Πληροφορίες

Πώς μπορούν οι βάτραχοι να ανέχονται το πάγωμα ενώ οι άνθρωποι όχι;

Πώς μπορούν οι βάτραχοι να ανέχονται το πάγωμα ενώ οι άνθρωποι όχι;


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ένας ξύλινος βάτραχος μπορεί να ανεχθεί το πάγωμα του αίματος και άλλων ιστών τους. (wiki, news2), αλλά τα ανθρώπινα όντα δεν μπορούν.

Μερικοί άνθρωποι σχεδιάζουν να παγώσουν το σώμα/τον εγκέφαλό τους μετά το θάνατο, και μερικοί από αυτούς το έχουν κάνει.

Μπορούν οι ξύλινοι βάτραχοι να μας βοηθήσουν να μάθουμε πώς να παγώνουμε τον εγκέφαλό μας με ασφάλεια;


Γενικά οι βάτραχοι είναι ψυχρόαιμα ζώα (πιο συγκεκριμένα εκτόθερμα ή ποικιλοθερμικά). Οι ξύλινοι βάτραχοι μπορούν να διατηρήσουν τη θερμοκρασία του σώματός τους με την παραγωγή κρυοπροστατευτικών που το ανθρώπινο σώμα δεν μπορεί να παράγει από φυσιολογικές μεταβολικές διεργασίες. Τέτοια μόρια πιέζουν το σημείο πήξης του ιστού και αποφεύγουν τον σχηματισμό πάγου. Ακολουθεί μια επιστημονική έκθεση σχετικά με τη φυσιολογία των βατράχων από ξύλο και τι τους βοηθά να επιβιώσουν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Υπάρχουν επίσης άλλοι μηχανισμοί που χρησιμοποιούν τα ψυχρόαιμα ζώα για να επιβιώσουν σε τέτοιες συνθήκες.

Τώρα για το ανθρώπινο κομμάτι. Οι άνθρωποι είναι θερμόαιμοι (πιο συγκεκριμένα ενδόθερμοι). Προσπαθούμε πάντα να διατηρήσουμε τη θερμοκρασία του σώματός τους (η κανονική θερμοκρασία του σώματός μας είναι $37^{o}$). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να ανεχτούμε τις χαμηλές θερμοκρασίες, επειδή η φυσιολογία μας δεν έχει ένα μέσο για να αποφύγει τη βλάβη των κυττάρων σε αυτή τη θερμοκρασία. Η εταιρεία που αναφέρατε χρησιμοποιεί μεθόδους υαλοποίησης που χρησιμοποιεί διάφορα τεχνητά κρυοπροστατευτικά (τα οποία ο ξύλινος βάτραχος φτιάχνει φυσικά).

Γίνεται ήδη έρευνα προς αυτήν την κατεύθυνση. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν ακραιόφιλα και τα μεταβολικά τους προϊόντα στα καλλυντικά και την ιατρική (όπως αυτό, αυτό και αυτό).


Προσαρμογές στο ψυχρό κλίμα και ανοχή στο παγετό σε αμφίβια και ερπετά

Τα αμφίβια και τα ερπετά είναι γνωστά για το ότι είναι εξωθερμικά (ψυχρόαιμα). Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούν να ρυθμίσουν εσωτερικά τη θερμοκρασία του σώματός τους και αντ' αυτού βασίζονται στο εξωτερικό τους περιβάλλον για να το κάνουν. Κατά συνέπεια, όταν σκεφτόμαστε είδη όπως τα φίδια και οι σαύρες, τείνουμε να τα συνδέουμε με ζεστά κλίματα, συχνά απεικονίζοντάς τα να απολαμβάνουν τον ήλιο. Αν και κατοικούν όντως σε θερμά κλίματα, αμφίβια και ερπετά μπορούν να βρεθούν σε όλο τον κόσμο εκτός από την Ανταρκτική. Το Ηνωμένο Βασίλειο έχει 14 γηγενή είδη αμφιβίων και ερπετών και μερικά ανθεκτικά είδη μπορούν να βρεθούν ακόμη και σε εξαιρετικά κρύα κλίματα, όπως στην Αρκτική, όπου η θερμοκρασία μπορεί να πέσει στους -45 ° C. Λοιπόν, πώς προσαρμόζονται αυτά τα είδη για να επιβιώσουν σε τόσο ακραίες συνθήκες;

Μια σημαντική στρατηγική που χρησιμοποιούν τα αμφίβια και τα ερπετά είναι το brumation, όπου μπαίνουν σε κατάσταση αδράνειας κατά τους κρύους χειμερινούς μήνες. Συνήθως τρυπώνουν σε λαγούμια ή κάτω από σωρούς κορμών, αλλά διαφορετικά είδη θα χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία οικοτόπων, με μερικούς κοινούς βατράχους να τρυπώνουν ακόμη και στη λάσπη στον πυθμένα των λιμνών. Αν και παρόμοιο με τη χειμερία νάρκη, η βασική διαφορά είναι ότι τα ζώα που βρωμίζουν θα εμφανιστούν για σύντομες περιόδους για να αναζητήσουν τροφή πριν επιστρέψουν στην κατάσταση λήθαργου, συνήθως τις πιο ζεστές μέρες. Όλα τα ιθαγενή είδη του Ηνωμένου Βασιλείου ζυμώνονται για να αποφύγουν τον πιο κρύο καιρό και να εξοικονομήσουν ενέργεια. Παρ 'όλα αυτά, ο καιρός στη Βρετανία μπορεί να είναι προκλητικός όλο το χρόνο. Οι συνηθισμένοι βάτραχοι είναι ιδιαίτερα ανθεκτικοί και έχουν βρεθεί να αναπαράγονται στο μεγαλύτερο υψόμετρο από οποιοδήποτε αμφίβιο στο Ηνωμένο Βασίλειο στα 1.120 μέτρα στα βουνά Σκωτσέζικο Cairngorm. Οι βιότοποι σε υψηλότερο υψόμετρο προσφέρουν ένα πολύ μικρότερο παράθυρο αναπαραγωγής, επομένως για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι πληθυσμοί κοινών βατράχων σε μεγάλο υψόμετρο στη Σκωτία έχουν υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης και μικρότερες περιόδους προνυμφών σε σύγκριση με πληθυσμούς χαμηλού υψομέτρου (Muir et al. 2014). Αυτό διασφαλίζει ότι η μεταμόρφωση ολοκληρώνεται πριν πέσουν ξανά οι θερμοκρασίες για να μεγιστοποιηθούν οι πιθανότητες επιβίωσης. Από την άλλη πλευρά, ορισμένοι συνηθισμένοι γυρίνοι βάτραχων θα καθυστερήσουν την μεταμόρφωση μέχρι την επόμενη άνοιξη και θα ξεχειμωνιάσουν ως γυρίνος και όχι ως βατραχάκι, αυτό μπορεί να είναι ευεργετικό σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, καθώς θα μπορούν να μεταμορφώνονται σε μεγαλύτερο μέγεθος, βελτιώνοντας τις πιθανότητες επιβίωσής τους. (Walsh et al., 2008).

Ένα άλλο είδος του Ηνωμένου Βασιλείου που είναι ιδιαίτερα καλά προσαρμοσμένο στις ψυχρές συνθήκες είναι η δερμάτινη χελώνα. Συχνά προκαλεί έκπληξη όταν οι άνθρωποι ανακαλύπτουν ότι η χελώνα δερμάτινη χελώνα είναι εγγενής στο Ηνωμένο Βασίλειο, αλλά δραστηριοποιούνται στις γύρω θάλασσές μας παρά τον χαμηλό αριθμό παρατηρήσεων (διαβάστε περισσότερα για αυτό εδώ). Οι δερμάτινες πλάτες έχουν μεγαλύτερο εύρος από άλλες θαλάσσιες χελώνες και μπορούν να επιβιώσουν στα κρύα νερά μας διατηρώντας μια βαθιά θερμοκρασία σώματος που είναι 18 ° C υψηλότερη από το περιβάλλον νερό (Frair et al., 1972). Το κάνουν αυτό μέσω μιας διαδικασίας ανταλλαγής θερμότητας αντίθετης ροής στα βατραχοπέδιλά τους (Greer et al., 1973), μια διαδικασία που σχετίζεται πολύ πιο συχνά με θηλαστικά και πτηνά παρά με ερπετά. Τα αιμοφόρα αγγεία στα πτερύγια τους είναι στενά συσκευασμένα μεταξύ τους, έτσι ώστε το θερμό αίμα που κινείται από τον πυρήνα προς τα άκρα να περνά σε κοντινή απόσταση από το κρύο αίμα που επιστρέφει από τα άκρα στον πυρήνα. Η θερμότητα μεταφέρεται στο ψυχρό αίμα και επιστρέφει στον πυρήνα, αποφεύγοντας τα άκρα όπου θα χαθεί στο εξωτερικό περιβάλλον (Greer et al., 1973). Αυτή η μέθοδος μείωσης της απώλειας θερμότητας στα άκρα και η κυκλοφορία της θερμότητας πίσω στον πυρήνα του σώματος είναι κρίσιμη για την επιβίωσή τους σε κρύο νερό.

Image Credit: Jack Rawlinson

Μια πολύ διαφορετική προσαρμογή είναι η στρατηγική αναπαραγωγής ενός είδους, από την οποία υπάρχουν δύο βασικές επιλογές, η ωοτοκία (ωοτοκία) ή η ζωογονία (ζωντανή γέννηση). Τα περισσότερα ερπετά είναι ωοτόκα καθώς αυτό απαιτεί λιγότερες επενδύσεις ανά γόνο, επιτρέποντάς τους να έχουν πολλαπλούς γόνους ανά έτος. Ωστόσο, τα ερπετά σε ψυχρά κλίματα είναι πιο πιθανό να είναι ζωντανά επειδή η εσωτερική ανάπτυξη επιτρέπει στη μητέρα να θερμορυθμίσει πιο αποτελεσματικά, βελτιώνοντας έτσι την επιβίωση των απογόνων σε κρύες ή απρόβλεπτες περιβαλλοντικές συνθήκες (Tinkle and Gibbons, 1977). Οι χαμηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να μειώσουν τη διάρκεια της αναπαραγωγικής περιόδου, καθιστώντας απίθανη την πιθανότητα πολλαπλών γεννήσεων ετησίως, και συνεπώς εξαλείφοντας τα οφέλη της ωογένεσης (Tinkle and Gibbons, 1977). Στη Σκωτία, όλα τα ιθαγενή ερπετά είναι ζωογόνα, με μια εξαίρεση το φίδι με γρασίδι. Το γρασίδι είναι ευρέως διαδεδομένο στην Αγγλία και την Ουαλία, αλλά βρίσκεται μόνο στα νότια της Σκωτίας. Θα μπορούσε αυτό να υποδηλώνει ότι το να είναι ωοειδή τα καθιστά λιγότερο κατάλληλα για το πιο δροσερό κλίμα της Σκωτίας; Ωστόσο, είναι ενδιαφέρον ότι υπάρχει ένας πληθυσμός ωοτόκων σαύρων, η σαύρα της άμμου, που ζει στο νησί Coll της Σκωτίας. Είναι εγγενείς στην Αγγλία και όχι στη Σκωτία, αλλά εισήχθησαν στο Coll τη δεκαετία του '70 και είναι ακόμα εκεί σήμερα. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι αν και η ζωντάνια μπορεί να είναι ευεργετική σε ψυχρά κλίματα, δεν είναι απαραίτητη.

