摘要：这里的气温常常降到-50°C以下，人类的睫毛会在寒冷的空气中瞬间结冰，脸上的皮肤也会被刺骨的寒风冻伤。在这样的环境里，暴露在外的任何湿气都迅速结冰，人呼出的气体会凝结成冰霜，睫毛上也会很快形成“冰晶”。

地球上最寒冷的村庄，是西伯利亚的奥伊米亚康村。

这里的气温常常降到-50°C以下，人类的睫毛会在寒冷的空气中瞬间结冰，脸上的皮肤也会被刺骨的寒风冻伤。在这样的环境里，暴露在外的任何湿气都迅速结冰，人呼出的气体会凝结成冰霜，睫毛上也会很快形成“冰晶”。

（图片来源：Elyse Samuels/The Washington Post）

在北极圈，那里的温度只会更低。而我们的主角——北极熊，即便跳进冰冷的海水里抓海豹，出来时浑身湿漉漉，它们抖抖毛，滚两圈雪，继续晒太阳打盹，毛发却并没有变成冰棒。这是为什么呢？

（图片来源：The Common Naturalist）

“吸管型”毛发，保暖但不防冻

北极熊的毛发白白软软，看起来像个大号毛绒玩具，其实它们的毛发还蕴藏着精妙的“设计”。它们有两种毛：外层的卫毛（guard hairs）和内层的底毛（underfur）。

北极熊皮毛的结构（左图为显微镜图像）激发了新型气凝胶纤维（右图）的设计灵感。这种纤维超轻耐用，可以用来做羽绒服的材料

（图片来源：M. Wu et al/Science 2023）

卫毛是中空的，像一根根微型吸管，里面装着空气，空气是热的不良导体，因此能挡住一部分寒冷。不过，这还不足以解释为什么毛发不会被冻住。

中空卫毛虽然保暖很强，但“保暖”和“防冻”是两码事。保暖是阻止体温散失，防冻是让毛发不被水浸湿或冰粘住。北极熊经常在冰冷的水里捕猎，毛发如果被浸湿、冻住，就会失去保暖效果，甚至导致它们冻伤。所以，只依靠中空结构无法完全解决这个问题。

一只成年雄性北极熊通过在白雪覆盖的海冰上滚动和摩擦来清洁皮毛

（图片来源：LifeOnThinIce.org）

毛发测评实验：科学探索抗冻秘诀

为了探究北极熊毛发抗冻的奥秘，Julian Carolan 带领研究团队，在北极的广阔冰原上搜索北极熊的踪迹。团队使用麻醉枪从空中远程进行麻醉，抓捕了雄性、雌性北极熊各3头，分别从它们尾巴根部外侧 10 至 20 厘米处剪取毛发样本。取到样本后，研究团队将这6头北极熊放回了野外。

2010年，一头北极熊在波弗特海域附近被麻醉

（图片来源：Mike Lockhart）

此外，研究团队还采集了一份北极熊皮肤样本。样本来自一只3岁的亚成体雄性北极熊，它在斯瓦尔巴群岛的一次熊与人的自卫行动中被射杀。

回到实验室后，科学家用一系列高科技手段——气相色谱-质谱（GC-MS）、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和核磁共振（NMR）——分析了所获样本皮脂的成分。他们发现，北极熊的皮脂里有胆固醇、二酰基甘油、一些带分支的脂肪酸（比如18-甲基二十烷酸）。而且有个大惊喜：北极熊的皮脂中没有角鲨烯（squalene，因最初从角鲨鱼肝油中提取得到，故得名角鲨烯）！

之所以说是惊喜，是因为这种物质在人类和其他一些哺乳动物的皮脂里很常见，但北极熊说：“不需要，谢谢。”

接下来，自然要测试带油脂和不带油脂的毛发在抗冻能力上的区别。对于我们来说，去除毛发上的油脂首先会想到洗发水，但实验中并不是。科学家使用的是一种叫SDS的溶液。

SDS也叫十二烷基硫酸钠，这是一种强效的阴离子表面活性剂（surfactant），化学式为C12H25SO4Na。它在水中解离成带负电的亲水头和疏水尾，能有效溶解油脂和蛋白质。研究中用的是20%浓度（重量/体积），也就是每100毫升溶液含20克SDS。研究里的SDS溶液通常是纯的单一成分溶液，只加水作为溶剂，没有其他添加剂。

