冬天来了，什么时候它来了，大多数生物不能简单地扔下雪铲，回到温暖的家。许多动物进化出了独特的机制来应对低温和随之而来的压力。对于温血动物来说，包括那些使用雪铲的动物，身体通过保持体内温度相对稳定来补偿外部温度较低。正常情况下，我们的体温维持在华氏98.6度左右。首先，这是消化和肌肉收缩等代谢过程的间接结果，因为每个代谢过程都会产生热量作为其化学反应的副产品。

当你打开汽车引擎时，也会发生类似的事情。汽油含有化学键能。当与空气混合并在一个小空间(汽车的汽缸之一)内点燃时，就会发生可控爆炸，化学键能转化为机械能，使轮胎旋转。由于没有能量转换是100%有效的，在这个过程中，一些能量以热的形式损失了。你可以通过让你不喜欢的人在启动汽车引擎几分钟后把手放在引擎上来证明这一点。他们感觉到的是从化学能转化为机械能的过程中损失的能量。你可以等他们不再对你大吼大叫的时候再跟他们解释。

在人体中，当热量释放时(主要是在肌肉收缩时)，它会从发生反应的组织辐射到邻近的薄壁毛细血管，使它们和里面的血液升温。温暖的血液回流到心脏，并在全身循环。当这种情况发生时，热量离开血液，进入周围较冷的组织。

但是是什么使人体的温度保持恒定呢?为什么当我们在寒冷的早晨出门时，我们的身体不能凉快下来?原因与大脑中被称为下丘脑的部分有关。下丘脑是自主神经系统的指挥中心，这部分神经系统在没有意识输入的情况下调节大多数身体功能。这包括维持身体的内部环境，包括体温。

当从皮肤的温度感受器接收神经冲动时，下丘脑就像一种恒温器一样保持体温稳定。下丘脑探测到寒冷的温度后，就会启动先前描述的血液从手指和脚趾等外围结构分流的过程。它还减少了皮肤的血流量，皮肤表面的血管使热量迅速流失到环境中。此外，下丘脑会产生一系列不自主的热量释放肌肉收缩，也就是颤抖。

有趣的是，皮肤上的一些温度感受器会“学会”忽略无关紧要的刺激，这就解释了为什么踏进热水淋浴时一开始可能会感到疼痛，但随后会变得舒适。这种现象被称为热适应。当你穿上袜子时，在触觉层面上也会发生类似的事情。最初，大脑接收来自足部和脚踝皮肤上的触觉和压力感受器的信号，你会感到袜子被穿上了。然而，很快，神经系统开始忽略这些不重要的触觉刺激，让你专注于更重要的事情，比如确保你穿上了合身的袜子。感觉适应也与气味或声音有关。幸运的是，这个过程有其局限性。例如，神经系统不能适应可能有害的刺激，比如穿上里面有毛刺的袜子或血压升高。

体内保持体温稳定的能力被称为恒温动物，而那些表现出这种能力的动物，如哺乳动物和鸟类，都是恒温动物。这种能力将它们与鱼类、两栖动物和大多数爬行动物等变温动物区分开来。这些所谓的冷血动物需要外部提供的能量(通常来自太阳光线)来保持身体的温度，使组织和器官能够正常运作。

不管体温如何保持稳定，重要的是保持体温。体内发生的无数化学反应(即代谢过程)只有在温度等因素保持在一个非常特定的范围内时才能发生。那么，变温动物是如何应对寒冷的，特别是通常会使它们的身体和血液等液体冻结的温度呢?对几乎所有人来说，答案都是血红蛋白。

血红蛋白是一种含铁分子，其主要功能是在肺或鳃中吸收氧气，然后将其运送到组织中。是的，氧气和血红蛋白相互作用的副产品就是脊椎动物血液中独特的红色。但对于那些可能想知道是否有一个例外的热血脊椎动物规则，答案也是肯定的，这种血液属于南极冰鱼家族Channichthyidae)。早在1928年研究人员捕捉到一条冰鱼之前，19世纪的捕鲸者就知道，冰鱼是唯一已知的成年后缺乏血红蛋白的脊椎动物。正因为如此，它们的血液几乎是清澈的。

