弹尾虫很古老。它们最早出现在4亿多年前，可能与昆虫有共同的祖先。然而，从那时起，它们就朝着与昆虫不同的方向进化。我们现在知道它们是最早产生抗冻蛋白的动物。图片来源:Philippe Garcelon / Wikimedia Commons
4亿多年前，一种叫做弹尾虫的类昆虫动物进化出了一种小蛋白质，可以防止细胞冻结。
地球又热又潮湿。海里充满了生命。早期的鱿鱼、鳗鱼状鱼类和海蠕虫捕食较小的动物。然而，地面上没有动静。动物们还没有爬上岸。
这就是4.5亿年前奥陶纪末期地球的样子。
温暖的海水为野生动物创造了完美的生存环境。但这种情况很快就会改变。不久之后，陆地将开始冻结，冰盖将开始扩散。
以前温暖、适合野生动物生存的水域，现在变得寒冷、不适宜生存。一个又一个物种屈服了。在很短的时间内，地球上一半的生命都灭绝了，这是地球历史上第二严重的物种大灭绝的一部分。
奥陶纪时期的生命看起来与今天大不相同。土地贫瘠，没有生命，但海洋却很富饶。乌贼和海葵，可以在插图中看到，特别占优势。但是弹尾虫在这个时期也存在。图片来源:Fritz Geller-Grimm / Wikimedia Commons
跳尾虫:抗冻蛋白的幸存者
然而，其中一种幸存下来的动物是弹尾虫。一种类似昆虫的小动物进化出了一种特殊的抵御寒冷的策略。动物的细胞已经开始产生可以保护细胞不被冷冻的蛋白质。
弹尾虫可能是第一个进化出抗冻蛋白的动物。科学家们此前认为，动物直到很久以后才开始有这种行为。加拿大奥胡斯大学和女王大学的研究表明了这一点。
“我们知道，在进化史上，抗冻蛋白相互独立发展了好几次。鱼也有。昆虫也有。有些蜘蛛有。但直到我们看到这些结果，我们才知道它们在动物世界中发展得如此之早，”马丁·霍尔姆斯特鲁普说。
他是奥胡斯大学生态科学系的教授，也是这项新研究的研究人员之一。
培养皿中的小动物
马丁·霍尔姆斯特鲁普在实验室里照料着近20种不同种类的弹尾虫。小动物不需要太多的空间。他说，整个蜂群可以生活在一个玻璃碗里。
“我们把它们放在有石膏的培养皿里，这样可以保持湿润。我们给它们一点干酵母作为饲料。这基本上就是他们所需要的。”
马丁实验室里的弹尾虫就是实验中用到的。他把这些动物的样本寄给了加拿大的三位同事，他们进行了大量的分子实验，以找出这些动物最早产生抗冻蛋白的时间。
由于研究人员知道使细胞产生抗冻蛋白的DNA序列，他们可以在不同物种、家族和等级中寻找相同的序列。他们还可以计算出导致该基因产生的突变发生的时间:奥陶纪。
“计算表明，弹尾虫比其他动物更早产生了抗冻蛋白。直到一百万年后，鱼类和昆虫才出现这种情况。尽管植物和微生物，如细菌和单细胞藻类，可能在更早的时候就发展出了类似的机制。”
封装和减缓冰晶
虽然你几乎可以在地球上任何地方找到弹尾，但它们在北极的数量比其他任何地方都多。只有少数其他陆生动物能够在格陵兰岛和加拿大的寒冷中生存，这意味着跳尾虫可以不受干扰地以细菌和真菌为食。
“跳尾虫的超强抗冻蛋白使它们能够在寒冷的地区生存，在那里它们只需要与其他一些蠕虫和昆虫分享食物。它们没有很多天敌，”马丁·霍尔姆斯特鲁普说。
在冬天，当北极气温下降时，跳尾虫开始产生抗冻蛋白。它们也被称为“冰结合蛋白”，因为它们可以锁住微小冰晶的表面，阻止它们变大。当土壤冻结时，陆生动物与冰晶密切接触，因此防冻蛋白在防止冰扩散到动物体内并杀死动物方面发挥着重要作用。
