Warum haben antarktische Fische keine Angst vor Kälte? | Wissenschaftsmuseum

Die Antarktis ist der kälteste Ort der Erde und der Südliche Ozean, der die Antarktis umgibt, ist das kälteste Gewässer der Erde. Seit dem Oligozän vor 32 Millionen Jahren behindert der antarktische Zirkumpolarstrom den Wärmeaustausch zwischen den antarktischen Gewässern und anderen Meeren, wodurch die Wassertemperatur des Südpolarmeers allmählich sinkt. Die Meerwassertemperatur rund um den antarktischen Kontinentalschelf bleibt das ganze Jahr über unter 0 °C und ist mit Eis und Schnee bedeckt.

Die extrem niedrigen Temperaturen führten dazu, dass der Ozean in diesem Gebiet „über Tausende von Kilometern zugefroren“ war. Dies ist eine eisige „kleine Welt“. Die hier lebenden Tiere haben oft ein dickes Fell und Fett. Pinguine haben beispielsweise eine dicke Unterhautfettschicht, die wie ein „dickes Fell“ aussieht. Dieses Fett gibt den Pinguinen die Energie, der Kälte zu trotzen.

Doch nicht alle Lebewesen der Antarktis haben das „dicke Fell“ der Pinguine, wie etwa die in der Antarktis lebenden Fische.

Nach Beobachtungen der Forscher haben in der Antarktis lebende Fische zwar keinen so „dicken“ Fettpanzer wie Pinguine, dennoch lassen sie sich nicht einfrieren. Wie also trotzen sie der Kälte ohne „dicke Mäntel“?

Warum erfrieren Fische in der Antarktis nicht?

Im Allgemeinen ändert sich die Körpertemperatur des Fisches als kaltblütiges Tier mit der Wassertemperatur und gleicht sich der Wassertemperatur an, um sich an die Umgebung anzupassen. Forschungsergebnisse der Fischphysiologie zeigen, dass der Gefrierpunkt von Fischblut im Allgemeinen bei etwa -1°C liegt. Mit anderen Worten: Wenn die Temperatur unter -1 °C fällt, gefriert der Fisch zu „Eis am Stiel“. Die Temperatur des antarktischen Meerwassers liegt das ganze Jahr über unter dem Gefrierpunkt und gewöhnliche Fische können hier nicht überleben.

Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass die Fische in der Antarktis nicht nur nicht zu Eis gefroren sind, sondern auch herumschwimmen und sich vermehren, als wäre nichts geschehen. Warum haben die Fische hier dann keine Angst vor der Kälte?

Nehmen wir als Beispiel den antarktischen Kabeljau, den kälteresistentesten Fisch der Welt. Der antarktische Kabeljau ist dicker und fetter und seine Haut hat eine natürliche silbergraue Farbe mit schwarzen und braunen Flecken. Er lebt hauptsächlich in den relativ kalten Gewässern nahe der Antarktis und kann sogar in der Nähe des Ross-Schelfeises auf 82° südlicher Breite gefunden werden.

Durch Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass in der Antarktis lebende Fische im Vergleich zu Fischen in anderen Regionen eine besondere Komponente in ihrem Blut aufweisen: die Glykosylierung. Eine spezielle Chemikalie, deren Hauptbestandteil Glykosylierung ist, kann diesen Fischen helfen, mit der Kälte fertig zu werden. Wissenschaftler nennen dieses Ding Frostschutzproteine. Dieses Frostschutzprotein ist ein hochmolekulares Protein, das mit Eis oder Wasser interagieren und die Temperatur senken kann, bei der Wasser gefriert. Darüber hinaus kann es sich automatisch an Veränderungen der Meerestemperatur anpassen. Im Sommer wird die Produktion von Frostschutzproteinen eingestellt, die ihre Wirkung jedoch bis zum Winter fortsetzen.

Frostschutzproteine ​​haben zwei Hauptfunktionen:

Die erste ist die thermische Hystereseaktivität (THA). Frostschutzproteine ​​senken den Gefrierpunkt wässriger Lösungen auf nichtkolligative Weise, während sie wenig Einfluss auf deren Schmelzpunkt (MP) haben, was zu einem Unterschied zwischen dem Schmelzpunkt (MP) und dem Gefrierpunkt (FP) wässriger Lösungen führt. Das heißt, es kann das innere Milieu von Eisfischen verändern, den Gefrierpunkt des Blutes senken und die Bildung von Eiskristallen verhindern.

