冬眠動物御寒的“超能力”

冬天來臨，當人們拿出棉衣、厚被御寒時，自然界的動植物也在用它們的方式準備過冬。冬眠，就是其中頗為特別的一種。冬眠可不是簡單的睡眠，它不僅創造了一個個生命的奇跡，也是前沿科學研究與應用的熱門。

挑戰生理極限的冬眠

不同種類的動物冬眠，行為和生理表現會不一樣，即使同種動物，在不同地域差異也很大。其中，最為明顯的差異是在恒溫動物和變溫動物之間。

多數哺乳動物都是恒溫動物。生物學家發現，哺乳動物的冬眠歷時4至7個月，為保證冬眠期間能生存下來，它們需要在入眠前以脂肪或食物的形式貯存大量能量：熊、睡鼠等動物依靠在夏、秋季積累于體內的脂肪；倉鼠、松鼠則選擇在洞穴內貯存食物。

哺乳動物冬眠時，生命體征變化明顯：比如體溫迅速下降、代謝率大幅度降低、心率和呼吸頻率維持在一個極低的水平……具體來說，冬眠時，北極黃鼠體溫最低能降到-3℃，極地松鼠降到5℃，而熊的體溫僅降到30℃，睡鼠的體溫維持在20℃，這說明，冬眠對于哺乳動物來說，并不一定伴隨著超低體溫現象的出現。但在代謝率上，哺乳動物冬眠期間降低幅度均較大，熊降低50%左右，小型哺乳動物甚至降至1%。在心率和呼吸方面，熊的心率從每分鐘55次降到10次，呼吸從每分鐘8次降到一兩次；多紋黃鼠的心率從每分鐘200至300次降到三四次，呼吸從每分鐘200次降到1次，可以說是斷崖式下降，這對于一個生命有機體來說，能夠讓各個器官的運轉迅速與之相適應，是一個非常艱難又高級的系統工程。

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10月底，常年冰雪覆蓋的北極慢慢進入極寒天氣，這時，要做媽媽的北極熊開始拖著沉重的身子在雪中挖洞，為它和它即將出生的孩子們準備一個過冬的家。人們很難想象，在冬眠中不吃不喝、沉睡狀態的北極熊會在這時候生寶寶，還要母乳喂養幾個月，可大自然就是這么神奇。大約兩個月后，北極熊寶寶出生了，一般一到兩個，它們的體重不到1千克，聽不見也看不見，完全依賴媽媽的乳汁一天天長大。來年三四月份，北極熊寶寶就能長到10千克左右了，萌萌的它們會開開心心地跟著媽媽離開洞穴，迎接北極的春天，而它們所不知道的是，它們能茁壯成長，能量全部來自媽媽之前的自身能量儲備，一個冬季過后，媽媽的體重可能會減少100公斤左右。

從生物學家監測的數據和舐犢情深的北極熊媽媽身上不難看出，雖然在表象上，動物的“冬眠”和“睡眠”差不多：不吃不喝不動，但實際區別很大。目前，世界范圍內，已有百余種動物被證實有冬眠現象，包括哺乳類、鳥類、爬行類、兩棲類、魚類、無脊椎類動物等。這些動物在自然常態睡眠時，體溫、代謝水平、心跳、呼吸等指標均會有所降低，但變化不大；而在冬眠時，這些指標則降幅很大，有的動物甚至降到瀕臨死亡的狀態，因為只有這樣，才可以大大減少它們維持生命所需的能量，幫助它們度過凜冽的冬季。畢竟冬天對于溫、寒帶的動物來說，是殘酷的，動物們面對的不僅是“千里冰封、萬里雪飄”，還有食物的極度短缺，生命會受到死亡的威脅。因此，冬眠可以說是動物通過節能方式應對“極限氣候”的一種智慧和有效策略。

哺乳動物冬眠還有一個更少為人知的現象是：這個過程并不是連續的，而是被一次次的自發性覺醒所中斷，也就是形成了一連串的“冬眠陣”。一個冬眠陣包括4個階段，即入眠、深冬眠、激醒和體溫恢復正常，深冬眠持續的時間越長，節約的能量就越多。一個哺乳動物的冬眠期可能包括幾個甚至幾十個冬眠陣，這就能理解為什么有些動物在冬眠期出來覓食，甚至生寶寶了。

