南極是地球上最冷的地方，而圍繞南極洲的南大洋是地球上最冷的水域，從3200萬年前的漸新紀開始，南極繞極流就阻礙了南極海域與其他海域的熱量交流，導致南大洋的水溫逐步下降。在南極大陸架周圍的海水溫度常年維持在0℃以下，並被冰雪覆蓋。
極低的氣溫使得這片地區的海洋被“冰封千里”。這裡就是一個冰封的“小世界”。在這裡生活的動物往往有厚厚的皮毛和脂肪，比如企鵝就擁有厚厚的皮下脂肪，彷彿一件“厚大衣”。這些脂肪為企鵝提供了抵抗寒冷的能量。
但不是所有生活在南極的生物都擁有企鵝的“厚大衣”，比如生活在南極的魚。
根據科研人員的觀察，生活在南極的魚類並沒有企鵝那樣“厚厚”的脂肪，但依舊不會被凍僵。那麼沒有“厚大衣”的它們是依靠什麼來抵抗嚴寒的呢？
為什麼南極的魚不會被凍死？
一般而言，魚作為一種變溫動物，它們的體溫會隨著水溫的改變而改變，變得和水溫一樣，以此來適應周圍的環境。魚類生理學的研究結果表明，一般魚類血液的冰點是－1℃左右。也就是說，如果溫度到－1℃以下，魚就會被凍成“冰棒”。而南極海水的溫度常年低於這個冰點溫度，普通的魚兒是無法在這裡生存的。
可是科學家發現，南極的魚不僅沒有被凍成冰塊，還若無其事地游來游去，繁衍生息。那為什麼這裡的魚不怕凍呢？
以世界上最不怕冷的南極鱈魚為例。南極鱈魚體形較粗、較胖，表皮是一種自然的帶有黑褐色斑點的銀灰色。它主要生活在南極附近比較寒冷的海域之中，甚至在位於南緯82°的羅斯冰架附近都有可以找到它們。
科學家透過研究發現，與其他地區的魚相比，生活在南極的魚血液中有一種特殊的成分——糖肌，以它為主要成分的一種特殊的化學物質可以幫助這些魚面對寒冷。科學家把這種東西叫作抗凍蛋白質（Antifreeze Proteins），這種抗凍蛋白質是一種高分子蛋白質，能與冰或水相互作用，降低水結冰的溫度。除此之外，還能隨著海水溫度的變化而自動調節。夏天，抗凍蛋白停止產生，直到冬天才繼續發揮“魔力”。
抗凍蛋白有兩種主要功能：
第一是熱滯活性(the rmalhysteresis activity，THA)，抗凍蛋白以非依數性形式降低水溶液的冰點而對其熔點(melting point， MP)影響甚微，從而導致水溶液的熔點(MP)和冰點(freezing point，FP)之間出現差值。即它可以改變冰魚的體內環境，降低血液的冰點，阻止冰晶的形成。
第二是冰重結晶抑制(ice recrystallization inhibition，IRI)，冰重結晶(IR)解釋了一個熱力學上有利的過程，其中較大的冰晶的形成以犧牲較小的冰晶為代價，較大的冰晶對於冷凍儲存的細胞以及棲息在極地或寒冷地區的生物體可能是致命的，而抗凍蛋白可以在非常低的濃度下抑制冰重結晶。也就是說，如果真的形成了冰晶，抗凍蛋白會把冰晶的開放面直接黏住。這是一種直接干涉，從物理層面干預了冰晶的變化，使得它們無法輕易地擴張、融化或者重新凍結。這樣就保障了安全的體內環境，讓冰晶數量變得很少，而且很穩定。
南極魚身上的這種蛋白質使得它們可以在零度以下的水域維持非結冰的狀態。也就是靠這種“天賦”，南極魚才能在冰冷的海水裡自由遊弋。
特殊的蛋白質能用來做什麼？
隨著各種科學技術的進步，近10多年來，極地魚類對低溫環境生理適應的遺傳基礎正在得到揭示。抗凍蛋白的熱滯活性和冰重結晶抑制活性使其在冷凍儲存中具有重要作用，可用於在極低溫度下儲存各種型別的細胞、組織和器官、鮮冷食品等，已成為生命科學、醫藥衛生、食品、農業等領域的關鍵技術。
在生殖醫學領域，冷凍儲存是關鍵技術之一，可以解決不孕不育、延遲生育等問題。抗凍蛋白可應用於精子、卵子和胚胎等組織器官的冷凍儲存；在外科領域，冷凍手術是目前腫瘤治療的一項關鍵技術，研究報道手術前將少許抗凍蛋白注射到待切除組織中，可以提高手術成功率，減少冷凍手術後的目標組織發生冷凍損傷問題；在食品領域，抗凍蛋白作為食品新增劑可以抑制冰晶生長，改善冷凍食品的品質；在農業領域，抗凍蛋白轉基因技術提高動植物的耐寒能力，效提高水產經濟魚類的耐寒能力。
儘管南極魚抗凍蛋白在醫藥、食品、農業等領域都有良好的應用前景，但是目前在生產成本和產業化等方面還存在一些限制和不足，生產僅限於研究和專門的應用。因此，如何低成本地生產高活性的抗凍蛋白是未來應用開發的技術關鍵。
創作團隊：中國科學技術館新媒體團隊
稽核專家：李維陽 知名科普作家
