论文部分内容阅读
今年，“星爵”（克里斯·帕拉特）和大表姐（詹妮弗·劳伦斯）这一对俊男美女强强联手，在科幻电影《太空旅客》中给观众们撒了一把养眼的狗粮。虽然影片完美收场，但还是有许多观众对星爵擅自唤醒大表姐的行为颇为不满。对此，“星爵”表示也很无奈，而且这个“锅”的源头，应该是那个坏掉的休眠仓嘛……虽然近代科技还无法完美地实现休眠仓这一设想，但它的基本原理却早已被科学家摸清，这就是我们今天要说的超低温冷冻保存技术（又叫低温休眠技术）。
发展的源头：阿拉斯加林蛙
首先让我们从一种蛙类说起。在欧洲人对北美洲殖民的初期，一些探险家开始在美洲北部进行探险。这里的冬天寒风肆虐，探险家们无意间在一条冰封的小河中找到几只青蛙，仔细端详，青蛙早已被冻成了冰坨。可第二年开春的时候大家全都傻眼了：这些小青蛙居然在冰块融化之后，伸展腿脚，活了过来……
后来大家把这种神秘的蛙命名为雪蛙，又叫做阿拉斯加林蛙（RanaNigrolineatasp）。人们经过反复观察后发现，每到冬季来临的时候，这种林蛙就会被冻成冰块，第二年春季气溫上升后它又会解冻“复活”。这个发现在当时引起了不小的轰动，也给许多脑洞很大的人提供了新的素材。比如本杰明·富兰克林（就是拿着风筝找雷劈那位）就提出，能不能把人也给冻起来，这样就可以穿越到未来了！后来又有人提出，可以把宇航员冻起来，然后让他坐着飞船去非常遥远的、需要飞行几百年才能抵达的星球探险（也就是《太空旅客》讲述的故事）！
不过这事说起来容易，做起来就另当别论了，第一步就是要搞明白冷冻又复活的技术原理。科学家们发现，在超低温状态下，细胞的一切化学活动和新陈代谢（包括死亡）都会变得缓慢甚至停滞，而随着温度的上升，细胞活动又会慢慢恢复活跃。阿拉斯加林蛙就是通过这个原理，在-16℃的温度下进行了“休眠”。
冷冻保存的难题：冰晶
如此看来，冷冻细胞并将其解冻复苏在某种程度上是可以实现的，但这中间存在着一个大问题，就是——细胞内的水会结冰，而结冰的过程会产生冰晶。冰晶锋刃锐利，在水结冰体积膨胀的过程中会毫不留情地刺穿细胞膜，造成细胞的结构性破坏，这样的细胞即便解冻也不可能再存活。如何避免冰晶刺破细胞，成了科学家们要解决的一大难题。
于是，科学家们又开始从阿拉斯加林蛙身上找原因。原来在每年秋季，林蛙就开始大量摄入淀粉，通过代谢作用把淀粉转化成大量的葡萄糖，同时体内的尿素含量也急剧提升。也就是说，林蛙的体液已经变成了一种富含葡萄糖和尿素的混合溶液，这种溶液的冰点比水低很多，使得体内的器官在冬季并不会真正结冰。
受此启发，人们首先使用了甘油来达到相似的目的。甘油渗透到细胞内部，置换了游离的水，并与水分子通过氢键结合，干扰冰晶的形成。后来，科学家们又相继发现了二甲基亚砜、乙二醇（汽车防冻液）等也可以起到类似的作用，便把它们统称为抗冻剂。此外，冰冻还需要考虑到微生物的侵袭，由此人们又学会了利用液氮营造-196℃的超低温环境，这个温度下微生物也无法存活，如此一来就达到了长期冰冻保存的目的。
