Quizás sean los veranos que pasé en la universidad contando e identificando libélulas y mariposas al vuelo. O tal vez fueron los cientos de horas que pasé en la escuela de posgrado con mi cara peligrosamente cerca de una sartén llena de estiércol, arrancando miles de pequeños insectos de arroyo. Creo que fue toda una vida de curiosidad por cualquier cosa de seis patas lo que grabó permanentemente en mi cerebro la imagen de búsqueda de los insectos.

Por eso no es de extrañar que, mientras disfrutaba de un día de invierno en una de mis cascadas favoritas cerca de Ithaca, Nueva York, mis ojos se desviaran del pintoresco paisaje helado hacia las diminutas motas oscuras que se movían ágilmente por la nieve: ¡las moscas de piedra invernales estaban en movimiento!

Las moscas de piedra invernales son unas criaturas peculiares. En pleno invierno, las fases acuáticas inmaduras de las moscas de la piedra, llamadas larvas o ninfas, se arrastran desde su hogar en el fondo rocoso a través de las grietas y hendiduras de la nieve y el hielo que cubren la superficie del arroyo que han habitado durante el último año y emergen como adultos. Aunque poseen cuatro alas enrolladas cuidadosamente sobre sus abdómenes alargados, las moscas de la piedra adultas permanecen cerca de la nieve y el hielo, caminando más que volando, en busca de pareja.

Abrigado con mi gorro, guantes, bufanda, parka y ropa interior larga (y todavía con frío), me pregunté sobre la fisiología de las moscas de la piedra invernales que observé. ¿Cómo pueden ser tan activas a temperaturas invernales bajo cero, cuando la mayoría de sus hermanos de seis patas están bien escondidos de los elementos? ¿Y cómo evitan los efectos letales de la congelación en dos hábitats muy diferentes, en el agua y en la tierra?

De vuelta al acogedor calor de mi casa, empecé a investigar algunas de estas preguntas. Aprendí rápidamente que no se sabe mucho sobre la resistencia al frío de los insectos acuáticos, y mucho menos de las moscas de la piedra de invierno (nombre que se refiere específicamente a dos familias del orden Plecoptera: Capniidae y Taeniopterygidae). De hecho, en su tratado sobre las moscas de la piedra, el difunto naturalista de campo canadiense H.B. Noel Hynes ofreció una posible razón de que esto sea así; las moscas de la piedra adultas de invierno, reflexiona, son «más abundantes a principios de la temporada, antes de que el entomólogo medio haya salido de la hibernación.»

Para entender cómo las moscas de la piedra invernales se enfrentan a las temperaturas de congelación en el agua y en la tierra, es útil examinar primero lo que 60 años de investigación han revelado sobre cómo los insectos terrestres, un grupo más estudiado, sobreviven al invierno. Si no son lo suficientemente inteligentes como para evitar el invierno migrando hacia el sur (como las inteligentes mariposas monarca) o buscando un refugio aislado como su casa (¿escarabajos dama y chinches apestosas, alguien?), los insectos terrestres se preparan para el frío brutal del invierno internamente experimentando una serie de cambios fisiológicos y bioquímicos.

Para entender estos cambios, el criobiólogo Richard Lee, Jr. recomienda que pensemos en un insecto como una pequeña bolsa de agua. En volúmenes pequeños, del tamaño de un insecto, el agua puede enfriarse muchos grados por debajo de su punto de congelación estándar (0°C) y seguir en forma líquida, un proceso conocido como superenfriamiento. Es posible que te hayas encontrado con líquidos superenfriados en algún momento de este invierno en forma de lluvia helada. Sin embargo, si se introduce una partícula de polvo en un líquido superenfriado, inmediatamente comenzarán a formarse cristales de hielo a su alrededor en un proceso llamado nucleación. Además, puede formarse hielo en el interior de la pequeña bolsa de agua sobreenfriada si los cristales de hielo externos la tocan y posteriormente la invaden a través de cualquier pequeña abertura, un proceso denominado nucleación inoculante.

Los insectos que se preparan para la exposición a temperaturas invernales bajo cero, ya sea en estado activo o de reposo, suelen emplear una de las dos estrategias para lograr la resistencia al frío: evitar la congelación o tolerarla.

Los insectos que evitan la congelación producen activamente compuestos anticongelantes -incluyendo glicerol, proteínas y azúcares- que mejoran su capacidad de superenfriamiento, permitiendo que los fluidos corporales permanezcan sin congelar a temperaturas aún más bajas que su punto de congelación. Los fluidos corporales superenfriados de algunos insectos terrestres pueden permanecer en estado líquido a temperaturas entre 15 y 35ºC bajo cero. Además, a medida que se acerca el invierno, los insectos que evitan la congelación eliminan los materiales de sus intestinos y fluidos corporales que podrían servir como semilla alrededor de la cual se nuclean los cristales de hielo, incluidos los alimentos, las bacterias relacionadas con la digestión y el polvo.

