Kiedy w chłodne dni otulamy się ciepłymi ubraniami i wkładamy zimowe obuwie, chowamy w ogrzewanych domach, smarujemy skórę tłustymi kremami - pomyślmy o myszarkach polnych i leśnych. Te małe, powszechnie występujące w Polsce gryzonie nie zapadają w sen zimowy i nawet w trzaskający mróz muszą wyruszyć na poszukiwanie jedzenia. Jeśli nawet ich drobne ciała są jakoś w stanie przetrwać zimę - to jak to możliwe, że odmrożeniu nie ulegają ich cienkie, słabo owłosione, mające kontakt z zimnych podłożem ogony?

I tu jest właśnie zaskoczenie: naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali, że temperatura skóry ogonów dzikich myszy ma mniej więcej taką temperaturę, jak podłoże i spada zimą do kilku stopni Celsjusza poniżej zera. Mimo to ogony pozostają ruchliwe i sprawne. Taka obniżona temperatura zamarzania była dotąd obserwowana w ciele niższych kręgowców: ryb i płazów, a także u niektórych ssaków podczas hibernacji, ale już nie u aktywnych ssaków. Badania naukowców z Instytutu Psychologii PAN i Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego opisano w prestiżowym „Scientific Reports".

Cząsteczki wody, zamarzając - krystalizują. Zamarzająca woda zwiększą objętość, a kryształki lodu mogą przerywać ciągłość struktur biologicznych i są dla organizmu niebezpieczne.

"Za dogmat przyjmuje się, że obniżenie temperatury środowiska, w którym przebywają komórki ssaka, do temperatury poniżej zera stopni Celsjusza, powoduje tworzenie się kryształów wody w tym środowisku. Kryształy te powstają też w samych komórkach, co ostatecznie powoduje ich nieodwracalne uszkodzenie, i co za tym idzie ich nieuchronną śmierć. Tak powstają odmrożenia tkanek, a nawet całych narządów – szczególnie tych peryferycznych, a więc ciągle wystawionych na mróz, jak uszy, ogony, kończyny (stopy, dłonie, palce), nosy" - mówi w rozmowie z PAP jeden z autorów badania fizjolog dr hab. Piotr Bębas, prof. UW.

CZASEM TRZEBA ZAWINĄĆ OGON

Badacze obserwowali myszarki jesienią i zimą w ich naturalnym środowisku. Ustawili w terenie boksy doświadczalne z kamerami i wabili do nich myszy kremem orzechowo-czekoladowym. Ich badania dotyczyły czegoś zupełnie innego - tego, jak gryzonie reagują na zapach drapieżników.

"Przy analizie nagrań zauważyliśmy jednak coś ciekawszego: przy dużych mrozach myszarki zaczynały zawijać ogon wokół na grzbietu. I tak, przez przypadek, odkryliśmy nieopisany dotąd mechanizm behawioralny chroniący mysi ogon przed mrozem" - mówi psycholog dr hab. Rafał Stryjek z Instytutu Psychologii PAN.

Naukowcy, aby lepiej opisać ten nieopisany wcześniej w literaturze naukowej odruch bezwarunkowy, zainstalowali w boksie termometry i kamery termowizyjne.

OGON, USZY I ŁAPY

I wtedy odkryli jeszcze bardziej zaskakującą rzecz: okazało się, że temperatura ogona spadała nawet do minus 5 stopni Celsjusza, zanim myszarka zaczynała go chronić na grzbiecie. „Wyzwalany jest wtedy najprawdopodobniej bezwarunkowy (tzn. wrodzony i automatyczny) odruch zawijania ogona, chroniący tę część ciała przed odmrożeniem” – dodaje psycholog.

Co ciekawe, temperatura mysich łapek i uszu - ogrzewanych ciepłem z ciała, wydaje się spadać do aż tak niskich temperatur.

"Gdyby myszarka traciła przez ogon dużo energii, to owijałaby go wokół ciała, zanim jego temperatura spadłaby poniżej zera stopni Celsjusza. Widocznie w umiarkowanym chłodzie traci ona przez ogon tak mało energii, że nie opłaca się jej wtedy go ogrzewać. Gdyby było inaczej, to dobór naturalny by taką ‘nieroztropność’ wyeliminował” - komentuje prof. Rafał Stryjek.

Badacze w Warszawy stawiają hipotezę, że wewnątrz lodowato zimnego ogona krążenie jest zachowane, ale znacznie spowolnione. Wydaje się to konieczne do utrzymania komórek przy życiu. Niemniej jednak, mechanizm ten trzeba określić w dalszych badaniach.

ANTYZAMARZACZE W SKÓRZE MYSZY

W organizmie myszy - podejrzewali badacze - muszą występować jakieś substancje np. enzymy, czy mechanizmy fizjologiczne, które pozwalają obniżyć temperaturę zamarzania płynów tworzących środowisko, w którym znajdują się komórki skóry ogonów.

Naukowcy pobrali tkanki od dzikich myszarek w dwóch porach roku - latem i zimą - i przeprowadzili na nich testy badań biochemicznych. "W skórze ogonów myszy w czasie mrozu stwierdziliśmy podwyższoną (w porównaniu do skóry ogonów latem), ilość niektórych białek, będących źródłem peptydów oraz wolnych aminokwasów, ogromny wzrost glikozylacji białek (glikoprotein – białek modyfikowanych przez przyłączanie do nich cukrów), fosfolipidów i glicerolu, co sugeruje także udział tłuszczów w ochronie tkanek. To substancje oraz ich modyfikacje, które mogą obniżać temperaturę zamarzania wody zawartej w płynie tkankowym, krwi i w samych komórkach" - tłumaczy prof. Piotr Bębas.

