Možná je to léty, která jsem strávil na vysoké škole počítáním a určováním vážek a motýlů na křídlech. Nebo to možná byly stovky hodin, které jsem na postgraduálním studiu vydržel s obličejem nebezpečně blízko pánve plné bahna, když jsem z ní vytrhával tisíce drobného potočního hmyzu. Domnívám se, že je to prostě celoživotní zvědavost na cokoli šestinohého, která mi natrvalo vryla do mozku obraz vyhledávání hmyzu.

Není tedy divu, že když jsem si užíval zimní výlet k jednomu z mých oblíbených vodopádů nedaleko Ithacy ve státě New York, zabloudil můj zrak od malebné ledové krajiny k drobným tmavým skvrnkám hbitě se pohybujícím po sněhu: zimní kamenáči byli v pohybu!

Zimní mihule jsou zvláštní malí tvorové. Vodní nedospělá stádia kamenáčů, kterým se říká larvy nebo nymfy, se uprostřed zimy plazí ze svého kamenitého dna nahoru skrz praskliny a trhliny ve sněhu a ledu, které pokrývají povrch potoka, který poslední rok obývají, a vynořují se jako dospělí jedinci. Přestože mají čtyři křídla úhledně svinutá přes podlouhlé břicho, dospělí zimní kamenáči se drží v blízkosti sněhu a ledu a spíše chodí, než aby létali, a hledají si partnery.

Zabalený do čepice, rukavic, šály, parky a dlouhého spodního prádla (a stále ZIMY) jsem přemýšlel o fyziologii pozorovaných zimních kamenáčů. Jak mohou být tak aktivní při teplotách pod bodem mrazu, když většina jejich šestinohých bratrů je před živly dobře schovaná? A jak se vyhýbají smrtelným účinkům mrazu ve dvou velmi odlišných prostředích, ve vodě a na souši?“

Zpět v útulném teple svého domova jsem začal některé z těchto otázek zkoumat. Poměrně rychle jsem zjistil, že o mrazuvzdornosti vodního hmyzu, natož o zimních kamenáčích (název, který se vztahuje konkrétně ke dvěma čeledím z řádu Plecoptera: Capniidae a Taeniopterygidae), se toho moc neví. Zesnulý kanadský terénní přírodovědec H. B. Noel Hynes ve svém pojednání o kamenáčích uvedl jeden z možných důvodů, proč tomu tak je: dospělí zimní kamenáči jsou podle něj „nejhojnější na začátku sezóny, než se průměrný entomolog probere ze zimního spánku.“

Abychom pochopili, jak se zimní pilořitky vyrovnávají s mrazivými teplotami ve vodě i na souši, je užitečné nejprve prozkoumat, co 60 let výzkumu odhalilo o tom, jak suchozemský hmyz, který je více studovanou skupinou, přežívá zimu. Pokud není suchozemský hmyz natolik chytrý, aby se zimě zcela vyhnul migrací na jih (jako ti chytří motýli monarchové) nebo vyhledáním izolovaného úkrytu, jako je váš dům (berušky a smraďoši, kdo?), připraví se na krutý chlad zimy vnitřně tím, že projde řadou fyziologických a biochemických změn.

Abychom tyto změny pochopili, doporučuje kryobiolog Richard Lee, Jr. představit si hmyz jako malý pytlík s vodou. V malých objemech o velikosti hmyzu lze vodu skutečně ochladit o mnoho stupňů pod její standardní bod mrazu (0 °C) a přesto zůstat v kapalném stavu, což je proces známý jako přechlazení. S přechlazenými kapalinami jste se možná někdy v zimě setkali v podobě mrznoucího deště. Pokud se však do přechlazené kapaliny dostane prachová částice, začnou se kolem ní okamžitě tvořit krystalky ledu v procesu zvaném nukleace. Kromě toho se led může vytvořit i uvnitř malého sáčku s přechlazenou vodou, pokud se ho vnější krystalky ledu dotknou a následně do něj vniknou jakýmkoli malým otvorem, což je proces nazývaný inokulativní nukleace.