Ο αριθμός των αμφιβίων και των ερπετών που ευδοκιμούν στον καιρό της Βρετανίας είναι αναμφίβολα εντυπωσιακός, αλλά ακόμη πιο αξιοσημείωτο είναι η σειρά ανθεκτικών ειδών που επιβιώνουν από εξαιρετικά κρύα κλίματα όπως η Αρκτική. Για οποιοδήποτε είδος αυτό θα ήταν μια πρόκληση και για τα περισσότερα εξωθερμικά οι θερμοκρασίες κατάψυξης είναι θανατηφόρες - τα υγρά μέσα στα κύτταρά τους παγώνουν και σχηματίζουν κρυστάλλους πάγου οι οποίοι στη συνέχεια μπορούν να σπάσουν (Storey and Storey, 1988). Ωστόσο, υπάρχουν δύο θεμελιώδεις στρατηγικές που χρησιμοποιούνται από τις έκθερμες του ψυχρού κλίματος για την καταπολέμηση αυτής της αποφυγής παγώματος (υπερψύξης) και της ανοχής κατάψυξης. Η αποφυγή της κατάψυξης είναι όπου τα κυτταρικά υγρά παραμένουν υγρά παρά την επίτευξη θερμοκρασιών ψύξης, ενώ η ανοχή στην κατάψυξη είναι όταν ένα άτομο είναι σε θέση να επιβιώσει από την κατάψυξη σε ένα βαθμό περιορίζοντας την κατάψυξη σε εξωκυτταρικές περιοχές (Storey and Storey, 1988). Αυτές οι διεργασίες βασίζονται συνήθως στην παραγωγή ενός κυροπροστατευτικού, μιας ουσίας που μειώνει το σημείο πήξης του νερού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόληψη της παγοποίησης συνολικά (αποφυγή παγώματος) ή σε κύτταρα και βασικά όργανα (ανοχή κατάψυξης). Διαφορετικές ουσίες μπορούν να δράσουν ως κρυοπροστατευτικά σε αμφίβια και ερπετά, με μερικές κοινές όπως η γλυκερίνη, η γλυκόζη και η ταυρίνη. Τα κυπροπροστατευτικά χρησιμοποιούνται επίσης στην ιατρική, για παράδειγμα όταν τα όργανα δότη διατηρούνται μέσω ψύξης, τα κυπροπροστατευτικά χρησιμοποιούνται συχνά για να αποτρέψουν το πάγωμα και τη ρήξη των κυττάρων.

Ένα είδος που χρησιμοποιεί αυτές τις στρατηγικές είναι ο ξύλινος βάτραχος, ο μόνος βάτραχος που είναι γνωστό ότι ζει στον Αρκτικό Κύκλο. Μπορούν να ανεχθούν να παγώσουν στους -3°C για δύο εβδομάδες, με έως και το 70% του νερού του σώματός τους να παγώνει (Costanzo et al., 1993). Χρησιμοποιούν γλυκόζη ως κυκλοπροστατευτικό, το οποίο παράγουν σε μεγάλες ποσότητες σε βασικά όργανα για να αποτρέψουν τον σχηματισμό πάγου (Costanzo et al., 1993). Αυτό περιορίζει την κατάψυξη σε λιγότερο σημαντικά μέρη του σώματος όπου είναι λιγότερο πιθανό να προκαλέσει βλάβη. Τα κόκκινα φίδια καλτσοδέτες στον Καναδά χρησιμοποιούν παρόμοια στρατηγική και μπορούν να επιβιώσουν στους -2,5 ° C με έως και 40% του νερού του σώματος τους να παγώνει, χρησιμοποιώντας την ταυρίνη ως κρυοπροστατευτικό τους (Churchill and Storey, 2011). Σε αντίθεση με τους ξύλινους βατράχους, έχουν πολύ μικρότερη περίοδο ανοχής, με μόνο 50% πιθανότητα επιβίωσης μετά από 10 ώρες κατάψυξης (Churchill and Storey, 2011). Αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι αυτή δεν είναι μια στρατηγική που χρησιμοποιείται τακτικά, αλλά αντίθετα μια προσαρμογή για την επιβίωση σε σύντομες περιόδους παγετού το φθινόπωρο ή την άνοιξη λίγο πριν/μετά το χτύπημα.

Αν και είδη όπως ο ξύλινος βάτραχος και το φίδι με κόκκινη καλτσοδέτα είναι απίστευτα ανθεκτικά, υπάρχει ένα είδος που μπορεί να τα ξεπεράσει όλα, όπως ο Σιβηρικός τρίτωνας. Οι θερμοκρασίες στη Σιβηρία μπορούν να φτάσουν τους -45 ° C και φαίνεται αδύνατο ότι θα μπορούσε να ευδοκιμήσει πολύ ζωή εδώ, αλλά το τρίβειο της Σιβηρίας το κάνει. Απίστευτα, μπορεί να επιβιώσει αν παγώσει στους -35 ° C για 45 ημέρες, ή -50 ° C για 3 ημέρες (Berman et al., 2016). Δεν είναι απολύτως σαφές πώς αυτό το αξιοσημείωτο είδος επιβιώνει σε τέτοιες εχθρικές θερμοκρασίες, αλλά φαίνεται πιθανό ότι παράγουν ένα κρυοπροστατευτικό για να προστατεύσει τα κύτταρα και τα βασικά τους όργανα από το πάγωμα, αν και δεν είναι γνωστό τι μπορεί να είναι αυτός ο προστατευτικός παράγοντας.

Τα αμφίβια και τα ερπετά είναι εξωθερμικά, και κατά συνέπεια συχνά συνδέονται με θερμά κλίματα. Στην πραγματικότητα, μπορούν να βρεθούν σε μια τεράστια ποικιλία ενδιαιτημάτων και κλίματος και έχουν μια σειρά από συμπεριφορικές και φυσιολογικές προσαρμογές που τους επιτρέπουν να ζουν και να ευδοκιμούν ακόμη και σε μερικά από τα πιο κρύα μέρη του κόσμου. Προσαρμογές όπως το τρίψιμο, η αναπαραγωγή ζωοτόκων και τα αποτελεσματικά συστήματα μεταφοράς θερμότητας είναι μερικά μόνο από τα πράγματα που μπορούν να βοηθήσουν τα αμφίβια και τα ερπετά να επιβιώσουν σε ψυχρά ή μεταβλητά κλίματα. Είναι αξιοσημείωτο ότι στις πιο ψυχρές περιοχές, τα είδη χρησιμοποιούν ακόμη πιο ακραίες προσαρμογές της αποφυγής του παγώματος και της ανοχής στο πάγωμα για να παραμείνουν ζωντανά. Η ικανότητα ορισμένων ειδών να ανέχονται το πάγωμα σε ακραίες θερμοκρασίες για παρατεταμένες περιόδους αφηγείται μια απίστευτη ιστορία επιβίωσης και προσαρμογής και δεν μας υπενθυμίζει ποτέ να υποτιμούμε τη λαμπρότητα των αμφιβίων και των ερπετών.


Πώς επιβιώνουν οι βάτραχοι τον χειμώνα; Γιατί δεν παγώνουν μέχρι θανάτου;

Οι βάτραχοι είναι καταπληκτικά ζώα. Παρά την εύθραυστη εμφάνισή τους και τους απαράδεκτους τρόπους τους, έχουν αμέτρητες στρατηγικές για να αντιμετωπίσουν τα πιο σοβαρά κλίματα που έχει να προσφέρει αυτός ο πλανήτης. Μπορούν να βρεθούν στον Αρκτικό Κύκλο, σε ερήμους, σε τροπικά τροπικά δάση και σχεδόν παντού ενδιάμεσα. Μερικές από τις στρατηγικές επιβίωσής τους δεν είναι τίποτα λιγότερο από εφευρετικές. Διάφορα είδη βατράχων χρησιμοποιούν δύο στρατηγικές για την αντιμετώπιση ακραίων περιβαλλοντικών επιπτώσεων: την αδρανοποίηση και την εκκίνηση.

Η αδρανοποίηση είναι μια κοινή απάντηση στον κρύο χειμώνα των εύκρατων κλιμάτων. Αφού ένα ζώο βρει ή φτιάξει ένα χώρο διαβίωσης (hibernaculum) που το προστατεύει από τις χειμερινές καιρικές συνθήκες και τα αρπακτικά, ο μεταβολισμός του ζώου επιβραδύνεται δραματικά, έτσι μπορεί να "κοιμηθεί μακριά" το χειμώνα χρησιμοποιώντας τα αποθέματα ενέργειας του σώματός του. Όταν φτάνει ο ανοιξιάτικος καιρός, το ζώο «ξυπνάει» και αφήνει το χειμερινό του νήμα για να ασχοληθεί με τη σίτιση και την αναπαραγωγή.

Υδάτινοι βάτραχοι όπως ο λεοπάρδαλος βάτραχος(Rana pipiens) και αμερικανικός ταύρος (Rana catesbeiana) συνήθως αδρανοποιούνται υποβρύχια. Μια κοινή παρανόηση είναι ότι περνούν το χειμώνα όπως κάνουν οι υδρόβιες χελώνες, σκάβοντας στη λάσπη στον πυθμένα μιας λίμνης ή ενός ρυακιού. Στην πραγματικότητα, οι βατράχοι σε χειμερία νάρκη θα ασφυξούσαν αν σκάβανε στη λάσπη για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ο μεταβολισμός μιας χειμωνιάτικης χελώνας επιβραδύνεται τόσο δραστικά που μπορεί να ξεπεράσει την πενιχρή παροχή οξυγόνου της λάσπης. Ωστόσο, οι υδρόβιοι βάτραχοι σε χειμερία νάρκη πρέπει να βρίσκονται κοντά σε νερό πλούσιο σε οξυγόνο και να περνούν ένα μεγάλο μέρος του χειμώνα απλώς ξαπλωμένοι πάνω στη λάσπη ή μόνο μερικώς θαμμένοι. Μπορεί ακόμη και να κολυμπούν αργά από καιρό σε καιρό.