ODPORNE NA MRÓZ RYBY

"Wiadomo już od dawna, że u ryb płyny ciała nie zamarzają dzięki białkom (w dużej mierze glikoproteinom) i związkom wywodzącym się z tłuszczów. A u płazów - przed zamarzaniem zabezpieczają choćby glicerol i mocznik. U ssaków jednak takie związki obniżające temperaturę krzepnięcia wody nie były dotąd opisane" - tłumaczy fizjolog.

Jak dodaje, dotąd sądzono, że ssaki przed odmrożeniami chronią się tylko za pomocą innych mechanizmów, takich jak zmiana zachowań, doskonale rozwinięte i wydajne krążenie, czy zwiększenie produkcji ciepła przez tkanki – tłuszczową (w tym do tego dedykowaną, tzw. tłuszcz brunatny) i mięśniową.

ODMROŻONY OGON OPOSA

Piotr Bębas dodaje, że wrodzona odporność na mróz nawet, gdy jest na "wyposażeniu" każdego ssaka, to w pewnych warunkach może nie wystarczać, aby uchronić narządy peryferyczne przed odmrożeniami. I tak np. wśród u oposów z Ameryki Północnej po niespodziewanie pojawiających się przymrozkach obserwowane są czasem osobniki z ranami odmrożeniowymi powierzchniowych warstw ogonów.

Prof. Bębas komentuje, że zjawisko to jest obserwowane od niedawna i jak się wydaje - może być konsekwencją gwałtowniejszych zmian temperatury, które pojawiają się wraz z ocieleniem klimatu. "Być może oposy mają mniej wydajne mechanizmy zabezpieczające ich ogony przed uszkodzeniami przez mróz, być może wymagają więcej czasu na uruchomienie reakcji obronnych" – mówi fizjolog.

U podwarszawskich myszarek tymczasem odmrożeń ogonów nie widziano. "Obserwowaliśmy setki wolno żyjących osobników, a wśród nich był chyba tylko jeden przypadek myszy bez ogona - i to latem, więc za ten przypadek raczej odpowiada drapieżnik lub uraz mechaniczny, a nie odmrożenie. Wydaje się więc, że mechanizmy kriopriotekcyjne (chroniące przed chłodem) działają u myszarek bardzo sprawnie" - mówi prof. Rafał Stryjek.

JAK BYĆ ALBO I NIE BYĆ SUPERCOOL

W literaturze naukowej były już doniesienia o tym, że ciała ssaków podczas hibernacji wychładzają się do minusowych temperatur. Piotr Bębas opowiada, że ciało wiewiórki arktycznej - bez szkody dla zwierzęcia - osiągnąć może nawet temperaturę minus dwóch stopni C.

Stan hibernacji rządzi się jednak innymi prawami. Wychłodzone części ciała nie muszą szybko reagować na to, co dzieje się w otoczeniu, krążenie jest i tak ekstremalnie spowolnione, a ciało stopniowo przygotowuje się do stanu hibernacji.

"Co ciekawe, wychłodzone do minusowych temperatur płyny ciała wiewiórki znajdują się w stanie permanentnego zagrożenia zamarznięciem niebezpieczeństwa. Jeśli w tak schłodzonym ciele pojawiają się zarodki krystalizacji wody (formowania lodu), może dojść nagle do zamarznięcia gryzonia" - tłumaczy dr hab. Piotr Bębas.

Dlatego odkrycie minusowych temperatur u myszarki - a więc po raz pierwszy w ciele aktywnego ssaka - jest dla fizjologów takim zaskoczeniem. Myszarki bowiem - jak się wydaje - opanowały inną metodę obrony przed mrozem niż wiewiórki. Są w stanie utrzymać w powierzchniowych tkankach ogona temperaturę nawet do minus 5 stopni C, mimo że ogon jest ciągle w ruchu, a ponieważ mysz często opuszcza gniazdo i do niego wraca - zmiany temperatury są gwałtowne.

Prof. Stryjek nie wyklucza, że pogłębione badania nad mysimi krioprotektantami mogą w przyszłości znaleźć praktyczne zastosowania. Można wyobrazić sobie np. nowe kremy, farmaceutyki zapobiegające odmrożeniom, bazujące na rozwiązaniach zaczerpniętych z przyrody.

Prof. Bębas tłumaczy, że badania te - prowadzone przy dość małych nakładach finansowych - pokazują, jak duże znaczenie mają badania fizjologiczne prowadzone w naturalnym środowisku. "Takich odkryć, jakie prezentujemy w naszej publikacji, nie udałoby się dokonać, pracując wyłącznie na myszach i gryzoniach w laboratoriach" - mówi prof. Bębas.

Tłumaczy, jak ważne okazuje się "wyjście poza laboratorium" z obserwacjami i analizami molekularnymi. Takie badania były dotąd głównie prowadzone w pomieszczeniach uniwersytetów i instytutów naukowych. Nadciąga czas, gdy ekologia behawioralna zostanie wzbogacona o wyniki badań ekofizjoloficznych. To ukaże nam przyrodę w sposób o wiele bardziej wierny, bez "zanieczyszczania" wyników tym, co dotychczas uważaliśmy za najistotniejsze w analizach, a więc poprzez standaryzowanie środowiska, w którym prowadzimy obserwacje.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/