对低温的抵抗力和适应能力
在暂时寒冷的环境中,大多数生物表现出对零下温度的抵抗力和适应性,它们在休眠状态下生存,直到有利于活动和生长的条件恢复。植物一般不能在低温下生长,大多数陆地动物和其他生物进入休眠或冷麻木状态,变得不活跃。在很低的温度下,新陈代谢可能会足够慢,使生物体成为隐生生物。然而,一些防冻昆虫可以在很低的温度下保持活跃。在欧洲阿尔卑斯山脉,即使在冬天最冷的时候,也经常能看到大量聚集的弹尾在雪表面移动(“雪蚤”)。这些动物的酶和生理系统必须能够在这些低温下发挥作用,因此它们表现出适应能力,就像可以在低温下生长的嗜冷微生物一样。
生活在永久寒冷环境中的生物必须在低温下保持活性和生长。北极和南极周围的海洋温度一直在零度以下。生活在那里的鱼类、无脊椎动物和其他生物必须有适应环境的能力。
很酷的应用程序
对生物体对寒冷反应的研究已经产生或有可能产生广泛的实际应用。其中包括通过影响或预测害虫越冬存活来控制害虫,以及改进低温保存生物体和生物材料的方法。来自嗜冷微生物和极地鱼类的冷适应酶可能在食品工业、生物技术、洗涤剂以及在废水处理方面。适应寒冷的微生物本身被用于啤酒和葡萄酒的冷发酵和发酵成熟奶酪和其他食物。
具有冰成核活性的微生物已被实验应用于需要在零度以下的高温下进行冷冻的食品加工(如酱油、咖啡、未加热的果酱和其他食品的冷冻浓度)。除了提高冷冻浓缩或冷冻干燥加工的食品质量外,它们还可以改善冷冻食品的质地,可能是通过影响冰晶的大小和形状来实现的。冰活性细菌(丁香假单胞菌)在商业上被广泛用于滑雪场的人工造雪(在亚热带的格鲁吉亚南部甚至有一家公司,
美国,它将为当地人提供一个否则不太可能的“白色圣诞节”)。这种细菌以“SNOMAX©”的商品名出售,被添加到造雪机使用的水中。这通过提高临界温度来帮助造雪雪的形成高达20°C。类似的产品(SNOMAX天气管理器©)用于播种云以促进降雨或降雪。通过将害虫暴露于能降低其过冷能力的冰核微生物中,有可能控制防冻害虫。另一方面,也有可能通过控制植物相关的冰核微生物种群来防止霜害。
适应寒冷的生物产生各种各样的冰活性蛋白,它们影响冰的形成和稳定性。其中包括在零度以下高温下产生冰形成的冰核蛋白和抑制冰核形成的抗冻蛋白。抗冻蛋白产生热滞(存在冰晶时熔点和冰点之间的差异),但它们也具有抑制再结晶的特性。然而,越来越清楚的是,一些生物(植物、软体动物和线虫)产生的蛋白质可以抑制再结晶,但很少或没有热滞,因此不能被称为抗冻蛋白。这些可能代表了第三类冰活性蛋白,其功能是控制冰的大小、形状、位置或稳定性,而不是形成冰的温度。了解生物如何控制冰的性质、形成和稳定性可以在广泛的情况下找到用途。
为了制作美味美味的奶油冰淇淋,冷冻过程中必须产生数百万个小冰晶,而不是产生少量的大晶体,使冰淇淋具有坚韧的质地。冰活性蛋白可能有助于控制冰淇淋和其他冷冻产品中形成的晶体的大小和性质。它们还可用于抑制可能导致产品质量恶化的冰再结晶。冷冻食品中形成的冰晶的性质也决定了其在解冻和/或烹饪后食用时的质量。冷冻前在肉中加入鱼防冻蛋白会形成更小的冰晶。许多研究都在研究添加鱼类抗冻蛋白是否能改善精子、卵母细胞、肝脏组织和各种其他细胞和组织的冷冻保存。这些研究取得了喜忧参半的成功,但已经成立了公司来开发和利用这些蛋白质的商业潜力。迄今为止,通过基因工程诱导植物表达鱼类抗冻蛋白来提高植物抗冻性的尝试都没有成功。认识到一些植物本身产生冰活性蛋白可能有助于提高植物抗冻性的技术的发展。冰浆,冰和水的混合物,用于冷藏和冷藏热运输.再结晶过程中形成的大冰晶可能堵塞泥浆流经的管道。抗冻蛋白能够防止这种情况。
我们对某些生物如何在冰冻条件下生存的理解正在增加,尽管冷冻人体的能力仍有一段路要走,但很明显,我们从这些生物身上学到的经验将会有一些很酷的应用。
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