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生物冷凍的奇跡：為什麼有些生物可以在零下196°C生存？
在科學界，冷凍技術一直是探索生命延續的一個重要方向。生物冷凍，或稱冷凍保存，旨在將細胞、組織或器官冷凍以延長其保存期限。這項技術使得在低溫（通常為-80°C或使用液氮的-196°C）下，任何可能損害生物材料的細胞代謝都會被有效中止。
這一技術不僅在保存生物樣本方面發揮了重要作用，還能在長距離運輸生物樣本中發揮巨大效用。對於細胞在冷凍過程中所承受的滲透壓衝擊和物理壓力，研究人員往往會添加一些特殊的分子，稱為冷凍保護劑（CPA），以降低這些風險。這些冷凍保護劑的靈感主要來自大自然中那些能抵禦寒冷的生物，如樹木、木蛙以及水熊。
“水熊等微生物透過用糖分替換大部分內部水份來抵禦冷凍，這防止了結晶化的發生，而結晶化可能會對細胞膜造成損害。”
自然冷凍保存的例子
在自然界中，許多生物具有驚人的抗凍能力。以木蛙為例，它們能夠在血液和其他組織中積累尿素，為過冬做準備。在面對內部冰晶的形成時，肝臟中的糖原也會大量轉化為葡萄糖。這些物質皆能作為冷凍保護劑，限制冰的形成並減少細胞的滲透收縮。研究顯示，蛙類能夠在冬季經歷多次凍結和融化事件，前提是其全身水分有65%不凍結。
冷凍保存的歷史
關於冷凍保存的早期理論，詹姆斯·洛夫洛克在1953年提出，紅血球在冷凍過程中受到的損害主要是由於滲透壓的壓力。他進行了一系列實驗，證實了在緩慢冷卻的情況下，某些動物（如倉鼠）能夠承受60%的水分結冰。
隨著冷凍技術的進步，1954年，人體材料的冷凍保存開始進入應用階段，隨後，1966年，首具人類遺體被冷凍保存。在1967年詹姆斯·貝德福德的遺體更是成為了歷史上第一具被冷凍保存，並寄望於未來復活的屍體。
冷凍保存過程中的風險
在冷凍保存過程中，細胞可能遇到多種損害風險，包括溶液效應、細胞外冰晶形成、脫水和細胞內冰晶形成。這些影響雖然可以通過冷凍保護劑來減少，但是在冷凍後，保存的材料相對於進一步損害的保護效果就會增強。
“當細胞被冷凍時，如果冷卻速度足夠慢，能夠讓水充分離開細胞，從而避免致命的內部冰晶形成。”
冷凍保存風險的主要防範方法
防止冷凍損害的主要技術包括控制冷卻速度和緩慢冷凍，以及一種稱為玻璃化的新型技術。緩慢可編程冷凍技術已經被廣泛應用在包括人類、動物以及細胞生物學等領域。
玻璃化過程能夠迅速冷卻樣本，防止冰晶形成，從而減少冷凍過程中可能的損害。該技術自1980年代中期起便被引入，用於生殖冷凍保存，並且迄今為止已經成功應用於各項臨床實踐中。
冷凍保存對於生物科技的意義
隨著科技的發展，冷凍保存的應用不僅限於生物樣本的保存，還將延伸至基因治療、幹細胞研究等領域。冷凍保存技術為未來的生物學研究和臨床應用打開了廣闊的前景。
對於許多面對生存威脅的人們或生物而言，這種技術的進步意味著能夠在未來找到新的生命可能性，這難道不值得我們深思嗎？
