投稿類別：生物類

投 稿 類 別 : 生 物 類 篇 名 : 生 物 抗 凍 與 冷 凍 作 者 : 馬 允 婕 國 立 花 蓮 女 中 高 ㄧ10 班 鍾 叒 璵 國 立 花 蓮 女 中 高 ㄧ10 班 郭 俊 儀 國 立 花 蓮 女 中 高 ㄧ10 班 指 導 老 師 : 張 淑 美 老 師 1

壹 前 言 當 冬 天 來 臨, 天 氣 逐 漸 變 冷, 而 人 類 可 用 各 式 各 樣 的 方 式 度 過 寒 冬, 那 麼 外 頭 的 動 植 物 呢? 它 們 無 法 像 我 們 一 樣 穿 上 厚 衣 服, 也 沒 有 溫 暖 的 被 窩 可 以 休 息 因 此, 我 們 想 瞭 解 它 們 究 竟 是 如 何 抵 禦 寒 冷 及 維 持 原 來 的 生 存 機 制 而 在 之 前 也 聽 說 過 精 卵 冷 凍 保 存 及 臍 帶 血 冷 凍 保 存 此 兩 項 科 技, 那 麼 人 類 又 是 利 用 什 麼 方 式 將 精 卵 及 臍 帶 血 保 存 在 低 溫 下 而 不 會 損 傷 或 死 亡 呢? 貳 正 文 一 低 溫 對 生 物 體 的 傷 害 低 溫 ( 約 0 ) 細 胞 間 隙 會 結 冰, 影 響 細 胞 膜 脂 質 結 構 變 化 造 成 細 胞 過 度 脫 水 蛋 白 質 分 子 被 破 壞 使 細 胞 質 變 質 等 植 物 表 面 可 能 出 現 有 葉 片 凋 萎 黃 化, 更 可 能 導 致 褐 化 及 組 織 壞 死 對 於 動 物 因 為 細 胞 膜 脂 肪 酸 的 改 變, 造 成 生 理 機 能 逐 漸 衰 減, 最 後 導 致 死 亡 ( 一 ) 植 物 的 抗 凍 機 制 1 草 本 植 物 用 非 零 下 的 低 溫 處 理 草 本 植 物 的 細 胞 組 織 數 天, 可 以 明 顯 提 高 抗 凍 能 力, 和 木 本 一 樣, 也 有 冷 馴 化 (cold acclimation) 現 象 冷 馴 化 是 植 物 經 過 非 致 死 溫 度 的 處 理 而 獲 得 更 強 的 抗 冷 能 力 以 下 為 冷 馴 化 草 本 代 表 植 物 : (1) 裸 麥 在 冷 馴 化 後 便 可 以 在 -30 C 的 環 境 下 生 存, 過 程 中 也 需 要 能 量 用 來 轉 譯 生 成 出 因 為 寒 冷 而 誘 導 出 的 蛋 白 質 (2) 馬 鈴 薯 利 用 冷 處 理 高 鹽 分 ABA 等 方 法 處 理, 可 誘 導 出 24 種 mrna 研 究 證 據 指 出,ABA 會 參 與 草 本 植 物 的 冷 馴 化 過 程, 若 增 加 內 生 性 ABA 的 含 量 可 以 增 加 植 物 的 抗 凍 性 若 外 加 ABA 也 可 以 增 加 其 抗 凍 性, 使 得 在 低 溫 下 的 存 活 率 增 加 (3) 油 菜 花 在 進 入 秋 天 後 會 進 行 冷 馴 化, 到 冬 天 時 便 能 抵 抗 寒 冷 而 到 春 天 植 物 開 始 生 2