Οι χερσαίοι βάτραχοι συνήθως αδρανοποιούν στην ξηρά. Αμερικάνικοι φρύνοι (Bufo americanus) και άλλοι βάτραχοι που είναι καλοί εκσκαφείς τρυπώνουν βαθιά στο έδαφος, με ασφάλεια κάτω από τη γραμμή του παγετού. Μερικοί βάτραχοι, όπως ο ξύλινος βάτραχος (Rana sylvatica) και ο ανοιξιάτικος αηδός (Hyla crucifer), δεν είναι ειδικευμένοι στο σκάψιμο και αντ 'αυτού αναζητούν βαθιές ρωγμές και σχισμές σε κορμούς ή βράχους, ή απλά σκάβουν όσο μπορούν στα απορρίμματα των φύλλων. Αυτά τα χειμωνιάτικα δεν είναι τόσο καλά προστατευμένα από τον κρύο καιρό και μπορεί να παγώσουν, μαζί με τους κατοίκους τους.

Κι όμως οι βάτραχοι δεν πεθαίνουν. Γιατί; Αντιψυκτικό! Είναι αλήθεια ότι κρύσταλλοι πάγου σχηματίζονται σε μέρη όπως η κοιλότητα του σώματος και η ουροδόχος κύστη και κάτω από το δέρμα, αλλά μια υψηλή συγκέντρωση γλυκόζης στα ζωτικά όργανα του βατράχου αποτρέπει το πάγωμα. Ένας μερικώς παγωμένος βάτραχος θα σταματήσει να αναπνέει και η καρδιά του θα σταματήσει να χτυπά. Θα φανεί αρκετά νεκρό. Αλλά όταν η χειμερία νάρκη ζεσταθεί πάνω από την κατάψυξη, τα κατεψυγμένα τμήματα του βάτραχου θα ξεπαγώσουν και η καρδιά και οι πνεύμονες του θα ξαναρχίσουν τη δραστηριότητά τους-υπάρχει πραγματικά κάτι σαν ζωντανοί νεκροί!

Η δημιουργία είναι παρόμοια με την αδρανοποίηση. Είναι μια κατάσταση αδράνειας που αναλαμβάνει ένα ζώο ως απόκριση σε δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες, στην περίπτωση αυτή, στην παρατεταμένη ξηρή περίοδο ορισμένων τροπικών περιοχών. Αρκετά είδη βατράχων είναι γνωστό ότι εκτιμούν. Δύο από τα πιο γνωστά είδη είναι ο περίτεχνος κέρατος βάτραχος (Ceratophrys ornata) από τη Νότια Αμερική και τον αφρικανικό ταυροβάτραχο (Pyxicephalus adspersus).

Όταν ξεκινά η περίοδος της ξηρασίας, αυτοί οι βάτραχοι τρυπώνουν στο χώμα και γίνονται αδρανείς. Κατά τη διάρκεια της παρατεταμένης ξηρής περιόδου, που μπορεί να διαρκέσει αρκετούς μήνες, αυτοί οι βάτραχοι κάνουν ένα τακτοποιημένο κόλπο: ρίχνουν πολλά άθικτα στρώματα δέρματος, σχηματίζοντας ένα ουσιαστικά αδιάβροχο κουκούλι που περιβάλλει ολόκληρο το σώμα, αφήνοντας εκτεθειμένα μόνο τα ρουθούνια, που τους επιτρέπει να αναπνέουν. Αυτές οι ερπετολογικές μούμιες παραμένουν στα κουκούλια τους κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου. Όταν επιστρέφουν οι βροχές, οι βάτραχοι απαλλάσσονται από τα σάβανα και προχωρούν μέσα από το υγρό χώμα προς την επιφάνεια.


IRA FLATOW: Αυτή είναι η Παρασκευή της Επιστήμης. Η Ira Flatow έρχεται κοντά σας από το Auditorium του Πανεπιστημίου του Μαϊάμι’s Hall στην Οξφόρδη του Οχάιο. Ναί. Δεν νιώθεις ότι η άνοιξη θα φτάσει ποτέ εδώ. Το κάνει? Ξέρετε, οι νυχτερινές θερμοκρασίες πέφτουν κοντά στο χαμηλό επίπεδο.

Αλλά σκεφτείτε μόνο τα ζώα που πρέπει να ζουν έξω. Πώς πρέπει να αισθάνονται σε όλο αυτό τον κρύο καιρό. Λοιπόν, μερικοί από αυτούς έχουν βρει μοναδικούς τρόπους αντιμετώπισης του κρυολογήματος. Οι ιστοί τους γεμίζουν με κάτι σαν αντιψυκτικό για να αποτρέψουν τον σχηματισμό πάγου μέσα στα κύτταρά τους. Κάποιοι μπορούν να δροσιστούν ή ακόμη και σκόπιμα αφήνουν τον εαυτό τους να παγώσει σκληρά σαν βράχος.

Υπάρχει ένα είδος βάτραχου που το κάνει αυτό. Θα το εξετάσουμε. Όλα στο όνομα να ξεπεράσουμε τον χειμώνα. Απόψε θα ρίξουμε μια μακρά ματιά σε μερικά από αυτά τα ζώα. Με το βλέμμα προς την εκμάθηση των κόλπων τους και ίσως την εφαρμογή τους για να βοηθήσουμε εμάς τους ανθρώπους με κάποιο τρόπο.

Επιτρέψτε μου να σας παρουσιάσω τους καλεσμένους μου. Ο Rick Lee είναι διακεκριμένος καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο, διευθυντής του εργαστηρίου οικοφυσιολογικής κρυοβιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι. Καλώς ήρθατε στην Επιστήμη της Παρασκευής.

RICHARD LEE: Σας ευχαριστώ πολύ.

IRA FLATOW: Η Clara do Amaral είναι συγκριτική φυσιολόγος και επίκουρη καθηγήτρια βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Mount St. Joseph στο Σινσινάτι και επίσης φοιτητής του Πανεπιστημίου του Μαϊάμι. Καλώς ήρθατε στην Επιστήμη της Παρασκευής.

CLARA DO AMARAL: Σας ευχαριστώ που με έχετε.

IRA FLATOW: Δρ. Do Amaral, μας φέρατε ένα δείγμα από τη δουλειά σας. Κάθεται ακριβώς εκεί στο terrarium.

CLARA DO AMARAL: Ναι, έτσι στο terrarium υπάρχουν στην πραγματικότητα δύο ξύλινοι βάτραχοι, που είναι ένα από τα είδη βατράχων που μελετώ και είναι ανθεκτικά στο παγετό.

IRA FLATOW: Όταν λέτε ανθεκτικό στο πάγωμα, όντως παγώνει στερεό;

CLARA DO AMARAL: Ναι. Στερεό πάγωμα.

IRA FLATOW: Έτσι θα μπορούσα να το χτυπήσω σε ένα τραπέζι.

CLARA DO AMARAL: Μάλλον δεν θα έπρεπε, αλλά θα μπορούσες.

IRA FLATOW: Πώς το κάνει αυτό;

CLARA DO AMARAL: Οπότε βασικά οι βάτραχοι είναι, αυτό που οι άνθρωποι γενικά αποκαλούν, ψυχρόαιμοι οργανισμοί. Και όταν έρχεται ο χειμώνας και οι θερμοκρασίες του περιβάλλοντος πέφτουν αρκετά χαμηλά, η θερμοκρασία του σώματος του βατράχου ακολουθεί αυτή τη θερμοκρασία.

Έτσι κρυώνουν σχετικά. Και έτσι εάν η θερμοκρασία του σώματος πέσει αρκετά χαμηλά, τόσο κοντά στους μηδέν βαθμούς Κελσίου, τα υγρά του σώματός τους αρχίζουν σιγά -σιγά να παγώνουν.

Έτσι, μελετάμε πώς μπορούν πραγματικά να το κάνουν αυτό. Έχουν λοιπόν μια σειρά φυσιολογικών αποκρίσεων που τους επιτρέπουν να επιβιώσουν παγωμένοι.

IRA FLATOW: Εδώ έχουμε μια φωτογραφία του παγωμένου – που ’ βρίσκεται στην παγωμένη του κατάσταση.

CLARA DO AMARAL: Ναι. Μμμ-χμμ.

IRA FLATOW: Αυτός είναι ο πάγος στο εξωτερικό;

CLARA DO AMARAL: Ναι. Οπότε, ουσιαστικά υπάρχει λίγος πάγος στην επιφάνεια και, στη συνέχεια, αν τον αγγίξετε πραγματικά, μπορείτε πραγματικά να νιώσετε αυτά τα φύλλα πάγου στην κοιλιακή πλευρά και στα πόδια και στα χέρια.

IRA FLATOW: Γιατί λοιπόν τι όφελος έχει από την κατάψυξη στερεών αντί για χειμερία νάρκη ή κάτι τέτοιο.

CLARA DO AMARAL: Σωστά. Άρα έχει να κάνει με την οικολογία και τη συμπεριφορά του βατράχου. Αυτοί οι βάτραχοι λοιπόν, δεν ξεχειμωνιάζουν πραγματικά σε ένα προστατευμένο περιβάλλον. Βασικά αδρανοποιούν σε ρηχές κοιλότητες στο δάσος όπου πραγματικά εκτέθηκαν σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες. Και έτσι αυτή είναι μια από τις στρατηγικές που του επιτρέπει να ξεχειμωνιάζει βασικά σε αυτές τις συγκεκριμένες τοποθεσίες.

IRA FLATOW: Και η δουλειά σας, Richard Lee, είναι για το μεγαλύτερο χερσαίο ζώο που ζει στην Ανταρκτική.

RICHARD LEE: Ακριβώς. Εννοώ, ποιος δεν θα ήθελε να δουλέψει στο μεγαλύτερο ζώο της ξηράς. Σωστά. Ακριβώς εκεί.

IRA FLATOW: Τι είναι αυτό; Τι είναι αυτό?

RICHARD LEE: Στην πραγματικότητα έφερα μερικά από αυτά για εσάς. Φαίνεσαι αρκετά δυνατός τύπος.

IRA FLATOW: Ω, ω, ω, αυτό είναι βαρύ. Είναι βαρύ. Αυτά είναι μικροσκοπικά μυγάκια;

RICHARD LEE: Οι μύγες και οι προνύμφες.

