Hibernacja

Trochę się działo przez ostatnie miesiące, a jedną z poważniejszych zmian jest moje przejście do zespołu zajmującego się w IO PAN działaniami związanymi z popularyzacją wiedzy i edukacją. Przy tym zostałem, formalnie, fizykiem i chociaż jest to uczucie nieco osobliwe, zaliczam je do przyjemnych. Nie oznacza to jednak zaprzestania bycia biologiem, a już na pewno nie stanie się powodem do porzucenia tego bloga, chociaż niektórzy czytelnicy mogli już zwątpić. Umówmy się zatem, że Ryba na piątek przetrwała zimę w stanie hibernacji i z nastaniem wiosny wraca do życia. 

Tutaj bardziej obeznani w ciekawostkach z wodnego świata przypominają sobie filmik który od paru lat krąży po sieci.

Nie wiadomo jak długo ryba pozostawała zamrożona, ani czy rzeczywiście zamarzła w całości. A sądząc po stopniu oszronienia i wyglądzie zamrażarki, temperatura była bardzo niska. Laboratoryjne zamrażarki tego typu osiągają nawet -90°C. To wzbudza podejrzliwość. Solidnie zamrożony osobnik o wadze kilkudziesięciu dekagramów rozmrażałby się dużo dłużej niż dwie minuty. Jeszcze większą wątpliwość nasuwa fizyczny aspekt zamarzania, czyli bezlitosne zwiększanie objętości wody podczas tworzenia lodowych kryształów. Krystalizacja niszczy wszystko co próbuje ograniczyć ten wzrost, co staje się udręką działkowców którzy zapomnieli usunąć wodę z kranów przed zimą, a przecież struktury komórkowe są znacznie bardziej delikatne niż metalowe odlewy.

Jednak nie można na podstawie powątpiewań negować ani potwierdzać fenomenu, tylko trzeba poszukać wiarygodnych źródeł by stwierdzić czy ryba może zamarznąć i przeżyć. Bo fizyka swoje, a biologia swoje. 😉
Nie uprzedzajmy jednak faktów, tylko zróbmy wpierw przegląd literatury.

W połowie XIX w. brytyjskie czasopismo The Naturalist w artykule poświęconym złotym rybkom zamieściło informację jakoby istoty te były w stanie przetrwać stan zamarznięcia i wrócić do aktywności po rozmrożeniu. Jednak te rewelacje okazały się niesprawdzonymi informacjami, które miały pochodzić od amatorskich hodowców tych ryb. W tym samym czasie pojawiły się doniesienia z kontynentu amerykańskiego, i to z godnego źródła jakim był John Richardson, członek towarzystw naukowych i korespondencyjny współpracownik Darwina. Richardson opisywał rybę Dallia pectoralis, która żyje w strumieniach Alaski i Kamczatki gdzie sroga zima trwa ponad pół roku. Współpracownik Smithsonian Institute, Lucien Turner opisywał D. pectoralis jako rybę, która przechowywana w koszach w formie zamrożonej jako pokarm dla psów może wrócić do życia, jeśli świat okaże jej nieco ciepła. Jednak dopiero pod koniec XIX w. inny naturalista John Hunter przeprowadził serię eksperymentów, nie ograniczając się zresztą do ryb (zamrażał między innymi dżdżownice, płazy i myszy), w których nie zaobserwował powrotu do życia żadnego z badanych zwierząt. Niestety, D. pectoralis nie była przedmiotem jego eksperymentów. Uwierzcie mi, nie chcielibyście czytać opisów tych doświadczeń, choć przyznać należy, że cechowały się ogromną, żeby nie powiedzieć „dziecinną”, ciekawością natury.

