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人类如何走向星辰大海?冻僵的小青蛙或许有答案

2021-04-03

三体危机纪元12年,章北海了却了最后一桩心事,安然踏入休眠舱“支援未来”。两个世纪后,深沉如海的政委再次醒来,继续踏上他早已笃定的道路。这是《三体》世界中至关重要的一幕,然而如同在许多科幻作品中的遭遇一样,成就这一幕的关键——将人超低温休眠的技术——却早已被读者有意无意的忽视了。这也难怪,毕竟自从尼尔·琼斯在1931年的科幻小说《奇异的故事》中首次提到了使用低温将人体器官长期保存的设想以来,低温休眠早就成了太空探索背景的科幻故事中的标配

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科幻经典《异形》开篇,一行人从休眠舱中醒来 | Alien (1979)

和其他文学体裁不同,科幻作品素来以大胆设想、天马行空著称,在科幻作品中出现整齐划一的“设定”,只可能基于2个原因——它或许是对科幻史上那些标志性作品中相似场景的致敬,也可能对当先已经初现的技术原型的合理拓展。

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《星际穿越》中,众人找到了休眠中的Mann博士 | Interstellar (2014)

凑巧的是,超低温休眠技术,两者兼备。

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“死而复生”的青蛙

最早提出“超低温休眠”设想的并非一位科幻作家,然而他足够赫赫有名。传奇的一生里,本杰明·富兰克林做出了许多成就,然而自始至终,探索自然奥秘最让他乐此不疲。彼时的北美洲如同一座充斥着新奇野趣的富矿,但在诸多探险队传回的荒野故事里,来自北方极寒之地的一则尤其引起富兰克林的注意。

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北美林蛙 | Brian Henderson / Wikimedia Commons

许多探险家记述道,在大陆北方栖息的一种小蛙似乎拥有“死而复生”的能力,在气温骤降至冰点后,这些小蛙身体冻结,看似已经完全没有生命迹象,然而次年气温回暖后,它们居然可以解冻复苏。”死而复生“的蛙让富兰克林惊奇,也极大地拓展了老人的脑洞。如果可以搞清小蛙解冻复苏的奥妙,是否就可以使用同样的方式将人冰冻起来穿越到未来?今天被恶疾困扰的病人或许可以在未来重获健康,遥不可及的星际航行也能得以实现。

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北美林蛙的分布区域纬度跨度极大,不同纬度的林蛙对寒冷环境的适应力也各有不同 | Wikimedia Commons

富兰克林辞世后的35年,神秘的北方之蛙终于得以科学描述,此后的200年里,我们也逐渐洞悉北美林蛙(Rana sylvatica)”死而复生的奥妙。作为无尾目分布最北的一种,北美林蛙享受了高纬度空旷的生态位,却也同时要与这里极端恶劣的环境抗衡。像大多数近亲一般的掘洞冬眠在冻土夯实的极地并不适宜,即便能及时躲入地洞,极寒环境下的低温一样可以沁透土层。

北美林蛙能在低温中生存 |  Wikimedia Commons

北美林蛙由此演化出极为特化的保命绝技——初秋时林蛙的肝脏已经开始储备糖原,凛冬将至,肝脏又将糖原转化为葡萄糖;与此同时,通过分解肌肉和蛋白质,林蛙体内的尿素含量也在激增。葡萄糖和尿素充盈在全身各处,林蛙的体液已经成为一种富含葡萄糖和尿素的混合液体,其中尤以脆弱的大脑和心脏处的浓度最高。这种溶液的冰点比水低很多,以此来确保冬季时,这些重要的器官并不会真正结冰

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掌握了防冻技术的北美林蛙 | J.M.Storey

将自己变成全身“糖尿病”实在是无奈之举。人们早已发现,在超低温状态下,细胞的一切化学活动和新陈代谢(包括死亡)都会变得缓慢,甚至停滞,而随着温度的上升,细胞活动又会慢慢恢复活跃。然而低温的另一面却”锋利无比“,液态的水在冻结过程中会结晶,冰晶锋刃锐利,在水结冰体积膨胀的过程中会毫不留情的刺穿细胞膜,造成细胞的结构性破坏。这也是为什么家中的冻肉总是会在化冻后流淌出许多血水。