長 並 開 花, 抵 抗 寒 冷 能 力 下 降, 尤 其 是 在 清 晨 時, 凍 害 產 生 的 冰 晶 會 影 響 營 養 和 繁 殖 器 官, 特 別 是 胚 胎 很 容 易 受 到 傷 害, 但 是 油 菜 花 部 分 的 花 以 及 芽 損 傷 後, 可 促 成 補 償 作 用, 使 得 植 物 增 加 分 支 也 延 長 開 花 的 花 期, 因 此 反 而 有 更 多 芽 以 及 種 子 產 生, 使 得 油 菜 花 不 會 受 到 凍 傷 的 影 響 2 木 本 植 物 : 木 本 植 物 在 低 溫 中 為 了 要 避 免 低 溫 造 成 的 影 響, 會 產 生 深 度 超 冷 現 象 在 冰 凍 時, 細 胞 內 的 水 分 仍 然 呈 現 液 態, 即 使 在 -40 C 的 狀 況 下, 若 是 細 胞 中 也 形 成 冰 晶, 水 分 便 會 往 細 胞 外 移 動 而 形 成 缺 水 狀 態 深 度 超 冷 現 像 是 ㄧ 套 有 效 率 的 抗 凍 機 制, 但 仍 有 其 適 用 的 範 圍, 若 溫 度 在 -40 以 下, 細 胞 內 還 是 會 凝 固 而 造 成 細 胞 內 的 壞 死 木 本 植 物 中 的 木 質 部 射 隨 薄 壁 細 胞 被 發 現 是 植 物 體 用 來 抗 凍 的 中 心, 可 以 形 成 超 冷 現 象 以 及 胞 外 結 凍, 使 木 本 植 物 在 -40 C 以 上 都 可 抗 凍 例 如 紅 柳 木 (red osier dog wood) 的 射 隨 薄 壁 細 胞 便 有 此 功 能 3 抗 寒 性 植 物 在 低 溫 寒 冷 環 境 中 長 期 適 應, 並 通 過 本 身 遺 傳 變 異 和 自 然 選 擇 獲 得 的 一 種 抗 寒 能 力 抗 寒 性 基 因 是 一 種 誘 發 性 基 因, 主 要 是 在 低 溫 和 短 日 照 的 作 用 下, 才 能 表 現 成 為 抗 寒 力 抗 寒 基 因 表 現 出 抗 寒 能 力 便 是 抗 寒 力 提 高 的 過 程 就 是 常 說 的 抗 寒 鍛 鍊 或 冷 馴 化 植 物 的 抗 寒 性 是 由 多 基 因 控 制 的 數 量 性 狀 如 採 用 雜 交 親 本 具 有 較 高 的 抗 寒 性, 抗 寒 性 可 能 在 雜 交 後 代 累 積, 便 有 可 能 培 育 出 更 具 抗 寒 能 力 的 新 品 種 而 產 生 抗 寒 鍛 鍊 的 條 件 有 以 下 : 低 溫 光 照 細 胞 的 生 理 活 動 強 度 大 多 數 植 物 抗 寒 鍛 鍊 的 臨 界 溫 度 在 2~5 C, 但 若 缺 光, 即 使 在 持 續 低 溫 下 也 不 能 得 到 抗 寒 鍛 鍊 而 當 植 物 生 長 的 越 旺 盛 抗 寒 力 越 弱, 在 秋 季 低 溫 短 日 照 下, 植 物 逐 漸 停 止 生 長 活 動, 其 抗 寒 基 因 才 能 表 現 為 抗 寒 力 同 理 水 分 氮 肥 過 於 充 足 是 不 利 於 植 物 提 高 抗 寒 能 力 的 ( 二 ) 動 物 在 低 溫 環 境 下 的 生 存 機 制 1 恆 溫 動 物 (1) 旅 鼠 : 3

在 嚴 寒 的 冬 季, 他 們 利 用 地 道 暫 求 生 存 因 此, 每 到 秋 天, 旅 鼠 的 前 爪 就 會 長 出 ㄧ 個 厚 厚 的 角 質 層, 就 像 是 兩 把 小 鏟 子, 以 便 於 挖 洞 (2) 狐 狸 狼 麝 牛 和 北 極 熊 : 靠 豐 厚 的 絨 毛 和 不 停 地 運 動 來 保 持 體 溫 並 抵 禦 寒 冷 (3) 海 獺 海 狗 : 全 身 覆 蓋 著 濃 密 的 毛, 連 海 水 無 法 滲 透 進 去 且 在 這 些 濃 密 的 毛 髮 之 中 充 滿 著 乾 燥 而 溫 暖 的 空 氣, 使 牠 們 即 使 在 冰 冷 的 海 水 