Как лесная лягушка переживает зиму с остановившимся сердцем

Зимующая лесная лягушка может не двигаться, не дышать и не иметь различимого сердцебиения. Весной та же особь снова начинает прыгать. Соблазн назвать это воскрешением велик, но он мешает понять главное: клетки животного не должны погибнуть зимой. Лягушка переживает состояние, в котором многие привычные признаки активной жизни временно отсутствуют.

Живая взрослая лесная лягушка с тёмной полосой за глазом, которую держат в руке. — Лесная лягушка Lithobates sylvaticus в активном состоянии.

Речь о североамериканской лесной лягушке, известной под названиями Rana sylvatica и Lithobates sylvaticus. Она зимует на суше, в неглубоких укрытиях под лесной подстилкой. Снег и листья смягчают холод, но не гарантируют положительную температуру. Поэтому её стратегия включает способность переносить образование льда внутри тела.

Лесная лягушка зимует в неглубоком укрытии под листьями и снегом — Листья и снег смягчают холод, но не всегда предотвращают замерзание воды в теле.

Куда разрешено проникнуть льду

Слова «лягушка замерзает» легко представить неправильно: будто все её ткани превращаются в однородный ледяной куб. В действительности жизненно важно, где образуются кристаллы. Значительная часть воды замерзает вне клеток, в межклеточных пространствах и полостях. Внутри клеток требуется сохранить жидкую среду и работоспособные структуры.

Опасность при этом не исчезает. Когда снаружи клетки растёт лёд, оставшийся раствор становится концентрированнее. Вода выходит из клетки, и она сжимается. Повреждение может возникнуть даже без кристалла, пронзившего мембрану: чрезмерное обезвоживание и изменение концентраций сами по себе нарушают работу клеточных систем.

Устойчивость к замерзанию поэтому нельзя свести к одному «антифризу». Нужно ограничить потерю воды, сохранить мембраны и белки, пережить прекращение нормального кровообращения, а затем восстановить обмен веществ. Назвать защищённую клетку незамёрзшей полезно, но недостаточно: ей ещё предстоит долго оставаться живой в очень необычном окружении.

Сахар, который нужно доставить вовремя

Начало образования льда запускает мобилизацию глюкозы. Её источник — запасы гликогена, прежде всего в печени. Большая молекула запасного углевода разбирается на множество маленьких молекул сахара. Это важная подробность: в ткани отправляется именно глюкоза, а не густой поток гликогена.

Здесь есть транспортная задача. Если сердце сразу остановится, печень не успеет снабдить удалённые ткани защитным веществом. В исследовании 1989 года электрокардиограммы показали, что в самом начале замерзания сердцебиение сначала учащалось. После первого часа оно замедлялось, а примерно через 20 часов, ближе к завершению образования льда в использованном режиме, прекращалось. Эти часы оставляли время для распределения глюкозы.

Сахар повышает концентрацию растворённых веществ и помогает уменьшить долю воды, превращающейся в лёд, а также обезвоживание клеток. Но защита не равнозначна полной отмене замерзания. Лягушка выдерживает его последствия в определённых пределах, а не сохраняет всё тело тёплым и жидким.

Внеклеточный лёд, выход воды из клетки и растворённые защитные вещества внутри — Критично сохранить клетки: внеклеточный лёд вызывает отток воды, а защитные вещества помогают ограничить повреждение.

Зачем накапливать продукт, от которого обычно избавляются

Другой компонент защиты — мочевина, знакомая как продукт азотистого обмена. В работе Джона Костанзо и Ричарда Ли 2005 года её накопление у зимующих лягушек оказалось связано, в частности, с недостатком доступной воды. Само экспериментальное замерзание вызывало образование дополнительной глюкозы, но не аналогичный прирост мочевины. Получаются два разных расписания: часть защиты подготавливается заранее, часть быстро включается при появлении льда.

