46000年前被冷凍的線蟲都復活了，人類“永生”還有多遠？_風聞

前段時間，俄羅斯科學家在一個小東西身上搞出了個“大新聞”——他們復活了一批在西伯利亞凍土層中休眠了46000年的線蟲！

這個新聞讓我想到了一種在科幻電影中常被用於幫助主角跨越漫長歲月，但在現實裏依舊困難重重的技術——冷凍休眠。​

當科幻照進現實，很多人不禁會問：線蟲已經成了，人類還會遠嗎？

要回答這個問題，還是得先理解這些科學家到底幹了什麼。

七月底（27日），生物-遺傳學領域的學術期刊《PLoS Genetics》上發表了一篇名為《來自西伯利亞永凍土中的一種新型線蟲與秀麗隱杆線蟲的Dauer幼蟲具有相似的隱生適應機制》的論文。

這種新線蟲被命名為Panagrolaimus kolymaensis（P型線蟲），是研究人員在北極東北部沿海地區的晚更新世永凍土中（地表以下約40 米）採集的。

通過放射性碳-14測年法，科學家發現這類P型線蟲自更新世晚期（約46000年前）以來，一直處於隱生狀態。

01

線蟲隱生復活

所謂隱生，指的是當環境不利於生存時，例如缺水、缺氧、高温、冰凍或極端鹽度，生物體會暫停代謝，進入“假死”。

科學家曾在一塊琥珀裏的蜜蜂腹部發現了顆保存了4000萬年的芽孢桿菌孢子，以及在一個遠古湖泊中發現的具有1000到1500年曆史的蓮花種子（後來發芽了）。

而在地球上最乾燥的沙漠之一，智利的阿塔卡馬沙漠中，研究人員採集了一種脱水乾燥了近40年的線蟲，併成功將其復活！

以上這些都是生物體隱生的典型案例。

從極端乾旱到極端寒冷，研究人員這次從永凍土（常年凍結的沉積物）內採集到的P型線蟲，不僅更古老，而且在把它們解凍約10天后，觀察到它們成功開始了無性繁殖。

“重生”能力屬實過於強悍了！

為了搞清楚這類線蟲是如何“穿越時間”的，科學家對它和它的近親秀麗隱杆線蟲（C.elegans）進行了實驗研究。

研究的過程，便是讓它們重現隱生時的狀態——脱水和冷凍。

目前已經知道的是，在秀麗隱杆線蟲的發育過程中，當遇到不利條件（例如低營養和高密度）時會進入一種低代謝的狀態。此時它們的耗氧量和散熱量急劇減少，被稱為Dauer幼蟲階段。

研究人員將Dauer幼蟲在98%的相對濕度（RH）下預處理了4天。由於這些被處理的線蟲一直在培養液中生長繁殖，所以對它們來説，即便是98%的高濕度的環境，也屬於輕度的乾燥。

在此過程中，幼蟲通過激活乙醛酸循環和糖異生過程來消耗脂肪儲備（三酰甘酯TG），並加速合成了海藻糖。

海藻糖（分子式為C₁₂H₂₂O₁₁）具有提高細胞膜對乾燥環境的耐受性（保濕）的作用。

之後，為了調查Dauer幼蟲是否也可以在隱生狀態下長期存活，研究人員對它們做了進一步乾燥。

不過，這些乾燥的幼蟲在室温下的生存能力下降得非常快，大多數幼蟲在近10天后死亡。但當把它們轉移到零下80℃的環境裏後，即便過了480天，它們的活力也沒有明顯下降，並在解凍後恢復了生長併成功繁殖出了後代。

這表明脱水和冷凍相結合可以延長Dauer幼蟲的存活能力。

與秀麗隱杆線蟲不同的是，P型線蟲沒有Dauer階段。因此，研究人員對它們的幼蟲和成蟲都進行了實驗。

在同樣的預處理後，發現P型線蟲體內的三酰甘酯水平也出現了明顯降低，並生成了更多的海藻糖。

在之後的深度乾燥和冷凍過程中，研究人員發現，一些P型線蟲具有快速乾燥及耐凍的適應性機制，它們會喪失體內大部分細胞的水分，有水分的區域也不會因冷凍而產生致命的冰晶。