之 中, 也 能 生 活 得 非 常 舒 服 (4) 海 豹 海 象 和 鯨 魚 : 牠 們 之 所 以 能 在 冰 冷 的 海 水 中 保 持 住 自 己 40 C 左 右 的 體 溫, 主 要 還 是 得 益 於 極 厚 的 皮 層 和 皮 層 以 下 那 層 厚 厚 的 脂 肪 且 體 型 都 成 圓 形, 像 個 砲 彈 似 的, 這 不 僅 使 牠 們 在 遊 動 時 大 大 的 減 少 阻 力, 也 有 效 減 少 了 熱 量 的 散 失 2 變 溫 動 物 變 溫 (ectothermal) 或 冷 血 動 物 如 蜘 蛛 昆 蟲 青 蛙 或 烏 龜 等, 以 冬 眠 的 方 式, 將 生 理 代 謝 降 低 到 近 似 無 生 命 的 狀 態, 來 渡 過 這 段 天 寒 地 凍 的 日 子 但 他 們 冬 眠 的 場 所 常 會 降 至 零 度 以 下 變 溫 動 物 為 了 在 冰 溫 時 仍 能 生 存, 有 兩 種 適 應 上 的 選 擇 一 種 是 忍 耐 冰 凍, 另 一 種 適 應 方 式 是 避 免 冰 凍 無 論 變 溫 動 物 選 擇 那 一 種 適 應 方 式 來 渡 過 冰 溫 的 環 境, 在 牠 們 體 內 都 發 現 有 冰 晶 核 蛋 白 抗 凍 蛋 白 和 抗 凍 劑, 只 是 它 們 在 兩 種 不 同 適 應 方 式 的 動 物 體 內 的 組 成 和 所 扮 演 的 角 色, 各 有 不 同 (1) 忍 耐 冰 凍 或 稱 耐 凍 類 (Freeze tolerant) 這 些 物 種 在 體 液 凍 結 時, 仍 能 生 存 一 些 耐 凍 物 種 被 認 為 是 用 抗 凍 蛋 白 (AFP) 作 為 低 溫 保 護 劑 (cryoprotectants) 以 保 護 生 物 體 免 受 凍 傷, 而 不 是 不 結 凍 同 時 再 減 低 代 謝 速 率 或 是 以 無 氧 呼 吸 方 式, 來 維 持 生 命 (2) 避 免 冰 凍 ( 防 凍 ), 或 叫 避 凍 類 (Freeze avoidant ) 4

避 免 冰 凍 物 種 能 保 護 他 們 的 體 液 不 被 凍 在 一 起, 但 在 極 冷 的 溫 度 下 AFP 功 能 會 受 損, 導 致 冰 晶 的 迅 速 增 長, 以 至 生 物 體 死 亡 所 以 此 類 動 物 必 須 以 體 內 的 抗 凍 蛋 白 抑 制 冰 晶 核 形 成 和 避 免 體 溫 降 至 凝 固 點 以 下, 且 要 累 積 高 濃 度 的 抗 凍 劑 以 維 持 體 溫 在 凝 固 點 以 上, 才 能 避 免 結 冰 3 抗 凍 蛋 白 及 抗 凍 劑 : (1) 抗 凍 蛋 白 (AFP) 抗 凍 蛋 白 是 指 一 類 由 某 些 脊 椎 動 物 植 物 真 菌 和 細 菌 產 生 的 多 肽, 能 保 護 這 些 物 種 在 零 下 溫 度 環 境 下 生 存 AFP 能 結 合 到 較 小 的 冰 晶 上, 阻 止 冰 的 結 晶 化 和 晶 體 的 生 長, 避 免 造 成 致 命 危 險 抗 凍 蛋 白 存 在 於 避 免 冰 凍 的 動 物 體 內, 它 就 是 他 們 能 成 功 克 服 惡 劣 氣 候 的 主 要 關 鍵 在 有 些 忍 耐 冰 凍 的 動 物 體 內 也 可 看 到 抗 凍 蛋 白 的 存 在, 冰 塊 會 結 晶 是 因 為 水 的 附 著 和 凍 結 而 形 