生物荧光蜗牛鱼凭借内置的防冻剂勇敢地游向北极水域

一些最重要的科学发明——青霉素、火药、微波炉——都是偶然发现的。现在，一组研究人员正在研究一些动物如何在寒冷的北极生活，他们又发现了一项新发明：天然防冻剂。一项新研究今天发表在《进化生物信息学》杂志上 发现生活在格陵兰岛的一种微小蜗牛鱼物种含有极高含量的抗冻蛋白，使其能够在零度以下的温度下生存。

2019 年，该研究的共同作者、纽约美国自然历史博物馆的研究员、纽约市立大学巴鲁克学院的杰出生物学教授戴维·格鲁伯 (David Gruber) 与他的团队一起前往格陵兰岛东部探险，寻找在冰层下黑暗中发光的动物。格陵兰岛的这片地区位于北极圈内，夏季几乎全天都有阳光，但冬季却陷入黑暗之中。该团队的目标是了解光对生活在这种环境中的海洋生物所起的作用，因为这种环境中的季节性变化非常剧烈，阳光永无止境，而且非常有限。他们的搜寻让他们发现了一种幼年生物荧光蜗牛鱼，这种小鱼的身体像蝌蚪，通常生活在远低于冰点的寒冷水域，即 28.4 华氏度。生物荧光是指动物吸收蓝光并发出绿光、红光或黄光——这在大部分时间都生活在黑暗中的北极鱼中是罕见的。

为了更好地了解蜗牛鱼如何发光，生物学团队检查了蜗牛鱼的整个转录组（即它产生的每个基因），他们惊讶地发现，蜗牛鱼体内最活跃的蛋白质之一是抗冻蛋白。“就像汽车中的防冻剂可以防止散热器中的水在低温下结冰一样，一些动物进化出了令人惊叹的机制来防止它们结冰，例如抗冻蛋白可以防止冰晶形成，”格鲁伯在一份新闻稿中说。

海洋生物学家早在 50 年前就发现了抗冻蛋白的存在。已知鱼类、爬行动物、昆虫和细菌等多种物种都进化出了抗冻蛋白，以便在冰冷的环境中生存。对于蜗牛鱼来说，抗冻蛋白是在肝脏中形成的，它可以防止大冰粒在细胞和体液中形成。如果没有抗冻蛋白，蜗牛鱼的血液就会冻结。

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自首次发现以来，生物学家们发现抗冻蛋白是由五个不同的基因家族产生的。但海洋生物学家并不知道蜗牛鱼在产生抗冻蛋白时消耗了多少能量。“回想起来，这是有道理的——当然，生活在冰山上的幼鱼会制造大量防止其冻结的蛋白质，”格鲁伯解释道。在基因分析中，研究小组发现了两个基因家族负责编码两种类型的抗冻蛋白，即 I 型蛋白和 LS-12 样蛋白。这些基因表达量很高，占蜗牛鱼表达基因的前 1%。

该研究的作者认为，这些抗冻蛋白的高表达水平对于在极冷水域中生存至关重要。然而，一些海洋生物学家对这些结果得出的结论有多大提出了质疑。伊利诺伊大学香槟分校的进化生物学家 C.-H. Christina Cheng（未参与这项研究）表示，西北大西洋长角杜父鱼中也存在的 LS-12 类蛋白在防止鱼类冻死方面没有提供多大帮助。相反，她说，蜗牛鱼表达这种蛋白质可能是出于其他发育原因。此外，蜗牛鱼中发现的 I 型抗冻蛋白表达与同一物种的其他 I 型蛋白不同。

程说，这些差异可以通过进一步直接观察血浆中的抗冻蛋白活性来解决。“如果所有这些检测到的转录本实际上都变成了功能性抗冻蛋白，那么血浆抗冻活性就会很高，”她解释说。“但如果血浆抗冻活性较低，那么这些转录本是否被制成活性抗冻蛋白就值得怀疑了。”

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不过，这项新研究确实凸显了抗冻蛋白对于生活在北极的蜗牛鱼生存的重要性——北极的环境特别容易受到全球气温上升的影响。自上个世纪以来，北极的变暖速度是地球其他地区的四倍，预计 30 年后北冰洋将无冰。

随着该地区发生巨大变化，生活在冰层中的鱼类将被迫适应更温暖的气候，否则将面临灭绝。“对于这些幼年蜗牛鱼来说，在没有冰山的北极，它们制造大量抗冻蛋白的超能力将不再是超能力，”格鲁伯说。更糟糕的是，温暖的水域可能会引入更多倾向于生活在温带气候中的鱼类物种，从而加剧对食物和住所的竞争。

未来，格鲁伯和他的团队计划进一步研究蜗牛鱼和其他生活在这些冰冻环境中的物种的抗冻细微差别。“蜗牛鱼是一个有趣的家族，因为它们的代表生活在从水面到 8,000 米深的海洋中，”他说。“我们很好奇，蜗牛鱼在极寒和极端压力环境中生存的能力之间是否存在任何联系。”