低溫生物學

生物體的新陳代謝是隨著溫度的降低而減緩的。如果低溫在0℃以上，這個減緩過程一般是可逆的，即溫度回升以後，新陳代謝的速度也隨之恢復。但如溫度降至冰點以下時，生物體常因結冰而發生不可恢復的損傷。因為所有的生物體體液都含有大量的水（一般在80%左右），細胞器也都懸浮於水溶液中，新陳代謝過程都是在水溶液或膜和水溶液的界面上進行的，所以在結冰的過程中，一方面由於水的晶體──冰晶硬度較大，對於生物體內的精細結構會造成機械損傷；另一方面由於水結冰，使細胞內失去了大量可利用的水，造成脫水現象，從而使精細結構發生破壞。

低溫使新陳代謝速度減緩，因而人們很早就試圖利用這一特點，以求長期保存活的生物體。60年代以來，在這方面取得了很大的成就。主要的方法是：①用添加劑和速凍，以防止冰晶的形成，即使形成，也是微小的冰晶，不致引起機械損傷。常用的添加劑是甘油和某些多元醇類化合物如甘露醇等，其作用是使水不易結冰。速凍是將生物體在很短時間內，立即降至液態氮的溫度（約為-195℃），使水迅速凝固，以避免形成冰晶。只用添加劑不能完全防止結冰；單靠速凍雖能避免在降溫時形成較大的冰晶，卻不能避免在溫度回升時形成較大冰晶。只有兩者適當結合，才能避免低溫對生物體的損傷；②冷凍乾燥，即在凝固狀態下，依靠真空乾燥使水分升華，以防止因速冷而凝固的液體在溫度回升時又形成冰晶。生物樣品經冷凍乾燥后在常溫下即可儲存，是一種較為理想的保存方法。但這種方法在溫度過低時，升華過慢，溫度偏高時又很難避免冰晶的形成，而且完全脫水也會給複雜的生物體帶來某些不可恢復的損傷。因此目前只用於保存生物製品（如某些藥物、血清製劑）、乳品、食品，以及菌種和病毒(見菌種保藏)等。同普通的乾燥方法相比，冷凍乾燥法的優點是能較好保存生物製品的活性，冷凍乾燥的藥品、血清製劑等易於溶解，食物的外形以及色、香、味等也能較好地保存。若在-80℃左右的深低溫保藏，雖然沒有冷凍乾燥方便，但對生物體的損傷較小，可用於保藏微生物菌種、貯存高等動物的精子、卵子、全血和某些器官，甚至早期發育階段的哺乳動物胚胎。

研究在低溫條件下生命活動的生物化學規律的新興學科，是低溫生物學的重要基礎。例如，在某些冬眠狀態的昆蟲體液中，甘油含量可高達25%，以致在-35℃的狀況下也不會冰凍。另一方面，利用低溫下變化減慢，來研究在常溫下變化較快的一些生物化學反應。如在酶的催化、蛋白質和核酸在溶液中的空間構象變化中。某些中間變化常溫下在千分之一秒的時間內即可完成，用一般方法難以探討，而在含有添加劑使溫度降至-40℃左右的溶液中，反應速度大為減慢就可用常規方法進行研究。