Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Chladová odolnost hmyzu a tropy

Společné mechanizmy ochrany proti mrazu i suchu
Publikováno: Vesmír 75, 669, 1996/12

V posledních dvou letech se v odborných článcích z hmyzí kryobiologie začíná objevovat zdánlivě nelogická spojitost mezi mechanizmy ochrany proti nízké teplotě a proti vysoké teplotě spojené s nízkou vlhkostí prostředí.

Hmyz, stejně jako ostatní studenokrevní živočichové, podstupuje v mírném a arktickém klimatickém pásu každoročně několikaměsíční odolnost v nepříznivých podmínkách zimy. Většina druhů již dlouho před příchodem chladného období vyhledává úkryty pro přezimování a přechází z normálního vývoje do diapauzy (adaptivního naprogramovaného snížení úrovně metabolizmu a zastavení vývoje či rozmnožování). Ačkoliv například v půdě či ve vrstvě opadanky pod sněhovou pokrývkou jsou živočichové poměrně dobře chráněni proti nepříznivým účinkům mrazivého suchého vzduchu, hrozí jim zde napadení patogeny, predátory aktivními pod sněhem, popřípadě zatopení a následný nedostatek kyslíku. Některé druhy se nebezpečí vyhýbají tím, že přezimují na exponovaných místech: v živých i odumřelých rostlinných tkáních, skalních puklinách. Například slunéčka Adalia bipunctata a Semiadalia undecimnotata nacházíme ve štěrbinách vystavených mrazivému vzduchu, kde jiné druhy nepřežijí. V takových místech - a při déletrvajících holomrazech i v hlubších úkrytech - hmyz přežívá jen díky fyziologickým adaptacím na chlad a mráz.

O mechanizmech poškození hmyzího organizmu chladem (teplotou pod 0 °C, ale beze vzniku ledových krystalů) se ví zatím málo. V buněčných membránách se objevují trhliny způsobené fázovými změnami lipidů nebo termoelastickým pnutím, mění se terciární a kvartérní struktura enzymů, řízení a koordinace tělesných funkcí jsou desynchronizovány, různé metabolické dráhy běží nestejnou rychlostí, takže se mohou akumulovat toxické meziprodukty a zplodiny látkové výměny.

Lépe známé jsou příčiny poškození organizmu při vzniku ledových krystalů. Velké krystaly mechanicky narušují buňky a tkáně, protože zvětšují svůj objem oproti vodě. Vznik ledu uvnitř buněk se považuje za letální. I když růst krystalů obvykle začíná v mezibuněčném prostoru (hemolymfě nebo uvnitř střeva), zahušťující roztok odčerpává osmoticky vodu z buněk. Buňky jsou pak poškozeny celkovým osmotickým šokem, toxickým působením některých látek ve zvýšené koncentraci (včetně změn pH) nebo mechanicky - překročením minimálního objemu buňky. Led brání transportu kyslíku a jiných látek v těle. Někdy se buňka poškodí až při rozmrzání, kdy nasává vodu z mezibuněčného prostoru tak intenzivně, až popraská buněčná membrána.

Podle citlivosti daného druhu (populace, jedince, stadia) k uvedeným poškozením a na základě použitých ochranných mechanizmů lze charakterizovat šest strategií, jak hmyz čelí chladu a mrazu:

