青蛙為什麼結凍後還能活過來？
― 只在細胞「外面」結冰，再用糖分阻止結凍過頭
棲息在北美森林的林蛙，一到冬天身體就會凍得硬邦邦。心跳和呼吸都會停止。但到了春天解凍後，牠們卻能像沒事一樣跳來跳去。人體或冷凍草莓做不到的這套本領，關鍵就在於「在哪裡結冰」和「凍到什麼程度」這兩點。
把夏天買的草莓放進冷凍庫，之後再拿出來解凍。盤子裡會積出紅色的汁液，果肉其實已經軟爛不成形了。無法恢復成結凍前那種飽滿的樣子。
另一方面，在加拿大或阿拉斯加的森林裡，青蛙會在落葉下過冬。摸起來硬得像石頭一樣，心臟也沒有在跳動。但到了春天解凍後，據說只要數小時到一天左右就會開始活動。
同樣是「生物的身體結凍」，為什麼一個會壞掉，另一個卻能恢復原狀呢？
青蛙不會壞掉的兩個原因
如果冰在細胞內部形成，尖銳的結晶會刺破細胞膜。青蛙會從體表較早、較緩慢地開始結凍，讓冰只在細胞與細胞之間的縫隙裡生長。
一開始結凍，肝臟就會一口氣製造大量糖分並輸送到全身。溶有糖分的水不容易結冰，因此能防止體內的水分全部變成冰。
這兩者都不是什麼特殊的魔法。原理和灑了鹽的路面不容易結冰一樣，都是利用「水裡溶了東西就不容易結冰」這個性質，巧妙地運用在身體裡而已。
冰「在哪裡形成」，決定了生死
生物的身體是由無數微小的細胞組成。細胞是一個薄膜包成的袋子，裡面和外面都有水。請看圖1。
左邊是像草莓那樣，緩慢結凍、連細胞內部都結冰的情況。冰的結晶像針一樣尖銳，越長越大就會從內側刺破細胞膜或細胞壁。解凍後，內容物就會從破裂的袋子裡流出來。這就是盤子裡積出的那攤汁液的真面目。
右邊是青蛙的情況。據信青蛙的體表和血液中，含有能成為結冰起點的物質。因此，在大約零下1~2℃這種還不算太冷的程度，就會先從細胞外側開始結冰。外面的水變成冰之後，剩下的水裡鹽分等物質的濃度就會變高。於是細胞內的水會被濃度較高的一側吸引，滲出到外面。細胞排出水分後縮小，內部則維持不結凍的狀態。
糖分不是為了「不結凍」，而是為了「不凍過頭」
一開始結凍，青蛙的肝臟就會急忙把儲存的澱粉類物質轉化成糖分。據報告指出，血糖濃度會上升到平常的數十倍，甚至超過100倍。
這裡有個出乎意料的地方。即使囤積了這麼多糖分，開始結凍的溫度也只下降了大約0.5℃。青蛙終究還是會結凍。那麼糖分到底發揮了什麼作用呢？
外面的水結凍得越多，剩下的水就越濃。而剩下的水，會在「達到該濃度正好開始結凍」的那個點停止繼續結凍。一開始溶解的顆粒越多，就能越早達到那個濃度。也就是說，加入糖分後，即使在同樣的低溫下，變成冰的水分比例也會減少。
請看圖2。用旋鈕調降溫度時，如果沒有糖分，體內八成以上的水分會很快變成冰。囤積了糖分的青蛙，即使在零下3℃左右，也能把結冰比例控制在六成多。據信林蛙能承受的極限，是體內水分約65%結凍的程度。糖分正是為了不超過這個上限的「煞車」。
人類的細胞既沒有只在外部結冰的機制，也沒有迅速囤積糖分的機制。手腳的組織一旦結凍，就無法恢復原狀。除了青蛙之外，已知能結凍後復活的動物還有部分昆蟲，以及北美的幼龜等。這些都被認為是在寒冷嚴苛的地區，經過長時間演化才具備的能力。
冷凍食品工廠會盡可能快速地把食材冷凍起來。快速結凍可以讓冰的結晶維持細小的狀態固化，比較不容易傷害細胞。家用冷凍庫因為結凍速度慢，結晶會長得比較大。
總結
青蛙之所以能夠結凍後還活過來，是因為冰只在細胞外形成，保護了細胞，再靠糖分把體內水分結冰的比例控制在上限之前。牠們並沒有阻止結凍本身，而是在管理「在哪裡」、「凍到什麼程度」。
不是不結凍，而是選擇怎麼結凍。
青蛙的過冬，是一門與冰「相處」的技術。
關於水即使低於0℃也不結凍的奧秘，可參考「零下20℃也不結凍的水」一文；同樣耐寒的鳥腳機制，則可參考「鴨子的腳為什麼不會凍傷」一文的解說。