Die zweite ist die Hemmung der Eisrekristallisation (IRI). Die Eisrekristallisation (IR) beschreibt einen thermodynamisch günstigen Prozess, bei dem größere Eiskristalle auf Kosten kleinerer Eiskristalle gebildet werden. Größere Eiskristalle können für kryokonservierte Zellen und Organismen, die in polaren oder kalten Regionen leben, tödlich sein. Frostschutzproteine ​​können in sehr geringen Konzentrationen die Rekristallisation von Eis hemmen. Das heißt, wenn sich Eiskristalle bilden, bleiben Frostschutzproteine ​​direkt an den offenen Seiten der Eiskristalle haften. Dabei handelt es sich um einen direkten Eingriff, der die Veränderungen der Eiskristalle physikalisch stört und es ihnen unmöglich macht, sich auszudehnen, zu schmelzen oder wieder leicht zu gefrieren. Dadurch wird eine sichere Innenumgebung gewährleistet und die Anzahl der Eiskristalle bleibt klein und stabil.

Dieses Protein ermöglicht es antarktischen Fischen, in Gewässern unter dem Gefrierpunkt eisfrei zu bleiben. Dank dieses „Talents“ können antarktische Fische ungehindert in den eisigen Gewässern schwimmen.

Wofür können bestimmte Proteine ​​eingesetzt werden?

Mit der Weiterentwicklung verschiedener wissenschaftlicher Technologien wurden in den letzten zehn Jahren die genetischen Grundlagen der physiologischen Anpassung von Polarfischen an niedrige Temperaturen aufgedeckt. Aufgrund ihrer thermischen Hystereseaktivität und ihrer die Rekristallisation von Eis hemmenden Wirkung sind Frostschutzproteine ​​für die Kryokonservierung wichtig. Sie können zur Lagerung verschiedener Arten von Zellen, Geweben und Organen, frischen und kalten Lebensmitteln usw. bei extrem niedrigen Temperaturen verwendet werden. Sie haben sich zu einer Schlüsseltechnologie in den Bereichen Biowissenschaften, Medizin und Gesundheit, Ernährung und Landwirtschaft entwickelt.

Im Bereich der Reproduktionsmedizin ist die Kryokonservierung eine der Schlüsseltechnologien, die Probleme wie Unfruchtbarkeit und verzögerte Geburten lösen kann. Frostschutzprotein kann zur Kryokonservierung von Geweben und Organen wie Spermien, Eizellen und Embryonen verwendet werden. Im Bereich der Chirurgie ist die Kryochirurgie derzeit eine Schlüsseltechnologie in der Tumorbehandlung. Studien haben ergeben, dass die Injektion einer kleinen Menge Frostschutzprotein in das zu entfernende Gewebe vor der Operation die Erfolgsrate der Operation verbessern und das Problem von Gefrierschäden am Zielgewebe nach der Kryochirurgie verringern kann. Im Lebensmittelbereich kann Frostschutzprotein als Lebensmittelzusatzstoff verwendet werden, um das Wachstum von Eiskristallen zu hemmen und die Qualität von Tiefkühlkost zu verbessern. Im landwirtschaftlichen Bereich verbessert die gentechnisch veränderte Frostschutzprotein-Technologie die Kälteresistenz von Tieren und Pflanzen und verbessert effektiv die Kälteresistenz von Nutzwasserfischen.

Obwohl Frostschutzprotein aus antarktischen Fischen gute Anwendungsaussichten in den Bereichen Medizin, Lebensmittel, Landwirtschaft usw. bietet, gibt es immer noch einige Einschränkungen und Mängel hinsichtlich der Produktionskosten und der Industrialisierung, und die Produktion ist auf Forschung und spezielle Anwendungen beschränkt. Daher ist die Frage, wie hochaktive Frostschutzproteine ​​kostengünstig hergestellt werden können, der technische Schlüssel zur Entwicklung künftiger Anwendungen.

Kreativteam: New Media Team des China Science and Technology Museum

Rezensionsexperte: Li Weiyang, ein bekannter populärwissenschaftlicher Autor