Přežití dřevomorky v mrazu

Zimní stanoviště

Žába lesní (Rana sylvatica) obývá lesy od Apalačských hor po přímořské provincie a na západě po severní Aljašku, dokonce až k polárnímu kruhu. Jejím zimovištěm je mělká nora v lesní půdě, hluboko v mrazové zóně, která je překryta listím a jiným organickým detritem. Naše studie v jižním Ohiu naznačují, že lesní žáby jsou vystaveny několika mrazovým epizodám, které obvykle trvají několik dní a vystavují žáby teplotám, které klesají až na -2° až -4 °C; v severnějších oblastech však pravděpodobně zažívají mnohem nižší teploty a delší období mrazu.

Zahájení mrznutí

Několik mechanismů zajišťuje, že lesní žáby mrznou bez rozsáhlého přechlazování. Za prvé, díky vysoké propustnosti kůže obojživelníků může led obklopující žábu okamžitě vyvolat zmrznutí tělních tekutin. V zimním útočišti žab se také nachází velké množství ledových nukleátorů, jako jsou různé minerální částice, organické kyseliny a některé mikroby, které mohou způsobit zamrznutí žáby. Laboratorní pokusy naznačují, že požití těchto látek podporuje tvorbu ledu u žab odolných vůči mrazu. Ve skutečnosti bylo ze střev zimně sbíraných lesních žab vykultivováno několik kmenů bakterií, které vykazují silnou nukleační aktivitu, což naznačuje, že tyto bakterie zůstávají zachovány po celou dobu hibernace (Lee et al. 1995). Inokulace ledem nebo ledovými jádry v zimním prostředí je pravděpodobně primárním mechanismem iniciujícím zmrznutí u obojživelníků; nejsou potřeba ledové proteiny nebo jiná endogenní ledová jádra, jaká se vyskytují u některých bezobratlých (Costanzo et al. 1999).

Stresy způsobené mrazem/rozmrazováním

Rozsáhlé zmrazení způsobuje tuhnutí tkání, zastavuje cévní oběh a zbavuje buňky kyslíku. Protože se led tvoří pouze v extracelulárních prostorech, je voda uvnitř buněk osmoticky odváděna ven, kde se připojuje k rostoucí ledové mřížce. Během tohoto procesu se buňky mohou výrazně zmenšit, což může vést k poškození membrán a strukturálních podpůrných systémů. Makromolekuly a rozpuštěné látky se stěsnají ve zmenšujícím se objemu rozpouštědla, což může mít nepříznivé důsledky. Tvorba ledu v tělních tekutinách také představuje hrozbu mechanického poškození rostoucí ledovou mřížkou, zejména v kompaktních a vysoce strukturovaných tkáních a orgánech. Ledové fronty mohou střihat a oddělovat tkáně a narušovat mezibuněčné komunikační systémy. Při tání se v extracelulárních prostorech tvoří velké kaluže zředěné tekutiny. Je třeba obnovit objem buněk, hydroosmotickou rovnováhu a energetický stav.

Schopnost odolávat mrazu

Laboratorní studie prokázaly, že žáby lesní mohou přežít: (a) zmrznutí až 65-70 % vody v jejich těle; (b) minimální tělesnou teplotu -6 °C; a (c) nepřetržité mrznutí po dobu ≥ 4 týdnů. Odolnost vůči mrazu se liší podle ročního období, protože žáby jsou nejodolnější v zimě. Tyto sezónní rozdíly ve schopnosti mrazuvzdornosti mohou částečně odrážet změny v množství kryoprotektiva, které lze vyprodukovat. Přežití závisí na pomalém zmrazování, aby se kryoprotektivní mechanismy mohly plněji projevit.

Zotavení po zmrazení

Zotavení je pozoruhodně rychlé, základní fyziologické a behaviorální funkce se obvykle vrátí během několika hodin po rozmrazení (odkaz na video s malou šířkou pásma/velkou šířkou pásma; odkaz na reportáž NOVA scienceNOW). ve spolupráci s Jackem R. Laynem, Jr. (Slippery Rock University) naše práce ukázala, že dynamika obnovy je charakterizována postupným obnovováním základních a postupně složitějších funkcí. Například srdce začne znovu bít ještě předtím, než led v těle zcela roztaje, a brzy poté se obnoví plicní dýchání a krevní oběh. Kontraktilita svalů zadních končetin se obnoví 1-2 hodiny po rozmrazení, zatímco funkce inervujícího sedacího nervu se obnoví přibližně do 5 hodin. Zatahování zadních končetin a pravý reflex se vrátí o několik hodin později a žáby obvykle vykazují normální polohu těla a koordinované motorické funkce během 14-24 hodin. Chování vyššího řádu, jako je pud k páření a namlouvání, se obnoví až po několika dnech (Costanzo et al. 1997).

Adaptace na mrazuvzdornost

Jednou z reakcí podporujících mrazuvzdornost u mrazuvzdorných žab je redistribuce až 60 % vody, která se normálně nachází v tkáních. Pitva zmrzlé žáby ukazuje, že velká část ledu je sekvestrována v lymfatickém systému a v coelomu, kde se může tvořit, aniž by poškodil citlivé tkáně a orgány (Lee et al. 1992).

Toleranci k mrazu podporuje také rychlá syntéza glukózy z jaterního glykogenu a distribuce tohoto kryoprotektivního činidla do buněk v celém těle. Nahromaděná glukóza zřejmě zvyšuje přežití buněk, tkání a orgánů, protože experimentální podávání dodatečné glukózy žábě zvyšuje její toleranci vůči zmrazení (Costanzo et al. 1993). Jednou z hlavních funkcí glukózy je zvyšování osmotického tlaku tělesných tekutin, což následně snižuje množství ledu, který se tvoří při dané teplotě. Glukóza transportovaná do buněk působí jako osmolyt, čímž snižuje stupeň smrštění buněk během mrazu, a slouží také jako zkvasitelné palivo, které lze metabolizovat za nepřítomnosti kyslíku. Jako kryoprotektivum používá žába lesní také močovinu. Na rozdíl od glukózy se močovina hromadí během podzimu a na začátku zimy a v okamžiku, kdy začíná mráz, je již lokalizována v buňkách. Některé důkazy naznačují, že močovina je v prevenci kryoinvaze účinnější než glukóza (Costanzo a Lee 2005).

Aquaporiny (AQP) a facilitační transportéry močoviny (UT) jsou dva transportní proteiny, které mají v různých organismech širokou škálu fyziologických rolí. Nedávno byly tyto proteiny nalezeny u řady anurans; jejich fyziologický význam však dosud není zcela objasněn. Abychom objasnili význam AQP a UT v osmolytové rovnováze u hibernujících žab, zkoumáme expresi těchto proteinů u žab s různým stupněm terestriálnosti. Kromě toho měříme sezónní rozdíly v expresi a také změny v úrovni exprese v reakci na stresy spojené se zimou u lesní žáby.

.