就像我们以及大多数其他动物一样，如果它们的“血液”结冰，弹尾虫就无法生存。抗冻蛋白有助于防止这种情况发生。”
弹尾虫有多种形状和大小，有9000多种不同的种类。这些只是我们发现的物种的数量。研究人员估计，如果没有更多的种类，那么弹尾虫的种类是现在的两倍。图片来源:Andy Murray / Wikimedia Commons
干得像葡萄干
然而，这种特殊的蛋白质并不是使弹尾虫在北极严寒中生存下来的唯一能力。他们还有另一招。
“因为每个生物的细胞里都有水分子，所以我们很容易受到冰冻温度的影响。如果水结冰，细胞就会被破坏。为了防止这种情况，弹尾虫会让自己变干，在冬天进入一种冬眠的状态，”马丁·霍尔姆斯特鲁普解释说。
当弹尾虫冬眠时，它们的新陈代谢变得非常缓慢，以至于科学家无法测量。然而，当春天到来时，它们会把水分吸收回体内，重新开始新陈代谢。
“你可以把它们比作在冷冻干燥过程中干燥成葡萄干的葡萄。在冬天，跳尾虫会收缩，变成小而有皱纹的动物。然后，当春天到来时，它们吸收水分并膨胀回正常大小，”他说。
在本该冻死的鱼身上发现的
多年来，某些动物物种如何能在地球上最寒冷的地区生存一直是个谜。直到上世纪中叶，科学家们才发现了使动物能够抵御寒冷的抗冻蛋白。
几十年来，科学家们一直想知道北极鱼是如何在零下1.8摄氏度的海水中游泳的。海水的冰点因其含盐量而较低。另一方面，鱼的血液的冰点为零下1摄氏度，这意味着它们在水中应该无法避免结冰。
“鱼是如何在冰冷的海水中生存的，长期以来一直是个谜。然而，在20世纪60年代末，美国研究人员阿瑟·德弗里斯(Arthur DeVries)能够分离出北极鱼中发现的蛋白质，他发现这种蛋白质能够防止鱼的细胞和血液中形成冰，即使鱼一生都处于过冷状态，”马丁·霍尔姆斯特鲁普解释说
从那时起，研究人员在许多其他动物、植物和微生物中发现了抗冻蛋白。这些抗冻蛋白现在被工业使用。
抗冻蛋白的历史和应用
现在很多食品都是作为冷冻食品买卖的。然而，问题是，如果冰晶开始形成，冷冻食品就会发生变化。它们通常会降低食物的口感和质地。
然而，这可以通过特殊的抗冻蛋白来预防，马丁·霍尔姆斯特鲁普解释道:
“鱼类中编码抗冻蛋白的基因已经被复制到工业酵母细胞培养物中。这使得酵母产生非常有用的蛋白质，然后可以添加到不同的食物中，”他说。
其中一种蛋白质特别有效的食物是冰淇淋。
“我知道联合利华在冰淇淋中使用了蛋白质，因为它们有助于创造出非常可爱的口感。这种冰淇淋也可以解冻并再次冷冻，而不会变成坚硬的冰晶块。从长远来看，这种效应可用于移植器官的冷冻保存。
其他行业，如航空航天和风力涡轮机行业也对这种蛋白质进行了试验。他们希望这种蛋白质可以保护翅膀不被冻结，不需要去冰。”
参考文献:“聚脯氨酸II型螺旋抗冻蛋白在线虫中广泛存在，可能起源于4亿多年前的奥奥纪”，作者:Connor L. Scholl, Martin Holmstrup, Laurie A. Graham和Peter L. Davies, 2023年6月1日，科学报告。DOI: 10.1038 / s41598 - 023 - 35983 - y
这项研究由加拿大健康研究所和丹麦独立研究委员会资助。
