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，人類的睫毛會在寒冷的空氣中瞬間結冰，臉上的皮膚也會被刺骨的寒風凍傷。在這樣的環境里，暴露在外的任何濕氣都迅速結冰，人呼出的氣體會凝結成冰霜，睫毛上也會很快形成“冰晶”。

（圖片來源：Elyse Samuels/The Washington Post）

在北極圈，那里的溫度只會更低。而我們的主角——北極熊，即便跳進冰冷的海水里抓海豹，出來時渾身濕漉漉，它們抖抖毛，滾兩圈雪，繼續曬太陽打盹，毛發卻并沒有變成冰棒。這是為什么呢？

（圖片來源：The Common Naturalist）

“吸管型”毛發，保暖但不防凍

北極熊的毛發白白軟軟，看起來像個大號毛絨玩具，其實它們的毛發還蘊藏著精妙的“設計”。它們有兩種毛：外層的衛毛（guard hairs）和內層的底毛（underfur）。

北極熊皮毛的結構（左圖為顯微鏡圖像）激發了新型氣凝膠纖維（右圖）的設計靈感。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不會被凍住。

中空衛毛雖然保暖很強，但“保暖”和“防凍”是兩碼事。保暖是阻止體溫散失，防凍是讓毛發不被水浸濕或冰粘住。北極熊經常在冰冷的水里捕獵，毛發如果被浸濕、凍住，就會失去保暖效果，甚至導致它們凍傷。所以，只依靠中空結構無法完全解決這個問題。

一只成年雄性北極熊通過在白雪覆蓋的海冰上滾動和摩擦來清潔皮毛

（圖片來源：LifeOnThinIce.org）

毛發測評實驗：科學探索抗凍秘訣

為了探究北極熊毛發抗凍的奧秘，Julian Carolan 帶領研究團隊，在北極的廣闊冰原上搜索北極熊的蹤跡。團隊使用麻醉槍從空中遠程進行麻醉，抓捕了雄性、雌性北極熊各3頭，分別從它們尾巴根部外側 10 至 20 厘米處剪取毛發樣本。取到樣本后，研究團隊將這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，研究團隊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行動中被射殺。

回到實驗室后，科學家用一系列高科技手段——氣相色譜-質譜（GC-MS）、液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）和核磁共振（NMR）——分析了所獲樣本皮脂的成分。他們發現，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，是因為這種物質在人類和其他一些哺乳動物的皮脂里很常見，但北極熊說：“不需要，謝謝。”

接下來，自然要測試帶油脂和不帶油脂的毛發在抗凍能力上的區別。對于我們來說，去除毛發上的油脂首先會想到洗發水，但實驗中并不是。科學家使用的是一種叫SDS的溶液。

SDS也叫十二烷基硫酸鈉，這是一種強效的陰離子表面活性劑（surfactant），化學式為C12H25SO4Na。它在水中解離成帶負電的親水頭和疏水尾，能有效溶解油脂和蛋白質。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，普通洗發水雖然也含表面活性劑，但通常是混合型的，其中還含有調理劑（如硅油）、增稠劑、香精和防腐劑等。而且洗發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要比洗發水更加純粹、有效。

去除完毛發的油脂，接下來的測試方法簡單但很直觀：把冰凍在不同的毛發上，然后用力拉，看看需要多大力才能把冰與毛發分離。

測試冰在北極熊毛發上的粘附強度

（圖片來源：參考文獻[1]）

科學家還加入了另一個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（為了形成對比，其中一部分用SDS溶液清洗過）。

結果顯示，冰塊在未清洗過的北極熊毛發上粘附強度只有50千帕（kPa），比得上涂有氟碳化合物的滑雪板毛墊（專業競速級別）。但把皮脂清洗干凈后，冰粘附強度飆升到150 kPa以上，冰塊難以與毛發分離，大力分離的過程甚至損壞了夾具！相比之下，人類的頭發（含角鯊烯）無論是否清洗，冰粘附強度都在150 kPa以上，抗凍能力很低。

科學家得出結論，北極熊的皮脂就是抗凍的關鍵！沒有它，毛發只會像普通毛絨玩具，輕易被冰粘住。

“不粘鍋式”皮脂：讓冰塊在體表輕易滑落

后面，科學家又測試了其他兩個指標，一個是疏水性，另一個是凍結延遲時間（freezing delay time）。

在疏水性上，科學家用特制顯微鏡（放大50倍）和微型滴管，在單根毛發上滴水珠，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。這個夾角的大小可以反映固體表面的性質，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°），表明毛發表面高度疏水。

（圖片來源：參考文獻[1]）

結果顯示，不管是否帶有皮脂，水滴在北極熊毛發的接觸角都較高。在未洗過的北極熊毛發上，水的接觸角約為120度，在清洗過的毛發上則是110度，水珠在上面像“站”在不粘鍋上，隨時準備滾走。這意味著水很難在北極熊的毛發上停留，它們抖一抖身子，水就“跑”了，哪有機會凍成冰？

而凍結延遲時間，也就是水滴在毛發上凍成冰所需的時間。結果較為分散，從70秒到600秒不等。但總體來說，不帶皮脂的毛發和帶有皮脂的差不多。

上述兩個指標說明，北極熊皮脂的意義不在于防止水結冰（疏水性或凍結延遲），而在于使毛發上所結的冰容易脫落。打個比方，北極熊從水里出來，毛發上難免有水珠，在極寒環境下凍成冰很正常。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[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被凍住的“最大功臣”呢？

研究團隊采用密度泛函理論（DFT）進行計算。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化合物，可用作滑雪板、飛機機翼表面，減少冰的積聚）做對比。計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），表示與冰的結合越緊密，冰越容易粘住。

結果顯示，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“防粘能力貢獻者”！它們的吸附能量低，和人工合成氟碳化合物結果相近（-22.19 kJ/mol），冰很難粘附在上面，這正是北極熊能在極寒環境下保持皮毛不結冰的關鍵。而角鯊烯的吸附能量則高得多（-102.27 kJ/mol），它簡直是冰的超級粉絲，恨不得抱住不放。

這也解釋了為什么北極熊毛發中不含角鯊烯。另外，如果角鯊烯確實是冰粘附的“罪魁禍首”，據此合理推測，北極海豹的皮脂可能也進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[1])

實際應用：北極熊皮毛中的生活智慧

這或許解釋了因紐特人的傳統智慧——用北極熊皮制作各種衣物。因為這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，達到靜音捕獵的效果。

（圖片來源：參考文獻[1]）

所以，如果你非要給北極熊洗澡，記得用完洗發水后抹點它自己的皮脂回去。不然，它可能會從北極的王者變成一個毛茸茸的冰雕。

參考文獻：

[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（科普創作者）

監制：中國科普博覽