一些最重大的科学发明——青霉素、火药、微波炉——都是意外发现的。现在，一组研究如何让某些动物在冰冻的北极生存下来的研究人员又增加了一项发现：天然抗冻剂。今天发表在《Evolutionary Bioinformatics》杂志上的一项新研究发现，一种生活在格陵兰岛的微小海 принад物种含有极高水平的抗冻蛋白，使其能够承受零度以下的温度。
2019年，该研究的合著者、美国自然历史博物馆（纽约）的研究员、纽约市立大学巴鲁克学院（CUNY’s Baruch College）的杰出生物学教授David Gruber与他的团队一起前往东格陵兰岛进行探险，寻找在冰下发光的动物。格陵兰岛位于北极圈内，夏季的白昼时间几乎是全天候的，但在冬季则陷入黑暗。该团队的目标是了解光在生活在这些季节性极昼极夜环境中的海洋物种中的作用。他们的搜寻让他们发现了一种幼年的生物荧光海 принад，这是一种身体像蝌蚪一样的小鱼，通常生活在低于冰点、为华氏28.4度的寒冷水域。生物荧光是指动物吸收蓝光并发出绿光、红光或黄光——这对于大多数时间生活在黑暗中的北极鱼类来说非常罕见。
为了更好地了解海 принад如何发光，生物学团队检查了它的整个转录组——它正在制造的所有基因——令他们惊讶的是，他们发现体内最活跃制造的蛋白质之一是抗冻蛋白。“就像汽车里的防冻液能在寒冷的天气里防止散热器里的水结冰一样，一些动物进化出了神奇的机制来防止它们结冰，例如抗冻蛋白，它可以防止冰晶的形成，”Gruber 在一份新闻稿中说。
海洋生物学家早在50年前就发现了抗冻蛋白的存在。从鱼类、爬行动物、昆虫到细菌，有许多物种已知进化出了抗冻蛋白以在冰雪栖息地生存。对于海 принад来说，抗冻蛋白是在肝脏中产生的，它可以防止细胞和体液中形成大的冰晶。没有抗冻蛋白，海 принад的血液会冻结成固体。
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自首次发现以来，生物学家已经发现抗冻蛋白通过五个不同的基因家族产生。但海洋生物学家并不知道海 принад在制造抗冻蛋白上花费了多少能量。“回想起来，这很有道理——当然，生活在冰山上的幼鱼会制造大量的抗冻蛋白，”Gruber 解释说。在基因分析中，该团队发现了两个基因家族，它们负责编码两种类型的抗冻蛋白，称为I型和LS-12样蛋白。这些基因高度表达，占海 принад表达基因的前1%。
研究作者认为，这些抗冻蛋白的高表达水平对于生活在极冷水域至关重要。然而，一些海洋生物学家对从这些结果中得出多大结论表示怀疑。在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的进化生物学家 C.-H. Christina Cheng（未参与该研究）表示，在西北大西洋长角鮟鱇鱼中也存在的LS-12样蛋白并没有对防止鱼冻死提供太多帮助。相反，她说，海 принад可能出于其他发育原因表达这种蛋白质。此外，海 принад中发现的I型抗冻蛋白的表达方式与其他同种的I型蛋白不同。
Cheng 说，通过直接查看血浆中的抗冻蛋白活性，可以解决这些差异。“如果所有检测到的转录本都真正被制造成具有功能的抗冻蛋白，那么血浆的抗冻活性就会很高，”她解释说。“但如果血浆的抗冻活性很低，那么这些转录本是否被制造成了有活性的抗冻蛋白就值得怀疑了。”
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尽管如此，这项新研究确实突显了抗冻蛋白在生活在北极地区的海 принад生存中的重要性——北极地区特别容易受到全球气温上升的影响。在过去一个世纪里，北极的升温速度是地球其他地区（4倍），预计30年后北冰洋将不再有冰。
随着该地区经历剧烈变化，生活在冰中的鱼类将被迫适应更温暖的气候，否则将面临灭绝。“对于这些幼年的海 принад来说，它们制造大量抗冻蛋白的超能力在没有冰山的北极将不再是超能力，”Gruber 说。更糟糕的是，更温暖的水域可能会引入更多倾向于生活在温带气候的鱼类，从而加剧食物和庇护所的竞争。
未来，Gruber 和他的团队计划进一步研究海 принад和其他生活在这些冰冻环境中的物种的抗冻机制的细微差别。“海 принад是一个有趣的家族，它们有代表生活在地表到8000米深（在海洋中）的物种，”他说。“我们很好奇，海 принад在极端寒冷和极端高压环境下生存的能力之间是否存在任何联系。”