成 的, 但 是 抗 凍 蛋 白 卻 能 附 著 在 水 的 結 晶 表 面 上, 防 止 結 晶 擴 大 ; 抗 凍 蛋 白 並 不 是 降 低 水 結 冰 的 凝 固 點, 而 是 圍 繞 在 形 成 水 的 結 晶 表 面 的, 阻 絕 水 的 結 晶 化 抗 凍 蛋 白 之 所 以 具 有 抗 凍 作 用, 是 因 為 其 分 子 具 有 擴 展 的 性 質, 好 像 其 結 構 上 有 一 塊 極 易 於 水 或 冰 相 互 作 用 的 表 面 區 域, 以 此 降 低 水 的 冰 點, 從 而 阻 止 體 液 的 凍 結 (2) 抗 凍 劑 抗 凍 劑 主 要 的 功 能 是 維 持 細 胞 的 體 積 和 形 狀 保 持 細 胞 膜 雙 層 結 構 的 穩 定 與 功 能 減 少 細 胞 的 脫 水 情 形 降 低 電 解 質 濃 度 ( 科 學 月 刊 第 二 十 三 卷 第 八 期 ) 有 了 抗 凍 劑 後, 可 防 止 細 胞 內 形 成 冰 晶, 避 免 細 胞 剝 落 壞 死, 危 及 性 命 肝 糖 水 解 進 入 特 殊 的 代 謝 過 程, 而 合 成 抗 凍 劑 當 冬 天 過 後, 抗 凍 劑 會 再 合 成 肝 糖 類 以 供 使 用 不 同 的 動 物 抗 凍 劑 組 成 便 不 同 有 些 冷 血 動 物 會 將 體 內 之 丙 胺 酸 與 葡 萄 糖 轉 換 成 甘 油, 以 防 止 細 胞 內 形 成 冰 晶 三 細 胞 冷 凍 保 存 的 應 用 及 方 法 : (ㄧ) 卵 子 冷 凍 保 存 1 保 存 卵 子 的 目 的 女 性 擔 憂 在 孕 育 下 一 代 時 自 身 卵 巢 功 能 是 否 健 全 卵 子 是 否 健 康, 興 起 欲 存 5

卵 子 的 想 法, 為 將 來 預 留 生 機 2 卵 子 冷 凍 保 存 的 方 法 冷 凍 卵 子 比 冷 凍 精 子 冷 凍 胚 胎 還 難 因 為 卵 子 比 精 子 大 一 百 倍 以 上, 細 胞 越 大, 水 份 越 多, 冷 凍 後 就 容 易 脹 破 而 死 亡 精 卵 子 在 冷 凍 前 會 先 脫 水, 脫 水 越 乾 淨 存 活 率 越 高 (1) 玻 璃 化 冷 凍 技 術 : 使 用 超 高 速 冷 凍 技 術, 也 就 是 玻 璃 化 冷 凍 技 術, 脫 水 脫 得 比 以 前 更 乾 淨, 冷 凍 速 度 越 快, 就 越 不 會 形 成 冰 晶, 比 較 好 保 存 (2) 改 良 式 慢 速 法 : 目 前 改 進 存 活 率 是 用 改 良 式 慢 速 法, 提 高 蔗 糖 濃 度 及 脫 水 平 衡 時 間, 並 且 解 凍 之 步 驟 亦 有 改 良 使 用 改 良 式 慢 速 法 可 增 加 脫 水 能 力, 減 少 冰 晶 形 成, 緩 和 解 凍 滲 透 壓 之 變 化 3 如 何 使 卵 不 被 凍 傷 : 卵 子 冷 凍 成 功 與 否 和 冷 凍 的 方 法, 溫 度 的 控 制, 冷 凍 儀 器 的 穩 定 度, 冷 凍 保 護 劑 的 選 擇, 解 凍 的 方 法, 滲 透 壓 的 改 變, 時 間 的 因 素, 操 作 者 的 技 術 與 經 驗 等 有 關 ( 二 ) 精 子 冷 凍 保 存 1 保 存 精 子 的 目 的 由 於 精 子 冷 凍 後 可 以 長 期 保 存, 在 適 當 時 機 可 以 隨 時 用 它 來 進 行 配 偶 人 工 授 孕, 