  • Oportunní přežívání: druhy neschopné přežít po delší dobu snížení teploty pod práh umožňující normální vývoj vyhledávají v zimě místa s dostatečně vysokou teplotou. Jde především o zavlečené tropické druhy (mravenec faraon), některé parazity teplokrevných obratlovců, ale patří sem třeba i moucha domácí a včela medonosná.
  • Citlivost k chladu: druhy, které přežívají dlouhodobě teploty mnohem menší, než je jejich práh vývoje, ale jsou velmi citlivé na snížení teploty pod bod mrazu. Přežívají v chráněných místech, kde po celou zimu teplota neklesne příliš hluboko pod O °C. Takto citlivé jsou mnohé druhy mšic a nediapauzní jedinci různých druhů hmyzu (v létě, kdy jsou aktivní), včetně klidových stádií (kukly dvoukřídlých).
  • Tolerance chladu: hmyz oddalující zmrznutí tím, že sníží bod podchlazení , a snášející mírně záporné teploty. Při dlouhodobém vystavení velmi nízké teplotě dochází i zde k úhynu bez tvorby ledu v těle. Zřejmě nejpočetnější skupina, zahrnující přezimující jedince různých stádií a taxonů.
  • Vyhýbání se zmrznutí: druhy, které jsou schopny přežít dlouhodobé vystavení chladu, ale hynou při mrznutí tělních tekutin. Snižují aktivně bod podchlazení na teploty -20 až -50 °C. Proto vylučují potenciální nukleátory z těla (vyprazdňují obsah střev), nebo je inaktivují uložením v lipidické fázi membrán. V hemolymfě akumulují velké množství kryoprotektantů. Proti ukládání vody do krystalické mřížky ledu působí hygroskopičnost kryoprotektantů a také speciální hysterezní proteiny (THF - thermal hysteresis factors), které se nabalují na již vzniklá ledová jádra a zastavují jejich růst. Proti inokulaci ledovými krystaly z vnějšího prostředí hmyz využívá úkrytu v kokonech, zesílení hydrofobní vrstvy kutikuly a uzavření průduchů. Do této kategorie bylo zařazeno mnoho druhů hmyzu, avšak dlouhodobé přežívání velmi nízkých teplot bylo opravdu věrohodně zjištěno jen u housenky obaleče Epiblima scudderiana a u vajíček píďalky Epirrita autumnata.
  • Tolerance zmrznutí: některé druhy jsou schopny přežít zdánlivě úplné mrznutí tělních tekutin. Oproti předchozí skupině naopak vylučují do hemolymfy vlastní nukleátory, na nichž dochází k růstu ledových krystalů při relativně vysokých teplotách -3 až -10 °C). Tím je zaručeno, že ledové krystaly porostou pomalu a řízeně a buňky budou mít dostatek času vyrovnat se se změnou osmotického tlaku roztoků a s růstem objemu. Tolerance mrznutí není myslitelná bez nahromadění vysoké koncentrace viskózních kryoprotektantů, snižující pohyblivost vody a její dostupnost pro krystalizaci . Vysoká koncentrace roztoků uvnitř buněk a její zvyšování, způsobené odčerpáváním vody do extracelulárních krystalů, brání letálnímu vzniku ledu uvnitř buněk. Velká část vody (až 30%) je reverzibilně, ale pevně vázána na makromolekuly, takže se růst krystalů neúčastní. Navíc jsou i zde často přítomny hysterezní proteiny, zpomalující růst již iniciovaných krystalů ledu. Ve zmrzlém stavu přežívají tyto druhy po dlouhou dobu i velmi nízké teploty (až -70 °C). Tato strategie je rozšířena zejména u přezimujících larev hmyzu s dokonalou proměnou (četní housenky, larvy páteříčka sněhového apod,).
  • Kombinovaná strategie vyhýbání se a tolerance zmrznutí: vzácné případy (brouk Pytho deplanatus), kdy se bod podchlazení sníží vyloučením nukleátorů a vysokou koncentrací glycerolu na méně než -50 °C, a když ochrana selže, druh - díky strategii - zmrznutí hemolymfy přežije.

Rozdělení do uvedených kategorií není zcela striktní. První čtyři skupiny mohou být chápány jako kontinuum, kde letální teplota (LT50) postupně klesá od spodního prahu vývoje až k bodu podchlazení, přičemž velmi záleží na tom, jak dlouhá je doba při měření LT50. Existují rovněž druhu s vlastnostmi na přechodu mezi pátou a šestou strategií, které mají středně hluboký bod podchlazení (-20 až -30 °C).