從左到右，冰晶越來越難以形成

這才是最有意思的地方——它們體內的某些組織具有抑制冰晶生長的能力，而後者，才是阻礙體型更大的動物，甚至是人類實現冷凍休眠的最大障礙。

02

生物冷凍技術

早在上世紀五、六十年代，科學家就進行了生物冷凍保存技術的研究。例如觀察冷凍對齧齒動物大腦及其他器官的影響。

當然結果顯而易見，損傷總是會發生。

生物組織在被冷凍的過程中，主要會發生三個層次的變化，一是細胞內部結冰。

二是如果冷凍速度不夠快，水會從細胞內滲出，在細胞外形成外冰。

最後則是水的遷移所導致的脱水及滲透壓的變化。

細胞周圍一旦有了冰，那便是致命的威脅。因為從微觀角度看，冷凍將水分從緊密堆積的無定形流體轉變為剛性的晶體，這些滿是稜角的冰晶就會像刀子一樣撕裂細胞，或是對對細胞膜造成機械損傷。

同時，細胞液中的各種鹽分也會在凍結的組織中濃縮至有毒的濃度。

避免結冰，也就成了冷凍保“活”技術的首要目標。

上世紀六十年代期間，美國的研究人員發現，如果冷凍的速度足夠慢，慢到使充足的水分離開細胞，就可以避免細胞內部結冰。而這也促成了**慢速控制冷凍技術（SPF）**的出現。

