一、研究冷冻灾害及其防治措施
（一）探索冷冻灾害的新信息
1．研究预测雪崩灾害的新方法
制造雪崩场景来进行灾害预测。[107]2015年2月3日，《每日邮报》报道，瑞士积雪研究所科学家组成的一个研究小组，利用炸药在瑞士西昂附近的锡安山谷引发大规模雪崩，希望借此来研究和预测雪崩事件。与此同时，勇敢的摄影师抓拍到许多雪崩的壮观场景。
照片显示，大量积雪以时速80公里的速度冲下山坡，而科学家们就在雪崩途经附近的掩体中观察。研究人员还使用地震传感器记录可引发雪崩的地面震动情况。与此同时，摄影人员抓拍到宛如银河奔泻的雪崩场景，以方便与地震数据对比，从而评估雪崩规模大小。此外，研究人员还分别收集雪崩前、雪崩发生时以及雪崩后的积雪温度数据。
研究人员希望能够了解更多有关雪崩形成的情况。他们认为，“板状雪崩”是最致命的雪崩，其会引发大量积雪急速崩泻。而最大的雪崩是粉雪崩，时速可达300公里，雪量可达1000万吨。
2．长期持续观测和研究雪崩灾害
数十年坚持在雪崩最频繁峡谷中观测和研究雪崩现象。[108]2018年12月11日，《中国科学报》报道，在常人的思维中，都是要居住在远离雪崩的地方；雪崩发生时，要尽量逃离。而有这样一群人，却常年坚守在雪崩最频繁发生的天山深处，一守就是50多年。他们严密监测山谷降雪和积雪的变化情况，绘制出我国天山山区公路雪崩（风吹雪）危险区分布图，并且通过分析气候变化，结合当地地形地貌，进行灾害预防和治理研究。
我国唯一一座中科院积雪雪崩研究站，坐落在海拔1776米的天山深处，巩乃斯河从旁边流过。这里冬季降雪频繁，雪期大于150天，雪最深处超过150厘米。以研究站为原点，上下12公里，都是雪崩危害地段，也是野外观测和研究雪崩的绝佳地段。
经过数十年坚持不懈的野外观测及相关研究，科学家在此建立了观测设备齐全先进的气象观测场，雪崩冲击力测量仪、雪层温度热流测量仪、水质分析仪、积雪特征仪等设备一应俱全，还建立了雪害防治工程试验场、雪崩冲击力试验沟槽和雪化学实验室。研究站取得的多项科研成果都获得了国家级嘉奖，成为在国际上具有一定知名度的专业研究机构。
（二）探索防治冷冻灾害的新措施
1．研制防治公路积雪危害的新方法
开发出有助于设计防积雪公路的新软件。[109]2009年2月11日，美国媒体报道，日前，美国布法罗大学建筑工程师斯图尔特领导的研究小组，开发出一款名为“雪人”的交通设施建设方面的专用软件，有助于设计防积雪公路，并帮助护路人员准确设置挡雪栅栏。
斯图尔特说，为减轻积雪阻断公路的风险，护路人员通常会在公路两侧出现积雪频率最高的地段，设置塑料或木制的挡雪栅栏，这种栅栏能起到阻隔风雪和防止形成雪堆的作用。风夹着雪粒遇到栅栏的阻挡后，相当一部分雪粒会落在栅栏外侧，从而使栅栏另一侧的路面不易出现大量积雪。
通常来说，护路人员是依靠经验，决定在哪些路段和以怎样的形式设置挡雪栅栏。为了更准确和有效地设置栅栏，护路人员需要获取特定路段雪量和风速等方面的准确气象数据，然后通过计算确定挡雪栅栏的适宜位置和高度。
斯图尔特说，“雪人”软件能够综合各种气象数据，基于流体力学原理对雪粒随风飘动和散落的细节进行分析，从而使护路人员和设计人员能根据不同天气状况，精确设置和调整挡雪栅栏的位置和高度。
2．研制防治冷冻灾害的耐极寒新材料
