Survie au gel de la grenouille des bois
Habitat hivernal
La grenouille des bois (Rana sylvatica) habite des forêts allant des Appalaches aux provinces maritimes et à l’ouest jusqu’au nord de l’Alaska, voire jusqu’au cercle arctique. Son site d’hivernage est un terrier peu profond dans le sol de la forêt, bien à l’intérieur de la zone de gel, qui est recouvert de feuilles et d’autres détritus organiques. Nos études dans le sud de l’Ohio suggèrent que les grenouilles des bois sont soumises à plusieurs épisodes de gel qui durent généralement plusieurs jours et exposent les grenouilles à des températures qui tombent aussi bas que -2° à -4°C ; cependant, dans les régions plus septentrionales, elles connaissent probablement des températures beaucoup plus basses et des périodes de gel plus longues.
Initiation du gel
Plusieurs mécanismes font en sorte que les grenouilles des bois gèlent sans surrefroidissement important. Tout d’abord, en raison de la nature hautement perméable de la peau des amphibiens, la glace entourant la grenouille peut déclencher instantanément la congélation des fluides corporels. En outre, le refuge hivernal de la grenouille abrite une abondance d’agents de nucléation de la glace, tels que diverses particules minérales, des acides organiques et certains microbes, qui peuvent provoquer la congélation de la grenouille. Des expériences en laboratoire suggèrent que l’ingestion de ces agents favorise la formation de glace chez les grenouilles tolérantes au gel. En fait, plusieurs souches de bactéries exprimant une puissante activité de nucléation de la glace ont été cultivées à partir des intestins de grenouilles des bois collectées en hiver, ce qui indique que ces bactéries sont conservées tout au long de l’hibernation (Lee et al. 1995). L’inoculation par la glace ou les agents de nucléation de la glace dans l’environnement hivernal est probablement le principal mécanisme initiant la congélation chez les amphibiens ; il n’y a pas besoin de protéines de nucléation de la glace ou d’autres noyaux de glace endogènes, comme on en trouve chez certains invertébrés (Costanzo et al. 1999).
Stress du gel/dégel
Une congélation intensive solidifie les tissus, arrête la circulation vasculaire et prive les cellules d’oxygène. Comme la glace ne se forme que dans les espaces extracellulaires, l’eau à l’intérieur des cellules est osmotiquement attirée vers l’extérieur où elle rejoint le réseau de glace en croissance. Au cours de ce processus, les cellules peuvent rétrécir considérablement, ce qui peut endommager les membranes et les systèmes de soutien structurel. Les macromolécules et les solutés s’entassent dans un volume de solvant qui diminue, ce qui peut avoir des conséquences néfastes. La formation de glace dans les fluides corporels représente également une menace de blessure mécanique par le réseau de glace en expansion, en particulier dans les tissus et organes compacts et hautement structurés. Les fronts de glace peuvent cisailler et séparer les tissus, perturbant les systèmes de communication intercellulaire. Lors de la décongélation, de grands bassins de liquide dilué se forment dans les espaces extracellulaires. Le volume cellulaire, l’équilibre hydroosmotique et l’état énergétique doivent être restaurés.
Capacité de tolérance au gel
Des études de laboratoire ont montré que les grenouilles des bois peuvent survivre : (a) au gel de jusqu’à 65-70% de leur eau corporelle ; (b) à une température corporelle minimale de -6°C ; et (c) à un gel ininterrompu pendant ≥ 4 wk. La tolérance au gel varie selon les saisons, les grenouilles étant plus résistantes en hiver. Cette variation saisonnière de la capacité de tolérance à la congélation peut refléter en partie des changements dans la quantité de cryoprotecteur qui peut être produite. La survie dépend d’une congélation lente afin que les mécanismes cryoprotecteurs puissent s’exprimer plus pleinement.
Récupération après congélation
La récupération est remarquablement rapide, les fonctions physiologiques et comportementales de base revenant généralement dans les quelques heures qui suivent la décongélation (lien vers la vidéo à faible bande passante / haute bande passante ; lien vers le reportage de NOVA scienceNOW).En collaboration avec Jack R. Layne, Jr. En collaboration avec Jack R. Layne Jr. (Université de Slippery Rock), nos travaux ont montré que la dynamique de récupération est caractérisée par la restauration séquentielle de fonctions fondamentales et progressivement plus complexes. Par exemple, le cœur recommence à battre avant même que la glace du corps ait complètement fondu, et la respiration pulmonaire et la circulation sanguine sont rétablies peu après. La contractilité des muscles des membres postérieurs revient 1 à 2 heures après la décongélation, tandis que la fonction du nerf sciatique qui les innerve est rétablie en 5 heures environ. Les réflexes de rétraction des membres postérieurs et de redressement reviennent plusieurs heures plus tard et les grenouilles présentent généralement des postures corporelles normales et des fonctions motrices coordonnées en 14 à 24 heures. Les comportements d’ordre supérieur, tels que la pulsion d’accouplement et le comportement de cour, ne sont pas rétablis avant au moins plusieurs jours plus tard (Costanzo et al. 1997).
Adaptations de la tolérance au gel
Une réponse favorisant la tolérance au gel chez les grenouilles tolérantes au gel est la redistribution de jusqu’à 60% de l’eau normalement présente dans les tissus. La dissection d’une grenouille des bois gelée révèle qu’une grande partie de la glace est séquestrée dans le système lymphatique et dans le cœlom, où elle peut se former sans endommager les tissus et les organes délicats (Lee et al. 1992).
La tolérance au gel est également favorisée par la synthèse rapide du glucose à partir du glycogène hépatique et la distribution de cet agent cryoprotecteur aux cellules de tout le corps. Le glucose accumulé améliore apparemment la survie des cellules, des tissus et des organes car l’administration expérimentale de glucose supplémentaire à la grenouille augmente sa tolérance à la congélation (Costanzo et al. 1993). L’une des principales fonctions du glucose est d’augmenter la pression osmotique des fluides corporels, ce qui réduit la quantité de glace qui se forme à une température donnée. Le glucose transporté dans les cellules agit comme un osmolyte, diminuant le degré de rétraction des cellules pendant la congélation, et sert également de combustible fermentescible qui peut être métabolisé en l’absence d’oxygène. La grenouille des bois utilise également l’urée comme cryoprotecteur. Contrairement au glucose, l’urée s’accumule en automne et au début de l’hiver, et est déjà localisée dans les cellules lorsque la congélation commence. Certaines preuves suggèrent que l’urée est plus efficace que le glucose pour prévenir les cryo-blessures (Costanzo et Lee 2005).
Les aquaporines (AQP) et les transporteurs d’urée facilitateurs (UT) sont deux protéines transporteuses qui ont été impliquées dans un large éventail de rôles physiologiques dans divers organismes. Récemment, ces protéines ont été trouvées dans une variété d’anoures ; cependant, leur signification physiologique n’est pas encore complètement comprise. Afin d’élucider l’importance des AQP et des UT dans l’équilibre osmolytique chez les grenouilles hibernantes, nous examinons l’expression de ces protéines chez des grenouilles présentant différents degrés de terrestrialité. De plus, nous mesurons les variations saisonnières de l’expression, ainsi que les changements des niveaux d’expression en réponse aux stress liés à l’hiver, chez la grenouille des bois.