北极生存之谜：抗冻蛋白赋予微小发光蜗牛鱼的生存奇迹

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这些蛋白质可以防止大冰粒在细胞和体液中形成。

一只少年利帕里斯·吉布在白光下成像。来源：©J.Sparks，D。格鲁伯

一种小鱼，斑驳的蜗牛鱼（Liparis gibbus），生活在格陵兰岛附近的冰冷水域。令人难以置信的是，他们能够通过在体内产生防冻蛋白来避免固体冷冻，并在这些零度以下的温度下生存。

自20世纪70年代以来，科学家就知道这些类型的防冻蛋白，但根据一项新的研究，蜗牛鱼在生产它们时占据了冠冕——它们的基因具有有史以来最高的抗冻剂蛋白表达水平。

并不是所有这一切都让这条小鱼与众不同。

研究人员只有在遇到另一种特殊能力后才决定研究抗冻蛋白：生物荧光——它们会发光（绿色和红色）。

这些高度专业化的鱼类未来可能会因气候变化而面临海洋温度升高的重大威胁。该研究已发表在《进化生物信息学》杂志上。

美国自然历史博物馆研究助理、美国纽约市立大学杰出生物学教授David Gruber表示：“与汽车中的防冻剂如何防止散热器中的水在寒冷的温度下结冰一样，一些动物已经进化出防止冰冻的惊人能力，例如防止冰晶形成的防冻蛋白。”

“我们已经知道，这种生活在极冷水域的小型蜗牛鱼会产生防冻蛋白，但我们没有意识到它富含多少这些蛋白质——以及它为制造这些蛋白质付出了多少努力。”

该研究地点显示了收集利帕里斯·吉布的格陵兰冰山栖息地。潜水船可以在左下角看到，潜水员在图像中心附近可见。

来源：©Peter Kragh

与一些爬行动物和昆虫物种不同，鱼类甚至部分冻僵了，也无法在体液中存活。尽管如此，由于体内产生防冻蛋白，有些鱼仍然可以在极地海洋的极端环境中生存。

1971年的一项研究首次在南极鱼类中发现了抗冻蛋白，但后来发现在许多不同的生物中独立进化：从细菌到植物、地衣、昆虫和脊椎动物。

这些蛋白质的工作原理与传统的防冻剂不完全相同，例如，你放入汽车冷却系统的蛋白质通过溶解在水中并降低其冰点来工作。

相反，它们通过与冰晶结合来将冰晶的生长限制在可控的大小。

五种不同种类的鱼类防冻蛋白由五个不同的基因家族产生，这些蛋白质主要在肝脏中产生，然后出口到血液中。

在2019年的一次探险中，Gruber和论文合著者John Sparks是美国自然历史博物馆鱼类学系的馆长兼教授，他发现蜗牛鱼是唯一报告生物荧光的极地鱼类。

来源：©Peter Kragh

研究的主要作者David Gruber（左）和John Sparks（右）在格陵兰岛东部的一座冰山上。

这些蜗牛鱼基因具有有史以来最高的抗冻蛋白表达水平，是鱼类中表达基因中最高的1%。

这一发现凸显了防冻蛋白对蜗牛鱼生存的重要性，但也对它们在变暖的世界中的表现提出了危险信号。

“自20世纪中叶以来，北极的气温上升速度是中纬度的两倍，一些研究预测，如果北极海冰继续以目前的速度下降，那么在未来30年的夏天，北冰洋将基本上没有冰。”

“北极海洋不支持鱼类物种的高度多样性，科学的研究假设，随着海洋温度的日益升高，像这种蜗牛鱼这样的冰栖专家可能会遇到以前无法在这些较高的北部纬度地区生存的温带物种的竞争加剧。”

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