冬眠，動(dòng)物御寒的“超能力”

李天洋

冬天來(lái)臨，當(dāng)人們拿出棉衣、厚被御寒時(shí)，自然界的動(dòng)植物也在用它們的方式準(zhǔn)備過(guò)冬。冬眠，就是其中頗為特別的一種。冬眠可不是簡(jiǎn)單的睡眠，它不僅創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)生命的奇跡，也是前沿科學(xué)研究與應(yīng)用的熱門(mén)。

挑戰(zhàn)生理極限的冬眠

不同種類(lèi)的動(dòng)物冬眠，行為和生理表現(xiàn)會(huì)不一樣；即使同種動(dòng)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(dòng)物和變溫動(dòng)物之間。

多數(shù)哺乳動(dòng)物都是恒溫動(dòng)物。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物的冬眠歷時(shí)4至7個(gè)月，為保證冬眠期間能生存下來(lái)，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(dòng)物依靠在夏、秋季積累于體內(nèi)的脂肪；倉(cāng)鼠、松鼠則選擇在洞穴內(nèi)貯存食物。

哺乳動(dòng)物冬眠時(shí)，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(gè)極低的水平……具體來(lái)說(shuō)，冬眠時(shí)，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(shuō)明，冬眠對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，并不一定伴隨著超低體溫現(xiàn)象的出現(xiàn)。但在代謝率上，哺乳動(dòng)物冬眠期間降低幅度均較大，熊降低50%左右，小型哺乳動(dòng)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(shuō)是斷崖式下降，這對(duì)于一個(gè)生命有機(jī)體來(lái)說(shuō)，能夠讓各個(gè)器官的運(yùn)轉(zhuǎn)迅速與之相適應(yīng)，是一個(gè)非常艱難又高級(jí)的系統(tǒng)工程。

10月底，常年冰雪覆蓋的北極慢慢進(jìn)入極寒天氣，這時(shí)，要做媽媽的北極熊開(kāi)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(zhǔn)備一個(gè)過(guò)冬的家。人們很難想象，在冬眠中不吃不喝、沉睡狀態(tài)的北極熊會(huì)在這時(shí)候生寶寶，還要母乳喂養(yǎng)幾個(gè)月，可大自然就是這么神奇。大約2個(gè)月后，北極熊寶寶出生了，一般1到2個(gè)，它們的體重不到1千克，聽(tīng)不見(jiàn)也看不見(jiàn)，完全依賴媽媽的乳汁一天天長(zhǎng)大。來(lái)年三四月份，北極熊寶寶就能長(zhǎng)到10千克左右了，萌萌的它們會(huì)開(kāi)開(kāi)心心地跟著媽媽離開(kāi)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(zhǎng)，能量全部來(lái)自于媽媽之前的自身能量?jī)?chǔ)備，一個(gè)冬季過(guò)后，媽媽的體重可能會(huì)減少100公斤左右。

從生物學(xué)家監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和舐?tīng)偾樯畹谋睒O熊媽媽身上不難看出，雖然在表象上，動(dòng)物的“冬眠”和“睡眠”差不多：不吃不喝不動(dòng)，但實(shí)際區(qū)別很大。目前，世界范圍內(nèi)，已有百余種動(dòng)物被證實(shí)有冬眠現(xiàn)象，包括哺乳類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、爬行類(lèi)、兩棲類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、無(wú)脊椎類(lèi)動(dòng)物等。這些動(dòng)物在自然常態(tài)睡眠時(shí)，體溫、代謝水平、心跳、呼吸等指標(biāo)均會(huì)有所降低，但變化不大；而在冬眠時(shí)，這些指標(biāo)則降幅很大，有的動(dòng)物甚至降到瀕臨死亡的狀態(tài)，因?yàn)橹挥羞@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(guò)凜冽的冬季。畢竟冬天對(duì)于溫、寒帶的動(dòng)物來(lái)說(shuō)，是殘酷的，動(dòng)物們面對(duì)的不僅是“千里冰封、萬(wàn)里雪飄”，還有食物的極度短缺，生命會(huì)受到死亡的威脅。因此，冬眠可以說(shuō)是動(dòng)物通過(guò)節(jié)能方式應(yīng)對(duì)“極限氣候”的一種智慧和有效策略。

