地球又熱又濕。大海充滿了生命。早期的魷魚、鰻魚和海蟲捕食較小的動物。然而，地面上卻沒有任何動靜。動物們還沒有爬上岸。這就是大約4.5 億年前奧陶紀末期地球的樣子。溫暖的海水為野生動物創造了完美的生存條件。但這種情況很快就會改變。不久之後，陸地開始凍結，冰蓋開始蔓延。

彈尾蟲很古老。它們首次出現於四億多年前，可能與昆蟲有共同的祖先。然而，從那時起，它們就朝著與昆蟲不同的方向進化。我們現在知道它們是第一個開發出抗凍蛋白的動物。圖片來源：Philippe Garcelon / Wikimedia Commons

以前溫暖且適合野生動物生存的水變得寒冷且不適宜居住。一個又一個物種屈服了。在很短的時間內，一半的生命被消滅，這是地球歷史上第二嚴重的大規模滅絕的一部分。

奧陶紀時期的生活看起來與今天有很大不同。土地貧瘠，沒有生命，但大海卻充滿了生機。圖中所示的魷魚和海葵尤其占主導地位。但此時彈尾蟲蟲也存在。圖片來源：Fritz Geller-Grimm / Wikimedia Commons

彈尾蟲：具有抗凍蛋白的倖存者

然而，倖存下來的動物之一是彈尾蟲。一種類似昆蟲的小型動物，已經發展出一種特殊的策略來對抗寒冷。動物的細胞已經開始產生可以保護細胞免於冷凍的蛋白質。

彈尾蟲可能是第一個產生抗凍蛋白的動物。科學家此前認為動物直到很久以後才開始這樣做。奧胡斯大學和加拿大女王大學的研究表明了這一點。

“我們知道，在進化史上，抗凍蛋白已經多次獨立發育。 魚有它們。 昆蟲有它們。 有些蜘蛛有它們。 但在我們看到這些結果之前，我們並不知道它們在動物世界中發育得這麼早，”馬丁·霍爾姆斯特魯普說。

他是奧胡斯大學生態科學系的教授，也是這項新研究的研究人員之一。

彈尾蟲隨處可見——包括您的花園

彈尾蟲是一種小型動物，最大的彈尾蟲種類只有六毫米長。它有六條腿，前面有兩根觸角。乍一看像昆蟲，但其實不然。事實上，它在進化樹上有自己的分支。

到目前為止，研究人員已經發現了9000 多種不同種類的彈尾蟲，它們幾乎隨處可見，包括在您的花園裡。彈尾蟲蟲通常生活在土壤的上層或落葉中，以微小的真菌、細菌和其他微生物為食。

這種動物因其分叉的尾巴而得名，尾巴像彈射器的桿一樣固定在身體下方。尾巴也被稱為分叉，如果受到敵人（例如老虎）的攻擊，動物可以迅速釋放尾巴並跳到空中10 厘米。

彈尾蟲對土壤健康有益，因為它們有助於將養分再循環到植物中。

Martin Holmstrup 在實驗室裡飼養著近20 種不同種類的彈尾蟲。小動物不需要太多的空間。他說，整個群體可以生活在一個玻璃碗中。“我們把它們放在帶有石膏底座的培養皿中，這樣可以保持濕潤。 作為飼料，我們給它們一點幹酵母。 這基本上就是他們所需要的，”他說。

實驗中使用的是馬丁實驗室的彈尾蟲。他將這些動物的樣本發送給加拿大的三名同事，他們進行了一系列分子實驗，以查明這些動物何時首次產生抗凍蛋白。

因為研究人員知道使細胞能夠構建抗凍蛋白的DNA 序列，所以他們可以跨物種、科和等級搜索相同的序列。他們還可以計算導致基因起源的突變發生的時間：奧陶紀。

“計算表明，彈尾蟲早於其他動物就產生了抗凍蛋白。 直到一百萬年後，魚類和昆蟲才發生這種情況。 儘管植物和微生物，例如細菌和單細胞藻類，可能更早地就已經形成了類似的機制，”他說。

如何找到彈尾蟲

馬丁·霍爾姆斯特魯普（Martin Holmstrup）和他在生態科學系的同事們自己為實驗室收集了彈尾蟲。他們聚集在丹麥、冰島和格陵蘭島。

它們並不難找到，你甚至可以在自己的花園裡找到它們。

只需按照以下步驟操作：

從花園裡抓起一把土壤或樹葉，將其放入篩子中。

將可調燈放在篩子上，並將托盤放在篩子下。

燈發出的熱量會使彈尾蟲尋找較冷的環境。這將使它們通過篩子落入托盤，在那裡你會發現它們在爬行。

儘管您幾乎可以在全球任何地方找到彈尾蟲，但北極地區的彈尾蟲數量比其他任何地方都多。只有少數其他陸生動物能夠在格陵蘭島和加拿大的寒冷中生存，這意味著彈尾蟲可以不受干擾地以細菌和真菌為食。