右上圖是緩慢冷凍細胞，有外冰，無內冰；右下圖是快速冷凍產生內冰

SPF是一種將細胞在幾個小時內冷卻至零下196℃（液氮沸點）的技術。除了緩慢冷凍這個要點，該技術還需要加入防止細胞在冷凍過程中受損的冷凍保護劑。

常用的冷凍保護劑多是一些小分子物質，可以透過細胞膜滲透到細胞內。包括二甲基亞碸、甘油、乙二醇、丙二醇和甲醇等。

加入冷凍保護劑可最大限度地避免內外冰的形成

這類保護劑能夠在細胞液凝固之前，穿過細胞膜滲透到細胞內，降低細胞內外未結冰溶液中的電解質的濃度，從而保護細胞免受高濃度電解質的損傷。

同時，細胞內水分也不會過分外滲，避免了細胞過分脱水皺縮。

此外，將以上小分子保護劑與藻酸鹽、聚乙烯醇或葡聚糖等生物大分子保護劑（不會滲透進細胞內）結合，可阻止細胞外的冰晶生長。

後者的作用機制是大分子物質可以優先同溶液中的水分子氫鍵結合，從而降低溶液中自由水的含量，減少冰晶的形成。

有了冷凍保護劑的協助，便可利用SPF來冷動細胞或組織。不過，需要注意的是，對於不同大小和透水性的細胞，理想的冷卻速率也不同。

例如，用甘油等冷凍保護劑處理後的哺乳動物細胞，最合適的冷卻速率是約-1℃/分鐘。

SPF誕生於20世紀70年代初，並在80年代被用於人體胚胎冷凍。

1984年4月11日，人類第一個“冷凍嬰兒”誕生於澳大利亞，是一名叫Zoe的女孩。

從那時起，利用該技術來冷凍卵母細胞、胚胎、精子、幹細胞等人類或動物組織就成為了研究機構或醫院的常用操作。

然而，刻在SPF骨子裏的“慢”算不得是個優點。因此，在上世紀80年代中期，美國的研究人員在卵細胞的冷凍保存研究中又開創了一種新的方法——玻璃化冷凍。

相比於SPF，玻璃化冷凍最顯著的特點是“快”：將常温細胞在幾分鐘內冷凍到零下196℃。

其原理在於通過快速冷凍，使組織內的液體來不及形成結晶，水分子凝聚為團塊，形成一種堅硬、圓潤、玻璃狀的固體。由於沒有“稜角”，也就不會產生對細胞產生傷害。

這種相變過程類似於糖水凝為糖漿，而不是結成冰糖。

為了實現玻璃化冷凍，通常需要添加冷凍保護劑來使液體的粘度增加和冰點降低。也正因如此的需求，相比於SPF，該技術需要更高濃度的保護劑。

當置於高濃度保護劑中的細胞的細胞液與保護劑達到動態平衡後，細胞體積會因脱水而縮減30-50%。之後，將其置入液氮中使其瞬間玻璃化。

無冰晶形成，便避免了細胞受損。

如今，玻璃化冷凍和SPF一道，被廣泛應用於醫療或科研領域。但遺憾的是，它們更適用於保存單個細胞、胚胎，或薄的組織樣品。

原因在於，一方面，小而薄的東西當然能被更快、更均勻地冷卻，大的器官或組織則會由於不同部位的冷卻速度不一致而增加冰晶產生的風險。

另一方面，越大的組織也就需要越多的冷凍保護劑，而後者並不是一種無害的東西。

以常見的冷凍保護劑二甲基亞碸（DMSO）為例，當用於細胞冷凍的DMSO濃度為10 %時，細胞生長抑制率近100 %；1%濃度時抑制率為35%，即使是0.04 %的濃度，DMSO對細胞的生長也有不利的影響。

因此，雖然冷凍的目的就是為了使細胞“假死”，但保護劑的副作用卻必須要被認真對待。

目前解決該問題的思路主要有以下幾種：組合使用不同的冷凍保護劑來減少單品藥劑的毒性作用；使用具有弱水相互作用的冷凍保護劑來減少對生物分子周圍的水化層的破壞；以及使用毒性會相互中和的冷凍保護劑等。

當然，相關研究目前還在進行中。

最後，從冷凍狀態恢復到正常温度也是個風險極大的過程。

對於小微組織來説，在室温或冰水中放置就能很快實現升温。但對於整個器官或大組織來説，卻很難完成得快速又均勻。

想象一下，將冰箱裏冷凍的一塊肉放到水裏解凍，可能它的外層在五分鐘後就化開了，但內部在半小時後還滿是冰碴。

以上問題的存在，也是為什麼冷凍卵子或精子已經算不上是個新聞，但與醫療救助更緊密的項目，例如冷凍保存人類肝臟或心臟以進行儲存和移植仍然任重而道遠。

03

冷凍器官復温

2002年，美國的研究人員首次對兔子的器官進行了冷凍移植實驗。他們先是將兔子腎臟進行玻璃化冷凍，升温後又將起植入了另一隻兔子體內。

這隻兔子在器官移植後又活了近7周，但屍檢結果顯示，儘管那顆移植的腎臟足以維持生命，但其大部分功能已經受損。

後來的分析表明，這個腎臟的損傷主要發生在升温過程。

2023年6月，《自然通訊》雜誌上刊登了一篇名為《通過玻璃化冷凍及納米加熱在老鼠身上實現長期的腎臟保存和移植》的學術論文。作者是美國明尼蘇達大學的研究人員。

自2018 年以來，這些研究人員成功冷凍並復活了珊瑚、果蠅幼蟲，以及斑馬魚胚胎。而在這篇最新的成果中，他們首次成功移植了玻璃化冷凍100天后，又經過氧化鐵納米顆粒加熱復原的老鼠腎臟。

在這項實驗中，研究人員將一種名為VMP的冷凍保護劑通過動脈血管注入老鼠腎臟中，由於保護劑中摻入了氧化鐵納米顆粒（IONP），因此呈現黑色，並導致腎臟從深紅色轉成了烏色。