Los insectos tolerantes a la congelación, por otro lado, no sólo toleran la formación de cristales de hielo en los fluidos que bañan sus células, sino que la promueven activamente. Estos insectos producen proteínas nucleadoras de hielo en su fluido extracelular que, de hecho, limitan la capacidad de los insectos para sobreenfriarse y promueven la formación de cristales de hielo a temperaturas bajo cero más elevadas. Al promover el crecimiento de cristales de hielo fuera de las células, las proteínas nucleadoras de hielo ayudan a reducir la probabilidad de que el contenido dentro de las células de los insectos se congele y estalle. Pero con el agua del exterior de las células ligada en forma de cristales de hielo, el agua del interior de las células querrá pasar al espacio extracelular. Para evitar la posterior deshidratación de las células y estabilizar las membranas celulares, los insectos tolerantes a la congelación también producen el compuesto anticongelante glicerol.

Entonces, ¿cómo se traducen estas estrategias, si es que se traducen, en los insectos acuáticos, en particular en las moscas de la piedra de invierno?

Pero antes de abordar esta cuestión, consideremos las propiedades termodinámicas de los entornos acuáticos que consideran su hogar durante la mayor parte de su ciclo vital. El agua, como recordarán de la física de la escuela secundaria, tiene un calor específico más alto que el aire; en otras palabras, se necesita más energía para calentar el agua que para calentar una masa igual de aire. Por consiguiente, el agua de los arroyos y ríos no experimenta las fluctuaciones extremas de temperatura que experimenta el aire sobre ellos y, por lo general, permanece más caliente que los hábitats terrestres adyacentes en invierno. Cuando se forma hielo en la superficie de una masa de agua, en realidad aísla el agua y el sustrato que hay debajo de ella de las temperaturas bajo cero.

El Dr. Lee y su equipo de criobiología salieron valientemente de su hibernación invernal para recoger y comparar las capacidades de superenfriamiento de los insectos acuáticos y terrestres de las zonas templadas en invierno. Resulta que los insectos acuáticos se sobreenfriaron mucho menos que sus parientes terrestres; los insectos acuáticos se sobreenfriaron hasta unos -7°C mientras que los insectos terrestres de las mismas familias se sobreenfriaron hasta temperaturas tan bajas como -40°C. A pesar de su reducida capacidad de sobreenfriamiento, la mayoría de los insectos acuáticos que habitan en estas aguas templadas siguen siendo clasificados como evitadores de la congelación; los relativamente pocos insectos acuáticos de los que se sabe que toleran la congelación (¡los especímenes se recogieron directamente del hielo!) habitan en arroyos y estanques del Ártico que se congelan regularmente hasta el fondo. El Dr. Lee y sus colegas plantean la hipótesis de que los insectos acuáticos invernantes que viven en la zona templada simplemente no se encuentran con las temperaturas extremas bajo cero que tienen los insectos terrestres, lo que hace que la capacidad de superenfriamiento sea evolutivamente innecesaria.

Las ninfas de la mosca de piedra invernal emergen como adultos en las bolsas de aire entre el agua y una capa aislante de hielo superficial, un hábitat bastante protegido que no experimenta temperaturas muy por debajo de 0°C. Además, el Dr. Lee y sus colegas han descubierto que las moscas de piedra invernales adultas recogidas en febrero tenían una capacidad significativamente mayor de superenfriarse (es decir, pueden enfriarse a temperaturas mucho más bajas sin congelarse) que sus etapas ninfales, lo que sugiere que los adultos pueden aumentar la cantidad de compuestos anticongelantes en sus fluidos corporales.

Después de emerger, las moscas de piedra invernales adultas pueden buscar protección en refugios térmicos bajo la nieve o bajo las rocas que ofrecen temperaturas más cálidas que el aire superficial bajo cero. Aunque la coloración pardo-negra del cuerpo de los adultos puede favorecer la absorción de la radiación solar, cualquier ganancia de este tipo sería probablemente anulada por una brisa fría debido a su pequeña masa corporal. Y al caminar sobre las puntas de sus pies, las moscas de la piedra adultas evitan los peligros de los cristales de hielo externos que podrían invadir sus cuerpos e inducir una congelación inocultable.

A medida que nuestros días de invierno se hacen más largos y cálidos en previsión de la primavera, sus oportunidades de capturar moscas de la piedra de invierno en acción esta temporada pronto desaparecerán. Aquí hay una imagen de búsqueda para usted – Guárdela en su memoria. Ahora despierte de esa hibernación invernal y vaya a buscar esas pequeñas bolsas de agua supercool!

Referencias y lecturas adicionales

Borror D.J., White R.E. Peterson. (1970) Guía de campo de los insectos de América al norte de México. Houghton Mifflin Co., Nueva York. 404 pp.

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) y 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 freeze or not to freeze. 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: Estrategias de hibernación de insectos acuáticos y terrestres. 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

Créditos de las fotos: Taughannock Falls y Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; tres Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Todas las fotos se utilizan con permiso y con licencia de Creative Commons.

Acerca de la autora: La Dra. Holly Menninger es asociada senior de extensión en la Universidad de Cornell, donde ayuda a proteger los recursos naturales del Estado de Nueva York de las amenazas de las especies invasoras, incluyendo una serie de bichos realmente grandes y malos. Con un doctorado en ecología y una afición por los insectos con historias vitales extrañas y maravillosas, está decidida a compartir su entusiasmo por el mundo natural por cualquier medio, incluidos los podcasts, los tweets (@DrHolly) y posando para las fotos con cigarras de 17 años en la nariz.

Las opiniones expresadas son las de la autora y no son necesariamente las de Scientific American.