北京
地球上最寒冷的村莊，是西伯利亞的奧伊米亞康村。
這里的氣溫常常降到-50°C以下，人類的睫毛會(huì)在寒冷的空氣中瞬間結(jié)冰，臉上的皮膚也會(huì)被刺骨的寒風(fēng)凍傷。在這樣的環(huán)境里，暴露在外的任何濕氣都迅速結(jié)冰，人呼出的氣體會(huì)凝結(jié)成冰霜，睫毛上也會(huì)很快形成“冰晶”。
（圖片來源：Elyse Samuels/The Washington Post）
在北極圈，那里的溫度只會(huì)更低。而我們的主角——北極熊，即便跳進(jìn)冰冷的海水里抓海豹，出來時(shí)渾身濕漉漉，它們抖抖毛，滾兩圈雪，繼續(xù)曬太陽打盹，毛發(fā)卻并沒有變成冰棒。這是為什么呢？
（圖片來源：The Common Naturalist）
“吸管型”毛發(fā)，保暖但不防凍
北極熊的毛發(fā)白白軟軟，看起來像個(gè)大號(hào)毛絨玩具，其實(shí)它們的毛發(fā)還蘊(yùn)藏著精妙的“設(shè)計(jì)”。它們有兩種毛：外層的衛(wèi)毛（guard hairs）和內(nèi)層的底毛（underfur）。
北極熊皮毛的結(jié)構(gòu)（左圖為顯微鏡圖像）激發(fā)了新型氣凝膠纖維（右圖）的設(shè)計(jì)靈感。這種纖維超輕耐用，可以用來做羽絨服的材料
（圖片來源：M. Wu et al/Science 2023）
衛(wèi)毛是中空的，像一根根微型吸管，里面裝著空氣，空氣是熱的不良導(dǎo)體，因此能擋住一部分寒冷。不過，這還不足以解釋為什么毛發(fā)不會(huì)被凍住。
中空衛(wèi)毛雖然保暖很強(qiáng)，但“保暖”和“防凍”是兩碼事。保暖是阻止體溫散失，防凍是讓毛發(fā)不被水浸濕或冰粘住。北極熊經(jīng)常在冰冷的水里捕獵，毛發(fā)如果被浸濕、凍住，就會(huì)失去保暖效果，甚至導(dǎo)致它們凍傷。所以，只依靠中空結(jié)構(gòu)無法完全解決這個(gè)問題。
一只成年雄性北極熊通過在白雪覆蓋的海冰上滾動(dòng)和摩擦來清潔皮毛
（圖片來源：LifeOnThinIce.org）
毛發(fā)測評實(shí)驗(yàn)：科學(xué)探索抗凍秘訣
為了探究北極熊毛發(fā)抗凍的奧秘，Julian Carolan 帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，在北極的廣闊冰原上搜索北極熊的蹤跡。團(tuán)隊(duì)使用麻醉槍從空中遠(yuǎn)程進(jìn)行麻醉，抓捕了雄性、雌性北極熊各3頭，分別從它們尾巴根部外側(cè) 10 至 20 厘米處剪取毛發(fā)樣本。取到樣本后，研究團(tuán)隊(duì)將這6頭北極熊放回了野外。
2010年，一頭北極熊在波弗特海域附近被麻醉
（圖片來源：Mike Lockhart）
此外，研究團(tuán)隊(duì)還采集了一份北極熊皮膚樣本。樣本來自一只3歲的亞成體雄性北極熊，它在斯瓦爾巴群島的一次熊與人的自衛(wèi)行動(dòng)中被射殺。
回到實(shí)驗(yàn)室后，科學(xué)家用一系列高科技手段——?dú)庀嗌V-質(zhì)譜（GC-MS）、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）和核磁共振（NMR）——分析了所獲樣本皮脂的成分。他們發(fā)現(xiàn)，北極熊的皮脂里有膽固醇、二酰基甘油、一些帶分支的脂肪酸（比如18-甲基二十烷酸）。而且有個(gè)大驚喜：北極熊的皮脂中沒有角鯊烯（squalene，因最初從角鯊魚肝油中提取得到，故得名角鯊烯）！