“彈尾蟲的超強抗凍蛋白使它們能夠在寒冷地區生存，在那裡它們只需要與其他一些蠕蟲和昆蟲分享食物。 而且它們沒有很多天敵，”馬丁·霍爾姆斯特魯普說。

冬季，當北極氣溫下降時，彈尾蟲開始產生抗凍蛋白。它們也被稱為“冰結合蛋白”，因為它們可以附著在微小冰晶的表面並阻止它們長大。當土壤結冰時，陸生動物會與冰晶密切接觸，因此抗凍蛋白在防止冰擴散到動物體內並殺死動物方面發揮著重要作用。

“就像我們和大多數其他動物一樣，如果彈尾蟲的“血液”結成冰，它們就無法生存。 抗凍蛋白有助於防止這種情況發生，”他說。

彈尾蟲有多種形狀和大小，有超過9,000 種不同的物種。這些只是我們發現的物種數量。研究人員估計，彈尾蟲的種類數量是其兩倍甚至更多。圖片來源：安迪·穆雷/維基共享資源

像葡萄乾一樣乾燥

然而，這種特殊的蛋白質並不是彈尾蟲在北極嚴寒中生存的唯一能力，他們還有另一種生存方式。

“因為每種生物的細胞內都含有水分子，所以我們很容易受到冰凍溫度的影響。 如果水結冰，細胞就會被破壞。 為了防止這種情況發生，彈尾蟲會讓自己變乾，並在冬天進入一種冬眠狀態，”馬丁·霍爾姆斯特魯普解釋道。

當彈尾蟲冬眠時，它們的新陳代謝變得如此緩慢，以至於科學家無法實際測量它。然而，當春天到來時，它們會吸收水分回到體內並重新開始新陳代謝。

“你可以將它們與乾燥成葡萄乾的葡萄進行比較，這個過程讓人想起冷凍乾燥。 到了冬天，彈尾蟲會收縮，變成小而有皺紋的小動物。 然後，當春天到來時，它們會吸收水分並膨脹到正常大小，”他說。

在本應凍死的魚中同樣有發現

多年來，某些動物物種如何在地球上最寒冷的地區生存一直是個謎。直到上世紀中葉，科學家們才發現了使動物能夠應對寒冷的抗凍蛋白。

幾十年來，科學家們一直想知道北極魚類如何能夠在-1.8攝氏度的海水中游泳。海水因其含鹽量而冰點較低。另一方面，魚的血液的冰點為-1攝氏度，這意味著它們在水中無法避免結冰。

“長期以來，魚類如何在冰冷的海水中生存一直是個謎。 然而，在20 世紀60 年代末，美國研究人員Arthur DeVries 能夠分離出北極魚中發現的蛋白質，他發現這些蛋白質能夠防止魚的細胞和血液中形成冰，即使魚在整個過程中都處於過冷狀態。 它的生命，”Martin Holmstrup 解釋道。

從那時起，研究人員在許多其他動物、植物和微生物中發現了抗凍蛋白。這些抗凍蛋白現在已被工業界使用。

抗凍蛋白的歷史和應用

如今，許多食品都是以冷凍食品的形式買賣的。然而，問題是，如果冰晶開始形成，冷凍食品就會發生變化。它們通常會降低食物的味道和質地。

然而，這種情況可以通過特殊的抗凍蛋白來預防，Martin Holmstrup 解釋道：

“編碼魚類抗凍蛋白的基因已被複製到工業酵母細胞培養物中。 這使得酵母產生非常有用的蛋白質，然後可以將其添加到不同的食物中，”他說。

蛋白質特別有效的食物之一是冰淇淋。

“我知道聯合利華在冰淇淋中使用了蛋白質，因為它們有助於創造出非常可愛的質地。 冰淇淋還可以解凍並再次冷凍，而不會變成堅硬的冰晶塊。 從長遠來看，這種效應可用於移植器官的冷凍保存。航空航天和風力渦輪機行業等其他行業也對這些蛋白質進行了實驗。 他們希望這些蛋白質能夠保護機翼免受結冰和需要除冰的影響。”