⑴研发出耐极寒有机粘接剂。[110]2019年4月8日，俄罗斯科学院乌拉尔分院网站报道，该分院彼尔姆联邦研究中心技术化学研究所一个研究小组，在《乌拉尔科学报》上发表研究成果称，他们研发出新型有机粘接剂，该粘接剂兼具聚氨酯和环氧酯的特点，耐潮、耐寒、可承受更高的载荷，适合于极地条件下的工业化应用。
由于聚合物材料的性能取决于其玻璃化温点，当温度低于玻璃化温点时，材料具有极大的脆性，所以材料的玻璃化温点越低，其各类性能指标特别是力学性能越好。
研究人员首先选取聚合物类的代表材料聚氨酯进行研究，确定了其玻璃化温点低于零下70℃的成分组成，考虑到环氧基粘接剂具有极好的金属粘接结合性能，研究人员采用化学方法把环氧基“搭接在”所研发聚氨酯低聚物分子链上，这样获得材料的一端为聚氨酯，而另一端则为环氧基，由此把这两种材料的性能结合起来。如此研发的粘接剂，既具有耐极寒性，同时又具有极好的金属粘接结合性能，可应用于俄罗斯所实施的北极开发项目中。
该所现已研发出此类耐极寒有机粘接剂的若干成分配方，并进行了粘接剂的力学和工艺性能研究。考虑到北极开发使用的苛刻要求，研究人员设计并制造了粘接剂性能测试专用平台，以便进一步检测粘结剂的抗振性、抗交变载荷性等一系列参数指标。
该项目的研发，是在乌拉尔分院实施的“北极”科研计划框架内进行的，并得到了俄联邦“2014～2020年俄罗斯科技发展优先领域研发”专项计划的资金支持。
⑵研制出能耐极寒和酷热的新型锂离子电池。[111]2022年7月，美国加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授陈政等人组成的一个研究团队，在美国《国家科学院学报》上发表研究成果称，他们开发出一种锂离子电池，它在极寒和酷热的温度下表现良好，同时还能储存大量电能。
陈政说，这种电池可让寒冷气候下的电动汽车一次充电就能行驶更远；还可减少对冷却系统的需求，以防止车辆的电池组在炎热气候下过热。
在测试中，概念验证电池在零下40℃和50℃温度中，分别保留了87.5%和115.9%的电能容量。在这些温度下，它们还分别具有98.2%和98.7%的高库仑效率，这意味着电池在停止工作之前，可进行更多的充电和放电循环。
研究人员此次开发了一种优良的电解质，这种电解质既耐寒又耐热，而且与高能阳极和阴极兼容。电解质由二丁醚与锂盐混合而成的溶液制成。二丁基醚的一个特点，是其分子与锂离子的结合较弱，当电池运行时，电解质分子很容易释放锂离子。
这种电解质的另一个特别之处，在于它与锂硫电池兼容。锂硫电池是下一代电池技术的重要组成部分，因为它们有望实现更高的能量密度和更低的成本。但锂硫电池的阴极和阳极都具有超强反应性。在高温下，锂金属阳极容易形成称为枝晶的针状结构，可刺穿电池的某些部分，导致电池短路。结果，锂硫电池只能持续数十次循环。
二丁基醚电解质可防止这些问题，即使在高温和低温下也是如此。他们测试的电池比典型的锂硫电池具有更长的循环寿命。研究团队还通过把硫阴极接枝到聚合物上，来设计更稳定的硫阴极。这可以防止更多的硫溶解到电解液中。
研究人员表示，下一步研究工作将包括扩大电池化学成分、优化电池以使其在更高的温度下工作，以及进一步延长循环寿命。
二、研究生物防冷抗冻功能的新成果
（一）探索生物防冷抗冻蛋白质及酶的新信息
1．研究生物防冷抗冻蛋白质的新进展
⑴在雪蚤身上发现防冻蛋白质。[112]2005年10月，加拿大安大略金斯敦奎恩大学生物化学专家劳里·格雷汉姆、皮特·戴维斯等人组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们在厚厚的积雪下面的菌类上，发现雪蚤仍能存活。是什么让这种小东西不被冻死呢？原来雪蚤身上有一种独特的“防冻剂”。