IRA FLATOW: Μύγες και προνύμφες;

RICHARD LEE: Έχουν και τα δύο εκεί. Ναί.

IRA FLATOW: Αυτό είναι το μεγαλύτερο ζωντανό ζώο της ξηράς;

RICHARD LEE: Κοίτα, αν θα είσαι το μεγαλύτερο ζώο της ξηράς πρέπει να μείνεις εκεί 12 μήνες του έτους. Δεν μπορείτε να είστε οι πιγκουίνοι και οι φώκιες που μπαίνουν και αναπαράγονται το καλοκαίρι και μετά φεύγουν. Πρέπει να μείνετε εκεί και να το πάρετε. Και έτσι μερικά από αυτά τα lunkers, δεν αστειεύομαι, έχουν μήκος έξι χιλιοστά.

IRA FLATOW: Λοιπόν έχουμε μερικές από τις φωτογραφίες τους στην οθόνη εκεί.

RICHARD LEE: Αυτές είναι οι προνύμφες εκεί.

IRA FLATOW: Μοιάζουν με σκουλήκια.

RICHARD LEE: Έτσι μοιάζει κάθε καλό σκουλήκι.

IRA FLATOW: Τι συμβαίνει λοιπόν με τις προνύμφες; Αυτοί τότε;

RICHARD LEE: Υπάρχουν τέσσερα προνυμφικά στάδια. Χρειάζονται δύο χρόνια για να περάσουν σε αυτά τα στάδια. Αυτή η ίδια ομάδα μυγών εδώ θα ολοκλήρωνε τον κύκλο ζωής τους σε ένα χρόνο. Αλλά λόγω της σύντομης καλλιεργητικής περιόδου, χρειάζονται δύο χρόνια εκεί κάτω.

Έτσι περνούν από το πρώτο, το δεύτερο, το τρίτο και το τέταρτο τελικό αστέρι τους. Διαχειμάζουν δύο φορές. Και τότε εμφανίζονται ως ενήλικες που ζουν μόνο για 7 έως 10 ημέρες. Ζευγαρώνουν, γεννούν αυγά, δεν τρέφονται και αυτό είναι η ζωή τους.

IRA FLATOW: Έχω πάει στην Ανταρκτική. Κάνει πολύ κρύο το χειμώνα στην Ανταρκτική. Πώς μπορούν να επιβιώσουν το χειμώνα;

RICHARD LEE: Όταν λοιπόν πρωτοπήγα στην Ανταρκτική για να τα μελετήσω, έκανα τη διδακτορική μου εργασία στη Μινεσότα και δούλεψα την ανοχή στο κρύο εκεί– είπα, ουάου. Θα πάμε στην Ανταρκτική και θα δούμε πραγματικά κάποια ζώα που αντέχουν στο κρύο εκεί. Οπότε κατεβαίνουμε εκεί κάτω και κάνουμε το τεστ και είναι ένα μάτσο μάγκες.

Ναι, μπορούν να επιβιώσουν στην κατάψυξη. Αλλά αποδεικνύεται ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες κατά μήκος της χερσονήσου είναι αρκετά ήπιες επειδή ο ωκεανός προστατεύει τη θερμοκρασία των νησιών στις χερσονήσους όπου ζουν. Επομένως, πολύ σπάνια εκτίθενται σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από ας πούμε μείον 5 βαθμούς Κελσίου.

RICHARD LEE: Κάπως σαν το Μαϊάμι. Σωστά. Αυτή είναι λοιπόν η ζώνη μπανάνας της χερσονήσου της Ανταρκτικής.

IRA FLATOW: Λοιπόν Clara, ας μιλήσουμε για το τι ακριβώς το κρύο βλάπτει το σώμα μας καταρχήν; Πώς βλάπτει το κρύο το σώμα μας; Τι συμβαίνει εκεί;

CLARA DO AMARAL: Λοιπόν, υπάρχουν μερικά πράγματα. Έτσι, σε έναν πλήρως παγωμένο οργανισμό υπάρχουν μερικά πράγματα. Έτσι πρώτα απ 'όλα πάγος, γενικά. Έτσι, ο πάγος στους ιστούς είναι αρκετά επιβλαβής. Αν σκεφτείτε κατά τη διάρκεια του χειμώνα πώς θα πρέπει να αφήσετε το νερό σας να τρέχει έτσι ώστε οι σωλήνες σας να μην παγώσουν.

Τώρα σκεφτείτε τα αιμοφόρα αγγεία σε αυτά τα ζώα. Σωστά, οπότε αν έχετε σχηματισμό πάγου σε αυτά μπορεί να έχετε βλάβη στον ιστό. Μπορεί να έχετε εσωτερική αιμορραγία και τέτοια πράγματα. Ένα από τα άλλα ζητήματα που συμβαίνουν είναι όταν αυτά τα ζώα παγώνουν και δεν αναπνέουν πραγματικά.

Ξέρετε λοιπόν ότι δεν μπαίνει οξυγόνο και αφαιρείται το διοξείδιο του άνθρακα, επομένως υπάρχει πολλή συσσώρευση τοξικών ενώσεων, ας πούμε έτσι. Και έτσι αυτά είναι μερικά από τα παραδείγματα των πραγμάτων που είναι βασικά επικίνδυνα και επιβλαβή για την κατάψυξη.

IRA FLATOW: Ξέρεις, Rick, όταν ήμουν στην Ανταρκτική τους έβλεπα να μελετούν τον μπακαλιάρο της Ανταρκτικής, που έχει αντιψυκτικό. Είναι το ίδιο που είπαν αντιψυκτικό που βάλατε στο ψυγείο του αυτοκινήτου σας, περίπου.

RICHARD LEE: Ναι, μερικοί από αυτούς το κάνουν.

IRA FLATOW: Και έτσι έχουν αντιψυκτικό, είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιούν τα ζώα για να επιβιώσουν.

RICHARD LEE: Έτσι τα αντιψυκτικά που χρησιμοποιούν τα περισσότερα έντομα τα χαμηλού μοριακού βάρους σάκχαρα και οι πολυϋδρικές αλκοόλες μας. Πράγματα όπως γλυκερίνη, σορβιτόλη. Το σάκχαρο του αίματος των εντόμων είναι η τρεαλόζη, ένας δισακχαρίτης. Και έτσι τα συσσωρεύουν σε υψηλές συγκεντρώσεις, ακριβώς όπως η αιθυλενογλυκόλη που βάζετε στο καλοριφέρ σας.

Και έτσι η συσσώρευση όμως είναι πραγματικά απίστευτη. Είναι πολύ σιροπιαστή σύσταση. Τώρα αυτό μπορεί να λειτουργήσει με δύο διαφορετικούς τρόπους. Τα περισσότερα έντομα δεν επιβιώνουν από το πάγωμα.

Αλλά όταν έχετε υψηλές συγκεντρώσεις αυτών των κρυοπροστατευτικών ενώσεων, αυτό τις βοηθά να κρυώσουν εξαιρετικά. Παραμείνετε μη παγωμένο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες: μείον 40, 50, 60 ή κάτω. Αλλά αν είστε ανεκτικοί στο πάγωμα, που είναι μια μικρή χούφτα εντόμων, προστατεύουν επίσης το έντομο καθώς σχηματίζεται πάγος στο σώμα.

IRA FLATOW: Και η Clara στα ζώα τότε;

CLARA DO AMARAL: Έτσι ο ξύλινος βάτραχος κάνει παρόμοια πράγματα. Έτσι συσσωρεύουν βασικά κρυοπροστατευτικά. Είναι το όνομα που δίνουμε σε αυτές τις χαμηλές μοριακές ενώσεις. Και έτσι είναι το σάκχαρο στο αίμα, τόσο η γλυκόζη. Το σάκχαρο στο αίμα των σπονδυλωτών είναι αυτό που συσσωρεύει ο ξύλινος βάτραχος.

Ένα άλλο πράγμα είναι η ουρία. Έτσι, είναι συνήθως μια κάπως τοξική ένωση στα θηλαστικά. Αλλά ο ξύλινος βάτραχος είναι σε θέση να ανεχθεί μεγάλες συγκεντρώσεις αυτών και βοηθά με πολλούς τρόπους. Αλλά ένα από αυτά είναι η μείωση της ποσότητας του πάγου που σχηματίζεται όταν το ζώο είναι παγωμένο. Επομένως, δεν μοιάζει ακριβώς με αντιψυκτικό, αλλά βοηθά στην ελαχιστοποίηση του πάγου και της ζημιάς.

IRA FLATOW: Άρα υπάρχει μια μικρή ζημιά –

IRA FLATOW: –αυτό συνεχίζεται. Δεν θα φανταζόμουν τίποτα ’ 100%.

IRA FLATOW: Και έτσι, όταν ο βάτραχος ξεπαγώνει– εννοώ, δεν στάζει πουθενά σε κανέναν’s βυθίζεται πουθενά– πώς’’� η διαδικασία; Πώς γίνεται αυτό;

CLARA DO AMARAL: Ουσιαστικά είναι πραγματικά πολύ ωραίο γιατί αρχίζουν να ξεπαγώνουν –

IRA FLATOW: Το Cool είναι μια καλή λέξη για χρήση.

IRA FLATOW: Δεν μπορούσα να βοηθήσω τον εαυτό μου. Λυπάμαι. Το προσωπικό μου θα με μισήσει αλλά αυτό είναι εντάξει.

CLARA DO AMARAL: Είναι εντάξει. Είσαι καλός. Στην πραγματικότητα ξεκινάει από μέσα. Έτσι τα βασικά όργανα, η καρδιά και το συκώτι, είναι τα πρώτα που ξεπαγώνουν. Ουσιαστικά, ο καρδιακός παλμός είναι ένα από τα πρώτα πράγματα που επιστρέφουν. Και όταν κοιτάζετε από έξω δεν το παρατηρείτε.

Ο βάτραχος είναι πολύ ακίνητος. Τα μάτια είναι κάπως γυαλισμένα γιατί όλα είναι παγωμένα. Αλλά τότε σιγά σιγά αρχίζει να συμβαίνει η κυκλοφορία. Τελικά έχετε αναπνοή που επιστρέφει.

Και είναι πολύ νωθρά στην αρχή και είναι εξαιρετικά αργά. Χρειάζονται περίπου 12 ώρες. Και τελικά τελικά το ζώο αρχίζει να κινείται. Και έπειτα λίγες μέρες αργότερα επανέρχεται πλήρως στο κανονικό.

