Как лягушки переживают замерзание почти на всю зиму

Как лягушки переживают замерзание, если лёд для большинства позвоночных означает тяжёлое повреждение клеток? У древесных лягушек на Аляске ответ оказался особенно впечатляющим: в естественных зимовках они оставались замёрзшими в среднем 193 дня подряд. Все 18 животных, за которыми удалось проследить до весны, выжили.

Некоторые из них пережили минимальную температуру около −18 °C. Самый долгий зарегистрированный период ниже температуры замерзания составил 218 дней — больше семи месяцев.

И это происходило не в лабораторной морозильной камере. Лягушки зимовали в неглубоких углублениях лесной подстилки возле водоёмов, прикрытые листьями и снегом.

Исследователи из Университета Аляски в Фэрбанксе нашли животных осенью, снабдили часть из них радиопередатчиками и проследили, где именно они устраиваются на зиму. Рядом с лягушками установили датчики температуры, а весной проверили, пережили ли они зимовку.

Так выяснилось, что древесная лягушка способна выдерживать условия значительно суровее, чем показывали многие предыдущие лабораторные эксперименты.

Что происходит с клетками, когда лягушка замерзает

Древесная лягушка действительно допускает образование льда в теле. Но критически важно, где именно он появляется.

Лёд образуется главным образом вне клеток. По мере замерзания вода выходит из клеток наружу, а сами клетки обезвоживаются и испытывают сильный осмотический стресс. Если лёд начнёт расти внутри клетки, повреждение может стать смертельным.

Одним из главных средств защиты служит глюкоза. При начале замерзания лягушка быстро мобилизует запасы гликогена, прежде всего из печени, и повышает концентрацию глюкозы в тканях. Этот сахар действует как криопротектор: помогает клеткам переносить потерю воды, стабилизирует мембраны и другие клеточные структуры.

Именно здесь аляскинские лягушки оказались необычными.

У животных, замерзавших в природе, концентрация глюкозы в мышцах была примерно в 13 раз выше, чем у лягушек, которых исследователи замораживали в лаборатории. В сердце разница была примерно десятикратной, а в печени — более чем трёхкратной.

Лабораторное замораживание поэтому воспроизводило далеко не всё, что происходило с животным во время настоящей аляскинской осени.

Мороз может готовить лягушку к ещё большему морозу

Перед тем как температура надолго ушла ниже нуля, лягушки переживали серию коротких замерзаний и оттаиваний. В среднем исследователи зарегистрировали около 12 таких эпизодов, а у отдельных животных — до 17.

Авторы предложили интересное объяснение: каждое новое замерзание может служить сигналом для очередного выброса глюкозы. Во время короткого оттаивания она не успевает полностью исчезнуть из тканей, затем приходит следующая морозная ночь — и концентрация постепенно нарастает.

Это пока гипотеза, а не доказанный механизм именно семимесячной выживаемости. Работа показала связь между естественными условиями замерзания и гораздо более высокими уровнями глюкозы, но не проверяла экспериментально всю причинную цепочку.

В тканях замёрзших лягушек исследователи обнаружили и противоморозный гликолипид — молекулу, которая у некоторых морозоустойчивых организмов связана с контролем поведения кристаллов льда. У древесной лягушки его точная роль в этой работе не была установлена.

Есть и другая важная деталь: экстремальный холод воздуха не означает, что лягушка испытывает такую же температуру. В исследованные зимы воздух опускался примерно до −37 и −41 °C, но слой листьев и снега сильно сглаживал эти экстремумы. Средний минимум непосредственно в местах зимовки составлял −14,6 °C.

Получается довольно тонкая система. Лягушка выбирает защищённое место, снег работает как теплоизоляция, а собственная биохимия помогает клеткам пережить образование льда и потерю воды.

Весной эта система должна сделать ещё одну вещь — позволить организму вернуться к обычной жизни.

Именно это и произошло с 18 лягушками, которых отслеживали в естественных зимовках. После месяцев при температуре ниже точки замерзания они оттаяли и снова начали двигаться.