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“兩棲爬行動物保護協(xié)會”擬面向全國致力于兩棲爬行動物科普知識宣傳與保護的志愿者協(xié)會。目前已受到中科院成都生物所兩棲爬行動物研究中心等相關(guān)部門的強力支持。協(xié)會立足于中國兩棲爬行動物研究中心——中科院成都生物所兩棲爬行動物研究中心。協(xié)會計劃每年開展系列科普宣講活動，能與各個大學(xué)、研究所、自然保護區(qū)、動物園、政府部門、社會團體等機構(gòu)展開合作。
生活在北極圈內(nèi)的林蛙
從水到陸
2014年08月18日作者：PSG
每當(dāng)提到生活在極地的動物時，也許每一個人腦海中都會立刻聯(lián)想起那些渾身被厚厚的皮毛所覆蓋的動物，比如北極熊、北極狐、企鵝和雪兔等等。然而，當(dāng)告訴你蛙類也能夠在極地生活時，你不免會感到詫異，像這種全身皮膚裸露且體溫隨著外界變化的小動物是怎么能夠適應(yīng)嚴寒的極地生活的，這嚴重與我們所理解的常理不符。但是，現(xiàn)實就是這樣。我們今天的主角——美洲林蛙（Rana sylvatica）就是一種可以在北極圈內(nèi)生活的蛙類。嚴格地說，美洲林蛙廣泛地分布在北美大陸上，從亞熱帶的美國佐治亞州到嚴寒的阿拉斯加，都可以見到它們的倩影。生活在極地的美洲林蛙只是它們中的一小部分，然而就是這一小部分林蛙上演了屬于兩棲動物的抗寒奇跡。
事實上，動物界一直是奇跡發(fā)生之地，很多深海魚類、昆蟲、甚至蜥蜴都具有“令人發(fā)指”的抗寒能力。然而基于兩棲動物的生理特征，美洲林蛙的抗寒能力更令人驚異，并驅(qū)使科學(xué)家們?nèi)ヌ剿魉鼈兊膴W秘。極地林蛙的抗寒主要表現(xiàn)在三個方面：首先，在極度嚴寒的時候，林蛙體內(nèi)三分之二的體液處于冰凍狀態(tài)，它們?nèi)匀荒芑钕聛恚黄浯?，更難以置信的是，在冬眠的時候，林蛙的呼吸和心臟甚至處于停止的狀態(tài)，這種狀態(tài)意味著它們體內(nèi)的代謝同樣被停滯，而這種停滯甚至能夠持續(xù)數(shù)天至數(shù)周；最后，在北極圈漫長的冬季中，林蛙要面臨這樣多次的停滯/活躍的轉(zhuǎn)變。
同質(zhì)園實驗（common garden experiment）是進化生理學(xué)家常用的一種實驗方法，目的是把不同個體放到同樣個環(huán)境中，以排除環(huán)境因素對實驗的影響。科學(xué)家們把分別來自阿拉斯加和俄亥俄的美洲林蛙放到一起進行關(guān)于耐寒的同質(zhì)園實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎所有個體都有抗寒的能力，但阿拉斯加林蛙的耐寒能力顯然更強。俄亥俄林蛙能夠忍受零下4攝氏度的低溫，而阿拉斯加林蛙則能夠忍受最低零下16攝氏度的低溫。這個結(jié)果暗示，美洲林蛙自身的個體可塑性（self-plasticity）和進化適應(yīng)（adaptation）都對它們的抗寒力有所貢獻。
進一步對美洲林蛙進行生理檢測，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)極地林蛙體內(nèi)的一些物質(zhì)的積累，可能有助于抗寒，這其中包括了血糖、尿素和一種未知的溶質(zhì)。對大多數(shù)動物來說，長期處于零下嚴寒的溫度下，由于組織液結(jié)冰的緣故，會使得細胞逐漸收縮脫水，最終導(dǎo)致細胞死亡。而對于極地林蛙，由于血糖和尿素等溶質(zhì)濃度的升高，會降低體內(nèi)組織液的凝固點，限制了體內(nèi)組織液結(jié)冰的數(shù)量，最終達到保護的目的。此外，一種未知溶質(zhì)被發(fā)現(xiàn)在極地林蛙中含量增加，這種物質(zhì)可能也與抗寒能力相關(guān)，盡管它的性質(zhì)還沒有被鑒定，但已經(jīng)被作為了將來的研究方向。
這就是能夠在北極圈內(nèi)的嚴寒中生活的美洲林蛙，對它們的研究除了能夠為科學(xué)殿堂的積累添磚加瓦而外，也可能會為人類社會的進步做貢獻。普遍的一個看法是，這種抗寒的機制能夠用于將來人類移植器官的保存當(dāng)中。那么，你的看法是什么呢？
圖1. 林蛙的分布范圍.？棕色部分為林蛙的分布區(qū)；黑色箭頭所指方向為同質(zhì)園實驗的個體生活的區(qū)域
圖2. 血糖和尿素的含量在冰凍實驗過程中的變動（以肌肉中為例）
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圖片均來自Costanzo et al. (2013) (參考資料1)
參考資料：
1. Costanzo et al. 2013. Hibernation physiology, freezing adaptation and extreme freeze tolerance in a northern population of th wood frog. The Journal of Experimental biology 216, 3461-3473.
2. Wood frog: http://en.wikipedia.org/wiki/Wood_frog#Geographic_range