Hmyz, který se připravuje na vystavení teplotám pod bodem mrazu, ať už v aktivním nebo klidovém stavu, obvykle používá jednu ze dvou strategií, jak dosáhnout mrazuvzdornosti: vyhnout se mrazu nebo ho tolerovat.

Hmyz, který se vyhýbá mrazu, aktivně produkuje nemrznoucí sloučeniny – včetně glycerolu, proteinů a cukrů – které zvyšují jeho schopnost přechlazování, což umožňuje, aby tělní tekutiny zůstaly nezmrzlé i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Některé tělní tekutiny suchozemského hmyzu mohou zůstat v tekutém stavu při teplotách 15-35 °C pod bodem mrazu. Navíc s blížící se zimou hmyz, který se vyhýbá mrazu, vylučuje ze svých útrob a tělních tekutin materiály, které by mohly sloužit jako zárodek, kolem něhož se tvoří ledové krystalky, včetně potravy, bakterií souvisejících s trávením a prachu.

Hmyz odolný vůči mrazu naopak tvorbu ledových krystalků v tekutinách obklopujících jeho buňky nejen toleruje, ale aktivně ji podporuje. Tento hmyz produkuje ve své extracelulární tekutině ledové proteiny, které ve skutečnosti omezují schopnost hmyzu přechlazovat se a podporují tvorbu ledových krystalů při vyšších teplotách pod bodem mrazu. Tím, že podporují růst ledových krystalů mimo buňky, pomáhají ledové proteiny snižovat pravděpodobnost, že obsah buněk hmyzu zmrzne a praskne. Protože je však voda mimo buňky vázána ve formě ledových krystalů, bude se voda uvnitř buněk chtít přesunout do extracelulárního prostoru. Aby se zabránilo následné dehydrataci buněk a stabilizovaly se buněčné membrány, produkuje mrazuvzdorný hmyz také sloučeninu glycerol, která působí proti zamrzání.

Jak se tedy tyto strategie projevují, pokud vůbec, u vodního hmyzu, zejména u zimních pěnic?

Než se budeme zabývat touto otázkou, podívejme se na termodynamické vlastnosti vodního prostředí, které je jejich domovem po většinu jejich životního cyklu. Voda, jak si možná pamatujete ze středoškolské fyziky, má vyšší měrné teplo než vzduch; jinými slovy, k ohřátí vody je potřeba více energie než k ohřátí stejné hmotnosti vzduchu. Voda v potocích a řekách proto neprožívá extrémní výkyvy teplot jako vzduch nad nimi a v zimě zůstává zpravidla teplejší než přilehlá suchozemská stanoviště. Když se na povrchu vodního útvaru vytvoří led, ve skutečnosti izoluje vodu a substrát pod ním od teplot pod bodem mrazu.

Doktor Lee a jeho kryobiologický tým se odvážně vynořili ze zimního spánku, aby shromáždili a porovnali superchladicí schopnosti vodního a suchozemského hmyzu mírného pásma v zimě. Ukázalo se, že vodní hmyz se přechlazuje mnohem méně než jeho suchozemští příbuzní; vodní hmyz se přechlazuje na teplotu kolem -7 °C, zatímco suchozemský hmyz ze stejných čeledí se přechlazuje až na teplotu -40 °C! Navzdory snížené schopnosti přechlazování je většina vodního hmyzu obývajícího tyto vody mírného pásma stále klasifikována jako hmyz, který se vyhýbá mrazu; relativně málo vodního hmyzu, o němž je známo, že skutečně snáší mráz (exempláře byly skutečně sebrány přímo z ledu!), obývá potoky a rybníky v Arktidě, které pravidelně zamrzají až na dno. Dr. Lee a jeho kolegové předpokládají, že přezimující vodní hmyz žijící v mírném pásmu se jednoduše nesetkává s extrémními teplotami pod bodem mrazu jako suchozemský hmyz, takže schopnost superchlazení je evolučně zbytečná.