之後，他們將該腎臟放入了零下150℃的冰箱中長達一百天。

一百天後，研究人員將硬邦邦的腎臟放置在射頻線圈中進行加熱，這種加熱方法的原理是通過射頻電流產生快速變化的磁場（每秒翻轉南北極36萬次），來在IONP中產生渦流，從而起到加熱作用。

這種由內到外的高效加熱方式，在90秒內完全解凍了腎臟。

之後，研究人員往腎臟中灌入了沖洗液，來將保護劑和IONP衝洗出去。

沖洗乾淨的腎臟被接入小鼠體內並恢復血液流通後，很快就恢復了原本的深紅色。從外表以及組織切片看來（下圖最右），與新鮮的對照器官十分接近。

（從左到右分別是新鮮腎臟、冷凍60小時後移植的腎臟（失敗）、新鮮移植的腎臟、納米加熱後移植的腎臟）

45分鐘後，研究人員從輸尿管中看到了象徵實驗成功的金色尿液——腎臟開始工作啦！而且，在後續的跟蹤觀察中，沒有發現任何副作用，例如血栓的形成。接受腎臟移植的小白鼠也還在正常生活着。

這是人類首次實現對整個器官的長時間冷凍再加熱移植。雖然實驗對象只是小白鼠，但卻讓研究人員受到了極大的鼓勵。

不出意外的話，這條玻璃化冷凍整個器官再進行納米粒子加熱復温的技術路線應該是走通了。於是，研究人員迅速將目標轉向了豬腎臟，後者更接近人類腎臟的大小。

你是不是會以為事情會一帆風順地發展下去？事實上，艱難坎坷、道阻且長才是科研的常態。

該研究的負責人沒有談論新研究的細節，而是説了一句話：“沒有任何原因能讓我們解釋為什麼這種加熱方式在較大的器官中不起作用。”

果然，器官越大，問題越多，難度越大。總是會有一些不明就裏的原因阻礙着科研取得突破。

04

人體冷凍技術

生物冷凍技術早已不是新鮮出爐的黑科技。它也被早早地應用在了醫療、科研、商業領域。

從上世紀80年代世界首例“冷凍兒”誕生至今，已有50萬左右的 “冷凍寶寶”誕生。經過近40年的發展，冷凍胚胎已經成為了一項相當成熟的技術。

此外，根據國內外的後續隨訪，人們發現從解凍、復甦、移植後的冷凍胚胎中生出的孩子與自然妊娠分娩的孩子並無明顯差異，更未見任何劣勢。

但這還不能完全滿足人類的切身需求，以及“野心”。

無論是不復困難的細胞、胚胎冷凍，還是依然任重道遠的整體器官冷凍，最終都是為了那個依然虛無縹緲的目標積累經驗，那便是人體冷凍。

由於實行人體冷凍需要將全部血液抽出並注入冷凍保護劑，因此，從倫理角度考慮，以及在當前的學界研究和實際應用中，人體冷凍技術的處理對象還只是人類遺體。

那些決定去冷凍的人或他們的家人抱着一個希望，期待科技更為發達的若干年後，能將因病致死或自然衰亡的人重新解凍、復活。

第一具被冷凍保存的遺體出現在1967年12月。他是一名因腎癌引發的心臟驟停而死亡的美國人，名叫James Bedford，是加利福尼亞大學的美國心理學教授。

不過，由於初期的處理不及時，沒有準備好冷凍儲存罐，致使他的大腦由於温度升高而遭到破壞。

如今，Bedford的遺體依然保存在美國的Alcor生命延長基金會（Alcor Life Extension Foundation），但或許更多的是一種象徵意義吧。