IRA FLATOW: Αυτό κάνει άλμα; Ένα ξεκίνημα για άλλα ζώα; Λυπάμαι. Πρέπει να το κάνω. Λυπάμαι.

CLARA DO AMARAL: Λοιπόν, ναι. Rightσως περίπου πριν από ένα μήνα, όταν είχαμε λίγο απόψυξη, που ήταν όταν βγαίνουν και ζευγαρώνουν. Έτσι, οι ξύλινοι βάτραχοι είναι στην πραγματικότητα ένας από τους λίγους πρώτους βατράχους που βγαίνουν νωρίς την άνοιξη για να ζευγαρώσουν. Και έτσι είναι οι πρώτοι που φτάνουν στις λιμνούλες.

Πέφτουν σε χειμερία νάρκη σε τέτοιες προσωρινές λίμνες. Και έτσι στην πραγματικότητα το να είναι ανεκτικοί στο παγετό και να τους επιτρέπει να ανταποκριθούν τόσο νωρίς στην επερχόμενη άνοιξη τους επιτρέπει να φτάσουν νωρίς στις λίμνες, να ζευγαρώσουν και μετά συνεχίζουν τις δουλειές τους.

IRA FLATOW: Πω πω, αυτό είναι ένα πλεονέκτημα. Ας πάμε σε μια ερώτηση του κοινού. Ναί?

ΚΟΙΝΟ: Έτσι προσκλήθηκα πρόσφατα σε μετανάστευση σαλαμάνδρας στα μέσα Φεβρουαρίου. Και ο φίλος μου που με κάλεσε είπε ότι αυτές οι σαλαμάνδρες επηρεάζονται ριζικά από την κλιματική αλλαγή. Και έτσι αναρωτιόμουν ποια άλλα ζώα μπορεί να βιώνουν επίσης αυτές τις αλλαγές της κλιματικής αλλαγής;

IRA FLATOW: Κλάρα, θέλεις να πας πρώτη;

CLARA DO AMARAL: Σίγουρα. Μεγάλη ερώτηση. Έτσι, στην περίπτωση των ζώων που αντέχουν στην κατάψυξη. Υπάρχουν μερικά ζητήματα με το γεγονός ότι οι χειμώνες μπορεί να γίνονται πιο ήπιοι. Υψηλότερες θερμοκρασίες σημαίνουν ότι αυτοί οι οργανισμοί βασικά ξοδεύουν τα ενεργειακά τους αποθέματα γρηγορότερα.

Τα κρυοπροστατευτικά τους ότι προέρχονται από αποθήκες ενέργειας και όργανα όπως το ήπαρ κυρίως. Και έτσι, αν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι υψηλότερη, ίσως δεν θα παγώσουν τόσο πολύ, αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι περνούν τα ενεργειακά τους αποθέματα γρηγορότερα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί στην πραγματικότητα να μην είναι σε θέση να επιβιώσουν ολόκληρο τον χειμώνα.

Και μετά έρχεται ένα κρύο και πρέπει να φτιάξουν αυτά τα κρυοπροστατευτικά σχετικά γρήγορα, μπορεί να μην έχουν αρκετά για να το κάνουν αυτό. Και έτσι μπορεί στην πραγματικότητα να μην μπορούν να επιβιώσουν.

RICHARD LEE: Παρομοίως έχουμε δει μερικά έντομα– ίσως να είστε εξοικειωμένοι με τη χοληδόχο μύγα Goldenrod. Το Goldenrod, το ζιζάνιο, υπάρχει πάνω του μια χολή με μπάλα και μια προνύμφη μέσα στη χολή που είναι ανθεκτική στο πάγωμα.

Και αποδεικνύεται ότι αν βάλετε αυτές τις χολές το χειμώνα σε μια πιο ζεστή μικροσυχνότητα, δεν θα επιβιώσουν επίσης επειδή καίνε πολύ γρήγορα τα αποθέματα ενέργειας τους. Αυτό σημαίνει ότι για αυτούς το κρύο είναι καλύτερο για τη χειμερινή τους επιβίωση.

IRA FLATOW: Ουάου. Ας πάμε εδώ. Ναι?

ΚΟΙΝΟ Το tardigrade είναι ένα άλλο πλάσμα, πολύ μικροσκοπικό, που μπορεί να επιβιώσει σε ορισμένα πραγματικά ακραία περιβάλλοντα. Και αναρωτιόμουν πώς μερικοί από τους μηχανισμούς επιβίωσής του σε σύγκριση με τους βατράχους ή τις μύγες που έχετε μελετήσει.

RICHARD LEE: Πολύ ενδιαφέρουσα ερώτηση και ακριβώς στο στόχο. Επειδή, όταν μελετάμε το σκνίπι της Ανταρκτικής, μας ενδιαφέρει ιδιαίτερα η σχέση μεταξύ της ανοχής στην κατάψυξη και της ανοχής στην αφυδάτωση. Και μερικές από τις ίδιες κρυοπροστατευτικές ενώσεις παράγονται από τα αργά.

Τώρα τα αργά μπορεί να πέσει σε λιγότερο από 1% της μάζας του σώματός τους όσο πάει το νερό. Εννοώ πολύ, πολύ χαμηλά. Ωστόσο, αυτές οι προνύμφες μυγών, από την Ανταρκτική, μπορούν να ανεχθούν την αφυδάτωση περίπου στο 30% του αρχικού τους βάρους. Τα στεγνώνουμε λοιπόν. Μοιάζουν με μικρές σταφίδες.

Φαίνονται τρομερά. Και μετά προσθέτουμε νερό και γεμίζουν και κουνιούνται και νομίζω ότι μπορώ να τους ακούσω να γελούν μαζί μας. Επειδή έχουν συνηθίσει να βιώνουν διαφορετικούς τύπους αφυδάτωσης. Και τα δύο από απλή αφυδάτωση του περιβάλλοντος, από έκθεση σε αλμυρό νερό.

Αλλά αποδεικνύεται επίσης ότι για να επιβιώσετε από την κατάψυξη, είναι το να επιβιώσετε από την αφυδάτωση των κυττάρων. Επειδή καθώς σχηματίζεται πάγος έξω από τα κύτταρα, μόνο τα μόρια του νερού ενώνονται με το πλέγμα πάγου. Αυτό συγκεντρώνει την υπόλοιπη διαλυμένη ουσία και ως εκ τούτου το νερό αντλείται οσμωτικά έξω από τα κύτταρα.

Και αυτό είναι που πιθανώς ρυθμίζει τη χαμηλότερη θανατηφόρα θερμοκρασία για αυτά. Και έτσι εξετάζουμε τη διασταυρούμενη ανοχή μεταξύ παγώματος, αφυδάτωσης, ανοχής στην αλατότητα, συμβαδίζουν. Και δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι βλέπουμε μερικούς από τους ίδιους φυσιολογικούς μηχανισμούς προστασίας.

IRA FLATOW: I’m Ira Flatow. Αυτή είναι η Science Friday από τα στούντιο WNYC. Κλάρα, κουνάς πολύ το κεφάλι σου.

CLARA DO AMARAL: Ναι και για τα σπονδυλωτά είναι το ίδιο πράγμα. Υπάρχουν λοιπόν αυτά τα κοινά θέματα που βλέπετε σε όλους αυτούς τους ακραίους. Έτσι, είναι συνήθως ανεκτικοί σε χαμηλές θερμοκρασίες, ανθεκτικοί σε συνθήκες χαμηλού οξυγόνου και στη συνέχεια ανεκτικοί στην αφυδάτωση. Είναι σαν τα τρία βασικά δόγματα όλων αυτών των οργανισμών που μπορούν να επιβιώσουν από την κατάψυξη.

IRA FLATOW: Τώρα καταλαβαίνω ότι ένα από τα ωραία πράγματα σε αυτή τη δουλειά είναι ότι πρέπει να συλλέγετε τα δείγματά σας στην Ανταρκτική χρόνο με τον χρόνο. Και φαίνεται ότι θα συναντήσετε κάποια άγρια ​​ζωή στην πορεία. Κάποια άλλη άγρια ​​ζωή.

RICHARD LEE: Αυτό έχει πολλή άγρια ​​ζωή. Αυτό ακριβώς#8217

IRA FLATOW: Μιλήστε μας για αυτές τις φωτογραφίες. Τι κοιτάμε;

ΡΙΧΑΡΝΤ ΛΙ: Οπότε πρόκειται να βγούμε για να μαζέψουμε έντομα. Δεν υπάρχουν δίχτυα πεταλούδας εδώ κάτω. Είναι μια πολύ τεχνική διαδικασία που περιλαμβάνει το να σερνόμαστε σε αιχμηρά βράχια με ένα κουτάλι που έχουμε κλέψει από την κουζίνα και να μαζεύουμε αυτές τις προνύμφες. Και μετά τα ξαναπαίρνουμε στο εργαστήριο για να τα μελετήσουμε.

IRA FLATOW: Έχετε επίσης κάποιους κατοίκους που φαίνεται να ενδιαφέρονται;

RICHARD LEE: Έχουμε κάποιους φίλους εκεί. Αυτοί είναι οι πιγκουίνοι της adelie εδώ. Και έτσι είναι απίστευτο. Όταν πήγα για πρώτη φορά εκεί το 1980 έλεγα συνέχεια, απλά δεν μπορώ να το πιστέψω.

Και τελικά θα μπορούσα μόνο να πω, μου φαίνεται ότι έχω περπατήσει στις σελίδες του National Geographic. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να συνδεθώ με αυτό.

IRA FLATOW: Και αυτό είναι ένα πολύ γρήγορα μεταβαλλόμενο κλίμα τώρα, έτσι δεν είναι;

RICHARD LEE: Ναι. Και Clara, τι γίνεται με τη δουλειά σου στην Αλάσκα; Ακούγεται σαν να είναι ώριμο για περιπέτεια; Σωστά?

CLARA DO AMARAL: Ναι, και είναι αρκετά συναρπαστικό. Έτσι, για ένα από τα προϊόντα που έκανα κατά τη διάρκεια του διδακτορικού μου, έπρεπε να πάω στην Αλάσκα τρεις διαφορετικές φορές. Και βασικά κυνηγούσαμε βατράχους. Και έτσι ουσιαστικά δεν είχαμε πάει ποτέ εκεί. Έτσι, έπρεπε να αναζητήσουμε πολλές τοποθεσίες.

Υπήρχε πολλή περιπέτεια όπως το κανό σε αυτά τα ερημωμένα νησιά. Να χαθείτε στη μέση του δάσους πολλές φορές. Και ναι, αποθηκεύουμε τους βατράχους μας στο ψυγείο, έτσι είναι σαν το ψυγείο του ξενοδοχείου μας. Μπορείς να δεις.

