Żaba drzewna Przetrwanie mrozu

Siedlisko zimowe

Żaba drzewna (Rana sylvatica) zamieszkuje lasy od Appalachów do prowincji nadmorskich i na zachód do północnej Alaski, nawet do koła podbiegunowego. Jej miejsce zimowania jest płytka nora w dnie lasu, dobrze w strefie mrozu, który jest pokryty liśćmi i innymi organicznymi detrytusu. Nasze badania w południowym Ohio sugerują, że żaby drzewne są poddawane kilku epizodom zamarzania, które zazwyczaj trwają kilka dni i narażają je na temperatury spadające do -2° do -4°C; jednak w bardziej północnych regionach prawdopodobnie doświadczają znacznie niższych temperatur i dłuższych okresów mrozu.

Zapoczątkowanie zamarzania

Kilka mechanizmów zapewnia, że żaby drzewne zamarzają bez nadmiernego przechłodzenia. Po pierwsze, dzięki wysoce przepuszczalnej naturze skóry płazów, lód otaczający żabę może natychmiast wywołać zamarzanie jej płynów ustrojowych. Ponadto, zimowe schronienie żaby obfituje w czynniki nukleujące lód, takie jak różne cząsteczki mineralne, kwasy organiczne i niektóre mikroby, które mogą powodować zamarzanie. Eksperymenty laboratoryjne sugerują, że spożycie tych czynników sprzyja tworzeniu się lodu u żab odpornych na zamarzanie. W rzeczywistości, kilka szczepów bakterii wykazujących silną aktywność nukleacyjną zostało wyhodowanych z jelit zbieranych zimą żab drzewnych, co wskazuje, że bakterie te są zachowane przez cały okres hibernacji (Lee et al. 1995). Inokulacja przez lód lub czynniki nukleujące lód w środowisku zimowym jest prawdopodobnie podstawowym mechanizmem inicjującym zamarzanie u płazów; nie ma potrzeby stosowania białek nukleacyjnych lub innych endogennych jąder lodu, jakie występują u niektórych bezkręgowców (Costanzo i in. 1999).

Stresy zamrażania/rozmrażania

Ekstensywne zamrażanie zestala tkanki, zatrzymuje krążenie naczyniowe i pozbawia komórki tlenu. Ponieważ lód tworzy się tylko w przestrzeniach pozakomórkowych, woda wewnątrz komórek jest osmotycznie wyciągana na zewnątrz, gdzie łączy się z rosnącą siatką lodu. Podczas tego procesu komórki mogą się znacznie skurczyć, potencjalnie z uszkodzeniem membran i strukturalnych systemów wspierających. Makrocząsteczki i rozpuszczalniki zostają stłoczone w zmniejszającej się objętości rozpuszczalnika, co może mieć negatywne konsekwencje. Tworzenie się lodu w płynach ustrojowych stwarza również zagrożenie mechanicznego uszkodzenia przez rosnącą siatkę lodową, szczególnie w zwartych i silnie zbudowanych tkankach i narządach. Fronty lodowe mogą ścinać i rozdzielać tkanki, zakłócając systemy komunikacji międzykomórkowej. Po rozmrożeniu, w przestrzeniach pozakomórkowych tworzą się duże zbiorniki rozcieńczonego płynu. Należy przywrócić objętość komórek, równowagę hydroosmotyczną i status energetyczny.

Zdolność do tolerancji zamrażania

Badania laboratoryjne wykazały, że żaby drzewne mogą przetrwać: (a) zamrożenie do 65-70% wody w ich ciele; (b) minimalną temperaturę ciała -6°C; oraz (c) nieprzerwane zamrażanie przez ≥ 4 tyg. Tolerancja na zamarzanie zmienia się sezonowo, ponieważ żaby są najbardziej wytrzymałe zimą. Takie sezonowe zróżnicowanie zdolności do tolerancji na zamrażanie może częściowo odzwierciedlać zmiany w ilości krioprotektantu, który może być produkowany. Przetrwanie zależy od powolnego zamrażania, tak aby mechanizmy krioprotekcyjne mogły być w pełni wyrażone.