非 配 偶 人 工 受 孕 及 試 管 嬰 兒 等 協 助 性 生 殖 治 療 等 2 精 子 冷 凍 的 過 程 精 子 冷 凍 的 過 程 就 是 精 子 本 身 脫 水 的 過 程 精 子 體 內 約 含 90% 的 水, 精 子 膜 可 以 允 許 水 分 自 由 通 過, 水 分 的 流 動 方 向 主 要 取 決 於 精 子 膜 內 外 液 中 溶 質 的 濃 度 差, 即 滲 透 壓 的 高 低 隨 著 脫 水 過 程 的 進 行, 細 胞 逐 漸 皺 縮 而 細 胞 內 不 產 生 或 只 產 生 少 量 的 冰 晶 6

3 精 子 冷 凍 保 存 的 方 法 現 在 多 採 用 液 氮 蒸 氣 法, 包 括 緩 凍 法 和 速 凍 法 兩 種 兩 種 方 法 的 區 別 在 於 溫 度 降 低 的 速 度 不 同 各 家 實 驗 室 所 採 用 的 具 體 的 降 溫 速 度 也 不 一 樣, 但 大 體 上 都 分 為 三 個 階 段 來 降 溫 : 室 溫 0 左 右 -30-196 4 冷 凍 前 後 差 異 在 冷 凍 復 甦 過 程 中, 低 溫 對 精 子 尾 部 的 損 傷 導 致 了 復 甦 後 精 子 活 動 力 下 降 如 今 復 甦 技 術 的 提 高, 冷 凍 精 液 人 工 授 精 妊 娠 率 和 新 鮮 精 液 人 工 授 精 的 成 功 率 已 基 本 相 近 目 前 的 研 究 傾 向 於 冷 凍 復 甦 過 程 不 會 損 傷 精 子 的 DNA, 不 會 增 加 染 色 體 的 畸 形 率 冷 凍 和 復 甦 過 程 中, 冰 晶 的 形 成 和 冷 凍 保 護 劑 均 可 對 精 子 膜 的 結 構 和 功 能 造 成 一 定 的 損 傷 復 甦 的 過 程 中, 大 量 的 水 分 進 入 精 子 內, 造 成 了 缺 氧 的 微 環 境, 最 終 導 致 了 生 物 膜 的 破 損 而 低 溫 對 線 粒 體 的 損 傷 可 能 是 引 起 冷 凍 復 甦 精 子 活 率 下 降 的 主 要 原 因 ( 三 ) 臍 帶 血 1 為 何 要 保 存 臍 帶 血 臍 帶 血 液 含 有 大 量 極 珍 貴 的 造 血 幹 細 胞, 而 幹 細 胞 具 有 發 展 成 不 同 型 態 的 細 胞 或 組 織 的 能 力 2. 臍 帶 血 處 理 採 集 後 的 臍 帶 血 應 於 48 小 時 內 送 至 實 驗 室 處 理, 實 驗 室 人 員 依 照 沉 降 法 或 離 心 法, 以 手 動 或 自 動 方 式 將 臍 帶 血 分 層, 取 得 濃 縮 的 幹 細 胞 作 儲 存 臍 帶 血 依 重 力 可 分 三 層 : 最 上 層 為 血 漿 (Plasma) 中 間 層 為 白 血 球 和 幹 細 胞 (Buffy Coat) 最 下 層 為 紅 血 球 (RBC) 現 在 通 常 用 紅 血 球 分 離 法 (RBC reduced) 處 理, 此 方 法 可 保 留 濃 縮 後 的 幹 細 胞, 以 較 少 體 積 作 儲 存 減 少 儲 存 體 積 可 以 減 少 抗 凍 劑 含 量, 並 減 短 解 凍 後 的 處 理 時 間 與 移 植 輸 注 時 間, 因 此 可 以 降 低 移 植 副 作 用, 因 此 大 多 實 驗 室 採 用 此 項 處 理 法 3 保 存 方 法 7