蛇、青蛙、烏龜等變溫動物冬眠時，可沒有哺乳動物那么大的自由度，它們深冬眠時渾身僵硬，就像死了一樣，而且是否冬眠、冬眠時間長短完全根據外部環境決定。以蛇類為例，當外界溫度長期處于10℃以下，蛇就冬眠了，我國北方的蛇冬眠時間始于11月初；華中地區的蛇始于12月左右；而南方的蛇則不冬眠。不冬眠并不是什么異象，因為對于動物來說，冬眠是環境逼迫下一種無奈的選擇，而不是必須，這也是很多熱帶或室內的青蛙、烏龜不冬眠的原因。

變溫動物在深眠階段的“僵死”狀態下毫無防御能力，生死全由天命，很多動物在這時丟了性命。還拿蛇來說，它們在“僵死”時，會給它的食物鏈下級——老鼠逆襲的機會，作為一種雜食性動物，老鼠也是吃蛇的，夏季被蛇吃的老鼠，在冬季會對蛇進行“反殺”，這就有了“蛇吃老鼠半年，老鼠吃蛇半年”的說法。

變溫動物在深眠階段的“僵死”狀態下毫無防御能力，生死全由天命，很多動物在這時丟了性命。還拿蛇來說，它們在“僵死”時，會給它的食物鏈下級——老鼠逆襲的機會，作為一種雜食性動物，老鼠也是吃蛇的，夏季被蛇吃的老鼠，在冬季會對蛇進行“反殺”，這就有了“蛇吃老鼠半年，老鼠吃蛇半年”的說法。有數據表明，蛇冬眠時的死亡率達到30%，所以，對于蛇來說，冬眠就是沒有退路的向死而生。

人類期待獲得冬眠“超能力”

法國生理學家克勞德·伯爾納是國外較早研究冬眠的科學家。1865年，他曾撰文描述過動物冬眠的幾個基本特征。之后，歐洲陸續有科學家發表嚙齒類動物冬眠、旱獺冬眠生理學等方面的研究結果，但只是零星的，直到20世紀30年代至50年代初，隨著一批生理學家的加入，該領域的研究才蓬勃發展起來。我國冬眠生理學研究起步較早，冬眠領域研究的創始人趙以炳及其助手從1947年就開始對刺猬冬眠的生理學進行研究，并以狗為實驗對象，研究其低溫后的恢復，這是冬眠生物學在醫學上應用的早期探索。

近些年，隨著癌癥等醫學難題陸續增多以及人類宇宙探索的需要，越來越多的科學家開始迫切地對動物冬眠進行深入研究，特別是對哺乳動物：為什么黃鼠在秋天體重激增而不得糖尿病？熊冬眠時不排泄為什么不會腎衰竭？極地松鼠在醒來后，為什么大腦沒受損傷，也沒有肌肉萎縮、骨質疏松……科學家希望能盡快弄清楚動物冬眠的這些“超能力”，并應用到人類身上。

依托于信息傳播和現代科技的發展，一些實例的出現和研究結果的發表給了科學家很大信心：人類自身或許真的具備冬眠的潛力。

1999年，一位挪威的滑雪者不慎掉入冰中，被救起后已沒有心跳和呼吸，體溫下降到13.8℃，但經過搶救，他仍然蘇醒過來。2006年10月，一位攀爬雪山失蹤24天才被救援的日本人，在確認新陳代謝已經停滯的情況下經過治療生命復蘇。

與此同時，2020年12月，西班牙、希臘學術研究團隊在《人類學》期刊發表研究結果，他們在43萬年前的人類骨骸中，找到了人類冬眠的證據，經斷層掃描與顯微鏡觀察，這些骨頭與冬眠動物的骨頭有相似的病變和損傷，也就是說，遠古人類可能也是用冬眠的方式來度過寒冬的。盡管這個說法聽起來如同科幻小說，但科學家認為，這種現象極有可能是事實，遠古人類是有冬眠的能力的，只不過后來自然環境變好，人類應對極端氣候能力增強，不再需要通過冬眠這種方式過冬了，這個能力也就退化了。

在這些實例和研究結果的基礎上，“人工冬眠”的概念應運而生，并率先在科幻電影中“實現”了。人們在《太空旅客》《流浪地球》《星際穿越》等電影中可以看到，為了讓太空旅行者完成漫長的星際航行，會把他們放進太空冬眠艙，以冬眠的方式延長他們的壽命，同時減少物資消耗，為飛船減輕載荷。