- 準備兩個大小相同的杯子，一杯只裝水，另一杯裝入溶有約3大匙糖的糖水，兩杯的水量要相同。
- 放進冷凍庫，每隔1小時用湯匙戳一戳，比較結凍的程度。
- 糖水那一杯，冰和尚未結凍、黏稠殘留的液體應該會長時間混在一起。嚐嚐殘留的液體，會發現比一開始更甜。
結凍的只有水，糖分會被擠到剩下的液體中，使其濃度升高。這是把青蛙體內發生的現象，在廚房裡小規模重現的實驗。
想深入了解的人請看 ― 術語、公式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，會明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「化學」「生物」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（動物生理學・低溫生物學）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」教授、目前研究者仍在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 耐凍性：即使體內部分水分結凍也能存活的特性。林蛙就是其代表例子。
- 凝固點下降：水中若溶有其他物質，開始結凍的溫度就會低於0℃的現象。這與溶解顆粒的數量成正比。
- 細胞外結凍：冰不在細胞內部，而是只在細胞與細胞之間的縫隙中形成的結凍方式。細胞會把水排到外面而萎縮。
國中高中用公式驗證：在零下3℃時，體內水分會結凍多少比例
當外部的冰與尚未結凍的剩餘水分處於平衡狀態時，剩餘水分的凝固點恰好就是當下的溫度。利用這個關係，可以估算出不結凍、以液態殘留的水分比例。
| 用符號表示 | ΔT ＝ Kf × c 、 f ＝ c0 ÷ c ＝ ( c0 × Kf ) ÷ ΔT |
| 用文字表示 | 開始結凍溫度的下降幅度 ＝ 比例常數 × 溶解顆粒的濃度。不結凍而殘留的水分比例 ＝ 一開始的濃度 ÷ 該溫度下開始結凍的濃度 |
| 公式的由來 | 來自凝固點下降定律（稀薄溶液中，下降幅度與溶解顆粒的數量成正比），以及「溶解的顆粒不會進入冰裡，全部留在剩餘的水中」這一物質守恆關係 |
| ΔT | 開始結凍的溫度比0℃下降了多少（單位為℃）。此處等同於目前氣溫的「零下幾度」 |
| Kf | 水的莫耳凝固點下降常數。水1kg中溶解1mol顆粒時，約下降1.86℃（單位為℃・kg/mol） |
| c0 | 結凍前體液中溶解顆粒的濃度（單位為mol/kg） |
| f | 不結凍而維持液態殘留的水分比例（0～1）。結凍的比例為 1 − f |
| 水的莫耳凝固點下降常數 | 1.86 ℃・kg/mol |
| 囤積糖分前體液的濃度（參考值） | 約0.3 mol/kg |
| 結凍時增加的糖分濃度（參考值） | 據信約為0.25 mol/kg |
| 氣溫 | 零下3℃ |
| 零下3℃時開始結凍的濃度 | 3 ÷ 1.86 ≒ 1.61 mol/kg |
| 無糖分：不結凍殘留的比例 | 0.3 ÷ 1.61 ≒ 0.19 |
| 無糖分：結凍的比例 | 1 − 0.19 ＝ 0.81 |
| 有糖分的體液濃度 | 0.3 ＋ 0.25 ＝ 0.55 mol/kg |
| 有糖分：不結凍殘留的比例 | 0.55 ÷ 1.61 ≒ 0.34 |
| 有糖分：結凍的比例 | 1 − 0.34 ＝ 0.66 |
| 附帶一提：僅靠糖分使凝固點下降的幅度 | 0.25 × 1.86 ≒ 0.47 ℃ |
沒有糖分時，體內約81%的水分會結凍，大幅超過上限參考值65%。有糖分時約為66%，緊貼在上限附近。另一方面，糖分本身使開始結凍溫度下降的幅度，僅約0.5℃而已。從數字可以確認，糖分真正的作用不是「不讓水結凍」，而是「減少結凍的量」。
