Лесная лягушка, обитающая в Северной Америке, способна переживать зиму в необычном состоянии: часть воды в её теле превращается в лёд, а сердцебиение и дыхание на время прекращаются. Весной животное оттаивает и возвращается к обычной активности. Такой способ зимовки обеспечивают особые механизмы защиты клеток.
Речь идёт о виде Lithobates sylvaticus, известном также под научным названием Rana sylvatica. Эти небольшие буроватые амфибии встречаются в лесах Канады и США, в том числе на Аляске. Их легко узнать по тёмной полосе, напоминающей маску, которая проходит через глаза.
В отличие от многих лягушек, зимующих на дне незамерзающих водоёмов, лесная лягушка остаётся на суше. Осенью она укрывается среди опавших листьев и растительных остатков. Снег и лесная подстилка немного смягчают мороз, но не предотвращают промерзание тела.
Когда температура падает ниже нуля и начинается образование льда, организм запускает защитную реакцию. Печень расщепляет накопленный гликоген и выделяет большое количество глюкозы. Сахар поступает в ткани, помогая клеткам переносить обезвоживание и холод.
Ещё до устойчивых морозов в организме повышается содержание мочевины. Вместе с глюкозой она действует как криопротектор — вещество, уменьшающее повреждения при замерзании. Учёные отмечают, что у северных популяций такая система защиты особенно выражена.
Ключевой момент заключается не в полном отсутствии льда. Кристаллы могут образовываться в межклеточном пространстве и некоторых полостях тела, тогда как внутри жизненно важных клеток их образование ограничивается. Это важно, поскольку внутриклеточный лёд способен разрушать мембраны и другие структуры.
По мере охлаждения у зимующей лягушки перестают определяться дыхательные движения и сердцебиение. Животное не двигается и не питается, а обмен веществ резко замедляется. Однако его клетки сохраняют способность восстановить работу после оттаивания.
Весной при повышении температуры лёд постепенно тает. Исследователи отмечают, что внутренние органы, включая сердце и печень, обычно оттаивают раньше конечностей. После восстановления кровообращения лягушка снова начинает двигаться.
Особенно устойчивы к холоду некоторые лесные лягушки Аляски. В лабораторных опытах учёные наблюдали выживание после охлаждения до минус 16 градусов, а в естественных убежищах регистрировали многомесячное пребывание животных в замёрзшем состоянии. Эти показатели нельзя автоматически переносить на все популяции вида.
Исследования показали, что у животных, зимовавших в природе, концентрация глюкозы в отдельных тканях значительно выше, чем у лягушек, которых замораживали однократно в лаборатории. Предполагается, что повторные циклы ночного замерзания и дневного оттаивания помогают постепенно усиливать защиту.
Пробуждение ранней весной даёт виду ещё одно преимущество. Лягушки могут быстро добраться до временных водоёмов, образующихся после таяния снега, и отложить икру до того, как эти мелкие пруды пересохнут.
Учёные изучают устойчивость лесных лягушек, чтобы лучше понять повреждение тканей при замораживании и восстановлении кровотока. Такие исследования представляют интерес, в частности, для разработки способов сохранения биологических материалов. Но способность лягушки переносить мороз не означает, что подобное замораживание безопасно для человека.
Таким образом, лесная лягушка не «умирает и воскресает», как иногда говорят в популярных пересказах. Она переживает обратимое глубокое охлаждение благодаря запасам защитных веществ и контролю за тем, где в организме образуется лёд.