成是引起凍結(jié)損傷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 動(dòng)物肢體組織的過冷特性與其物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。理論證明[8]，過冷點(diǎn)(Tscp)和表面張力(σ)、摩爾質(zhì)量(M)、冰點(diǎn)(Ti)、密度(ρ)、摩爾潛熱(H)及冰胚臨界半徑(rk)有關(guān)，關(guān)系式為：Tscp=2σMTi/ρHrk;脂肪的M較大，Ti較低、ρ較小，因此 Tscp較低。所以富含脂肪的組織不僅可阻礙熱量散失而且在低溫下不易凍結(jié)。動(dòng)物肢體的過冷點(diǎn)還受外環(huán)境的影響。筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[9]，大白鼠尾的過冷點(diǎn)隨季節(jié)變化，四季中冬至?xí)r節(jié)過冷點(diǎn)最低，春分最高，夏至與秋分居中。適度的冷習(xí)服可增強(qiáng)大鼠的抗寒能力[10]，冬季在12 ℃環(huán)境溫度飼養(yǎng)40天的大鼠，血清中 T3、T4含量升高，鼠尾過冷點(diǎn)降低。但是，在超強(qiáng)寒冷環(huán)境-10 ℃飼養(yǎng)大鼠40天后，血清中 T3、T3含量降低，鼠尾過冷點(diǎn)升高。所以，動(dòng)物在難以耐受的寒冷環(huán)境中生活，反而機(jī)體的抗寒能力下降。
筆者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[8，9]，兔耳與大白鼠尾的過冷特性與冷卻速率有關(guān)。冷卻速率越慢，過冷點(diǎn)越低，過冷狀態(tài)越容易發(fā)生?？諝獾拿芏?、比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)均較小，因此在寒冷空氣中動(dòng)物肢體容易保持過冷亞穩(wěn)定狀態(tài)，不象在液體冷媒中那樣容易發(fā)生凍結(jié)。所以，在高寒地區(qū)動(dòng)物肢體一般不發(fā)生凍傷。組織的過冷特性受自身和環(huán)境等多因素影響，機(jī)理十分復(fù)雜，它和凍結(jié)損傷有密切關(guān)系。
3 動(dòng)物冬眠與機(jī)體整體的過冷現(xiàn)象
冬眠(Hibernation)一詞的通常含義是在麻痹或昏睡的狀態(tài)下越冬[11]。冷血?jiǎng)游锏亩?，哺乳?dòng)物和烏類的冬眠，雖然都叫冬眠，但又各不相同。冬季來臨，許多地區(qū)的氣溫降至0 ℃以下，大地開始封凍。冷血?jiǎng)游?包括爬行、兩棲、魚類和無脊椎動(dòng)物)不能調(diào)節(jié)自己的體溫，體溫隨著環(huán)境溫度下降，不能維持正常的生命活動(dòng)，如果不藏起來冬眠，就有被凍死的可能。許多陸生的冷血?jiǎng)游镢@入地下冬眠，因?yàn)榈叵卤鹊厣蠝囟雀?，通常?℃以上，它就不會(huì)發(fā)生凍結(jié)。即使在高寒地區(qū)，洞穴溫度有時(shí)在冰點(diǎn)以下，冷血?jiǎng)游锒邥r(shí)也只是淺部組織發(fā)生凍結(jié)，深部組織和臟器是處于過冷狀態(tài)[12，13]。由于冬眠時(shí)體溫很低，能量消耗很少，所以可以完全不吃不喝地度過冬季。如果從地下把它挖出來，就象死的一樣，沒有明顯的感覺表現(xiàn)。當(dāng)然它沒有死，只要把它放在溫暖的地方，隨著體溫的升高會(huì)慢慢蘇醒過來。但是除非從外界提高冷血?jiǎng)游锏捏w溫，它的體溫是不會(huì)自動(dòng)提高的。所以，冷血?jiǎng)游锏亩吲c蘇醒具有被動(dòng)的特征。