哺乳動(dòng)物冬眠還有一個(gè)更少為人知的現(xiàn)象是：這個(gè)過(guò)程并不是連續(xù)的，而是被一次次的自發(fā)性覺(jué)醒所中斷，也就是形成了一連串的“冬眠陣”。一個(gè)冬眠陣包括4個(gè)階段，即入眠、深冬眠、激醒和體溫恢復(fù)正常，深冬眠持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約的能量就越多。一個(gè)哺乳動(dòng)物的冬眠期可能包括幾個(gè)甚至幾十個(gè)冬眠陣，這就能理解為什么有些動(dòng)物在冬眠期出來(lái)覓食，甚至生寶寶了。

蛇、青蛙、烏龜?shù)茸儨貏?dòng)物冬眠時(shí)，可沒(méi)有哺乳動(dòng)物那么大的自由度，它們深冬眠時(shí)渾身僵硬，就像死了一樣，而且是否冬眠、冬眠時(shí)間長(zhǎng)短完全根據(jù)外部環(huán)境決定。以蛇類(lèi)為例，當(dāng)外界溫度長(zhǎng)期處于10℃以下，蛇就冬眠了，我國(guó)北方的蛇冬眠時(shí)間始于11月初；華中地區(qū)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?yàn)閷?duì)于動(dòng)物來(lái)說(shuō)，冬眠是環(huán)境逼迫下一種無(wú)奈的選擇，而不是必須，這也是很多熱帶或室內(nèi)的青蛙、烏龜不冬眠的原因。

變溫動(dòng)物在深眠階段的“僵死”狀態(tài)下毫無(wú)防御能力，生死全由天命，很多動(dòng)物在這時(shí)丟了性命。還拿蛇來(lái)說(shuō)，它們?cè)凇敖┧馈睍r(shí)，會(huì)給它的食物鏈下級(jí)——老鼠逆襲的機(jī)會(huì)，作為一種雜食性動(dòng)物，老鼠也是吃蛇的，夏季被蛇吃的老鼠，在冬季會(huì)對(duì)蛇進(jìn)行“反殺”，這就有了“蛇吃老鼠半年，老鼠吃蛇半年”的說(shuō)法。有數(shù)據(jù)表明，蛇冬眠時(shí)的死亡率達(dá)到30%，所以，對(duì)于蛇來(lái)說(shuō)，冬眠就是沒(méi)有退路的向死而生。

人類(lèi)期待獲得冬眠“超能力”

法國(guó)生理學(xué)家克勞德·伯爾納是國(guó)外較早研究冬眠的科學(xué)家。1865年，他曾撰文描述過(guò)動(dòng)物冬眠的幾個(gè)基本特征。之后，歐洲陸續(xù)有科學(xué)家發(fā)表嚙齒類(lèi)動(dòng)物冬眠、旱獺冬眠生理學(xué)等方面的研究結(jié)果，但只是零星的，直到20世紀(jì)30年代至50年代初，隨著一批生理學(xué)家的加入，該領(lǐng)域的研究才蓬勃發(fā)展起來(lái)。我國(guó)冬眠生理學(xué)研究起步較早，冬眠領(lǐng)域研究的創(chuàng)始人趙以炳及其助手從1947年就開(kāi)始對(duì)刺猬冬眠的生理學(xué)進(jìn)行研究，并以狗為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究其低溫后的恢復(fù)，這是冬眠生物學(xué)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的早期探索。

近些年，隨著癌癥等醫(yī)學(xué)難題陸續(xù)增多以及人類(lèi)宇宙探索的需要，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始迫切地對(duì)動(dòng)物冬眠進(jìn)行深入研究，特別是對(duì)哺乳動(dòng)物的研究。人們想知道：為什么黃鼠在秋天體重激增而不得糖尿??？熊冬眠時(shí)不排泄為什么不會(huì)腎衰竭？極地松鼠在醒來(lái)后，為什么大腦沒(méi)受損傷，也沒(méi)有肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松？……科學(xué)家希望能盡快弄清楚動(dòng)物冬眠的這些“超能力”，并應(yīng)用到人類(lèi)身上。