Odzyskiwanie po zamrożeniu

Odzyskiwanie jest niezwykle szybkie, z podstawowymi funkcjami fizjologicznymi i behawioralnymi zwykle powracającymi w ciągu kilku godzin od rozmrożenia (link do wideo low bandwidth/ high bandwidth; link do historii NOVA scienceNOW).We współpracy z Jack R. Layne, Jr. (Slippery Rock University), nasza praca wykazała, że dynamika odzyskiwania charakteryzuje się sekwencyjnym przywracaniem podstawowych do stopniowo bardziej złożonych funkcji. Na przykład, serce wznawia bicie jeszcze zanim lód w ciele całkowicie się stopi, a oddychanie płucne i krążenie krwi są przywrócone wkrótce potem. Kurczliwość mięśni kończyn tylnych powraca 1-2 h po rozmrożeniu, podczas gdy funkcja unerwiającego nerwu kulszowego zostaje przywrócona w ciągu około 5 h. Odruchy cofania kończyn tylnych i prostowania powracają kilka godzin później, a żaby zwykle wykazują normalną postawę ciała i skoordynowane funkcje motoryczne w ciągu 14-24 h. Zachowania wyższego rzędu, takie jak popęd godowy i zachowania zalotne, nie są przywracane do co najmniej kilku dni później (Costanzo et al. 1997).

Adaptacje do tolerancji na mróz

Jedną z reakcji promujących tolerancję na mróz u żab odpornych na mróz jest redystrybucja do 60% wody normalnie znajdującej się w tkankach. Rozbiórka zamarzniętej żaby drzewnej ujawnia, że duża część lodu jest sekwestrowana w układzie limfatycznym i w ślimaku, gdzie może się tworzyć bez uszkadzania delikatnych tkanek i organów (Lee et al. 1992).

Tolerancję na zamarzanie wspomaga również szybka synteza glukozy z glikogenu wątrobowego i dystrybucja tego czynnika krioprotekcyjnego do komórek w całym organizmie. Nagromadzona glukoza najwyraźniej zwiększa przeżywalność komórek, tkanek i narządów, ponieważ eksperymentalne podawanie żabie dodatkowej glukozy zwiększa jej tolerancję na zamrażanie (Costanzo et al. 1993). Jedną z podstawowych funkcji glukozy jest podnoszenie ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, co z kolei zmniejsza ilość lodu, który tworzy się w danej temperaturze. Glukoza transportowana do komórek działa jak osmolit, zmniejszając stopień kurczenia się komórek podczas zamarzania, a także służy jako fermentowalne paliwo, które może być metabolizowane przy braku tlenu. Żaba drzewna używa również mocznika jako krioprotektantu. W przeciwieństwie do glukozy, mocznik gromadzi się jesienią i wczesną zimą i jest już zlokalizowany w komórkach, gdy rozpoczyna się zamrażanie. Niektóre dowody sugerują, że mocznik jest bardziej skuteczny niż glukoza w zapobieganiu kriokonserwacji (Costanzo i Lee 2005).

Aquaporyny (AQPs) i ułatwiające transportery mocznika (UTs) są dwoma białkami transportującymi, które zostały powiązane z szerokim zakresem ról fizjologicznych w różnych organizmach. Ostatnio białka te zostały wykryte u różnych gatunków anuranów, jednak ich znaczenie fizjologiczne nie jest jeszcze w pełni poznane. W celu wyjaśnienia znaczenia AQPs i UTs w równowadze osmolitycznej u hibernujących żab, badamy ekspresję tych białek u żab o różnym stopniu naziemności. Dodatkowo mierzymy sezonowe zmiany w ekspresji, jak również zmiany w poziomie ekspresji w odpowiedzi na stresy związane z zimą, u żaby drzewnej.

.