研究人员认为，如果把这种物质应用于农业或者器官移植手术，农作物和牲畜就可以不再害怕霜冻和寒流，捐献者用于移植的器官，也就可以在低温状态下保存和运输，器官移植的成功率将大大提高。
长着6条腿的雪蚤，只有1至2毫米长，没有翅膀。它们还被称为“跳虫”，因为它们的腹部有一个被称为“弹器”的“弹簧”，可以让它们从捕食者边上迅速逃走。
研究人员说，这种雪蚤的体内含有一种蛋白质，可以通过使体液的凝固点，降低6℃的方法，抑制冰的形成。这一研究的一个实际应用，就是可以让移植器官保存在较低的温度下，以便保存得更长。
格雷汉姆说：“如果你能得到大量的这种物质，或者能够用这种防冻蛋白质，获得一个基本的保护方法，并将器官浸在里面，那以你就可以用较低的温度保存这个器官，而防冻剂会保护器官不会被冻坏。理论上讲，通过这种防冻蛋白质，我们可以将一个器官，保存在零下6℃以下，这就有希望让移植器官保存更长的时间。”
她说，冷冻食品也可以从这一发现中获益。她从雪蚤中提取的这种防冻蛋白质，可以用来抑制冻灼。另外一种可能的应用是用于农业，让果树在遭到寒流突然袭击时不被冻死。格雷汉姆说：“如果你能够通过基因改良易受霜冻影响的农作物的话，你就能够制造出对冷冻不太敏感的作物。”
格雷汉姆和她的同事戴维斯发现，从雪蚤中发现的防冻蛋白质，与从甲早虫和蛾子中发现的防冻蛋白质不同，他们从而得出一个结论，那就是这些防冻蛋白质，在雪蚤身体得到了独立的发展。格雷汉姆说：“这可能是由于新的环境的气候变化和有机体受到了挑战而导致的结果。”雪蚤没有翅膀，是弹尾虫的一个类别，与咬人的跳蚤没有什么关系。
⑵研究发现一些生物防冻蛋白质阻止结冰的机理。[113]2007年3月6日，在美国物理学会上，一个由美国俄亥俄大学、加拿大女王大学生物化学和生物学专家组成的研究小组，宣布了一项研究成果，他们观察到一些生物防冻蛋白质的运行过程，揭示了它们阻止结冰的机理。这一发现，将来可望用于医疗、农业以及食品加工行业等许多领域。
在很多动物体内，都存在防冻蛋白，包括一些鱼类、昆虫、植物、真菌以及细菌等，它们会结合在冰晶的表面，从而阻止冰晶的进一步生长，这样就能保护生物不会被冻死。但是科学家一直不太清楚为什么有些生物蛋白，例如在美国和加拿大常见云杉蚜虫的蛋白，要比其他生物的更活跃。
现在，该研究小组利用荧光显微镜，发现了这种活跃的蛋白质是如何保护蚜虫细胞的。在这项研究中，研究人员在实验室把蚜虫以及鱼类的防冻蛋白，先分别用荧光物标记。再用一种荧光显微技术，观察这些蛋白质如何与冰晶表面相互作用。结果发现，蚜虫体内的蛋白，能阻止冰晶向某一特定方向生长，而鱼类蛋白的这一作用则相对较弱。
研究人员表示，防冻蛋白，特别是这些在云杉蚜虫体内找到的非常活跃的蛋白质种类，将会有多种可能的用途。它们可用来保护器官移植过程中的器官以及组织，也能用于防止冻伤。防冻蛋白还能阻止冰淇淋中冰晶结构的生长，这一技术，目前已经被某些食品制造商使用，同时还可以防止农作物受到霜冻的伤害。
⑶揭开南极鱼类防冷抗冻糖蛋白的作用机制。[114]2010年8月23日，德国波鸿大学发表公报说，该校研究人员与美国同行合作，以南极鳕鱼血液中的防冷抗冻糖蛋白为研究对象，揭开了南极鱼类蛋白的防冷抗冻机制。这一成果，已发表在近期《美国化学学会期刊》上。