之所以說是驚喜，是因?yàn)檫@種物質(zhì)在人類和其他一些哺乳動(dòng)物的皮脂里很常見，但北極熊說：“不需要，謝謝?！?/p>
接下來，自然要測試帶油脂和不帶油脂的毛發(fā)在抗凍能力上的區(qū)別。對于我們來說，去除毛發(fā)上的油脂首先會(huì)想到洗發(fā)水，但實(shí)驗(yàn)中并不是。科學(xué)家使用的是一種叫SDS的溶液。
SDS也叫十二烷基硫酸鈉，這是一種強(qiáng)效的陰離子表面活性劑（surfactant），化學(xué)式為C12H25SO4Na。它在水中解離成帶負(fù)電的親水頭和疏水尾，能有效溶解油脂和蛋白質(zhì)。研究中用的是20%濃度（重量/體積），也就是每100毫升溶液含20克SDS。研究里的SDS溶液通常是純的單一成分溶液，只加水作為溶劑，沒有其他添加劑。
相比之下，普通洗發(fā)水雖然也含表面活性劑，但通常是混合型的，其中還含有調(diào)理劑（如硅油）、增稠劑、香精和防腐劑等。而且洗發(fā)水的表面活性劑濃度一般低于SDS溶液，且更溫和。如此看來，SDS要比洗發(fā)水更加純粹、有效。
去除完毛發(fā)的油脂，接下來的測試方法簡單但很直觀：把冰凍在不同的毛發(fā)上，然后用力拉，看看需要多大力才能把冰與毛發(fā)分離。
測試冰在北極熊毛發(fā)上的粘附強(qiáng)度
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
科學(xué)家還加入了另一個(gè)看起來競爭力較小的的測試物——六天沒有清洗的人類油膩頭發(fā)（為了形成對比，其中一部分用SDS溶液清洗過）。
結(jié)果顯示，冰塊在未清洗過的北極熊毛發(fā)上粘附強(qiáng)度只有50千帕（kPa），比得上涂有氟碳化合物的滑雪板毛墊（專業(yè)競速級(jí)別）。但把皮脂清洗干凈后，冰粘附強(qiáng)度飆升到150 kPa以上，冰塊難以與毛發(fā)分離，大力分離的過程甚至損壞了夾具！相比之下，人類的頭發(fā)（含角鯊烯）無論是否清洗，冰粘附強(qiáng)度都在150 kPa以上，抗凍能力很低。
科學(xué)家得出結(jié)論，北極熊的皮脂就是抗凍的關(guān)鍵！沒有它，毛發(fā)只會(huì)像普通毛絨玩具，輕易被冰粘住。
“不粘鍋式”皮脂：讓冰塊在體表輕易滑落
后面，科學(xué)家又測試了其他兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是疏水性，另一個(gè)是凍結(jié)延遲時(shí)間（freezing delay time）。
在疏水性上，科學(xué)家用特制顯微鏡（放大50倍）和微型滴管，在單根毛發(fā)上滴水珠，測量了水的接觸角（contact angle）。具體來說，它是指水滴邊緣的切線與固體表面之間的夾角。這個(gè)夾角的大小可以反映固體表面的性質(zhì)，比如是親水（喜歡水）還是疏水（不喜歡水）。
未清洗的北極熊毛發(fā)上的水滴示例，可見水滴呈圓形，接觸角明顯大于90°（約120°），表明毛發(fā)表面高度疏水。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
結(jié)果顯示，不管是否帶有皮脂，水滴在北極熊毛發(fā)的接觸角都較高。在未洗過的北極熊毛發(fā)上，水的接觸角約為120度，在清洗過的毛發(fā)上則是110度，水珠在上面像“站”在不粘鍋上，隨時(shí)準(zhǔn)備滾走。這意味著水很難在北極熊的毛發(fā)上停留，它們抖一抖身子，水就“跑”了，哪有機(jī)會(huì)凍成冰？