IRA FLATOW: Σας αρέσει να τρώτε χούμους; Χούμους και ποτό κόκα κόλα;

CLARA DO AMARAL: Ναι, ακριβώς. Έτσι μπορείτε να δείτε τη διατροφή μας και στη συνέχεια προφανώς τη βραβευμένη συλλογή μας. Κάθε μικρό φλιτζάνι έχει έναν ατομικό βάτραχο με λίγο σφουγγάρι με νερό για να τα κρατά υγρά. Ναι, ήταν σαν ένα ταξίδι 10 ημερών.

Κάθε μέρα ’ εργάζεστε σαν 16 ώρες. Είσαι απλά – υπέροχη τοποθεσία, αλλά σου αρέσει, πρέπει να πάρω βατράχους. Πρέπει να πάρω βατράχους. Αυτό ’ αρέσει το μόνο πράγμα που σκέφτεστε. Και μετά, φυσικά, να αποφύγεις να σε φάνε αρκούδες ή να σε κλωτσήσουν άλκες και τέτοια.

IRA FLATOW: Μισώ όταν συμβαίνει αυτό.

CLARA DO AMARAL: I know, right?

IRA FLATOW: What kinds of things can you learn about freezing and not freezing from these animals– Clara, let me ask you first– that might help benefit our health?

CLARA DO AMARAL: Sure, absolutely. So we’re looking at these organisms that basically can survive being completely frozen while we can’t take a human heart and freeze it right now. So most organs have a shelf life of four to 12 hours after they are removed from a body. And if they’re not used then they’re gone. You can’t use them.

So that would be a great application for the type of work we do. So if we can understand how these organisms can tolerate these different compounds, these different stresses. Are there things that we can extract from that to apply to cryopreservation of organs, would be one of the things.

Yeah, one of the issues is many of these protectants for mammalian tissues are toxic. But if you can figure out how these insects, how these frogs, can tolerate such high concentrations maybe you can then translate that to an actual application for organ preservation.

IRA FLATOW: Wow, sounds fascinating. I want to thank you both for taking time to be with us today. Richard Lee, Professor of biology, director of the ecophysiological cryobiology lab. That’s cold stuff.

IRA FLATOW: At Miami University and Clara do Amaral a comparative physiologist, assistant professor of biology at Mount St. Joseph University in Cincinnati. Thank you both for taking the time to be with us today.

After the break we’ll talk about how fossilized pollens and plants can reveal clues about how our ancient ancestors evolved.


How can frogs tolerate freezing while humans cannot? - Βιολογία

(Click thumbnail images for larger photos.)

Name Derivation

The common name of the Wood Frog is pretty obvious, it's a frog that is found mainly in wooded areas. The scientific name derives as follows:

Lithobates (from Greek) - meaning a stone (Litho) that walks or haunts (bates), sylvaticus (from Latin) - pertaining to woods or forests.

Περιγραφή

W ood frogs can grow to 50 mm (2 inches) in body length. Stretched out, a frog with a 50 mm long body might reach 140 mm from its snout to the tip of its toes. Females tend to be larger than males. Wood frogs are quite variable in colour, but are usually a mottled brown (the colour of dead leaves on the forest floor), with a black mask-like patch from their eyes to the line of the jaw. Females are usually more rusty red in colour.

Κατανομή

The wood frog is the most widely distributed amphibian occurring in Manitoba. It is the only frog that can be found throughout the entire province of Manitoba. In North America it occurs throughout Canada, as far north as the tree line (the edge of the Arctic tundra) and through most of the northern United States as far south as Georgia in the east.

Βιότοπο

ΕΝΑ s its name implies the wood frog is found mainly in wooded areas, but can live in meadows, or even urban areas. Populations of wood frogs can survive just about anywhere there is enough water available in the spring in which to breed. They prefer to breed in "vernal ponds" - small, temporary ponds arising from the spring snow melt. Any pond that holds water until the end of June can be used for rearing their young. Wood frogs will breed in larger bodies of water including lakes and slow flowing streams, but prefer temporary ponds which do not harbour fish and other predators that would eat both eggs and tadpoles.

Adult wood frogs eat insects and other small invertebrates. Like most frogs and toads they will eat just about any animal that will fit into their mouths! The tadpoles are primarily herbivorous, eating algae and decaying plant matter, but they will eat dead animal flesh (even other dead tadpoles) if it is available. They have small beak-like mouths with which they rasp or scrape away at food items. Adults have wide mouths and a sticky tongue they can flick out to capture prey.

Wood frogs can be raised from egg to small froglets in less than 50 days. All that is required is a container with clean, oxygenated water and simple foods, such as boiled lettuce or fish food (commercial flakes). Ολοκλήρωση παραγγελίας: Wood Frogs in the Class Room και Frog Log.

Αναπαραγωγή

W ood frogs make their way to breeding ponds as soon as the weather allows in the spring, often as early as mid-April in southern Manitoba (though they have recently been recorded laying eggs in late March!). Males call to attract females throughout the day, but evening is usually the time of greatest breeding activity. The call of the wood frog sounds like "quork, quork, quork".

Play the mating call of a Wood Frog

Μ ales clasp onto the backs of females and deposit sperm into the water as the female lays her eggs. The egg mass, which may contain many hundreds of eggs, is attached to vegetation near the surface of the water. The eggs usually hatch in under 1 week, but cold weather resulting in cooling of the pond can slow development. Growth of the tadpoles depends on water temperature and food availability. In the wild, tadpoles may transform into their adult form by late June or early July. In captivity, with warmer temperatures and assured food supplies they can transform by mid-June. Growth and transformation can be delayed by as much as 2 months if food is limiting in the wild. Newly transformed frogs, called froglets, are quite small, often only 10 mm (snout to vent). They require 2 or more years to reach full adult size.

Watch Wood Frog eggs become froglets in this NatureNorth Critter Video!

Attention all amphibian lovers!

If you want to help conserve amphibians in Manitoba then get involved with the Manitoba Herps Atlas ! When you find a critter enter a record to help build a province-wide database of species' locations and natural history.

Habits

ΕΝΑ fter the spring breeding period, adult frogs leave the ponds to spend the summer foraging for insects, worms and other invertebrates. In summer they are most active at night. In cooler times of the year (spring and fall) wood frogs are more active during the day. The home range of individual frogs can be as small as 100 square metres (0.01 ha or 0.03 acre), but is quite variable. Wood frogs spend winter on land, under leaf litter, logs or rocks. They are one of several species of frogs that can tolerate freezing of their body tissues.

Η ibernating on land and experiencing freezing may seem like a drastic lifestyle, but it has some real rewards. Chief among these are access to habitats far from permanent bodies of water and the ability to start breeding early. Without the need for large bodies of water for hibernation, wood frogs can live in areas far from permanent water bodies. The forest floor where they lie dormant for the winter warms quicker in the spring than do large ponds, marshes or lakes, freeing the wood frog to start its breeding cycle much earlier. The vernal ponds that the wood frog uses for breeding also warm faster and stay warmer than larger water bodies allowing for rapid growth of tadpoles in an environment largely free from aquatic predators. A new crop of froglets is launched by late June or early July before summer's heat dries out the vernal ponds.

(There are real disadvantages to hibernating in ponds, too, see our Winter Kill article.)

How do wood frogs have the energy to mate and produce large masses of eggs first thing in the spring, before most of the insects and invertebrates they eat have emerged form hibernation? They take it into cold storage with them! By late fall the frogs have stored enough fat and glycogen (a storage form of the sugar, glucose) to get them through the breeding season and sustain them until new prey appears in late spring. Also, they will have produced their eggs and sperm before heading into winter those freeze undamaged, too.

Being cold blooded does have its advantages. While mammals and birds must meter out their precious stores of food and fat just to stay warm and endure the winter, wood frogs and other cold-blooded critters emerge from winter fat and fit.

Thanks for learning about Wood Frogs! Bye for now.

Ευχαριστίες

Τ hanks to Bill Preston, Curator (retired) of Reptiles, Amphibians and Fishes at the Manitoba Museum of Man and Nature for information and the frog sounds. Thanks also to Jan and Ken Storey at Carleton University, Ottawa for some information and images.

MORE Frog Stuff

F ollow this link for more Frog and Toad Calls.

For more on "frog-sicles" and other cryogenic creatures check out our Winter Issue article Frozen Alive.


Freeze tolerance evolution among anurans: Frequency and timing of appearance ☆

Despite numerous mechanistic studies on physiological responses supporting freeze tolerance in anurans, few have addressed the evolutionary significance of this trait. We thus investigated the phylogenetic relationships among anuran species whose freeze tolerance has been assessed and in combination with new data on freezing tolerance of two closely related species of the European brown frogs (Ράνα προσωρινή και Rana dalmatina). The species we studied exhibited short survival times in frozen state (around 8 h for both species). Phylogenetic analysis suggests that freeze tolerance evolved at least two times among Ranidae and one or two times among Hylidae and never in Bufonidae. Furthermore, in order to assess the timing of divergence of this character we used a relaxed molecular clock created, and found that the most recent separation between a freeze tolerant species and a freeze intolerant species dates from 15.9 ± 7.6 Myr (Rana arvalis και R. temporaria). The comparison between these two species thus represents the best current model to understand freeze tolerance evolution. Addressing the evolution of this trait with such large-scale approaches will not only improve our understanding of cold hardiness strategies, but might also create a framework guiding future comparative studies.


Jon Costanzo, senior research scholar in the Department of Biology, is helping unlock the mystery of how wood frogs (Rana sylvatica) can freeze in winter — with their hearts not beating while frozen — then quickly resume normal life after thawing in the spring.

Findings of Costanzo’s work with University Distinguished Professor of Zoology Richard Lee and graduate students Clara do Amaral and Andrew Rosendale were reported in the August 21 issue of the Journal of Experimental BiologyΤο The researchers found that the freeze-tolerant frogs can survive at temperatures much lower than previously reported.

The National Science Foundation-supported research also has led to some new discoveries related to underlying physiological mechanisms that allowed frogs from the interior of Alaska to survive freezing at minus 16 degrees Celsius. They required only two days of thawing to resume normal movements.

The research team’s work was featured on the TV science program NOVA’s “Making Things Colder” and in a David Attenborough production, “Natural Curiosities” earlier this year. A third, yet-to-be scheduled, program — the BBC’s “Hidden Kingdoms” — will also discuss the research.

Focusing on the differences between Ohio and Alaskan wood frogs, the researchers collected dozens of frogs on the verge of hibernation near Fairbanks, Alaska, to study how they prepared for winter.

