低温生物学

冰冻与生物

生物体的新陈代谢是随着温度的降低而减缓的。如果低温在0℃以上，这个减缓过程一般是可逆的，即温度回升以后，新陈代谢的速度也随之恢复。但如温度降至冰点以下时，生物体常因结冰而发生不可恢复的损伤。因为所有的生物体体液都含有大量的水（一般在80%左右），细胞器也都悬浮于水溶液中，新陈代谢过程都是在水溶液或膜和水溶液的界面上进行的，所以在结冰的过程中，一方面由于水的晶体──冰晶硬度较大，对于生物体内的精细结构会造成机械损伤；另一方面由于水结冰，使细胞内失去了大量可利用的水，造成脱水现象，从而使精细结构发生破坏。

低温的防护

低温使新陈代谢速度减缓，因而人们很早就试图利用这一特点，以求长期保存活的生物体。60年代以来，在这方面取得了很大的成就。主要的方法是：①用添加剂和速冻，以防止冰晶的形成，即使形成，也是微小的冰晶，不致引起机械损伤。常用的添加剂是甘油和某些多元醇类化合物如甘露醇等，其作用是使水不易结冰。速冻是将生物体在很短时间内，立即降至液态氮的温度（约为-195℃），使水迅速凝固，以避免形成冰晶。只用添加剂不能完全防止结冰；单靠速冻虽能避免在降温时形成较大的冰晶，却不能避免在温度回升时形成较大冰晶。只有两者适当结合，才能避免低温对生物体的损伤；②冷冻干燥，即在凝固状态下，依靠真空干燥使水分升华，以防止因速冷而凝固的液体在温度回升时又形成冰晶。生物样品经冷冻干燥后在常温下即可储存，是一种较为理想的保存方法。但这种方法在温度过低时， 升华过慢， 温度偏高时又很难避免冰晶的形成，而且完全脱水也会给复杂的生物体带来某些不可恢复的损伤。因此目前只用于保存生物制品（如某些药物、血清制剂）、乳品、食品，以及菌种和病毒(见菌种保藏)等。同普通的干燥方法相比，冷冻干燥法的优点是能较好保存生物制品的活性，冷冻干燥的药品、血清制剂等易于溶解，食物的外形以及色、香、味等也能较好地保存。若在-80℃左右的深低温保藏，虽然没有冷冻干燥方便，但对生物体的损伤较小，可用于保藏微生物菌种、贮存高等动物的精子、卵子、全血和某些器官，甚至早期发育阶段的哺乳动物胚胎。

低温生物化学

研究在低温条件下生命活动的生物化学规律的新兴学科，是低温生物学的重要基础。例如，在某些冬眠状态的昆虫体液中，甘油含量可高达25%，以致在-35℃的状况下也不会冰冻。另一方面，利用低温下变化减慢，来研究在常温下变化较快的一些生物化学反应。如在酶的催化、蛋白质和核酸在溶液中的空间构象变化中。某些中间变化常温下在千分之一秒的时间内即可完成，用一般方法难以探讨，而在含有添加剂使温度降至-40℃左右的溶液中，反应速度大为减慢就可用常规方法进行研究。