Ani mezi zcela rozdílnými strategiemi - čtvrtou a pátou - neleží nepřekročitelné hranice. Fyziologické mechanizmy zapojené v těchto dvou strategiích jsou podobné (obsah kryoprotektantů a hysterezních proteinů), rozdíl je v přítomnosti vysoce efektivních nukleátorů. Existují druh y)např. brouk Dendroides canadensis), které mohou podle podmínek před zimováním buď snižovat SCP (a zmrznutí nepřežijí), nebo produkovat do hemolymfy nukleátory a tím zvyšovat SCP (přičemž zmrznutí přežívají). Daleko častěji, než nasvědčují doposud prováděné laboratorní experimenty, hmyz zřejmě využívá cizí nukleátory (bakterie ve střevě, ledové krystaly dotýkající se těla) ke zvýšení SCP a následným přežíváním zmrznut. Například již zmíněný obaleč Epiblema scudderiana udržuje vnitřek své hálky v čistotě a tím se vyhýbá nebezpečí inokulace, zatímco vrtule Eurosta solidaginis, vytvářející podobné hálky na téže rostlině (celíku kanadském), ponechává nečistoty uvnitř hálky a využívá inokulace od ledových krystalů vznikajících na této drti.

Některé druhy hmyzu v čistém prostředí laboratorně vykazují strategii vyhýbání se zmrznutí nebo tolerance chladu, ale v přírodě na zimovišti využívají (alespoň do jisté míry) toleranci k zmrznutí. Například octomilka Chymomyza costata může být v suchém prostředí podchlazena na -20oC, ale pak je citlivá k zmrznutí po inokulaci ledem (při -2 °C) a po pomalém zchlazení přežívá teploty až -70 °C! Jednoduchý mechanizmus využívání cizích nukleátorů je pravděpodobně evolučně původní, zatímco tělem produkované "vlastní" nukleátory jsou k tomuto účelu dostatečně přizpůsobené krevní proteiny a lipoproteiny.

Podívejme se znovu, jaký charakter mají některé příčiny poškození hmyzího organizmu při nízké teplotě. Osmotické a mechanické poškození buněk a membrán při zmrznutí hemolymfy je vlastně způsobeno nedostatkem vody (jež je vázána v krystalu). ale i v případě, kdy nedojde k zmrznutí vody v led, je organizmus ohrožen vysycháním. Po dlouhou dobu (týdny až měsíce) je přezimující hmyz vystaven působení suchého vzduchu. Při teplotě pod 0 °C je absolutní vlhkost vzduchu velmi nízká, přitom parciální tlak vodní páry nad podchlazeným roztokem (např. hemolymfa) je poměrně vysoký, takže molekuly vody unikají z roztoku a jsou vázány v ledu. Pro přežití zimního období jsou tedy potřebné i mechanizmy odolnosti k vysychání.

Mechanizmy, které využívá hmyz v horkém suchém prostředí (v tropech nebo během letní diapauzy v mírném pásu) proti vysychání (desikaci) jsou následující:

  • nižší celkový obsah vody, zvláště volné (nevázané na makromolekuly), již před vystavením vysychání,
  • zvýšení chemického potenciálu tělních tekutin, tzn. vysoká molalita roztoku a nižší parciální tlak vodní páry nad tímto roztokem,
  • nepropustnost kutikuly a uzavírání průduchů,
  • přežívání v dormantním stavu v chráněném mikrohabitatu, popřípadě tvorba kokonů apod.

Srovnáme-li adaptace k suchu s adaptacemi k nízké teplotě, naskýtá se domněnka, že mnoho mechanizmů, považovaných za přizpůsobením k přežití nízké teploty, bylo původně přizpůsobením proti vysychání. Jako adaptace na suché prostředí tyto mechanizmy vznikly nejspíše v evoluční minulosti, kdy tropické klima převládalo na většině souše, a dodnes jako adaptace proti vysychání fungují, jejich role v ochraně proti nízké teplotě je druhotná. Dokumentují to některá měření u tropických druhů hmyzu. Neotropický brouk Stenotarsus rotundus, který se nikdy nesetkává s teplotou pod +15 °C, ale musí přežít několikaměsíční období sucha, akumuluje během diapauzy glycerol a sacharidy (tedy vlastně kryoprotektanty!), které snad brání ztrátě vody, ale mohou také snižovat bod podchlazení, a zároveň vylučuje z těla látky působící jako nukleátory, takže snižuje bod podchlazení na -15 °C.