研究人员发现，这种蛋白可对水分子产生一种水合作用，能阻止液体冰晶化，而且其作用在低温时比在室温时更加显著。这就是南极鱼类能够在0℃以下的冰洋中自在游动的原因。
研究人员观察了防冷抗冻糖蛋白与水分子的运动现象。一般情况下，水分子会不规律地“跳动”且不稳定，但有防冷抗冻糖蛋白存在时，水分子会较规律地“跳动”且稳定，就像由迪斯科变成了小步舞曲。
一般鱼类血液的凝点，在零下0.9℃左右。而由于盐降低了海水的冰点，南极海水可低至零下4℃。正是依靠防冷抗冻糖蛋白的特殊作用，南极鱼类能在低温环境下照常游动。
2．研究生物防冷抗冻酶的新进展
发现有望用于培育防冷抗冻作物的酶。[115]2018年10月，西澳大利亚大学植物学家尼古拉斯·泰勒、桑德拉·克布勒等人组成的一个研究小组，在英国《新植物学家》杂志上发表论文说，他们最新发现，植物在遇到低温时会放缓生长的现象，实际上与植物细胞中一种参与能量生产的酶，紧密相关。这一发现，有望用于培育防冷抗冻作物，以减少农业损失。
三磷酸腺苷(ATP)是生物细胞中储存和释放能量的核心物质。研究人员说，他们研究发现，在接近冰点的环境中，植物细胞中产生的三磷酸腺苷会减少，进而导致植物生长放缓。
进一步研究发现，细胞内催化合成三磷酸腺苷的“三磷酸腺苷合酶”，在其中发挥了关键作用。泰勒说：“先前一些研究认为，植物对低温敏感主要源自细胞中有关能量生产的一些其他物质，但我们惊奇地发现，三磷酸腺苷合酶才是关键因素。”
泰勒认为，随着气候不断变化，理解植物如何对温度做出反应变得越来越重要。克布勒说：“这项新发现，对农业生产以及将来培育防冷抗冻作物具有重要意义，更好地了解植物的能量生产如何随温度变化而变化，将有助于我们培育更适应气候变化的植物。”
（二）探索生物防冷抗冻基因的新信息
1．研究植物防冷抗冻基因的新发现
从南极草中发现一种防冷抗冻基因。[116]2006年4月10日，有关媒体报道，澳大利亚维多利亚州拉特比大学的戈尔曼•斯格伯克教授、维多利亚州技术创新部负责人约翰•博伦等人组成的一个研究小组宣布，他们发现一种能让南极草在零下30℃的环境中生存的防冷抗冻基因。防冷抗冻基因的应用，有望使农作物经受住严寒的冰霜，由此可避免每年几百万美元的农业经济损失。
防冷抗冻基因，又称冰结晶抑制基因。斯格伯克介绍说，他们是从一种移居南极洲半岛的叫“南极草”中，发现这种防冷抗冻基因的。防冷抗冻基因能够保证植物阻止冰水结晶生长，具有防冷抗冻基因的植物，可以在冰封的环境中存活，并具有让冰融化的能力。同时，研究人员就这种防冷抗冻基因，对农作物进行转基因移植试验，发现转入防冷抗冻基因的作物，显示出较好的防冷抗冻特性。斯格伯克说，转基因试验情况说明，防冷抗冻基因可以广泛用于改进农作物和树木的防冷抗冻性能。
维多利亚州技术创新部负责人约翰•博伦比表示，有关防冷抗冻基因的发现与应用，将有助于避免农作物因冰霜而造成的经济损失。目前全球每年有5%～15%的农业产量损失，是由于冰霜引起的。随着对防冷抗冻基因功能的深入研究，可以预计，人们在未来几年内，将会更多地看到，有关农作物抗冰霜技术的进一步开发与应用。
2．研究动物防冷抗冻基因的新进展