截止到2022年，全球大概已有500具自然死亡的遺體被進行了冷凍處理，更有數千人報名預約了該項服務。而在這其中，就包括了十餘名中國人。

2015年，科幻小説《三體》的編審之一杜虹女士因胰腺癌晚期步入了生命的最後階段。或許是小説中的前沿技術與人物（雲天明）命運給她提供了些許啓示。

在臨終前，杜虹委託Alcor基金會冷凍保存自己的頭部，期待未來的重生。

2017年，一名因癌症去世的女子成為了中國首例在本土冷凍的志願者，她的遺體目前就在山東銀豐生命科學研究院中。

目前，全世界有4家機構能提供人體冷凍服務，它們分別是美國的Alcor、人體冷凍研究所（Cryonics Institute），俄羅斯的KrioRus，以及中國的山東銀豐生命科學研究院。

   

不過，且不論這些已逝或未逝的人的期盼——由死而生——多久能實現，因為這可能需要人類完全攻克癌症、心臟病等醫學難題，甚至做到逆轉衰老。

單是將完全冷凍的人體安全地解凍，都還是一個未能實現的技術！

可別忘了，人類從上世紀五十年代開始研究冷凍齧齒動物，直到約七十年後的今年才初步完成了對老鼠腎臟的冷凍移植。

在將冷凍再復温技術成功應用到豬身上之前，人就別想啦！這不是調侃，而是事實！

因此，在這條可預見的艱難又漫長的科研之路上，科學家不僅要投身於實驗室，還要多向自然界的生物中學習取經。

這也是為什麼我們開頭提到的冷凍4.6萬年後又復活的線蟲如此引得學界關注的原因。

4.6萬年啊！可是大大地刷新了動物經受最長冷凍時間的紀錄。

在這些線蟲剛進入休眠之時，地球上還是新生代第四冰河期。它們或許正與人類的祖先之一——尼安德特人為鄰，而後者當時正統治着歐洲和亞洲西部。

除了這些能力逆天的線蟲，自然界中還有其他動物具有冷凍後再復活的能力。

2015年，日本國家極地研究所的研究人員將在南極洲昭和站的苔蘚植物中發現的冷凍30多年的緩步動物——水熊蟲——成功復活，之後還產了仔！

實際上，被譽為地球最強生物的水熊蟲不僅能度過冷凍，還不怕水煮、風乾，甚至能在真空或放射性環境下存活！

如果説線蟲或水熊蟲過於微小，以至於對人體冷凍研究的借鑑意義有限的話，那接下來的這種動物則宏觀可見，那就是北美地區的一種林蛙。

為了度過當地的寒冬（能達到零下16℃以下），這種棕色的林蛙不能只靠像普通的青蛙那樣躲在水底或洞穴裏冬眠的方式，還得發揮出自身的黑科技——蛙體冷凍。

當準備過冬時，它們的身體會產生糖醇甘油並融入血液中，作為天然的冷凍保護劑。

同時，血液中的某種特殊蛋白質會充當冰晶核，其作用是引導冰在更結實的脈管系統中（由心血管系和淋巴系組成的一系列密閉的分佈於全身的管道系統），而不是在其他相對更脆弱的組織中生長。

此外，林蛙還會分解骨骼肌的蛋白質和脂肪體的脂肪，將其轉化為肝糖原，儲存在肝內，然後將肝糖原轉化為葡萄糖或形成尿素傳輸至身體各處。

葡萄糖和尿素的作用是提高組織內的體液濃度，降低冰點（同樣也是起到了冷凍保護劑的作用）。

當進入冰凍時節，只要林蛙身體被凍結的水分不超過65%，它就能安全地進入一種類似於線蟲隱生的幾乎停止代謝的狀態，其心臟跳動和呼吸也會停止。

冷凍休眠的林蛙能休眠10天左右，忍受比正常時期高100倍的血糖水平。

隨着天氣變暖，它們也能自然解凍並恢復活動。但一般來説，冷凍時間越長的青蛙，生命功能（血管循環、肺呼吸、翻正反射、跳躍反射）恢復也越晚。

從以上內容可以看出，林蛙可不僅是個做食物、藥材（雪蛤）的寶，更是科研人員的寶貴研究對象。

雖然它身上還有不少秘密有待理清，但已經有科學家通過模仿它們的身體機能來推進人體器官冷凍研究。

2019年，研究人員向人類肝臟中注入一種包含海藻糖及甘油的冷凍防護劑後，成功將肝臟在–4℃下保存了27小時。而這是用於醫療移植的肝臟，在不產生損傷的前提下，所能接受的最長冷凍時間（約12個小時）的兩倍多。