Existují ovšem i speciální adaptace na chlad a mráz (tj.vzniklé de novo), které pro vodní bilanci nemají žádný význam (například tvorba vlastních nukleátorů v těle, hysterezní proteiny), ale ty jsou omezeny jen na malý počet vyšších taxonů, a tedy jsou zřejmě evolučně mladší.

Zároveň se ukazuje, že některé uvedené mechanizmy, ať už sloužící jako ochrana proti suchu, nebo proti nízké teplotě, jsou inherentní vlastnosti hmyzího organizmu v diapauzním stavu. I v případech, kdy diapauza není spojena s chladným obdobím, můžeme u zkoumaného hmyzu zjistit některé již známé jevy: z těla jsou vylučovány cizí nukleátory (neboť střevo se vyprazdňuje a diapauzní hmyz většinou nepřijímá další potravu), zvyšuje se koncentrace glycerolu (neboť metabolizmus se v diapauzním stavu zpomaluje a glycerol vznikající z glykogenu není dál zpracováván).

Můžeme tedy načrtnout následující scénář vývoje adaptací na nízkou teplotu (v plné míře vyhovující pro akumulaci kryoprotektantů(: vznik diapauzy u dávných předků hmyzu a její průvodní symptomy (zvýšení koncentrace glycerolu a jiných meziproduktů) - využití existujících mechanizmů k ochraně proti vysychání (selekce na vyšší obsah glycerolu) - využití již vyselektovaných mechanizmů (preadaptací pro ochranu proti nízkým teplotám (selekce na spouštění vyšší produkce glycerolu jako odpověď na snížení teploty). O kterých dalších vlastnostech temperátních organizmů mírného pásma zjistíme, že mají původ v tropech?

Bod podchlazení (supercooling point, SCP) je teplota, při níž začíná ve vzorku (v roztoku) samovolný růst ledových krystalů. Bez přítomnosti iniciačního jádra (nukleátoru), na nějž se nabalují molekuly do krystalické mřížky, se může malý objem roztoku podchladit na -3O až -40 °C, aniž by voda zmrzla v led. Jako nukleátor působí některé makromolekuly, některé bakterie, prachová zrnka apod. Různé typy nukleátorů iniciují růst krystalu při různých teplotách, záleží také na jejich celkovém množství ve vzorku. Jakmile se v podchlazeném roztoku objeví přiměřeně velký krystalek, velká část vzorku během zlomku sekundy promrzne.

Snížení bodu tání roztoku oproti bodu tání čistého rozpouštědla je závislé na molalitě roztoku. Při množství rozpuštěných látek l mol/kg vody se sníží bod tání na -1,86 C. Začne-li v podchlazeném roztoku růst krystal ledu, odčerpávají se na jeho stavbu molekuly vody z roztoku a ten se zahušťuje. Ve chvíli, kdy jeho molalita dosáhne hodnoty odpovídající aktuální teplotě, nastává rovnováha mezi krystalem a roztokem. To znamená, že krystal může dále růst teprve po dalším snížení teploty. Bod tání hemolymfy hmyzu se může pohybovat v rozmezí -0,5 až -15 °C. Rozpuštěné látky (zvané kryoprotektanty, jsou to zejména polyoly [glycerol apod.] mono- a disacharidy) mimo to působí na nukleátory, snižují jejich aktivitu, takže výrazně snižují bod podchlazení (až na -55 °C), stabilizují proteiny a membrány, regulují objem buněk.

O. N.

Diskuse

Žádné příspěvky