A fabéka fagyos túlélése
Téli élőhely
A fabéka (Rana sylvatica) az Appalache-hegységtől a tengerparti tartományokig, nyugaton Alaszka északi részéig, sőt a sarkkörig terjedő erdőkben él. Túlélőhelye az erdő talajában, jóval a fagyzónán belül található sekély üreg, amelyet levelek és más szerves törmelék borít. Az Ohio déli részén végzett vizsgálataink arra utalnak, hogy az erdei békák több fagyási epizódnak vannak kitéve, amelyek jellemzően több napig tartanak, és a békákat akár -2° -4°C-os hőmérsékletnek is kiteszik; az északabbra fekvő régiókban azonban valószínűleg sokkal alacsonyabb hőmérsékleteket és hosszabb fagyos időszakokat tapasztalnak.
A fagyás megindulása
Egyes mechanizmusok biztosítják, hogy az erdei békák kiterjedt szuprahűlés nélkül fagynak meg. Először is, a kétéltűek bőrének nagyfokú áteresztő képessége miatt a békát körülvevő jég azonnal beindíthatja a testnedvek megfagyását. Emellett a béka téli menedékhelyén rengeteg jégmagképző anyag, például különböző ásványi részecskék, szerves savak és bizonyos mikrobák találhatók, amelyek a béka megfagyását okozhatják. Laboratóriumi kísérletek arra utalnak, hogy ezen anyagok lenyelése elősegíti a jégképződést a fagytűrő békákban. Valójában több olyan baktériumtörzset tenyésztettek ki a télen gyűjtött erdei békák beleiből, amelyek erős jégcsíraképző aktivitást fejtenek ki, ami arra utal, hogy ezek a baktériumok a téli álom alatt is megmaradnak (Lee és mtsai. 1995). A téli környezetben a jég vagy jégmagképző ágensek általi beoltás valószínűleg a kétéltűek fagyását elindító elsődleges mechanizmus; nincs szükség jégmagképző fehérjékre vagy más endogén jégmagokra, mint amilyenek egyes gerincteleneknél találhatók (Costanzo et al. 1999).
Fagyási/olvadási stressz
A kiterjedt fagyás megszilárdítja a szöveteket, leállítja az érrendszeri keringést és megfosztja a sejteket az oxigéntől. Mivel a jég csak az extracelluláris terekben képződik, a sejtekben lévő víz ozmotikusan kifelé húzódik, ahol csatlakozik a növekvő jégrácshoz. E folyamat során a sejtek jelentősen zsugorodhatnak, ami a membránok és a strukturális támasztórendszerek károsodásával járhat. A makromolekulák és az oldott anyagok összezsúfolódnak a csökkenő oldószertérfogatban, ami esetleg káros következményekkel járhat. A testfolyadékokon belüli jégképződés a növekvő jégrács által okozott mechanikai sérülés veszélyét is magában hordozza, különösen a kompakt és erősen strukturált szövetekben és szervekben. A jégfrontok nyírhatják és szétválaszthatják a szöveteket, megzavarva a sejtek közötti kommunikációs rendszereket. Felolvadáskor az extracelluláris terekben nagy híg folyadéktócsák képződnek. A sejtek térfogatát, hidroozmotikus egyensúlyát és energiaállapotát helyre kell állítani.
Fagytűrő képesség
Laboratóriumi vizsgálatok kimutatták, hogy az erdei békák képesek túlélni: (a) testvizük 65-70%-ának megfagyását; (b) -6°C-os minimális testhőmérsékletet; és (c) ≥ 4 hetes megszakítás nélküli fagyasztást. A fagytűrés évszakonként változik, mivel a békák télen a legkeményebbek. A fagyasztástűrő képesség ilyen szezonális változása részben a termelhető krioprotektáns mennyiségének változását tükrözheti. A túlélés a lassú fagyasztástól függ, hogy a krioprotektív mechanizmusok teljesebben kifejeződhessenek.
Fagyasztásból való felépülés
A felépülés figyelemre méltóan gyors, az alapvető fiziológiai és viselkedési funkciók általában a kiolvasztást követő néhány órán belül visszatérnek (link a videóhoz alacsony sávszélesség/magas sávszélesség; link a NOVA scienceNOW történetéhez).In collaboration with Jack R. Layne, Jr. (Slippery Rock University), munkánk kimutatta, hogy a helyreállítás dinamikáját az alapvető és a fokozatosan összetettebb funkciók egymást követő helyreállítása jellemzi. A szív például még azelőtt újra ver, hogy a testben lévő jég teljesen elolvadt volna, a tüdőlégzés és a vérkeringés pedig hamarosan helyreáll. A hátsó végtagok izmainak összehúzódási képessége 1-2 órával a felolvasztás után tér vissza, míg a nervus ischiaticus innerváló funkciója körülbelül 5 órán belül helyreáll. A hátsó végtagok visszahúzódása és a jobbrafordító reflexek néhány órával később visszatérnek, és a békák általában 14-24 órán belül normális testtartást és koordinált motoros funkciókat mutatnak. A magasabb rendű viselkedések, mint például a párzási vágy és az udvarlási viselkedés, csak legalább néhány nappal később állnak helyre (Costanzo et al. 1997).
Fagytűrő adaptációk
A fagytűrő békák egyik, a fagytűrést elősegítő válasza a szövetekben normális esetben található víz akár 60%-ának újraelosztása. A fagyott erdei béka boncolása azt mutatja, hogy a jég nagy része a nyirokrendszerben és a coelomban van elzárva, ahol a kényes szövetek és szervek károsodása nélkül képződhet (Lee és mtsai. 1992).
A fagytűrést elősegíti a glükóz gyors szintézise a máj glikogénjéből és ennek a krioprotektív anyagnak a szétosztása az egész test sejtjei között. A felhalmozott glükóz nyilvánvalóan fokozza a sejtek, szövetek és szervek túlélését, mert kísérleti úton további glükóz beadása a békának növeli a fagyasztástűrést (Costanzo és mtsai. 1993). A glükóz egyik elsődleges funkciója, hogy növeli a testnedvek ozmotikus nyomását, ami viszont csökkenti az adott hőmérsékleten képződő jég mennyiségét. A sejtekbe szállított glükóz ozmolitként működik, csökkentve a sejtek zsugorodásának mértékét a fagyás során, és emellett fermentálható üzemanyagként is szolgál, amely oxigén hiányában is metabolizálható. Az erdei béka a karbamidot is használja krioprotektív anyagként. A glükózzal ellentétben a karbamid ősszel és a tél elején halmozódik fel, és a fagyasztás kezdetekor már a sejtekben van. Bizonyos bizonyítékok arra utalnak, hogy a karbamid hatékonyabb, mint a glükóz a kriokárosodás megelőzésében (Costanzo és Lee 2005).
Az akvaporinok (AQP-k) és a facilitatív karbamid-transzporterek (UT-k) két olyan transzporterfehérje, amelyek számos élettani szerepet játszanak különböző szervezetekben. A közelmúltban ezeket a fehérjéket számos anuránban megtalálták, fiziológiai jelentőségük azonban még nem teljesen ismert. Annak érdekében, hogy tisztázzuk az AQP-k és az UT-k jelentőségét a téli álmot alvó békák ozmolit-egyensúlyában, e fehérjék expresszióját vizsgáljuk különböző fokú terebélyes békákban. Emellett mérjük az expresszió szezonális változásait, valamint az expressziós szintek változását a télhez kapcsolódó stresszhatásokra adott válaszként az erdei békában.