依托于信息傳播和現(xiàn)代科技的發(fā)展，一些實(shí)例的出現(xiàn)和研究結(jié)果的發(fā)表給了科學(xué)家很大信心：人類(lèi)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(méi)有心跳和呼吸，體溫下降到13.8℃，但經(jīng)過(guò)搶救，他仍然蘇醒過(guò)來(lái)。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(rèn)新陳代謝已經(jīng)停滯的情況下經(jīng)過(guò)治療生命復(fù)蘇。

與此同時(shí)，2020年12月，西班牙、希臘學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在《人類(lèi)學(xué)》期刊發(fā)表研究結(jié)果，他們?cè)?3萬(wàn)年前的人類(lèi)骨骸中，找到了人類(lèi)冬眠的證據(jù)，經(jīng)斷層掃描與顯微鏡觀察，這些骨頭與冬眠動(dòng)物的骨頭有相似的病變和損傷，也就是說(shuō)，遠(yuǎn)古人類(lèi)可能也是用冬眠的方式來(lái)度過(guò)寒冬的。盡管這個(gè)說(shuō)法聽(tīng)起來(lái)如同科幻小說(shuō)，但科學(xué)家認(rèn)為，這種現(xiàn)象極有可能是事實(shí)，遠(yuǎn)古人類(lèi)是有冬眠的能力的，只不過(guò)后來(lái)自然環(huán)境變好，人類(lèi)應(yīng)對(duì)極端氣候能力增強(qiáng)，不再需要通過(guò)冬眠這種方式過(guò)冬了，這個(gè)能力也就退化了。

在這些實(shí)例和研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，“人工冬眠”的概念應(yīng)運(yùn)而生，并率先在科幻電影中“實(shí)現(xiàn)”了。人們?cè)凇短章每汀贰读骼说厍颉贰缎请H穿越》等電影中可以看到，為了讓太空旅行者完成漫長(zhǎng)的星際航行，會(huì)把他們放進(jìn)太空冬眠艙，以冬眠的方式延長(zhǎng)他們的壽命，同時(shí)減少物資消耗，為飛船減輕載荷。

為了讓夢(mèng)想盡快照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，世界各國(guó)的科學(xué)家都在孜孜不倦、鍥而不舍地研發(fā)適用于太空，以及醫(yī)學(xué)方面的冬眠技術(shù)。

早先，受變溫動(dòng)物冬眠時(shí)體內(nèi)大半液體凍結(jié)，心跳、呼吸、血液流動(dòng)和大腦活動(dòng)停止，幾個(gè)月后又活蹦亂跳的啟發(fā)，科學(xué)家研究出了“人體冷凍法”，即在-196℃的低溫下保存整個(gè)人體或頭部，以期未來(lái)的科學(xué)技術(shù)能夠?qū)⑵鋸?fù)活，但目前，該應(yīng)用僅限于醫(yī)學(xué)上已認(rèn)定死亡的遺體。

根據(jù)相關(guān)資料記載，這種嘗試在上世紀(jì)60年代就開(kāi)始了，1967年，加州大學(xué)的心理學(xué)教授詹姆斯·貝德福德因癌癥身亡幾小時(shí)后，進(jìn)行了遺體的凍存處理，保存至今。2016年，一家冷凍生物學(xué)研究公司在小型動(dòng)物腦冷凍保存的研究中取得進(jìn)展。但有研究者指出，通過(guò)這種方式冬眠復(fù)蘇后，無(wú)法證明儲(chǔ)存大腦信息的神經(jīng)通路是否完好，因此，靠冷凍來(lái)實(shí)現(xiàn)人工冬眠的道路不太順暢。

研究的成果雖然不少，但如何將基于動(dòng)物的研究成果應(yīng)用到人類(lèi)，還有漫長(zhǎng)的路要走。未來(lái)，當(dāng)科學(xué)家最終找到人類(lèi)的冬眠開(kāi)關(guān)時(shí)，將為人們的生命健康、星際航行帶來(lái)全新的天地。

（四月摘自《科學(xué)大觀園》2023年第22期）