臍 帶 血 經 處 理 後, 即 加 入 無 菌 的 抗 凍 劑 - 二 甲 基 甲 碸 ( 英 文 全 名 :DMSO), DMSO 為 極 小 分 子, 可 以 進 入 細 胞, 減 緩 細 胞 內 水 分 形 成 冰 晶 的 大 小 與 速 率, 保 護 細 胞 因 快 速 進 入 低 溫 液 態 氮 冷 凍 保 存 和 解 凍 過 程 遭 到 破 壞, 增 加 細 胞 存 活 率, 且 維 持 細 胞 活 性 DMSO 添 加 量 依 臍 帶 血 保 存 體 積 而 定, 通 常 保 存 最 終 濃 度 為 10% 保 存 溫 度 範 圍 為 -80 到 -180, 若 保 存 超 過 一 年, 溫 度 應 低 於 -180 液 態 氮 能 保 持 -196 低 溫, 維 持 細 胞 高 度 活 性, 並 將 為 生 物 相 互 感 染 機 會 降 至 最 低, 因 此 大 多 採 用 液 態 氮 保 存 臍 帶 血 參 結 論 總 括 上 述 有 關 於 細 胞 抗 凍 機 制 及 冷 凍 技 術, 其 不 論 是 對 於 生 物 於 低 溫 環 境 的 生 存 及 人 類 生 命 科 技 相 關 保 存 技 術 的 發 展 來 說, 都 是 很 大 的 學 問 所 以 在 資 料 的 蒐 集 整 理 及 閱 讀 相 關 科 ( 生 ) 技 資 訊 的 過 程 中, 我 們 發 現 人 類 對 於 生 命 的 保 存 及 延 續 與 生 物 對 環 境 的 克 服, 都 有 其 應 對 的 方 法 這 不 是 科 技 一 日 所 能 到 達 的, 而 是 人 類 不 斷 經 由 試 驗 與 觀 察 才 有 今 日 之 生 物 科 技 創 新, 在 了 解 動 植 物 細 胞 是 如 何 抵 抗 低 溫 後, 人 類 也 更 進 ㄧ 步 的 發 展 利 用 低 溫 冷 凍 的 相 關 技 術, 如 : 精 卵 冷 凍 保 存 及 臍 帶 血 保 存 等, 低 溫 冷 凍 科 技 在 未 來 的 發 展 姓 是 不 可 限 量 的, 也 是 不 可 或 缺 的 或 許 有 一 天 可 利 用 此 法, 將 人 類 保 存, 並 延 續 生 命 肆 引 註 資 料 1. 司 有 和 (2009) 科 技 改 變 世 界 叢 書. 低 溫 世 界 漫 游 重 慶 市 : 重 慶 大 學 出 版 社 2. 紅 血 球 不 分 離 法 資 料 來 源 :Blood 2011;117 (8):2332-2339 3. 紅 血 球 分 離 法 資 料 來 源 :http://parentsguidecord blood.org/faqs.php 4. 恆 溫 動 物 嚴 冬 生 存 : 中 國 科 普 覽 網 站 5. 植 物 抗 凍 機 制 : 光 復 科 學 圖 鑑 書 21-144 越 冬 6. 卵 子 冷 凍 保 存 :http://ntuh.mc.ntu.edu.tw/health/665.htm 7. 精 子 冷 凍 保 存 :http://jk.xihele.com/myjk/print.asp?articleid=37681 8. 韓 曉 (2009) 黑 龍 江 大 學 學 術 文 庫. 低 溫 生 物 膜 及 其 微 生 物 特 性 的 研 究 黑 龍 江 省 : 黑 龍 江 大 學 出 版 社 9. 高 景 輝 (2005) 植 物 生 理 分 析 技 術 台 北 市 : 五 南 10. 變 溫 動 物 : 科 學 月 刊 第 二 十 三 卷 第 八 期 8