当超低温保存有了一定的技术积累之后，就开始走上实用的道路了。首先采取超低温保存技术的领域是畜牧业。以前，人们为了获得更好的牲畜幼崽，会让母牛、母猪等动物和基因优良的种牛、种猪交配。然而千里迢迢寻找优质雄性种源是很困难的，那么能不能用一种方法保持精子的活性，采集精子后运输到远方让雌性受精呢？超低温休眠技术恰好可以解决这个难题：先把种猪、种牛的精液人工采集下来，然后通过超低温保存之后，在低温环境下贩卖到全球各地，再用人工授精的方式完成授精。在1951年，人们首次采用这种方式成功完成了牛的精液保存。仅仅在两年后，人的精液保存和人工授精也取得了成功。自此，“捐精”一词就进入了公众的视野。
大型冷冻术：人体冷冻
既然单个细胞的超低温保存已经实现了，那冷冻整个人是不是也就没问题了？
当然不是。要知道，人可不是一个小小的细胞，对细胞的冷冻基本不需要考虑冷冻均匀的问题，但人不同，人是有厚度的，这个厚度会导致各个器官和组织之间的冷冻有先有后，而冷冻得不均匀就会导致冰晶的产生。此外，人体内细胞太多，不可能被抗冻剂完全置换掉所有水分，这也会导致冰晶的产生。所以，以现有的技术来看，人体的超低温冷冻会不可避免地造成一些细胞受损。而且，人体的解冻更是复杂，如果不能保证同步解冻，甚至会发生生物组织的脱离——也就是一些人体细胞会脱落。早在1957年，科学家们就对一些大型动物进行了超低温保存技术的实验，但实验证明，虽然有些动物可以复苏，但器官仍受到了严重的伤害，不久就一命呜呼了。
虽然我们还没有完全掌握对大型动物和人的超低温保存技术，但世界上已经成立了一些人体超低温保存公司。这些公司基本都采用“玻璃化”保存技术，即先把血液完全抽干，再注入高浓度抗冻液，最后用液氮超低温保存50年。他们还会把大脑和心脏摘除，进行单独的冰冻保存。至于解冻，由于目前还无法做到无损解冻，所以人们把希望寄托在未来，希望未来可以实现完美的人体解冻。
总而言之，现在的超低温保存技术还处在摸索阶段，一些基本的原理虽已被人们掌握，但技术上的难点还有很多。倘若哪一天我们真的可以实现人体的无损伤冰冻保存，那一定是一项改变世界的大革命。
发展的源头：阿拉斯加林蛙
首先让我们从一种蛙类说起。在欧洲人对北美洲殖民的初期，一些探险家开始在美洲北部进行探险。这里的冬天寒风肆虐，探险家们无意间在一条冰封的小河中找到几只青蛙，仔细端详，青蛙早已被冻成了冰坨。可第二年开春的时候大家全都傻眼了：这些小青蛙居然在冰块融化之后，伸展腿脚，活了过来……
后来大家把这种神秘的蛙命名为雪蛙，又叫做阿拉斯加林蛙（RanaNigrolineatasp）。人们经过反复观察后发现，每到冬季来临的时候，这种林蛙就会被冻成冰块，第二年春季气溫上升后它又会解冻“复活”。这个发现在当时引起了不小的轰动，也给许多脑洞很大的人提供了新的素材。比如本杰明·富兰克林（就是拿着风筝找雷劈那位）就提出，能不能把人也给冻起来，这样就可以穿越到未来了！后来又有人提出，可以把宇航员冻起来，然后让他坐着飞船去非常遥远的、需要飞行几百年才能抵达的星球探险（也就是《太空旅客》讲述的故事）！
不过这事说起来容易，做起来就另当别论了，第一步就是要搞明白冷冻又复活的技术原理。科学家们发现，在超低温状态下，细胞的一切化学活动和新陈代谢（包括死亡）都会变得缓慢甚至停滞，而随着温度的上升，细胞活动又会慢慢恢复活跃。阿拉斯加林蛙就是通过这个原理，在-16℃的温度下进行了“休眠”。
冷冻保存的难题：冰晶
