南极水域富含溶解盐，可以在冰点以上徘徊，甚至可以低于冰点。如此低的温度可能会杀死在更北的温暖水域中繁衍生息的动物。然而，一些生物已经找到了在这种荒凉的寒冷中生存的方法。

研究确定南极章鱼神经系统的寒冷适应

在《美国国家科学院院刊》上描述的一项新研究中，海洋生物实验室(MBL)的研究人员及其合作者重点研究了如此寒冷的栖息地中的生命如何改变了一种动物(章鱼)神经系统功能所必需的酶。生活在环极地南大洋。他们的工作探索了生物适应极端环境的多种方式之一。

“我们详细研究了神经系统中一种非常重要的酶——钠钾泵，我们问，‘我们在哪里看到大部分适应位点?’”MBL的高级科学家约书亚·罗森塔尔(JoshuaRosenthal)说。

寒冷生活的挑战

温度对生命很重要，部分原因是体内启动各种生化反应的酶需要热能(表现为热量)才能运行。随着温度骤降，酶的活性减慢，最终停止。

虽然包括人类在内的一些动物可以加热自己的身体，但章鱼缺乏这种能力。然而，这些八臂生物找到了一种在南极水域栖息的方法，那里的寒冷使它们的酶反应速率降低了30倍。神经系统特别脆弱，因为发送和接收电信号需要许多仔细协调的反应。“当你把它们全部放慢到这样的程度时，这是一个大问题：它们如何适应?”罗森塔尔说。

科学家们已经研究了许多蛋白质的冷适应能力，但他们在很大程度上忽略了那些嵌入细胞周围的皮肤样膜中的蛋白质。膜蛋白执行许多工作，包括将离子移入和移出细​​胞。这项新研究的核心蛋白质是Na+/K+-ATP酶，它可以从细胞中去除钠离子，同时引入钾，从而产生电位差，神经元将其用作交流的能量来源。

找到最重要的改变

在之前的研究中，由罗森塔尔和美国国家神经疾病和中风研究所的膜蛋白生物物理学家、MBL的长期夏季惠特曼研究员米格尔·霍尔姆格伦(MiguelHolmgren)组成的团队发现，寒冷会减慢南极章鱼的钠钾泵是Pareledone属的一员，比生活在温带水域(例如加利福尼亚州海岸)的双斑章鱼(Octopusbimaculatus)的数量要少得多。

为了确定泵之间的差异，研究小组研究了组成它们的基本成分，即氨基酸。虽然两者基本相同，但他们发现了一些氨基酸不同的地方。为了确定哪些变化影响最大，他们在泵之间交换了它们并测试了效果。

首先，他们设计了温带泵，使其含有独特的南极氨基酸，以观察哪些氨基酸具有耐寒性，然后他们消除了这些南极变化，使泵恢复到温带、耐冷状态。通过这种方式，他们将最重要的差异缩小到三个，使泵能够在接近冰点的温度下快速工作。

其中一种称为L314V，效果最大。将这种氨基酸从南极泵的亮氨酸更换为温带缬氨酸可以消除新发现的耐寒性。

寒冷适应的主题?

当他们绘制L314V的位置和泵结构内的其他两个变化时，研究人员发现它们位于边缘，面向油膜。就L314V而言，研究人员认为改变这种氨基酸会改变泵的这一部分相对于膜的移动方式，可能是通过减少阻力，使泵能够更快地工作。

霍尔姆格伦说，“对我们来说这是有道理的”，蛋白质和膜之间的界面将成为这种适应的场所。“一旦我们研究了更多的膜蛋白，我想我们会看到更多这样的例子。”