Wood Frog Freezing Survival

Winter Habitat

The wood frog (Rana sylvatica) inhabitations ranging from Appalachians to Maritime provinces and west to northern Alaska, even to the Arctic Circle. その越冬場所は、霜の降りた林床で、葉やその他の有機堆積物に覆われた浅い穴である。 オハイオ州南部での研究によると、アマガエルは通常数日間続く数回の凍結エピソードにさらされ、-2°～-4°Cまで下がる温度にさらされる。しかし、より北の地域では、おそらくもっと低い温度とより長い期間の凍結を経験している。 まず、両生類の皮膚は透過性が高いため、カエルの周囲の氷が瞬時に体液の凍結の引き金となることがあります。 また、カエルの越冬場所には、様々な鉱物微粒子や有機酸、ある種の微生物など、カエルを凍らせる核となる物質が豊富に存在するため、カエルが凍結する可能性がある。 実験室での実験では、これらの物質を摂取することで、耐凍性のあるカエルに氷の形成が促進されることが示唆されている。 実際、冬に採集されたアマガエルの腸から強力な氷核形成活性を発現するいくつかの細菌株が培養され、そのような細菌が冬眠中も保持されていることが示されています（Lee et al 1995）。 両生類が凍結を開始する主なメカニズムは、おそらく冬の環境における氷や氷核剤による接種であり、いくつかの無脊椎動物で見られるような氷核生成タンパク質や他の内因性氷核は必要ない（Costanzo et al. 4048>

Freeze/Thaw Stresses

広範囲な凍結は組織を固め、血管循環を停止させ、細胞から酸素を奪ってしまう。 氷は細胞外の空間でのみ形成されるため、細胞内の水分は浸透圧によって外部に引き出され、成長する氷の格子に合流する。 この過程で、細胞は大きく収縮し、膜や構造支持系に損傷を与える可能性がある。 高分子と溶質は、減少する溶媒容積の中で混雑するようになり、おそらく有害な結果をもたらす。 体液中の氷の形成は、特にコンパクトで高度に構造化された組織や器官において、成長する氷の格子による機械的損傷の脅威をもたらしている。 氷の前線は組織を剪断して分離し、細胞間の情報伝達システムを破壊する可能性がある。 融解すると、細胞外の空間に大きな希薄流体のプールが形成される。

Freeze Tolerance Capacity

Laboratory studies has to survive the wood frog has shown to the future: (a)体内水分の65-70%まで凍結、(b)最低体温-6℃、(c)4週間以上途切れずに凍結。 カエルは冬に最も丈夫になるため、凍結耐性は季節によって変化します。 このような凍結耐性能力の季節変化は、生産できる凍結保護剤の量の変化を一部反映していると考えられる。

Freezing Recovery

回復は驚くほど早く、解凍後数時間で基本的な生理・行動機能が回復します（低帯域/高帯域のビデオへのリンク、NOVA scienceNOW storyへのリンク）。 Jack R Layne Jr. (Slippery Rock University)との共同研究により、回復のダイナミクスは、基本的な機能から徐々に複雑な機能へと順次回復していくことが特徴であることが明らかになりました。 例えば、体内の氷が完全に溶ける前に心臓の拍動が再開し、その後すぐに肺呼吸と血液循環が回復する。 後肢の筋肉の収縮力は融解後1〜2時間で回復し、坐骨神経を支配する機能は約5時間で回復する。後肢の後退と右脚反射は数時間後に戻り、通常14〜24時間以内にカエルは通常の体位と協調運動機能を示すようになる。 交尾意欲や求愛行動などの高次の行動は、少なくとも数日後まで回復しません（Costanzo et al.1997）。

Freeze Tolerance Adaptations

凍結耐性を持つカエルで凍結耐性を促進する反応の1つは、通常組織内にある水の60％までを再分配させることです。 凍結したアマガエルを解剖すると、氷の多くがリンパ系と腔内に隔離され、繊細な組織や器官を傷つけずに氷を形成できることがわかった（Lee et al. カエルに実験的にグルコースを追加投与すると凍結に対する耐性が高まることから、蓄積されたグルコースは細胞、組織、臓器の生存を高めるらしい(Costanzo et al. 1993)。 グルコースの主な機能の1つは体液の浸透圧を上げることであり、その結果、任意の温度で形成される氷の量を減らすことができます。 細胞内に輸送されたグルコースは浸透圧として働き、凍結時の細胞の収縮の程度を減少させるとともに、酸素のない状態でも代謝可能な発酵燃料としても機能する。 また、アマガエルは尿素を凍結保護剤として利用している。 グルコースとは異なり、尿素は秋から初冬にかけて蓄積され、凍結が始まったときにはすでに細胞内に局在している。

アクアポリン（AQP）と促進性尿素トランスポーター（UT）は、様々な生物で幅広い生理的役割に関与しているトランスポータータンパク質であります。 近年、これらのタンパク質は様々な無脊椎動物で発見されているが、その生理的意義はまだ十分に理解されていない。 そこで、冬眠中のカエルにおけるAQPとUTの浸透圧バランスにおける重要性を明らかにするために、陸上生活の程度が異なるカエルでこれらのタンパク質の発現を調べている。 また、アマガエルでは、発現の季節変動や冬に関連するストレスに対する発現量の変化も測定している