哺乳類和鳥類的很多目中也有冬眠物種。哺乳類冬眠動(dòng)物在夏季能維持相當(dāng)恒定的體溫。譬如刺猥(Erinaceus)體溫約36 ℃，達(dá)烏爾黃鼠(Citellus Dauricus)體溫約37 ℃，一般變動(dòng)范圍不超過2 ℃。但在冬季冬眠時(shí)則情況大不相同，它們進(jìn)入凝死的沉睡狀態(tài)，體溫略高于洞穴的溫度，華北地區(qū)刺猥在冬眠時(shí)體溫約為2～4 ℃。而在美國阿拉斯加州，北極圈附近凍土帶的冬季氣候非常惡劣，難以尋覓0 ℃以上的冬眠環(huán)境，那里的冬眠哺乳動(dòng)物經(jīng)常是全身組織處于過冷狀態(tài)下冬眠。譬如，北極地鼠(Arctic Ground Squirrel)可在環(huán)境溫度-20 ℃情況下冬眠，體溫(Core Temperature)約為-6 ℃，低于血液冰點(diǎn)溫度，即在過冷狀態(tài)下冬眠[14]。
冷血?jiǎng)游镌诙具M(jìn)入深冬眠后次年春天才醒來。而哺乳類冬眠動(dòng)物在冬季冬眠時(shí)表現(xiàn)出一種周期性的覺醒行為，經(jīng)過一段時(shí)間冬眠后就會(huì)自動(dòng)覺醒。這一周期稱為冬眠陣，它包含入眠過程、深眠狀態(tài)、覺醒過程(出眠)三個(gè)時(shí)相。在入眠過程體溫調(diào)定點(diǎn)下移，代謝產(chǎn)熱抑制，體溫迅速下降，譬如達(dá)烏爾黃鼠經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)即從正常體溫37 ℃降至2～4 ℃。在深冬眠狀態(tài)體溫最低，此時(shí)達(dá)烏爾黃鼠體溫接近0 ℃;在覺醒過程，體溫調(diào)定點(diǎn)上移，通過自身產(chǎn)熱經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)體溫又升高到正常體溫37 ℃。不同物種的冬眠動(dòng)物其冬眠陣不同，少則幾天，多則幾十天，它們都要經(jīng)歷過若干個(gè)冬眠陣才能度過漫長的冬季。特別值得提出的是深冬眠狀態(tài)的動(dòng)物可以在更低的環(huán)境溫度下自動(dòng)覺醒。譬如將深冬眠的刺猥放在-10 ℃以下的環(huán)境，它會(huì)自動(dòng)覺醒，體溫迅速上升到正常水平 36 ℃。這是一種本能反應(yīng)，防止在過于寒冷的情況下被凍死。由此可見，哺乳類冬眠動(dòng)物不借助外界復(fù)溫，在很低的環(huán)境溫度下也能通過自身產(chǎn)熱提高體溫自動(dòng)覺醒。所以哺乳動(dòng)物的冬眠與覺醒具有主動(dòng)的特征。
冬眠動(dòng)物的奇特生理行為一直為低溫生物學(xué)界所重視。哺乳類動(dòng)物冬眠是機(jī)體整體低溫保存的天然模型和理想范例。誘發(fā)人類冬眠不僅有重要的理論意義，而且在臨床醫(yī)學(xué)、人體整體低溫保存和未來的宇宙航行等均有不可估量的應(yīng)用價(jià)值。但是，由于冬眠機(jī)理尚不清楚和物種差異，目前誘發(fā)人類冬眠還是極其艱巨而又難以實(shí)現(xiàn)的事。相信，隨著 科學(xué)的進(jìn)步和人類對冬眠認(rèn)識的加深，誘發(fā)人類冬眠這一科學(xué)構(gòu)想將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。
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