Dallia pectoralis Zdjęcie z serwisu akwa-mania.mud.pl

W latach 30 XX w. radziecki uczony o nazwisku Borodin prowadził badania mające na celu opracowanie technologii przechowywania żywych ryb oraz kawioru w temperaturach poniżej zera i chwalił się obiecującymi wynikami w przypadku D. pectoralis, jednak tych wyników nie udało się osiągnąć w przypadku jesiotrów oraz ich ikry. Temat jednak nadal fascynował naukowców, czego świadectwem jest przeglądowy artykuł z 1953 roku, sumujący wiedzę na temat hibernacji i zamarzania zwierząt oraz roślin. Napisano tam między innymi, że D. pectoralis jest w stanie przetrwać 40 minut w temperaturze -20­°C, ale dwie godziny w takich warunkach zabijają te ryby. Wygląda jednak na to, że moc specjalna Dallii nie jest strategią życiową na zimę, tylko szansą przetrwania przypadkowego i krótkotrwałego zamarznięcia. Nie znalazłem współczesnych badań tej ryby w kontekście zdolności do hibernacji, za to dowiedziałem się, że zimą Dallia chroni się w głębszych partiach zbiorników, a stan zamrożenia prowadzi w jej ciele do nieodwracalnych zmian które w najlepszym przypadku kończą się martwicą tkanek, a w najgorszym śmiercią w ciągu kilkudziesięciu godzin od rozmrożenia. Tak czy inaczej, mamy trop, wskazujący na to, że krótkotrwała ekspozycja na temperaturę poniżej zera nie musi zabijać zwierząt, które podlegają silnej presji środowiskowej w tym kierunku. Taka presja występuje rzecz jasna nie tylko w wodach słodkich, ale i oceanicznych. Trzeba pamiętać, że wody oceaniczne zaczynają zamarzać w temperaturze -2°C i zjawisku temu towarzyszy zmiana stężenia soli*, która spowalnia proces, przez co woda oceaniczna pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze nawet -20°C. Dlatego nie było zaskoczeniem, gdy w wodach wokół Antarktydy znaleziono ryby z podrzędu Nototeniowców, które hibernują podczas zimy. Jeden z ich przedstawicieli pojawił się już we wcześniejszej notce [klik]. Podczas zimowych miesięcy, gdy temperatura wody spada nieco poniżej zera, ryby te w znacznym stopniu obniżają poziom aktywności, pozostając w kompletnym bezruchu przez około 4-12 dni, po czym przez około trzy godziny przemieszczają się i – jeśli im się uda – pożywiają, po czym znów zapadają w bezruch, a ich serca zwalniają z 12 – 26 uderzeń na minutę do spokojnego pulsu nieprzekraczającego 10 uderzeń. W tym czasie pozostają całkowicie bezbronne. Podczas zimy tracą masę ciała w tempie 0,02% dziennie, wykorzystując zgromadzone zapasy tłuszczu, podczas gdy każdego dnia latem przybierają na wadze około 0,17%. Tak dokładnie zbadano gatunek Notothenia coriiceps, ale także u innych ryb obserwuje się zapadanie w rodzaj snu zimowego z wyraźnym obniżeniem tempa metabolizmu. Pozwolę sobie przedstawić całą, niedługą ich listę: Japońskie poskoczki mułowe Periophthalmus modestus Boleophthalmus pectinirostris, piskorz amurski Misgurnus anguillicaudatus, dobijak niebieski Ammodytes marinus występujący w Bałtyku i jego amerykański kuzyn Ammodytes hexapterus, a także karp Cyprinus carpio. Większość z nich nie jest jednak tak bardzo odporna na zimno jak N. coriiceps.

Notothenia coriiceps w stanie hibernacji nie reaguje na takie zdarzenia jak podniesienie przez nurka. Zdjęcie z publikacji Campbell i inni, PLoS one 2008