相比之下，普通洗发水虽然也含表面活性剂，但通常是混合型的，其中还含有调理剂（如硅油）、增稠剂、香精和防腐剂等。而且洗发水的表面活性剂浓度一般低于SDS溶液，且更温和。如此看来，SDS要比洗发水更加纯粹、有效。

去除完毛发的油脂，接下来的测试方法简单但很直观：把冰冻在不同的毛发上，然后用力拉，看看需要多大力才能把冰与毛发分离。

测试冰在北极熊毛发上的粘附强度

（图片来源：参考文献[1]）

科学家还加入了另一个看起来竞争力较小的的测试物——六天没有清洗的人类油腻头发（为了形成对比，其中一部分用SDS溶液清洗过）。

结果显示，冰块在未清洗过的北极熊毛发上粘附强度只有50千帕（kPa），比得上涂有氟碳化合物的滑雪板毛垫（专业竞速级别）。但把皮脂清洗干净后，冰粘附强度飙升到150 kPa以上，冰块难以与毛发分离，大力分离的过程甚至损坏了夹具！相比之下，人类的头发（含角鲨烯）无论是否清洗，冰粘附强度都在150 kPa以上，抗冻能力很低。

科学家得出结论，北极熊的皮脂就是抗冻的关键！没有它，毛发只会像普通毛绒玩具，轻易被冰粘住。

“不粘锅式”皮脂：让冰块在体表轻易滑落

后面，科学家又测试了其他两个指标，一个是疏水性，另一个是冻结延迟时间（freezing delay time）。

在疏水性上，科学家用特制显微镜（放大50倍）和微型滴管，在单根毛发上滴水珠，测量了水的接触角（contact angle）。具体来说，它是指水滴边缘的切线与固体表面之间的夹角。这个夹角的大小可以反映固体表面的性质，比如是亲水（喜欢水）还是疏水（不喜欢水）。

未清洗的北极熊毛发上的水滴示例，可见水滴呈圆形，接触角明显大于90°（约120°），表明毛发表面高度疏水。

（图片来源：参考文献[1]）

结果显示，不管是否带有皮脂，水滴在北极熊毛发的接触角都较高。在未洗过的北极熊毛发上，水的接触角约为120度，在清洗过的毛发上则是110度，水珠在上面像“站”在不粘锅上，随时准备滚走。这意味着水很难在北极熊的毛发上停留，它们抖一抖身子，水就“跑”了，哪有机会冻成冰？

而冻结延迟时间，也就是水滴在毛发上冻成冰所需的时间。结果较为分散，从70秒到600秒不等。但总体来说，不带皮脂的毛发和带有皮脂的差不多。

上述两个指标说明，北极熊皮脂的意义不在于防止水结冰（疏水性或冻结延迟），而在于使毛发上所结的冰容易脱落。打个比方，北极熊从水里出来，毛发上难免有水珠，在极寒环境下冻成冰很正常。但有了皮脂，冰就像放在不粘锅上，抖一抖就掉；没有皮脂，冰就像被胶水粘住，怎么抖都难以抖落。

（图片来源：参考文献[1]）

前文提到，北极熊的皮脂里多种成分，那么到底哪些成分是避免毛发被冻住的“最大功臣”呢？

研究团队采用密度泛函理论（DFT）进行计算。他们模拟了皮脂的主要成分和冰表面的相互作用，还用角鲨烯和氟碳化合物（PFAS，一类人工合成的有机化合物，可用作滑雪板、飞机机翼表面，减少冰的积聚）做对比。计算得到各成分在冰表面的吸附能量，单位为 kJ/mol。吸附能量越低（越负），表示与冰的结合越紧密，冰越容易粘住。

结果显示，北极熊皮脂中的二酰甘油（-28.94 kJ/mol）和胆固醇（-24.12 kJ/mol）是真正的“防粘能力贡献者”！它们的吸附能量低，和人工合成氟碳化合物结果相近（-22.19 kJ/mol），冰很难粘附在上面，这正是北极熊能在极寒环境下保持皮毛不结冰的关键。而角鲨烯的吸附能量则高得多（-102.27 kJ/mol），它简直是冰的超级粉丝，恨不得抱住不放。

这也解释了为什么北极熊毛发中不含角鲨烯。另外，如果角鲨烯确实是冰粘附的“罪魁祸首”，据此合理推测，北极海豹的皮脂可能也进化出了低角鲨烯或无角鲨烯的特性。遗憾的是，Carolan 等人的研究没分析海豹皮脂成分，目前也没有直接文献明确说海豹皮脂里有没有角鲨烯。