而凍結(jié)延遲時(shí)間，也就是水滴在毛發(fā)上凍成冰所需的時(shí)間。結(jié)果較為分散，從70秒到600秒不等。但總體來說，不帶皮脂的毛發(fā)和帶有皮脂的差不多。
上述兩個(gè)指標(biāo)說明，北極熊皮脂的意義不在于防止水結(jié)冰（疏水性或凍結(jié)延遲），而在于使毛發(fā)上所結(jié)的冰容易脫落。打個(gè)比方，北極熊從水里出來，毛發(fā)上難免有水珠，在極寒環(huán)境下凍成冰很正常。但有了皮脂，冰就像放在不粘鍋上，抖一抖就掉；沒有皮脂，冰就像被膠水粘住，怎么抖都難以抖落。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
前文提到，北極熊的皮脂里多種成分，那么到底哪些成分是避免毛發(fā)被凍住的“最大功臣”呢？
研究團(tuán)隊(duì)采用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行計(jì)算。他們模擬了皮脂的主要成分和冰表面的相互作用，還用角鯊烯和氟碳化合物（PFAS，一類人工合成的有機(jī)化合物，可用作滑雪板、飛機(jī)機(jī)翼表面，減少冰的積聚）做對比。計(jì)算得到各成分在冰表面的吸附能量，單位為 kJ/mol。吸附能量越低（越負(fù)），表示與冰的結(jié)合越緊密，冰越容易粘住。
結(jié)果顯示，北極熊皮脂中的二酰甘油（-28.94 kJ/mol）和膽固醇（-24.12 kJ/mol）是真正的“防粘能力貢獻(xiàn)者”！它們的吸附能量低，和人工合成氟碳化合物結(jié)果相近（-22.19 kJ/mol），冰很難粘附在上面，這正是北極熊能在極寒環(huán)境下保持皮毛不結(jié)冰的關(guān)鍵。而角鯊烯的吸附能量則高得多（-102.27 kJ/mol），它簡直是冰的超級(jí)粉絲，恨不得抱住不放。
這也解釋了為什么北極熊毛發(fā)中不含角鯊烯。另外，如果角鯊烯確實(shí)是冰粘附的“罪魁禍?zhǔn)住?，?jù)此合理推測，北極海豹的皮脂可能也進(jìn)化出了低角鯊烯或無角鯊烯的特性。遺憾的是，Carolan 等人的研究沒分析海豹皮脂成分，目前也沒有直接文獻(xiàn)明確說海豹皮脂里有沒有角鯊烯。
挪威斯瓦爾巴群島斯匹次卑爾根島的北極熊滑下雪坡
(圖片來源：參考文獻(xiàn)[1])
實(shí)際應(yīng)用：北極熊皮毛中的生活智慧
這或許解釋了因紐特人的傳統(tǒng)智慧——用北極熊皮制作各種衣物。因?yàn)檫@類衣物只需輕輕一刷，雪和冰就掉得干干凈凈。
因紐特人的褲子
（圖片來源：x）
下面是一雙北極熊毛皮制成的冰獵鞋（tuterissat），毛皮為白色，呈長條形，底部有毛皮朝下，毛向后指向。因紐特獵人用無毛海豹皮繩將其固定，利用其低冰粘附性減少摩擦和噪音，可以悄無聲息地在冰面上移動(dòng)，達(dá)到靜音捕獵的效果。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）
所以，如果你非要給北極熊洗澡，記得用完洗發(fā)水后抹點(diǎn)它自己的皮脂回去。不然，它可能會(huì)從北極的王者變成一個(gè)毛茸茸的冰雕。
參考文獻(xiàn)：
[1]Carolan J, Jakubec M, Xavier Jr N F, et al. Anti-icing properties of polar bear furJ. Science Advances, 2025, 11(5): eads7321.
出品：科普中國
作者：蘇澄宇（科普創(chuàng)作者）
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