通过果蝇基因研究揭示耐寒性进化之谜。[117]2017年4月，德国癌症研究中心专家奥雷利奥·泰勒曼、亚历山德拉·莫拉鲁等人组成的一个研究小组，在《发育细胞学》杂志上发表论文称，科学家曾假设，向更高、更冷的纬度地区迁移，可能导致进化出更快速度的新陈代谢，以便在寒冷条件下保持细胞温暖，以促进耐寒性，提高防冷抗冻能力。近日，他们研究发现了一个名为THADA的基因，有助于果蝇燃烧脂肪中的能量。当关闭果蝇体内的该基因后，它们开始变得肥胖，并且消耗的能量开始减少。
泰勒曼说：“当你恢复THADA后，细胞便储存更少的脂肪，并燃烧更多能量。这是一个新陈代谢调节器，能影响身体在储存能量和消耗能量间的平衡。”
研究人员把肥胖果蝇放入冷藏间，以便研究其反应，结果发现它们由于缺乏防冷抗冻能力，难以应对寒冷环境。在几近冷冻的温度下，果蝇“昏倒了”，但当研究人员将冻僵的果蝇移入温暖房间后，THADA敲除的果蝇需要更长时间苏醒。这一结果让研究人员惊讶不已。莫拉鲁说：“我们曾怀疑肥胖动物有更好的保温能力，并且更耐寒，但该研究显示，它们对寒冷更敏感。”
但科学家表示，那些新陈代谢更慢的果蝇，需要更长时间从寒冷中恢复过来，这也与热带纬度和肥胖有关。相比寒冷地区，在更温暖区域，燃烧脂肪产生的热量对生存没那么重要。而新陈代谢更慢的肥胖果蝇则燃烧更少脂肪，因此难以很快适应寒冷环境。
研究人员还指出，果蝇和人类存在很大区别，因此难以比较肥胖人类和果蝇的脂肪储存情况。但人们有理由认为，人和果蝇的新陈代谢机制在细胞水平上非常相似。之前有研究鉴别出果蝇体内的新陈代谢基因是人类肥胖预报器。
研究人员发现，被敲除THADA的肥胖果蝇，在被恢复THADA机能或被加入人类THADA后都能苏醒。这暗示THADA对人和果蝇均有相似的新陈代谢影响。
（二）培育防冷抗冻农作物的新信息
1．开发出抗寒转基因水稻新品种[118]
2005年8月21日，日本北海道农业研究所研究员佐藤裕郎，在日本育种学会年会上宣布，他领导的研究小组，成功开发出在低温下，可以产生大量花粉并结出稻粒的抗寒转基因水稻新品种。
水稻遇到寒冷气候容易出现生长迟缓，收成会受到严重影响，目前的抗低温水稻大多没有太强的抗寒能力。该研究小组把目光集中于小麦为了抗寒而合成的一种果聚糖，从小麦中提取出合成这种果聚糖酶的基因，然后植入水稻的染色体，进而开发出新的水稻品种。研究人员把这种转基因水稻，与现有水稻品种在12℃低温环境下放置一段时间后，转基因水稻只减产30%，而一般水稻要减产70%。
研究人员认为，之所以出现这样的结果，是因为果聚糖在植物细胞内时，可以保护蛋白质等不受寒冷的侵害。
2．成功培育抗冷和抗旱的双季早粳稻新品种[119]
2021年7月19日，《科技日报》报道，当天双季早粳水稻新品种“中科发早粳1号”测产现场会，在江西省上高县举行。200亩的示范田里，金色稻浪翻滚，在机插秧、人工插秧、直播和抛秧四种栽培模式下，“中科发早粳1号”均表现优异，其中人工抛秧种植田和机插秧种植田平均亩产567.64公斤。它不仅产量创出新高，而且在苗期抗冷、抗旱，成熟期抗穗发芽等农艺性状中表现突出。
我国是共有13个省种植双季早稻，全部分布在南方低纬度地区。然而，我国所有的双季早稻品种均为籼稻，目前国家设立的双季早稻品种审定组只有早籼组。早籼稻是在3月中下旬播种，7月中下旬收获的南方籼稻品种。早籼稻品种，尤其是长江中下游的品种由于整体品质较差，大部分作为储备粮或工业用粮使用。
中科院遗传与发育生物学研究所李家洋院士说：“这一新品种实现了我国双季早粳稻‘零的突破’，填补了双季早粳品种在我国水稻生产中的空白，这意味着，今后我们可以提前一个季度吃上好吃的新粳米了。”