Back at the Miami campus, the researchers placed the frogs in programmable environmental chambers and manipulated temperature and light exposure for six weeks to simulate the frogs’ normal conditions.

“We kind of faked them out as if they were being subjected to decreasing temperature and decreasing daylight like they would experience in the field,” he said.

While studying how they changed physiologically, they discovered something that surprised even Costanzo, who has been studying the creatures for 25 years.
Costanzo said the finding that the frogs broke down muscle protein at this time, was “completely unexpected” because they would have to breed soon after emerging from hibernation.

The frog “needs good muscle tone, good muscle structure, to be able to pull that off,” Costanzo said. “Yet these frogs were using some of their muscle protein before winter.”

Researchers believe that occurs so the frogs can use nitrogen in the protein to produce urea. Although humans and other creatures also produce urea, a waste byproduct, they quickly release it from their bodies. The frogs don’t.

“Rather than urinating to get rid of the urea, they’re hanging onto it and they really stacked it up,” Costanzo said.

While the researchers have known for a while that the frogs produce urea heading into winter, they don’t yet understand how they are able to retain it the way they do.

“The concentration of urea in their blood was just huge and way more than we’d ever seen in the frogs from Ohio,” he said. “We’ve never seen the accumulation like we’ve seen in these Alaskan frogs. It’s really spectacular.”

Urea, a cryoprotectant, can help tissues survive freezing stresses and also stabilize membranes.

“It can help brain tissue tolerate swings in salt concentration, which you might see in freezing and thawing,” he said, “so urea is probably one of their secrets.”

Costanzo said urea also helps depress metabolism while the frogs hibernate for nearly eight months.

“They are not going to be feeding so depressing their metabolism during the winter is really important to survive because it’s going to help them last longer on their stored energy reserves,” he said.

The research also found the frogs produce glucose, which is ordinary blood sugar, as they’re freezing and accumulate that to high levels, too, which appears to help the cells tolerate freezing.

“We don’t know exactly how they are dehydrating their organs during freezing but we know the organs shrink,” Costanzo said. “The idea is that rather than have all that water remain in the organ and freeze and become big chunks of ice, have that water freeze outside where it’s not going to harm the tissue structure.”

The researchers found the Alaskan wood frogs survived to temperatures of minus 16 degrees Celsius, which is 11 degrees colder than Ohio wood frogs survived in testing.

“They also survived a two-month period of freezing” at minus 4 degrees and required only two days to get back “up on their feet and looking great,” Costanzo said.

The response time for the Ohio frogs was a week or longer.

“Given they came back in two days, we think they probably can go much lower than minus 16,” he said.

Rosendale said that they pursue this kind of research because it’s fascinating but realize that their discoveries may eventually lead to medical breakthroughs.

Scientists for years have been able to preserve simple systems such as embryos by freezing them. Regarding organ transplants, medical personnel ship and store organs on ice because they are trying to lower the temperature as much as possible to reduce damage.

“But they can’t freeze organs yet,” Costanzo said.

If there is something that can be applied from the wood frog research, it is the role cryoprotectants play in improving freezing survival.

“That is something the frogs demonstrated very well,” he said.

Additionally, understanding the winter biology of ectotherms such as frogs may help predict consequences of climate change for their survival, according to Lee.

Written by Margo Kissell, University News & Communications, Miami University. This article originally appeared August 21, 2014 on the Miami University News & Events website, and is re-used here with permission.


Cold or freezing as appropriate anesthesia or euthanasia for amphibians and reptiles

Here, we discuss important points related to the issue of whether cold and freezing are, under certain conditions, humane methods for either supplementing recognized methods of anesthesia or as a primary method of euthanasia of small ectothermic tetrapod vertebrates.

Hypothermia and anesthesia

Hypothermia has been used as a primary or supplemental method for anesthesia and analgesia for more than a century, both in ectotherms and endotherms (Blair 1971, Phifer and Terry 1986, Martin 1995, Suckow et al. 1999). In the sciatic nerves of toads, low temperature exerts the same structural and electrophysiological effects on myelinated nerves as various local anesthetics (Luzzati et al. 1999). However, the molecular events associated with anesthesia remain controversial (Mullins 1991, McKemy 2005, Foulkes and Wood 2007), as do opinions about guidelines for whether hypothermia is a clinically efficacious method for anesthesia (Martin 1995). This is because low temperature may lead to apparent paralysis without having fully blocked nociception. Data from studies of fishes suggest that rapid cooling can provide rapid anesthesia, potentially low mortality rates, improved safety, and an effective anesthetic method for scientific research (Matthews and Varga 2012, Chen et al. 2014). Although we do not recommend low temperature as a sole mode of anesthesia, we believe it can be very useful as a supplement to other methods (see below).

An important issue related to transient hypothermia for supplemental anesthesia is the potential for immunosuppression and the subsequent development of infectious disease. The immune responses of amphibians and reptiles are temperature sensitive—often with their strongest responses occurring at “optimal” temperatures specific to a species (Zimmerman et al. 2010)—and can be suppressed by periods of hypothermia or variations of temperature (Cooper EL et al. 1992, Maniero and Carey 1997, Raffel et al. 2006). Temperature can also affect the prevalence and life cycles of pathogens in addition to immune defense. Problems attributed to hypothermia have been discussed in several publications related to commercially farmed fish and stranded, “cold-stunned” sea turtles (e.g., Bly and Clem 1992, Innis et al. 2009). In the case of sea turtles, only a portion of populations succumbs to “cold-stunning” and their preconditions are not known. Conversely, it has been suggested that amphibians can tolerate, or even benefit from, natural patterns of rapid warming and cooling (Terrell et al. 2013). Cooling is not logically implicated to impose long-term health problems for individuals or populations of species that naturally experience seasonal or daily bouts of exposure to low temperature (Storey and Storey 1992). Most importantly, there are no studies that indicate that very short-term hypothermia (e.g., less than 1 hour of supplemental anesthesia) negatively affects the subsequent health of ectothermic tetrapods. Snakes representing several species that were cooled to low temperature as supplemental anesthesia during cardiovascular surgeries recovered normal behaviors rapidly and survived well for periods of months until they were released or transferred to other projects (personal observations by HBL and RSS). We suggest the possible effects of very short-term hypothermia (less than 2 hours of supplemental anesthesia) would be an interesting and profitable area of further research.

Temperature and conduction of nerve signals

The conduction velocities for neuronal action potentials decrease with decreasing temperature and may cease at temperatures close to 0°C. There is a clear linear relationship between temperature and the velocity of nerve conduction in tortoises, and nerve blockage occurs at temperatures of 1°C–3.5°C (Rosenberg 1978). Similarly, conduction by peripheral nerves is blocked at about 0°C–2°C in bullfrogs (Roberts and Blackburn 1975). Therefore, the excitable membranes of some ectothermic vertebrates experience cold block of action potentials at low temperatures near freezing. In addition, blockage of nociceptive C fibers occurs at higher temperatures than does blockage of neuromuscular A fibers in bullfrogs (Roberts and Blackburn 1975). In general, the blockage of nerve conduction in mammals occurs at higher temperatures compared with that in ectothermic vertebrates (e.g., Rossi and Britt 1984). For example, anesthetized goats do not respond to peripheral painful stimuli when they are cooled to about 20°C and the anesthetic is removed (Antognini 1993).

Still, cold-resistant and freeze-tolerant species retain functionality at very low temperatures, with the variability of response depending on the thermal adaptations of species (Daló et al. 1995, Costanzo et al. 1999, Madsen et al. 2013). Cold-resistant amphibians and reptiles are capable of coordinated movements down to freezing temperatures and can readily respond to stimuli such as a leg pinch. However, their response to continued lowering of temperature alone does not appear to be one of stress or panic (personal observations by KBS and HBL). Notably, there are no indications of pain withdrawal or distress in the response to simple chilling or freezing when amphibians or reptiles are not touched, which implies that cooling or freezing καθεαυτο is not a painful or distressful stimulus.

Therefore, we believe that a sensation of pain attributable strictly to hypothermia is not present during cooling of whole ectothermic animals before ice crystals begin to form, and this reflects their natural history and assures that these animals retain mobility and other functions at low temperatures. Some will correctly suggest, therefore, that cold temperatures do not readily induce unconsciousness in these animals (Martin 1995, Madsen et al. 2013). The point here, however, is that a trajectory of lowering whole-body temperature to freezing eliminates the possibility of pain that might be associated with freezing of the entire animal. Again, the possibility of pain in freezing tissues is physically impossible.

Temperature and brain function

Normal brain function depends on temperature and ceases at low temperatures approaching 0°C in cold-sensitive ectothermic vertebrates. There is a close relationship between brain temperatures and cerebral metabolism, which is reduced dramatically at low temperature (LaManna et al. 1980, Mrozek et al. 2012). The restoration of neuronal membrane potential following depolarization requires energy and suggests a direct link between temperature and neuronal activity (Sokoloff 1999). Moreover, temperature also influences the passive properties of neuronal membranes, synaptic transmission (including release, reuptake, and diffusion of neurotransmitter) and cerebral blood flow (Mrozek et al. 2012). Electro-encephalographic studies demonstrate near-zero activity in recordings from the brains of amphibians or reptiles having body temperatures close to 0°C (Hunsaker and Lansing 1962, Shine et al. 2015). Although only a small number of cold-tolerant species have been studied (Daló et al. 1995, Madsen et al. 2013), one might expect near-zero brain activity to be characteristic of numerous taxa.

Bispectral analysis is a statistic applied to EEG waveforms to monitor the depth of anesthesia. Research in humans indicates that the bispectral index (BIS) decreases by 1.12 units for every °C decrease in body temperature (Mathew et al. 2001). It would be useful to develop a bispectral index for use in monitoring the effects of hypothermia in amphibians and reptiles.

Formation of ice crystals

Physical laws contradict the assumption that ice crystals cause pain. The formation of ice crystals will block the movement of all charged particles (freezing them in place) and thereby disrupt any activity of excitable membranes and thus inhibit neural transmission as well as any central integration of “pain.” Therefore, any pain experienced concurrent with the initiation of ice formation could be near instantaneous and quickly blocked as ice penetrates through the body and impairs nerve function. In anurans, ice crystals form at –1°C to –4.3°C (Storey and Storey 1986, Hillman et al. 2009). As we have discussed above, peripheral nerves are unlikely to transmit signals when tissues of cold-sensitive species are below 0°C, and the brain is likely to be inactive as well. Thus, nociception or perception of pain is not possible at temperatures that induce formation of ice crystals in tissues, and the creation of a crystal lattice involving neural tissue would further prevent any neural activity. Therefore, we conclude that the transmission of pain associated with freezing is not possible. Note also that cryoprotectants identified in some cold-resistant and freeze-tolerant amphibians would delay but not stop the disruption of excitable membrane function associated with the formation of ice crystals. Moreover, cooling and freezing for euthanasia would not engage time courses sufficiently long to produce effective amounts of cryoprotectants in those freeze-avoiding species that are capable of such protection.

