低温生物学

低温生物学是生物学的一个分支，研究低温对地球冰冻圈或科学中的生物的影响。 低温生物学一词源自希腊语单词 κρῧος [kryos]、冷、βιος [bios]、生命和 λόγος [logos]、单词。 实际上，低温生物学是在低于正常温度的情况下研究生物材料或系统。 研究的材料或系统可能包括蛋白质、细胞、组织、器官或整个生物体。 温度范围可以从适度低温条件到低温温度。

至少可以确定低温生物学的六个主要领域：1) 微生物、植物（耐寒性）和动物（包括无脊椎动物和脊椎动物（包括冬眠））的冷适应研究，2) 细胞、组织、配子和 出于（医疗）目的，通过冷却至低于水的冰点的温度进行长期储存的动物和人类胚胎。 这通常需要添加在冷冻和解冻过程中保护细胞的物质（冷冻保护剂），3）在移植的低温条件下保存器官，4）药物冻干（冷冻干燥），5）冷冻手术，一种（微）侵入性 使用低温气体/流体破坏不健康组织的方法，以及 6) 应用于生物系统的过冷物理、冰核形成/生长以及冷却和加热过程中传热的机械工程方面。 低温生物学将包括人体冷冻法，人类和哺乳动物的低温保存以期在未来复兴，尽管这不是主流低温生物学的一部分，很大程度上取决于尚未发明的推测技术。 其中一些研究领域依赖于低温学，这是物理学和工程学的一个分支，研究极低温的产生和使用。

许多生物体能够在低于水的冰点的温度下长时间耐受。 大多数生物体都会积累抗冻蛋白、多元醇和葡萄糖等冷冻保护剂，以保护自己免受尖锐冰晶的冻害。 特别是大多数植物可以安全地达到 −4 °C 至 −12 °C 的温度。

据报道，三种细菌，即更新生肉杆菌、格陵兰金黄杆菌和冰赫米尼单胞菌，在冰中冷冻数千年后得以复活。 在大约 −2 °C 时迫使各种水果和植物表面结冰。 冷冻会导致上皮细胞受损，并使底层植物组织中的营养物质可供细菌使用。 李斯特菌在低至 -1.5 °C 的温度下生长缓慢，并在冷冻食品中持续存在一段时间。

许多植物都会经历一个称为硬化的过程，这使它们能够在 0°C 以下的温度下存活数周至数月。

可在 0°C 以下存活的线虫包括 Trichostrongylus colubriformis 和 Panagrolaimus davidi。 蟑螂若虫 (Periplaneta japonica) 能在 -6 至 -8 °C 的短期冷冻条件下存活。 红色扁平树皮甲虫 (Cucujus clavipes) 在冷冻至 -150 °C 后仍能存活。 真菌蚊蚋 Exechia nugatoria 可以在冷冻至 -50°C 后存活，这是通过一种独特的机制在身体而不是头部形成冰晶。 另一种耐冻甲虫是 Upis ceramboides。 参见昆虫冬季生态学和抗冻蛋白。 另一种可以短暂耐受低至 -273 °C 温度的无脊椎动物是缓步动物。

扭曲血矛线虫（一种线虫）的幼虫可以在 -196 °C 的冷冻条件下存活 44 周。

对于林蛙 (Rana sylvatica)，在冬天，多达 45% 的身体可能会冻结并变成冰。 冰晶在皮肤下形成并散布在身体的骨骼肌中。 在冻结期间，青蛙的呼吸、血液流动和心跳停止。 特殊的蛋白质和葡萄糖使冷冻成为可能，它们可以防止细胞内冷冻和脱水。 在 -4 °C 的冷冻条件下，林蛙最多可存活 11 天。

其他可在低于 0°C 的体温下存活的脊椎动物包括彩龟 (Chrysemys picta)、灰树蛙 (Hyla versicolor)、沼蛙 (Rana arvalis)、箱龟 (Terrapene carolina - 48 小时在 -2°C)、春季 窥视器（Pseudacris crucifer）、吊带蛇（Thamnophis sirtalis - 在 -1.5 °C 下 24 小时）、合唱蛙（Pseudacris triseriata）、西伯利亚蝾螈（Salamandrella keyserlingii - 在 -15.3 °C 下 24 小时）、欧洲普通蜥蜴（Lacerta vivipara） ) 和南极鱼，如 Pagothenia borchgrevinki。 从这些鱼中克隆的抗冻蛋白已被用于赋予转基因植物抗冻性。