Supervivencia de la rana de madera congelada
Hábitat de invierno
La rana de madera (Rana sylvatica) habita en bosques que van desde los Apalaches hasta las provincias marítimas y al oeste hasta el norte de Alaska, incluso hasta el Círculo Polar Ártico. Su lugar de hibernación es una madriguera poco profunda en el suelo del bosque, muy dentro de la zona de heladas, que está recubierta por hojas y otros detritos orgánicos. Nuestros estudios en el sur de Ohio sugieren que las ranas de madera están sometidas a varios episodios de congelación que suelen durar varios días y exponen a las ranas a temperaturas que descienden hasta -2° a -4°C; sin embargo, en regiones más septentrionales probablemente experimentan temperaturas mucho más bajas y períodos más largos de congelación.
Inicio de la congelación
Varios mecanismos aseguran que las ranas de madera se congelen sin sobreenfriarse ampliamente. En primer lugar, debido a la naturaleza altamente permeable de la piel de los anfibios, el hielo que rodea a la rana puede desencadenar instantáneamente la congelación de los fluidos corporales. Además, el refugio invernal de la rana alberga una gran cantidad de agentes nucleadores de hielo, como diversas partículas minerales, ácidos orgánicos y ciertos microbios, que pueden provocar la congelación de la rana. Los experimentos de laboratorio sugieren que la ingestión de estos agentes promueve la formación de hielo en las ranas tolerantes a la congelación. De hecho, se han cultivado varias cepas de bacterias que expresan una potente actividad nucleadora de hielo a partir de los intestinos de ranas de madera recolectadas en invierno, lo que indica que dichas bacterias se conservan durante la hibernación (Lee et al. 1995). La inoculación por el hielo o por agentes nucleadores de hielo en el entorno invernal es probablemente el mecanismo principal que inicia la congelación en los anfibios; no hay necesidad de proteínas nucleadoras de hielo u otros núcleos de hielo endógenos, como se encuentran en algunos invertebrados (Costanzo et al. 1999).
Estreses por congelación/descongelación
La congelación extensiva solidifica los tejidos, detiene la circulación vascular y priva a las células de oxígeno. Como el hielo se forma sólo en los espacios extracelulares, el agua del interior de las células es atraída osmóticamente hacia el exterior, donde se une a la creciente red de hielo. Durante este proceso, las células pueden encogerse sustancialmente, pudiendo dañar las membranas y los sistemas de soporte estructural. Las macromoléculas y los solutos se agolpan en un volumen de disolvente cada vez menor, lo que puede tener consecuencias adversas. La formación de hielo dentro de los fluidos corporales también plantea la amenaza de lesiones mecánicas por la creciente red de hielo, especialmente en los tejidos y órganos compactos y altamente estructurados. Los frentes de hielo pueden cizallar y separar los tejidos, interrumpiendo los sistemas de comunicación intercelular. Tras la descongelación, se forman grandes charcos de líquido diluido en los espacios extracelulares. El volumen celular, el equilibrio hidroosmótico y el estado energético deben restablecerse.
Capacidad de tolerancia a la congelación
Los estudios de laboratorio han demostrado que las ranas de madera pueden sobrevivir: (a) la congelación de hasta el 65-70% de su agua corporal; (b) una temperatura corporal mínima de -6°C; y (c) la congelación ininterrumpida durante ≥ 4 semanas. La tolerancia a la congelación varía estacionalmente, ya que las ranas son más resistentes durante el invierno. Esta variación estacional en la capacidad de tolerancia a la congelación puede reflejar en parte los cambios en la cantidad de crioprotector que se puede producir. La supervivencia depende de una congelación lenta para que los mecanismos crioprotectores puedan expresarse más plenamente.
Recuperación de la congelación
La recuperación es notablemente rápida, y las funciones fisiológicas y de comportamiento básicas suelen volver a aparecer varias horas después de la descongelación (enlace al vídeo de bajo ancho de banda/alto ancho de banda; enlace al reportaje de NOVA scienceNOW).En colaboración con Jack R. Layne, Jr. (Slippery Rock University), nuestro trabajo ha demostrado que la dinámica de recuperación se caracteriza por el restablecimiento secuencial de las funciones fundamentales a las progresivamente más complejas. Por ejemplo, el corazón vuelve a latir incluso antes de que el hielo del cuerpo se haya derretido por completo, y la respiración pulmonar y la circulación sanguínea se restablecen poco después. La contractilidad de los músculos de las extremidades posteriores se recupera 1-2 horas después de la descongelación, mientras que la función del nervio ciático inervador se restablece en aproximadamente 5 horas. La retracción de las extremidades posteriores y los reflejos de enderezamiento vuelven varias horas después y las ranas suelen mostrar posturas corporales normales y funciones motoras coordinadas en 14-24 horas. Los comportamientos de orden superior, como el impulso de apareamiento y el comportamiento de cortejo, no se restauran hasta al menos varios días después (Costanzo et al. 1997).
Adaptaciones a la tolerancia a la congelación
Una respuesta que promueve la tolerancia a la congelación en las ranas tolerantes a la congelación es la redistribución de hasta el 60% del agua que normalmente se encuentra en los tejidos. La disección de una rana de madera congelada revela que gran parte del hielo se secuestra en el sistema linfático y en el celoma, donde puede formarse sin dañar los tejidos y órganos delicados (Lee et al. 1992).
La tolerancia a la congelación también se ve favorecida por la rápida síntesis de glucosa a partir del glucógeno hepático y la distribución de este agente crioprotector a las células de todo el cuerpo. Al parecer, la glucosa acumulada aumenta la supervivencia de las células, los tejidos y los órganos, ya que la administración experimental de glucosa adicional a la rana aumenta su tolerancia a la congelación (Costanzo et al. 1993). Una de las principales funciones de la glucosa es elevar la presión osmótica de los fluidos corporales, lo que a su vez reduce la cantidad de hielo que se forma a cualquier temperatura. La glucosa transportada a las células actúa como osmolito, disminuyendo el grado de contracción celular durante la congelación, y también sirve como combustible fermentable que puede ser metabolizado en ausencia de oxígeno. La rana de madera también utiliza la urea como crioprotector. A diferencia de la glucosa, la urea se acumula durante el otoño y principios del invierno, y ya está localizada dentro de las células cuando comienza la congelación. Algunas evidencias sugieren que la urea es más eficaz que la glucosa en la prevención de la crio-lesión (Costanzo y Lee 2005).
Las acuaporinas (AQPs) y los transportadores facilitadores de urea (UTs) son dos proteínas transportadoras que han sido implicadas en una amplia gama de funciones fisiológicas en varios organismos. Recientemente, estas proteínas se han encontrado en una variedad de anuros; sin embargo, su significado fisiológico aún no se entiende completamente. Para dilucidar la importancia de las AQP y las UT en el equilibrio de los osmolitos en las ranas que hibernan, estamos examinando la expresión de estas proteínas en ranas con diferentes grados de terrenalidad. Además, estamos midiendo las variaciones estacionales en la expresión, así como los cambios en los niveles de expresión en respuesta a las tensiones relacionadas con el invierno, en la rana de madera.
