Sopravvivenza al gelo della rana del legno
Habitat invernale
La rana del legno (Rana sylvatica) abita le foreste che vanno dagli Appalachi alle province marittime e ad ovest dell’Alaska settentrionale, fino al Circolo Polare Artico. Il suo sito di svernamento è una tana poco profonda nel pavimento della foresta, ben all’interno della zona di gelo, che è ricoperta da foglie e altri detriti organici. I nostri studi nell’Ohio meridionale suggeriscono che le rane del bosco sono soggette a diversi episodi di congelamento che in genere durano diversi giorni ed espongono le rane a temperature che scendono fino a -2° -4°C; tuttavia, in regioni più settentrionali probabilmente sperimentano temperature molto più basse e periodi più lunghi di gelo.
Inizio del congelamento
Diversi meccanismi assicurano che le rane del bosco congelino senza super raffreddamento in modo estensivo. In primo luogo, a causa della natura altamente permeabile della pelle degli anfibi, il ghiaccio che circonda la rana può immediatamente innescare il congelamento dei fluidi corporei. Inoltre, il rifugio invernale della rana ospita un’abbondanza di agenti che nucleano il ghiaccio, come vari particolati minerali, acidi organici e alcuni microbi, che possono causare il congelamento della rana. Esperimenti di laboratorio suggeriscono che l’ingestione di questi agenti promuove la formazione di ghiaccio nelle rane tolleranti al congelamento. Infatti, diversi ceppi di batteri che esprimono una potente attività di nucleazione del ghiaccio sono stati coltivati dall’intestino di rane di legno raccolte in inverno, indicando che tali batteri sono conservati durante l’ibernazione (Lee et al. 1995). L’inoculazione da parte del ghiaccio o di agenti che nucleano il ghiaccio nell’ambiente invernale è probabilmente il meccanismo primario che avvia il congelamento negli anfibi; non c’è bisogno di proteine di nucleazione del ghiaccio o di altri nuclei di ghiaccio endogeni, come si trovano in alcuni invertebrati (Costanzo et al. 1999).
Stress da congelamento/scongelamento
Il congelamento estensivo solidifica i tessuti, arresta la circolazione vascolare e priva le cellule di ossigeno. Poiché il ghiaccio si forma solo negli spazi extracellulari, l’acqua all’interno delle cellule è osmoticamente attirata all’esterno dove si unisce al crescente reticolo di ghiaccio. Durante questo processo le cellule possono ridursi sostanzialmente, potenzialmente con danni alle membrane e ai sistemi di supporto strutturale. Le macromolecole e i soluti si affollano in un volume di solvente in diminuzione, forse con conseguenze negative. La formazione di ghiaccio all’interno dei fluidi corporei pone anche la minaccia di lesioni meccaniche da parte del crescente reticolo di ghiaccio, in particolare in tessuti e organi compatti e altamente strutturati. I fronti di ghiaccio possono tagliare e separare i tessuti, interrompendo i sistemi di comunicazione intercellulari. Allo scongelamento, negli spazi extracellulari si formano grandi bacini di fluido diluito. Il volume cellulare, l’equilibrio idroosmotico e lo stato energetico devono essere ripristinati.
Capacità di tolleranza al congelamento
Studi di laboratorio hanno dimostrato che le rane di legno possono sopravvivere: (a) il congelamento fino al 65-70% della loro acqua corporea; (b) una temperatura corporea minima di -6°C; e (c) un congelamento ininterrotto per ≥ 4 settimane. La tolleranza al congelamento varia stagionalmente poiché le rane sono più resistenti durante l’inverno. Tale variazione stagionale nella capacità di tolleranza al congelamento può in parte riflettere i cambiamenti nella quantità di crioprotettore che può essere prodotto. La sopravvivenza dipende dal congelamento lento in modo che i meccanismi crioprotettivi possano essere più pienamente espressi.
Recupero dal congelamento
Il recupero è notevolmente rapido, con le funzioni fisiologiche e comportamentali di base che di solito ritornano entro diverse ore dallo scongelamento (link al video con larghezza di banda bassa/alta; link alla storia NOVA scienceNOW).In collaborazione con Jack R. Layne, Jr. (Slippery Rock University), il nostro lavoro ha dimostrato che le dinamiche di recupero sono caratterizzate dal ripristino sequenziale di funzioni fondamentali e progressivamente più complesse. Per esempio, il cuore riprende a battere anche prima che il ghiaccio nel corpo si sia completamente sciolto, e la respirazione polmonare e la circolazione sanguigna vengono ripristinate subito dopo. La contrattilità nei muscoli degli arti posteriori ritorna 1-2 ore dopo lo scongelamento, mentre la funzione del nervo sciatico innervante viene ripristinata entro circa 5 ore. La retrazione degli arti posteriori e i riflessi di raddrizzamento ritornano diverse ore dopo e le rane di solito mostrano posture normali del corpo e funzioni motorie coordinate entro 14-24 ore. Comportamenti di ordine superiore, come il desiderio di accoppiamento e il comportamento di corteggiamento, non vengono ripristinati almeno fino a diversi giorni dopo (Costanzo et al. 1997).
Adattamenti di tolleranza al congelamento
Una risposta che promuove la tolleranza al congelamento nelle rane tolleranti al congelamento è la ridistribuzione fino al 60% dell’acqua normalmente presente nei tessuti. Sezionare una rana di legno congelata rivela che gran parte del ghiaccio è sequestrato all’interno del sistema linfatico e nel celoma, dove può formarsi senza danneggiare i tessuti e gli organi delicati (Lee et al. 1992).
La tolleranza al congelamento è anche promossa dalla rapida sintesi di glucosio dal glicogeno epatico e dalla distribuzione di questo agente crioprotettivo alle cellule di tutto il corpo. Il glucosio accumulato apparentemente migliora la sopravvivenza delle cellule, dei tessuti e degli organi, perché la somministrazione sperimentale di glucosio addizionale alla rana aumenta la sua tolleranza al congelamento (Costanzo et al. 1993). Una delle funzioni principali del glucosio è quella di aumentare la pressione osmotica dei fluidi corporei, che a sua volta riduce la quantità di ghiaccio che si forma a qualsiasi temperatura. Il glucosio trasportato nelle cellule agisce come osmolita, diminuendo il grado di contrazione cellulare durante il congelamento, e serve anche come carburante fermentabile che può essere metabolizzato in assenza di ossigeno. La rana di legno usa anche l’urea come crioprotettore. A differenza del glucosio, l’urea si accumula durante l’autunno e l’inizio dell’inverno, ed è già localizzata all’interno delle cellule quando inizia il congelamento. Alcune prove suggeriscono che l’urea è più efficace del glucosio nel prevenire la criolesione (Costanzo e Lee 2005).
Le acquaporine (AQPs) e i trasportatori facilitatori di urea (UTs) sono due proteine trasportatrici che sono state implicate in una vasta gamma di ruoli fisiologici in vari organismi. Recentemente, queste proteine sono state trovate in una varietà di anuri; tuttavia, il loro significato fisiologico non è ancora completamente compreso. Per chiarire l’importanza di AQPs e UTs nell’equilibrio osmolitico nelle rane ibernanti, stiamo esaminando l’espressione di queste proteine in rane con vari gradi di terrestrità. Inoltre stiamo misurando le variazioni stagionali nell’espressione, così come i cambiamenti nei livelli di espressione in risposta agli stress legati all’inverno, nella rana dei boschi.
