低温生物学

生物学分支

研究低温（包括深低温）对生物的影响及其应用的生物学分支学科。通常所谓低温是指0℃左右，深低温一般指 -80℃以下。低温生物学过去主要研究植物的冻害以及细菌和昆虫对低温的耐性等。20世纪以来，开始了对生物和作为食品的生物材料的低温处理研究，工作逐渐进入了细胞和分子的水平，研究成果被广泛应用于生物制品，家畜精子以及人的某些器官，特别是血细胞的低温保存。

冰冻与生物

生物体的新陈代谢是随着温度的降低而减缓的。如果低温在0℃以上，这个减缓过程一般是可逆的，即温度回升以后，新陈代谢的速度也随之恢复。但如温度降至冰点以下时，生物体常因结冰而发生不可恢复的损伤。因为所有的生物体体液都含有大量的水（一般在80%左右），细胞器也都悬浮于水溶液中，新陈代谢过程都是在水溶液或膜和水溶液的界面上进行的，所以在结冰的过程中，一方面由于水的晶体──冰晶硬度较大，对于生物体内的精细结构会造成机械损伤；另一方面由于水结冰，使细胞内失去了大量可利用的水，造成脱水现象，从而使精细结构发生破坏。

低温的防护

低温使新陈代谢速度减缓，因而人们很早就试图利用这一特点，以求长期保存活的生物体。60年代以来，在这方面取得了很大的成就。主要的方法是：①用添加剂和速冻，以防止冰晶的形成，即使形成，也是微小的冰晶，不致引起机械损伤。常用的添加剂是甘油和某些多元醇类化合物如甘露醇等，其作用是使水不易结冰。速冻是将生物体在很短时间内，立即降至液态氮的温度（约为-195℃），使水迅速凝固，以避免形成冰晶。只用添加剂不能完全防止结冰；单靠速冻虽能避免在降温时形成较大的冰晶，却不能避免在温度回升时形成较大冰晶。只有两者适当结合，才能避免低温对生物体的损伤；②冷冻干燥，即在凝固状态下，依靠真空干燥使水分升华，以防止因速冷而凝固的液体在温度回升时又形成冰晶。生物样品经冷冻干燥后在常温下即可储存，是一种较为理想的保存方法。但这种方法在温度过低时，升华过慢，温度偏高时又很难避免冰晶的形成，而且完全脱水也会给复杂的生物体带来某些不可恢复的损伤。因此只用于保存生物制品（如某些药物、血清制剂）、乳品、食品，以及菌种和病毒(见菌种保藏)等。同普通的干燥方法相比，冷冻干燥法的优点是能较好保存生物制品的活性，冷冻干燥的药品、血清制剂等易于溶解，食物的外形以及色、香、味等也能较好地保存。若在-80℃左右的深低温保藏，虽然没有冷冻干燥方便，但对生物体的损伤较小，可用于保藏微生物菌种、贮存高等动物的精子、卵子、全血和某些器官，甚至早期发育阶段的哺乳动物胚胎。

低温生物化学

研究在低温条件下生命活动的生物化学规律的新兴学科，是低温生物学的重要基础。例如，在某些冬眠状态的昆虫体液中，甘油含量可高达25%，以致在-35℃的状况下也不会冰冻。另一方面，利用低温下变化减慢，来研究在常温下变化较快的一些生物化学反应。如在酶的催化、蛋白质和核酸在溶液中的空间构象变化中。某些中间变化常温下在千分之一秒的时间内即可完成，用一般方法难以探讨，而在含有添加剂使温度降至-40℃左右的溶液中，反应速度大为减慢就可用常规方法进行研究。

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