高中高中＋靠滲透壓，水分從細胞中流出
高中細胞膜的表現類似「半透膜」：水容易通過，但溶解的物質不容易通過。當外部的水結凍、外側濃度升高時，滲透壓的差異會使細胞內的水分移動到外面。這就是細胞萎縮的原因。
高中＋不過，萎縮過頭細胞就會損壞。一般認為，青蛙會讓糖分也進入細胞內部，藉此提高內部濃度，抑制向外流失的水量。據信外側和內側都含有糖分，對維持細胞大小非常重要。
大學抗凍保護物質與冰核的形成
在低溫生物學中，像糖分這樣能保護細胞免於結凍傷害的物質，稱為抗凍保護物質。在林蛙身上，葡萄糖是主角，尿素則被認為扮演輔助角色。據報告指出，分解肝臟中肝醣並釋放葡萄糖的反應，會在皮膚開始結凍後數分鐘內啟動。為了在較高的溫度下確實開始結冰，體液中也被認為含有能引發冰核形成的蛋白質等物質。因為一旦維持過冷狀態後突然一口氣結凍，冰就很容易在細胞內部形成。
📖 公式的推導與更深入的內容：凝固點下降（維基百科） ／ Storey & Storey (2017) 脊椎動物耐凍性的分子生理學（綜述）
研究目前尚未完全釐清的事
- 停止的心臟，為何能重新跳動？ 解凍後心臟自行重新開始跳動的契機，詳細機制至今尚未釐清。
- 阿拉斯加的青蛙，為何能耐受更低的溫度？ 有報告指出，在阿拉斯加野外，曾有個體在零下10幾℃的土壤中結凍長達數月過冬的例子。已知牠們比南方地區的個體囤積更多糖分，但這是否足以完全解釋，目前仍在研究中。
- 能否應用於人體器官的保存？ 在移植用器官長期冷凍保存的研究中，青蛙的機制被視為範本之一。不過，實際應用預計還需要一段時間。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。公式算出的比例，也只是單純根據溶解顆粒的量所做的簡易估算，實際的身體裡牽涉的因素更加複雜。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・物質的狀態變化、水溶液 | 水結凍、溶解物質不會進入冰中 |
| 高中 | 化學・稀薄溶液的性質（凝固點下降、滲透壓） | 用公式驗證、水從細胞流出的部分 |
| 高中＋ | 生物・細胞膜與物質的進出 | 糖分也進入細胞內部的部分 |
| 大學 | 動物生理學・低溫生物學 | 抗凍保護物質、冰核形成 |
| 研究 | 比較生理學・器官保存 | 心臟重新跳動、阿拉斯加的個體、器官的冷凍保存 |
| ― | 與生活的連結 | 冷凍食品的急速冷凍、解凍草莓的汁液 |
- Storey, K. B. & Storey, J. M. (2017) Molecular Physiology of Freeze Tolerance in Vertebrates. Physiological Reviews 97.
- Larson, D. J. 等 (2014) Wood frog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezing tolerance. Journal of Experimental Biology 217.
- Costanzo, J. P. & Lee, R. E. (2013) Avoidance and tolerance of freezing in ectothermic vertebrates. Journal of Experimental Biology 216.
- 維基百科「凝固點下降」（日文版）
※本文為一般科普解說。文中數值為幫助理解機制所提供的參考・概估值，實際研究結果可能有所差異。請勿捕捉野生青蛙進行結凍等實驗。