Исследователи проверяли не только концентрации веществ. Они замораживали и оттаивали эритроциты и образцы тканей в присутствии мочевины, затем оценивали повреждения мембран и сохранение метаболической активности. Защитный эффект действительно обнаружился. Так вещество, которое легко принять за ненужный отход, оказалось участником зимней физиологии.

Из этих опытов не следует, что любое животное можно защитить, просто повысив у него уровень сахара или мочевины. Работа показала действие вещества в конкретных клетках и тканях вида, у которого уже существует целый набор приспособлений. Перенос одного ингредиента не переносит всю систему.

Почему осенние оттепели могут помогать

Лабораторная заморозка нередко устроена проще, чем зима. Животное охлаждают по выбранной программе, выдерживают при заданной температуре и отогревают. В лесу после первого мороза может прийти оттепель, затем ещё один мороз. Для лягушки такая последовательность имеет биохимическое значение.

В опытах, опубликованных Доном Ларсоном и Брайаном Барнсом в 2016 году, повторные циклы замерзания и оттаивания повышали концентрацию глюкозы в исследованных тканях ступень за ступенью. Короткая оттепель не успевала обнулить накопленное. После трёх циклов значения приближались к тем, которые наблюдались у лягушек, замерзавших в природных условиях.

Это помогает понять, почему результат одной ровной лабораторной заморозки не всегда предсказывает зимовку в лесу. Важна предыстория организма: какие температуры он уже пережил, сколько защитных веществ накопил и сколько запасного топлива осталось.

Шесть месяцев ниже нуля — но не для любой лягушки

Особенно впечатляющие результаты получены во внутренних районах Аляски. В исследовании 2014 года за животными проследили до естественных зимних укрытий и проверили выживание весной. Все 18 особей в этой выборке пережили зимовку. Период непрерывного замерзания составлял в среднем 193 дня; минимальные зарегистрированные температуры различались между укрытиями и доходили до −18,1 °C.

Последнее число нельзя читать как «лягушки провели полгода при −18 градусах». Минимум температуры, её среднее значение и продолжительность холода — три разные характеристики. В той же работе средняя температура за октябрь–май составляла −6,3 °C. Кроме того, аляскинские животные заметно отличались по физиологии от популяций, изучавшихся южнее.

Три разных параметра аляскинской зимовки: длительность, минимум температуры и размер выборки — Минимальная температура не равна температуре, при которой животное провело всю зиму.

Сезон тоже меняет пределы. В другом исследовании аляскинской популяции зимние лягушки переносили лабораторное охлаждение по меньшей мере до −16 °C, тогда как весенние оказались существенно уязвимее: нижний предел лежал между −2,5 и −5 °C. Весной у них было меньше мочевины и печёночного гликогена. Морозостойкость — меняющееся состояние организма, а не постоянное свойство вроде окраски.

Что возвращается весной

После оттаивания нужно восстановить кровоток, снабжение кислородом и работу органов. В раннем исследовании сердечной деятельности у одной прослеженной особи сокращения возобновились в течение часа после оттаивания. Такой результат подтверждает обратимость остановки сердца в этих условиях, но не устанавливает одинаковый секундомер для всех лягушек.

Как клетки обходятся без доставки кислорода? Они резко сокращают энергетические расходы: многие затратные процессы временно подавляются. Ограниченное количество АТФ, универсального клеточного источника энергии, вырабатывается анаэробным путём, без кислорода, и направляется на поддержание необходимых для выживания функций. Расщепление глюкозы даёт для этого топливо. Исследование 2019 года показало изменения регуляции фермента пируватдегидрогеназы при замерзании и бескислородном состоянии — часть перестройки обмена, причём разные ткани реагировали неодинаково. Лягушка сохраняет жизнь не полным выключением клеток, а переходом на резко уменьшенный энергетический бюджет.

История лесной лягушки ценна именно своей конкретностью. Животное не приобретает неуязвимость и не возвращается после необратимой гибели. Оно заранее меняет физиологию, допускает лёд там, где его можно пережить, и сохраняет клетки в состоянии, из которого ещё возможен выход. Весенний прыжок начинается с этой незаметной зимней работы.