When freezing at any particular location seeds growth of ice crystals, the subsequent change of water to ice can be very rapid at the freezing point (Packard et al. 1993, Cziko et al. 2006, Cheng and Detrich 2007), although the freezing kinetics of organisms can vary considerably depending on the mass of the organism, its water content, and the cooling capacity of the microenvironment (Claussen and Costanzo 1990). Moreover, the rate of nucleation (crystal growth) is faster in tissues than in water, depending on colloidal or macromolecular inclusions (Stephenson 1956). Therefore, when smaller amphibians or reptiles are cooled and the entire body approaches freezing, the end result is likely to be a very rapid formation of ice. When larval polar fish having low concentrations of antifreeze proteins are cooled to an organismal freezing point causing ice crystals to form (–0.99°C to –2.63°C), complete freezing occurs within 1–2 seconds of the onset of the growth of crystal (Cziko et al. 2006).

Freezing might occur much more slowly in freeze-tolerant species or in animals that cool very gradually or intermittently under natural conditions in the field (Storey and Storey 1992). Again, however, it seems contrary to natural processes that such “slow freezing” would render animals to be in pain for prolonged periods while subject to normal conditions in natural environments. Alaskan wood frogs sometimes undergo multiple, repetitive cycles of freezing and thawing in their natural environment (Costanzo et al. 2013, Larson et al. 2014).

Cooling of tropical species

Cooling of low-elevation tropical species to temperatures approaching 0°C can kill tropical species without formation of ice crystals in body fluids or tissues (Wilson et al. 2009). Therefore, we consider either rapid cooling in an ice bath or slower cooling in a refrigerator and/or freezer (Shine et al. 2015) to be a humane method of euthanasia for small tropical amphibians and reptiles because low temperatures will suppress nerve and brain function as discussed above. Moreover, the use of chemical agents for euthanasia might induce equal or greater levels of distress (see below). Generally, freezing of zebrafish is allowed by current guidelines, and we suggest this practice also should be extended to small species of tropical amphibians and reptiles.

Pain and distress associated with chemical agents

The injection of euthanizing chemicals can be painful and induce neural and behavioral effects that are highly variable in different species (e.g., Wilson et al. 2009). Arguably, the humane use of chemical agents to induce anesthesia or death in animals depends on appropriate parameters of delivery such as volume, concentration, site and rate of injection, and appropriate buffering. Whereas zebrafish display signs of distress both to buffered and to unbuffered tricaine methanesulfonate (MS222 Wilson et al. 2009, Mathews and Varga 2012), Conroy and colleagues (2009) outlined a two-stage protocol for euthanasia of small reptiles with MS222 suitable for use in both the laboratory and the field. Because of the interspecific variation of responses to chemical agents, the judicious and humane use of chemical anesthetics potentially requires clinical trials and training that is appropriate for any species of wildlife in question. One of us (ERJ) has continued to modify euthanasia methods over 46 years of research and clinical experience with amphibians and reptiles.

Ερευνα πεδίου

We propose that freezing can provide a humane and practical means of euthanasia for amphibians and reptiles that might be investigated in remote or particular field situations in which the appropriate chemical agents required for euthanasia by current guidelines are not available. Moreover, there are many locales where the transport of controlled substances places the investigator in legal or physical jeopardy, thereby also threatening the viability of the project and the humane treatment of animals that are involved.


No falling iguanas here, but maybe tegus

Some North Floridians surely feel they are missing out on something really neat by not having torporous iguanas falling out of trees.

Or pythons as long as a minivan slithering around, for that matter.

Iguanas in particular get a lot of attention when the weather turns cold because they get so lethargic and stiff that they can become falling hazards from above.

But one exotic reptile can tolerate colder weather. It is in Alachua County and it is one scary-looking lizard.

&ldquoWe have some records of the Argentine black and white tegu and they certainly have the ability over time to become established around here if the population got going and something wasn&rsquot done about it,&rdquo University of Florida associate professor Steve Johnson said. &ldquoThere&rsquos been at least half a dozen or so in Alachua County. They can tolerate cold weather. They go underground to avoid the cold.&rdquo

Johnson is in the Department of Wildlife Ecology and Conservation, specializing in reptiles and amphibians.

South Florida&rsquos warm, moist climate is ideal for many invasive reptiles, most of which started as pets that escaped or were released into nature by their owners.

Pythons are eating or displacing native wildlife, particularly in the Everglades. Iguanas, now commonly seen in yards, are pests that eat vegetables in gardens and leave behind a lot of waste.

Cane toads &mdash bufo toads to old-timers &mdash have a toxic poison that can kill pets.

And now, tegus. They are on the increase, can grow to 5 feet long and, while they do not attack humans, they are eating native animals that are beloved in Florida.

The Florida Fish and Wildlife Conservation Commission did an analysis of a tegu&rsquos gut and found remains of juvenile gopher tortoise, a protected species in Florida.

Tegus raid nests of other wildlife, including alligators, to eat the eggs. They will also munch on agricultural crops.

&ldquoThough current population estimates are not available for this species, evidence suggests possible expansion of their populations in Florida,&rdquo FWC reports. &ldquoAdults have few predators and can give birth to large numbers of offspring per year, increasing the risk of populations spreading beyond their established ranges and impacting surrounding areas.&rdquo

As with iguanas and pythons, tegus can be killed on private property &mdash but it must be done humanely. They can be shot or stabbed through the head and brain, for instance, but they cannot be drowned or poisoned.

Reptiles find mates through scent. Once enough exotics are released for them to find another and breed, the boom starts.

North Central Florida is home to a number of invasive small reptiles and amphibians &mdash Cuban brown anoles, Cuban tree frogs and various geckos among them.

Some gecko species are strictly female and lay fertile eggs without having to mate, Johnson said.

Brown anoles can displace the native green anoles and Cuban tree frogs eat native frogs.

Johnson added that a study of garter snakes fed a diet of Cuban tree frogs showed they did not grow as well compared to a diet of native fish and frogs.

The exotic anoles, geckos and frogs likely came to Florida and the U.S. as stowaways in cargo.

&ldquoThey inadvertently move with people,&rdquo Johnson said. &ldquoThese have not come through the pet trade because they are not a flashy species.&rdquo


Guest Blog: Freezing Wood Frogs

Dr. Jon Costanzo, Senior Research Scholar and Adjunct Professor in the Department of Zoology at Miami University in Oxford, OH was invited to tell us about his amazing research on wood frogs animals that can actually survive freezing! Here is his post:

In a recent post, Dr. Dolittle commented on our poster.pdf presented at the Ohio Physiological Society's meeting in Cincinnati, Ohio. We reported on seasonal variation in the abundance of proteins within the liver of the wood frog (Rana sylvatica), the most cold adapted of all North American amphibians. The wood frog is one of about a dozen known species of amphibians and reptiles that are naturally "freeze tolerant," meaning that they tolerate the freezing of their tissues under naturalistic thermal and temporal conditions.

Wood frogs inhabit forests from the southern Appalachian Mountains north to Labrador
and west to Alaska, where they occur within the Arctic Circle (Figure 1). Throughout their range they hibernate beneath the forest duff, enduring dehydration and hypothermia, and passing many months without feeding.


Φιγούρα 1: Geographic range of the wood frog, Rana sylvatica. http://en.wikipedia.org/wiki/Wood_Frog

Depending on the weather and other factors, frogs may become frozen for periods lasting from hours to several weeks, and at high latitudes, perhaps months. While frozen they appear inanimate and have no heartbeat or pulmonary breathing, yet they completely recover upon thawing.

Σχήμα 2: Fully-frozen adult wood frog. Photo credit: Evelyn Dietz.

The wood frog can survive the freezing of up to 65-70% of its body water so long as it cools slowly (and ice accumulates gradually) and body temperature remains above some critical temperature. This temperature is -5 to -6°C for frogs indigenous to the Midwestern United States and southern Canada, but apparently is much lower for frogs of northern populations. With support from the National Science Foundation, our current research project aims to elucidate the molecular and physiological basis for extreme freeze tolerance in Alaskan wood frogs.

Εικόνα 3:Biophysical and physiological responses to freezing and thawing of the wood frog. A: exothermic rise in body temperature after freezing begins (at time zero), followed by gradual cooling B: initial increase in heart rate followed by cardiac arrest C: accumulation of ice in tissues to a survivable equilibrium level D: rapid accrual of the cryoprotectant, glucose, in tissues E: protective dehydration of tissues during freezing and rapid rehydration following thawing. Adapted from our review article.

Natural freeze tolerance, which was first reported for amphibians by William D. Schmid some 30 years ago, is a remarkably complex adaptation. During freezing, ice forms only in the blood and spaces outside cells intracellular freezing is lethal to nearly all organisms. Freezing/thawing stress is ameliorated by "cryoprotectants," certain organic solutes that limit cellular shrinkage and protect membranes and macromolecules. Cryoprotectants used by the wood frog include glucose, which is quickly synthesized in the liver after freezing begins, and urea, which gradually accumulates in tissues during autumn and early winter. As a bonus, high levels of urea also contribute to a metabolic depression that reduces energy use during dormancy. Tissue damage is further minimized because much of the water within the organs is translocated to the coelom before it freezes. Post-thaw resumption of normal behavioral and physiological functions can occur within 12-24 hours, but may be delayed several days if the freezing exposure was severe. A time-lapse video of the usual thawing/recovery process can be viewed here . In the video, time is compressed 120:1.

Research in our Laboratory for Ecophysiological Cryobiology addresses the mechanisms permitting various species of insects, amphibians, and reptiles to thrive in cold environments. Some of these animals spend over half of their lives in hibernation, yet relatively little is known of their winter biology. Understanding this facet of their life history may help predict consequences of climate change for their survival, as cold tolerance governs the distributional patterns of many ectotherms. Furthermore, investigation of natural cold-hardiness mechanisms may contribute to knowledge in various applied disciplines, such as integrated pest management, tissue cryopreservation, and organ banking.


Δες το βίντεο: Young horned frog hunts crickets Νεαρός κερασφόρος βάτραχοσ κυνηγάει γρύλους (Νοέμβριος 2022).