如此看来，冷冻细胞并将其解冻复苏在某种程度上是可以实现的，但这中间存在着一个大问题，就是——细胞内的水会结冰，而结冰的过程会产生冰晶。冰晶锋刃锐利，在水结冰体积膨胀的过程中会毫不留情地刺穿细胞膜，造成细胞的结构性破坏，这样的细胞即便解冻也不可能再存活。如何避免冰晶刺破细胞，成了科学家们要解决的一大难题。
于是，科学家们又开始从阿拉斯加林蛙身上找原因。原来在每年秋季，林蛙就开始大量摄入淀粉，通过代谢作用把淀粉转化成大量的葡萄糖，同时体内的尿素含量也急剧提升。也就是说，林蛙的体液已经变成了一种富含葡萄糖和尿素的混合溶液，这种溶液的冰点比水低很多，使得体内的器官在冬季并不会真正结冰。
受此启发，人们首先使用了甘油来达到相似的目的。甘油渗透到细胞内部，置换了游离的水，并与水分子通过氢键结合，干扰冰晶的形成。后来，科学家们又相继发现了二甲基亚砜、乙二醇（汽车防冻液）等也可以起到类似的作用，便把它们统称为抗冻剂。此外，冰冻还需要考虑到微生物的侵袭，由此人们又学会了利用液氮营造-196℃的超低温环境，这个温度下微生物也无法存活，如此一来就达到了长期冰冻保存的目的。
当超低温保存有了一定的技术积累之后，就开始走上实用的道路了。首先采取超低温保存技术的领域是畜牧业。以前，人们为了获得更好的牲畜幼崽，会让母牛、母猪等动物和基因优良的种牛、种猪交配。然而千里迢迢寻找优质雄性种源是很困难的，那么能不能用一种方法保持精子的活性，采集精子后运输到远方让雌性受精呢？超低温休眠技术恰好可以解决这个难题：先把种猪、种牛的精液人工采集下来，然后通过超低温保存之后，在低温环境下贩卖到全球各地，再用人工授精的方式完成授精。在1951年，人们首次采用这种方式成功完成了牛的精液保存。仅仅在两年后，人的精液保存和人工授精也取得了成功。自此，“捐精”一词就进入了公众的视野。
大型冷冻术：人体冷冻
既然单个细胞的超低温保存已经实现了，那冷冻整个人是不是也就没问题了？
当然不是。要知道，人可不是一个小小的细胞，对细胞的冷冻基本不需要考虑冷冻均匀的问题，但人不同，人是有厚度的，这个厚度会导致各个器官和组织之间的冷冻有先有后，而冷冻得不均匀就会导致冰晶的产生。此外，人体内细胞太多，不可能被抗冻剂完全置换掉所有水分，这也会导致冰晶的产生。所以，以现有的技术来看，人体的超低温冷冻会不可避免地造成一些细胞受损。而且，人体的解冻更是复杂，如果不能保证同步解冻，甚至会发生生物组织的脱离——也就是一些人体细胞会脱落。早在1957年，科学家们就对一些大型动物进行了超低温保存技术的实验，但实验证明，虽然有些动物可以复苏，但器官仍受到了严重的伤害，不久就一命呜呼了。
虽然我们还没有完全掌握对大型动物和人的超低温保存技术，但世界上已经成立了一些人体超低温保存公司。这些公司基本都采用“玻璃化”保存技术，即先把血液完全抽干，再注入高浓度抗冻液，最后用液氮超低温保存50年。他们还会把大脑和心脏摘除，进行单独的冰冻保存。至于解冻，由于目前还无法做到无损解冻，所以人们把希望寄托在未来，希望未来可以实现完美的人体解冻。
总而言之，现在的超低温保存技术还处在摸索阶段，一些基本的原理虽已被人们掌握，但技术上的难点还有很多。倘若哪一天我们真的可以实现人体的无损伤冰冻保存，那一定是一项改变世界的大革命。