Nymfy zimních kamenáčů se jako dospělci objevují ve vzduchových kapsách mezi vodou a izolační vrstvou povrchového ledu, což je poměrně chráněné prostředí, kde se teploty nedostávají výrazně pod 0 °C. Dr. Lee a jeho kolegové navíc zjistili, že dospělí zimní pilořitky sebrané v únoru mají výrazně vyšší schopnost superchlazení (tj. mohou se ochladit na mnohem nižší teploty, aniž by zmrzly) než jejich nymfální stádia, což naznačuje, že dospělci mohou zvýšit množství nemrznoucích sloučenin ve svých tělních tekutinách.

Po vynoření mohou dospělé zimní pilořitky hledat ochranu v tepelných úkrytech pod sněhem nebo pod kameny, které nabízejí teploty vyšší než povrchový vzduch pod bodem mrazu. Hnědočerné zbarvení těla dospělců sice může podporovat absorpci slunečního záření, ale vzhledem k jejich malé tělesné hmotnosti by byl jakýkoli takový zisk pravděpodobně překryt studeným větrem. A tím, že se dospělí kamenáči pohybují po špičkách nohou, se vyhýbají nebezpečí v podobě vnějších ledových krystalků, které by mohly vniknout do jejich těla a vyvolat očkovací mráz.

Jak se nám zimní dny prodlužují a oteplují v očekávání jara, vaše příležitosti chytit zimní kamenáče v akci v této sezóně brzy zmizí. Zde je pro vás vyhledávací obrázek – Zapamatujte si ho. A teď se probuďte ze zimního spánku a jděte hledat ty superchladné malé pytlíky s vodou!“

Reference a další literatura

Borror D.J., White R.E. Peterson. (1970) Terénní průvodce hmyzem Ameriky severně od Mexika. Houghton Mifflin Co., New York. 404 s.

Bouchard R.W., Schuetz B.E., Ferrington L.C., Kells S.A. (2009) Cold hardiness in the adults of two winter stonefly species: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) a A. pygmaea (Burmeister, 1839) (Plecoptera: Capniidae). Aquatic Insects 31 (2): 145-155 doi: 10.1080/01650420902776690

Frisbie M.P., Lee R.E. (1997) Inoculative freezing and the problem of winter survival for freshwater macroinvertebrates. Journal of the North American Benthological Society 16 (3): 635-650.

Hynes H.B.N. (1976) Biology of Plecoptera. Annual Review of Entomology 21: 135-153.

Lee R.E. (1989) Insect cold-hardiness: To freez or not to freez. Bioscience 39 (5): 308-313

Lencioni V. (2004) Survival strategies of freshwater insects in cold environments. Journal of Limnology 63 (Suppl. 1): 45-55.

Moore M.V., Lee R.E. (1991) Surviving the big chill: H.: Overwintering strategies of aquatic and terrestrial insects (Strategie přezimování vodního a suchozemského hmyzu). American Entomologist 37: 111-118

Walters Jr, K.R., Sformo T., Barnes B.M., Duman J.G. (2009) Freeze tolerance in an arctic Alaska stonefly. Journal of Experimental Biology 212(2): 305-312 doi:10.1242/jeb.020701

Photo credits: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; three Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Dr. Holly Menningerová je vedoucí pracovnicí na Cornellově univerzitě, kde pomáhá chránit přírodní zdroje státu New York před hrozbami invazních druhů, včetně řady opravdu velkých a zlých brouků. Má doktorát z ekologie a zálibu v hmyzu s podivnými a úžasnými životními příběhy a je odhodlaná sdílet své nadšení pro svět přírody všemi možnými prostředky, včetně podcastů, tweetů (@DrHolly) a pózování pro fotografie se sedmnáctiletými cikádami na nose.

Vyjádřené názory jsou názory autorky a nemusí se shodovat s názory časopisu Scientific American.