Jak zapewne spodziewacie się, naukowcy nie poprzestali na obserwacjach, tylko rzucili się by wyjaśnić naturę obserwowanych fenomenów. O ile przezimowanie w temperaturze między 10 a 5 stopni wymaga „jedynie” spowolnienia metabolizmu, to temperatura poniżej zera stanowi wyzwanie dla struktur komórkowych. Jaki sposób na to pojawił się w toku ewolucji? Wiemy już, że wyższe stężenia soli obniżają temperaturę w której tworzą się kryształy, jednak nadmiar soli jest nie mniej zabójczy dla komórek niż lodowe kryształy. Zawartość alkoholi w roztworze jest równie dobrym sposobem, z którego korzystamy zabezpieczając instalacje samochodowe czy lotnicze, ale podobnie jak w przypadku soli, efektywne stężenia nie są do zaakceptowania dla komórek. Wiele ryb  w płynach ustrojowych zawiera pewne ilości N-tlenku trimetyloaminy, który ma również właściwości przeciwzamarzaniowe, ale jest to substancja toksyczna i chyba tylko rekin grenlandzki poradził sobie ze znaczną jej koncentracją w ciele**.  Najbardziej efektywne substancje które zabezpieczają komórki i tkanki ryb przed zamarzaniem działają w stężeniach 300 razy mniejszych niż stosowane przez ludzi środki przeciwzamarzające. Są to niewielkie cząsteczki białkowe lub glikoproteiny***, które łączą się z powstającymi kryształkami lodu w taki sposób, że uniemożliwiają ich dalszy wzrost. Woda zatem zamarza, ale nie ma możliwości rozwinięcia destrukcyjnych struktur. To rozwiązanie jest dosyć powszechne u ryb żyjących w zimnych wodach, nawet jeżeli nie mają one zwyczaju hibernować. Stosowanie białek przeciwzamarzaniowych ma jednak swoją cenę. Dobrze opakowane tymi białkami mikrokryształy lodu nie topią się tak łatwo jak swobodny lód, i jeszcze w temperaturze +1°C w ciele ryb można znaleźć tzw. przegrzany lód. Nie ma zatem nic niestosownego w nazywaniu Nototeniowców rybami lodowymi.

Ludzie nie byliby ludźmi, a naukowcy naukowcami, gdyby nie pojawiły się pomysły na wykorzystanie białek antyzamarzaniowych dla naszych potrzeb. Pierwszą i najbardziej oczywistą jest stosowanie ich jako konserwantów dla produktów spożywczych wrażliwych na zamarzanie, drugą – inżynieria genetyczna i modyfikowanie roślin wrażliwych na przymrozki. Ja bym docenił truskawki, które nie zostały kompostem wobec niespodziewanego ładunku arktycznego powietrza w maju, a właściciele podalpejskich winnic nie musieliby organizować systemów dogrzewania plantacji.

Tomasz Kijewski

* lód morski jest zawsze mniej słony od wody z której powstał. W temperaturze -30°C z bryły lodu morskiego sączy się solanka, pozostawiając gąbczastą strukturę lodu zawierającego mniej niż 1/10 pierwotnego stężenia soli.

** N-tlenek trimetyloaminy (TMAO) u rekina grenlandzkiego neutralizuje też ogromne ilości mocznika, jakie znajdują się w mięsie tej ryby, czyniąc ją do spółki z tym mocznikiem, bardzo wymagającym surowcem spożywczym. Wymagającym długiego wietrzenia, specjalnych zabiegów przygotowawczych i jak powiadają polarnicy, silnej determinacji do posiłku.

*** glikoproteiny to cząsteczki białek, które połączone są z cząsteczkami cukrów

Zdjęcie w nagłówku przedstawia figurkę ryby wykonaną z rtęci zamrożonej w ciekłym azocie. Pochodzi z serwisu Popular Science. © Mike Walker

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

P. F. Scholander  I inni; Studies on the physiology of frozen plants and animals in the arctic; Journal of the cellular physiology 1953.

H.A. Campbell i inni; Hibernation in an Antarctic Fish: On Ice for Winter; PLoS One. 2008

P. A. Cziko i inni; Antifreeze protein-induced superheating of ice inside Antarctic notothenioid fishes inhibits melting during summer warming; PNAS published ahead of print September 22, 2014

N.A. Borodin (1934) Zool Jahrb Abt allgem. Zool u. Physiol. 53 313 The anabiosis or phenomenon of resuscitation of fishes after being frozen.

The Works of John Hunter, F.R.S. with Notes, Tom 4

M. Holmes; Reviving Frozen Fish in Manchester! Investigating Natural History, 1775-1851; holmesmatthew.wordpress.com/2014

L. M. Turner Contributions to the natural history of Alaska. Results of investigations … in the Yukon district and the Aleutian islands; conducted under the auspices of the Signal service, United States Army, extending from May, 1874, to August, 1881 Publ. 1886 no. 2, 226 pp. Signal Service, U. S. Army.

K. V. Ewart, C. L. Hew; Fish Antifreeze Proteins; World Scientific, 2002

K. Soyano i  Y. Mushirobira; The Mechanism of Low-Temperature Tolerance in Fish; Survival Strategies in Extreme Cold and Desiccation pp 149-164; Springer 2018

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s