前段時間，研究人員又將這種存在於線蟲和林蛙的冷凍體中的物質與Snomax（一種用作造雪雪種的材料，其作用與林蛙血液中的蛋白質一樣，可以減緩冰的形成）混合，注入了大鼠肝臟的血管中。

在把肝臟放置在零下15℃的環境下冷凍5天再次解凍後發現，相比於以往的實驗，肝臟受到冷凍損害的程度明顯降低……

05

尾聲

在很多科幻電影中，例如《2001太空漫遊》（1968）、《異形》（1979）、《美國隊長》（2011）、《星際穿越》（2014）等，都能看到主角冷凍後很多年再被喚醒（復活）的情節。

人們當然期待這類故事能成為現實，但電影裏一句話或一個場景帶過的技術，在現實生活中卻需要幾十上百年的努力，而且還不確定何時能完成。

長時間的**冷凍保存（及升温復活）**是一項跨學科的技術，涉及醫學、生物學、化學和物理學等多個領域。

目前來看，無論將該技術應用於整個人體還是組織器官，依然困難重重。但一旦它取得突破，發展成熟，將必然會造福大眾！

畢竟，即便大多數人並不曾奢望永生，或跨越時間進入未來，但醫療用途，特別是器官移植的迫切需求，仍需該技術達到一個更高的水平。

從上世紀五十年代算起，冷凍保存技術已經發展了七十餘年。

但如果我們回頭再看的話，這與大自然賦予那些線蟲身上的能力相比，還是稚嫩了些！

可話又説回來，人類就是因為意識到自身的脆弱與侷限，才會熱衷於追求這些有可能讓我們突破侷限的技術。

目前，科學家還不清楚那些隱生了4.6萬年的線蟲體內具體發生了哪些分子和生化過程，更好奇它們最長可以“暫停”生命多長時間。

我們期待能探清自然的極限到底在哪裏，相關研究也會一直進行下去。

參考文獻：

[1]A novel nematode species from the Siberian permafrost shares adaptive mechanisms for cryptobiotic survival with C. elegans dauer larva, https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1010798#pgen.1010798.s004

[2]FROZEN IN TIME, https://www.science.org/content/article/how-to-deep-freeze-entire-organ-bring-it-back-to-life

[3]Anhydrobiosis and Freezing-Tolerance: Adaptations That Facilitate the Establishment of Panagrolaimus Nematodes in Polar Habitats, https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0116084

[4]Biopreservation and cold chain biologistics risk points in the cell and gene therapy workflow, https://insights.bio/cell-and-gene-therapy-insights/journal/article/1805/Biopreservation-and-cold-chain-biologistics-risk-points-in-the-cell-and-gene-therapy-workflow

[5]海星帶您一起解析細胞凍存，DMSO, https://baijiahao.baidu.com/s?id=1713022242644847487&wfr=spider&for=pc

[6]冷凍三十年，水熊蟲成功復甦, https://www.cas.cn/kj/201601/t20160121_4521703.shtml

[7]Cryonic Institute Technology for Life, https://cryonics.org/

[8]銀豐生物集團, http://www.yfswjt.com/touzi_info.php?id=69orderby3

[9]Freeze duration influences postfreeze survival in the frog Rana sylvatica, https://www.researchgate.net/publication/297910690_Freeze_duration_influences_postfreeze_survival_in_the_frog_Rana_sylvatica

[10]“超級冷卻”技術或使肝臟體外保存時間大大延長, https://news.medlive.cn/liver/info-progress/show-161685_35.html