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研究低溫(包括深低溫)對生物的影響及其應用的生物學分支學科。通常所謂低溫是指0℃左右,深低溫一般指 -80℃以下。低溫生物學過去主要研究植物的凍害以及細菌和昆蟲對低溫的耐性等。20世紀以來,開始了對生物和作為食品的生物材料的低溫處理研究,工作逐漸進入了細胞和分子的水平,研究成果被廣泛應用於生物製品,家畜精子以及人的某些器官,特別是血細胞的低溫保存。

1冰凍與生物

生物體的新陳代謝是隨著溫度的降低而減緩的。如果低溫在0℃以上,這個減緩過程一般是可逆的,即溫度回升以後,新陳代謝的速度也隨之恢復。但如溫度降至冰點以下時,生物體常因結冰而發生不可恢復的損傷。因為所有的生物體體液都含有大量的水(一般在80%左右),細胞器也都懸浮於水溶液中,新陳代謝過程都是在水溶液或膜和水溶液的界面上進行的,所以在結冰的過程中,一方面由於水的晶體──冰晶硬度較大,對於生物體內的精細結構會造成機械損傷;另一方面由於水結冰,使細胞內失去了大量可利用的水,造成脫水現象,從而使精細結構發生破壞。

2低溫的防護

低溫使新陳代謝速度減緩,因而人們很早就試圖利用這一特點,以求長期保存活的生物體。60年代以來,在這方面取得了很大的成就。主要的方法是:①用添加劑和速凍,以防止冰晶的形成,即使形成,也是微小的冰晶,不致引起機械損傷。常用的添加劑是甘油和某些多元醇類化合物如甘露醇等,其作用是使水不易結冰。速凍是將生物體在很短時間內,立即降至液態氮的溫度(約為-195℃),使水迅速凝固,以避免形成冰晶。只用添加劑不能完全防止結冰;單靠速凍雖能避免在降溫時形成較大的冰晶,卻不能避免在溫度回升時形成較大冰晶。只有兩者適當結合,才能避免低溫對生物體的損傷;②冷凍乾燥,即在凝固狀態下,依靠真空乾燥使水分升華,以防止因速冷而凝固的液體在溫度回升時又形成冰晶。生物樣品經冷凍乾燥后在常溫下即可儲存,是一種較為理想的保存方法。但這種方法在溫度過低時, 升華過慢, 溫度偏高時又很難避免冰晶的形成,而且完全脫水也會給複雜的生物體帶來某些不可恢復的損傷。因此目前只用於保存生物製品(如某些藥物、血清製劑)、乳品、食品,以及菌種和病毒(見菌種保藏)等。同普通的乾燥方法相比,冷凍乾燥法的優點是能較好保存生物製品的活性,冷凍乾燥的藥品、血清製劑等易於溶解,食物的外形以及色、香、味等也能較好地保存。若在-80℃左右的深低溫保藏,雖然沒有冷凍乾燥方便,但對生物體的損傷較小,可用於保藏微生物菌種、貯存高等動物的精子、卵子、全血和某些器官,甚至早期發育階段的哺乳動物胚胎。

3低溫生物化學

研究在低溫條件下生命活動的生物化學規律的新興學科,是低溫生物學的重要基礎。例如,在某些冬眠狀態的昆蟲體液中,甘油含量可高達25%,以致在-35℃的狀況下也不會冰凍。另一方面,利用低溫下變化減慢,來研究在常溫下變化較快的一些生物化學反應。如在酶的催化、蛋白質和核酸在溶液中的空間構象變化中。某些中間變化常溫下在千分之一秒的時間內即可完成,用一般方法難以探討,而在含有添加劑使溫度降至-40℃左右的溶液中,反應速度大為減慢就可用常規方法進行研究。
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