為了讓夢想盡快照進現實，世界各國的科學家都在孜孜不倦、鍥而不舍地研發適用于太空，以及醫學方面的冬眠技術。

早先，受變溫動物冬眠時體內大半液體凍結，心跳、呼吸、血液流動和大腦活動停止，幾個月后又活蹦亂跳的啟發，科學家研究出了“人體冷凍法”，即在-196℃的低溫下保存整個人體或頭部，以期未來的科學技術能夠將其復活，但目前，該應用僅限于醫學上已認定死亡的遺體。

根據相關資料記載，這種嘗試在上世紀60年代就開始了，1967年，加州大學的心理學教授詹姆斯·貝德福德因癌癥身亡幾小時后，進行了遺體的凍存處理，保存至今。2016年，一家冷凍生物學研究公司在小型動物腦冷凍保存的研究中取得進展。但有研究者指出，通過這種方式冬眠復蘇后，無法證明儲存大腦信息的神經通路是否完好，因此，靠冷凍來實現人工冬眠的道路不太順暢。

目前，比較先進、熱門的人工冬眠研究是在腦神經和基因方面，這兩年的研究成果層出不窮。2020年，日本筑波大學的研究人員在老鼠的大腦中發現可以被激活的類似冬眠狀態的特定細胞，這種被稱為Q神經元的特定類型細胞被激活后，它們就能進入休眠狀態，并且保持好幾天，這仿佛找到了控制老鼠冬眠的開關。

當時，美國北卡羅來納大學的研究人員在黃鼠身上鑒別并繪制出了啟動動物冬眠的兩個基因。科學家若能鑒別出那些在冬眠這類極端狀態下負責保護器官、降低血糖消耗和保持肌肉性能的酶，將能開發出延長移植用人體器官“保質期”的新方法，還可研制出誘導宇航員在長期太空旅行過程中安全進入類冬眠狀態的方法。

去年12月，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所的研究團隊在學術期刊《創新》雜志發表論文：研究團隊在非人靈長類動物身上實現了基于中樞神經調控的穩定體溫調節，揭示了下丘腦視前區在靈長類動物體溫調節中的作用，以及靈長類對抗失溫的體溫保護機制。這項研究為人類邁向人工冬眠跨出重要一步，為臨床轉化和航天應用打下基礎。

研究的成果雖然不少，但如何將基于動物的研究成果應用到人類，還有漫長的路要走。未來，當科學家最終找到人類的冬眠開關時，將為人們的生命健康、星際航行帶來全新的天地。

熱帶動物也冬眠

冬眠現象并不僅僅限于溫帶和寒帶地區的哺乳動物。最新研究發現，生活于熱帶地區的靈長類動物肥尾鼠狐猴在環境溫度高于30℃時仍表現出冬眠狀態。熱帶地區環境溫度的年波動較小，該動物冬眠時正處在熱帶的冬季，因此認為是冬眠。其冬眠長達7個月，體溫維持在25℃左右，屬于貯脂冬眠動物，入眠前體重增加接近90%。

肥尾鼠狐猴冬眠時會尋找一個僻靜的樹洞，即便周圍溫度達到30℃，它也不會蘇醒。地面測驗表明，冬眠期間，這種動物的體溫不靠自身的新陳代謝控制，而是被動地隨著周圍環境不斷變化。它們冬眠時會定期蘇醒，而何時蘇醒取決于體溫。科學家由此推斷，這種狐猴冬眠的目的可能是避免體溫過高。

植物也有冬眠現象

植物冬眠，更多稱為休眠，也是為了抵御低溫等不利環境威脅的措施。休眠有多種類型，溫帶地區的植物冬季休眠，是靠內部積存下來的養分轉化成糖或脂肪保持不被凍死，并通過掉葉子等方式減少能量消耗。

接近休眠末期通常是修剪或嫁接的好時機。這是因為植物儲備了大量的能量，即使受到損傷，仍然可以較快地愈合和恢復。落葉植物在冬天，整株植物都會處于休眠狀態。很多樹都有休眠芽，甚至較老的樹枝，也有休眠芽，這些芽被埋藏在一層層的木頭中，看不見。當樹干被切斷或者樹枝遭到嚴重破壞時，這些隱藏的芽會打破休眠狀態，從看似光禿禿的木頭中萌芽生長。

◎ 來源|北京日報