Аляскинские лягушки достигают рекордных показателей в выживании при экстремальных температурах

Повторяющееся замораживание и оттаивание, возможно, не идёт на пользу стейку, но, судя по всему, помогает древесным лягушкам каждую осень готовиться к зимним холодам Аляски.

«Аляскинские древесные лягушки проводят больше времени в заморозке и оттаивании на улице, чем стейк в вашем морозильнике, и весной лягушка возвращается к жизни в лучшем состоянии, чем стейк», — говорит Дон Ларсон, аспирант Университета Аляски в Фэрбенксе и ведущий автор недавней работы, показавшей, что устойчивость к замораживанию у этих лягушек более экстремальна, чем считалось ранее.

Хотя древесные лягушки — хорошо изученные морозоустойчивые амфибии, исследование Ларсона, как полагают, первое, которое изучает лягушек в естественных условиях.

В субарктических внутренних районах Аляски древесные лягушки зимуют в земле, покрытые подстилкой и опавшей листвой, создавая гибернакулу, где температура может оставаться ниже нуля более шести месяцев с минимальными значениями до –4°F (–20°C).

Отслеживая лягушек до их естественных гибернакул и используя огороженную гибернакулу в Биологическом резервате к северу от кампуса UAF, Ларсон и его соавтор Брайан Барнс, директор Института арктической биологии UAF и эксперт по физиологии холодного климата, хотели выяснить, насколько низкие температуры и как долго аляскинские древесные лягушки могут выживать в своей естественной среде.

«Представьте, что происходит, когда вы сосёте фруктовый лёд, — говорит Ларсон. — После того как вы высосали всё сладкое, остаётся только лёд. То же самое происходит с клетками при замерзании. По мере образования льда вода вытягивается из клеток, клетки обезвоживаются и в конечном итоге погибают».

Лягушки предотвращают этот «эффект фруктового льда», насыщая свои клетки глюкозой (разновидность сахара), которая уменьшает обезвоживание и стабилизирует клетки — процесс, который учёные называют криопротекцией.

«Концентрация сахара внутри клетки помогает сбалансировать концентрацию солей снаружи клетки, которая возникает при образовании льда, — говорит Барнс. — Из клетки выходит меньше воды, чем если бы сахара не было, и считается, что сахар и другие криопротекторы "удерживают" воду внутри клетки».

Любопытно, что Ларсон обнаружил: когда древесные лягушки находятся на улице в естественной среде, они накапливают в своих тканях гораздо более высокие концентрации глюкозы, чем лягушки, замороженные в лаборатории.

Концентрации глюкозы у «уличных» лягушек были в 13 раз выше в мышечной ткани, в 10 раз выше в ткани сердца и в 3,3 раза выше в ткани печени по сравнению с лабораторно замороженными лягушками, как описано в их статье, опубликованной в Journal of Experimental Biology.

Эта дополнительная защита позволила лягушкам выживать при более низких температурах и дольше, чем считали учёные ранее. Но Ларсон и Барнс задались вопросом: как они накапливают так много глюкозы?

Ларсон полагает, что процесс, вызывающий «морозильный ожог» у замороженного стейка, даёт лягушкам способность выживать при замораживании до минимальных температур ниже 0°F (–18°C) в течение до 218 дней со 100% выживаемостью.

Ранее было показано, что лягушки, собранные на востоке США и в Канаде, выживают после заморозки лишь несколько недель и не ниже примерно 19°F (–7,2°C).

«В поле ранней осенью ночью бывают заморозки, днём — небольшое оттаивание, и эти повторяющиеся циклы замораживания стимулируют лягушек выделять всё больше и больше глюкозы, — объясняет Ларсон. — Температура не бывает достаточно высокой достаточно долго, чтобы лягушка могла реабсорбировать большую часть этой глюкозы, и со временем она накапливается, давая лягушке больше защиты от повреждения клеток».

Лабораторно замороженных лягушек держат при постоянной температуре и без циклов заморозки-оттаивания, которые Ларсон наблюдал в дикой природе, поэтому эти лягушки вырабатывали глюкозу только при первоначальном замерзании, и на этом всё заканчивалось.

«Являются ли крайние пределы устойчивости к замораживанию у аляскинских лягушек по сравнению с более южными популяциями следствием характера изменения температуры во время замерзания или же они обусловлены генетическими различиями и, тем самым, представляют собой эволюционное изменение — требует дальнейшего изучения», — сказал Барнс.

Достижения замораживающихся лягушек — не просто любопытный факт и однажды могут найти применение в науке о трансплантации человеческих органов.

«Если наука сможет понять, как замораживать человеческие органы без повреждений, это позволит увеличить время на доставку к людям, нуждающимся в трансплантации», — говорит Ларсон.