这样的细胞即便解冻也不可能再存活,想要掌握冷冻休眠技术,首先要过冰晶这一关。北美林蛙利用葡萄糖和尿素加浓体液,正是为了避免冰晶对身体组织、尤其是大脑和心脏等重要器官的损害,今天的观察发现,北美林蛙可以在零下4摄氏度的环境下存活2个月,也能抵挡零下16度的极端低温。

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强大的适应能力让北美林蛙成为北美最常见的两栖类之一 | Dave Huth / Flickr

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防冻剂与人类的未来

受到林蛙的启发,人类也尝试着使用同样的方式达到相似的目的。人们用甘油来渗透到细胞内部,置换游离的水,并与水分子通过氢键结合,干扰冰晶的形成,此后,人们又相继发现了二甲基亚砜、乙二醇(汽车防冻液主要成分)等也可以起到类似的作用,它们被统称为——抗冻剂。此外,冰冻还需要考虑到微生物的侵袭,人们又学会了利用液氮营造零下-196℃的超低温环境,这个温度下微生物也无法存活,如此一来就达到了长期冰冻保存的目的。

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小小的林蛙,可能对人类探索太空有所启发 | Benny Mazur / Wikimedia Commons

至此,超低温休眠技术慢慢走上实用。首先采取超低温保存技术的领域是畜牧业。以前,人们为了获得更好的牲畜幼崽,会让母牛、母猪之类的和基因优良的种牛、种猪交配,这受到了交通等的局限,效率也极为低下,大型牲畜的配种过程还时常对人和畜带来伤害。

在1951年,人们首次采用超低温休眠成功完成了牛的精液保存,今天的种畜业已经可以将种猪、种牛的精液人工采集下来,低温环境下贩卖到全球各地,再用人工授精的方式完成授精。仅仅在2年后,人的精液保存和人工授精也取得了成功。自此,“捐精”一词就进入了公众的视野。

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液氮中冷冻保存的牛精液 | Uwemuell / Wikimedia Commons

单个细胞的超低温保存已经实现了,但将整个人体超低温保存依旧困难重重。对细胞的冷冻基本不需要考虑冷冻均匀的问题,但人不同,人是有厚度的,这个厚度会导致各个器官和组织之间的冷冻有先有后,而冷冻的不均匀就会导致冰晶的产生。

此外,人体内细胞太多,不可能被抗冻剂完全置换掉所有水分,这也会导致冰晶的产生,所以,以现有的技术来看,人体的超低温冷冻不可避免的会造成一些细胞受损。此外,人体的解冻更是复杂,如果不能保证同步解冻,甚至会发生生物组织的脱离——也就是一些细胞会脱落。在1957年对一些大型动物进行了超低温保存技术的实验,实验证明,虽然有些动物可以复苏,但器官仍受到了严重的伤害,不久就一命呜呼。

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想象中的人体休眠技术 | SpaceWorks

尽管我们目前还没有完全掌握对大型动物和人的超低温保存技术,但已经有多家人体超低温保存公司涌现,比较著名的有美国的Alcor和Cryonice Institute,以及俄罗斯的KrioRus。这几家公司采用玻璃化保存技术——即先把血液完全抽干,再注入高浓度抗冻液,最后用液氮超低温保存50年。此外,他们把大脑和心脏摘除,单独冰冻保存。但至关重要的解冻技术依旧未能实现。

或许是受到了章北海的启发,2015年5月,《三体》的编审杜虹女士因病去世,在临终前她自愿选择美国Alcor为自己做人体超低温保存,这也是国内首例采用超低温保存人体的案例。

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KrioRus使用的储存罐 | KrioRus / Wikimedia Commons

从跨入休眠舱到苏醒,章北海沉睡了两百年,从初闻北美林蛙的奥妙到尝试将同样的技术应用于自身,人类也摸索了两百年。林海雪原中的小蛙,或许会成为人类走向星辰大海的关键,但梦想何时能照进现实,恐怕还需要更多时间来见证。

听取蛙声一片

红眼树蛙

海蟾蜍

泽氏斑蟾

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