我第一次听说这些独特的生物是在长岛南安普顿学院(Southampton College)攻读海洋科学专业本科三个学期的时候。我在那里的鱼类学教授霍华德·赖斯曼(Howard Reisman)告诉我，冰鱼的血液不仅缺乏血红蛋白，而且还含有一种独特的抗冻蛋白，这种蛋白质可以让鱼在通常会把身体冻成固体的温度下存活下来。类似于汽车散热器中的防冻剂，这些物质通过化学方式降低发生冻结的温度。在冰鱼体内，抗冻蛋白会限制组织(包括血液)和中空结构(如心脏和血管)中冰晶的生长。这为医学研究人员开辟了一些令人兴奋的途径，他们正在试验使用抗冻蛋白来防止在用于移植和相关程序之前储存在冰上的组织和器官受到损害。

有趣的是，这一特点导致一家欧洲食品公司为一种酵母申请了专利，这种酵母经过基因改造，可以产生与冰鱼血液中发现的完全相同的抗冻蛋白。在原有功能的基础上，该公司目前使用这种材料来防止冰淇淋中形成晶体。更具体地说，这种可食用防冻剂让吃冷冻甜点的人不必再面对冰激凌小晶体融化后重新冷冻成更大、更不美味的晶体时形成的脆冰。抗冻蛋白的工作原理是附着在小晶体的表面，从而防止它们聚集成大块。

诚然，我对冰鱼血的主要兴趣与改善冰淇淋爱好者的口感无关。相反，我想知道的是，冰鱼是如何进化出这种奇怪的生物结构，同时还能获得足够的氧气来生存的。阿拉斯加费尔班克斯大学(University of Alaska Fairbanks)的冰鱼专家克里斯汀·奥布莱恩(Kristin O 'Brien)表示，这一解释涉及到它们的栖息地和相关的物理特性，以及它们的解剖结构和行为。

冰鱼生活在南大洋的深水区，也被称为南冰洋，因为它环绕着这片特殊的大陆。那里的鱼类相对较少，捕食者更少(主要是海豹和企鹅)。正因为如此，冰鱼在捕食磷虾、小鱼和螃蟹方面几乎没有竞争对手。它们也是伏击掠食者，这意味着它们的运动由短暂而不频繁的速度爆发组成。由于没有太多的体力活动，他们的身体对氧气的需求更少。

冷水本身给无血红蛋白的冰鱼提供了一个额外的好处:冷水比温水含有更多的氧气。这是因为分子在冷水中比在温水中运动得慢。当分子移动得更快时，氧就更容易从H2O分子中脱离出来。因此，冷水最终会附着更多的氧气，这对需要氧气的生物很有用。

研究表明，第一批无血红蛋白的冰鱼祖先是一个错误的结果——大约500万年前发生的一次基因突变。幸运的是，由于它们的富氧环境，这种突变并没有立即使这种古老的鱼类灭绝。根据奥布莱恩的说法，它确实迫使冰鱼的心血管系统进行了广泛的重塑。这种进化上的调整导致这种鱼的血容量是类似大小的红血鱼的四倍，血管直径是三倍，心脏比人们想象的要大五倍多。这意味着，尽管冰鱼的血压和心率都很低，但每次收缩时流出心脏的血液量都很高。此外，一旦血液到达肌肉和器官，极其密集的毛细血管床有助于提高气体交换的效率。最后，在一个创新的进化转折中，冰鱼没有覆盖身体的鳞片，因此氧气的摄取不仅通过鳃，还直接通过皮肤。

所以，是的，最初，也许冰鱼的祖先很幸运能生活在他们生活的地方。不过现在，它们已经成功地弥补了该物种缺乏血红蛋白的缺陷。血红蛋白是一种重要的氧气载体，存在于几乎所有其他脊椎动物的血液中。