Talán a főiskolán töltött nyarak miatt, amikor szitakötőket és szárnyas lepkéket számoltam és azonosítottam. Vagy talán az a több száz óra, amit a doktori iskolában elszenvedtem, miközben az arcom veszélyesen közel volt egy trágyával teli serpenyőhöz, miközben apró pataki rovarok ezreit tépkedtem ki. Azt hiszem, csak az egész életen át tartó kíváncsiság minden hatlábú iránt, ami tartósan bevésette az agyamba a rovarok keresésének képét.

Ezért nem csoda, hogy miközben egy téli napon túrát tettem az egyik kedvenc vízesésemhez a New York-i Ithaca közelében, tekintetem a festői jégmázas tájról a havon fürgén mozgó apró, sötét pöttyökre tévedt: a téli kőlégyek mozgásban voltak!

A téli kőlegyek különös kis élőlények. A tél derekán a kőlegyek vízi kifejletlen stádiumai, az úgynevezett lárvák vagy nimfák, sziklás fenéklakóhelyükről felkúsznak a hóban és jégben lévő repedéseken és hasadékokon keresztül, amelyek a patak felszínét borítják, ahol az elmúlt évben éltek, és kifejlett egyedekként kelnek ki. Bár négy szárnyuk van, amelyek szépen rátekerednek hosszúkás hasukra, a kifejlett téli kőlégyek a hó és a jég közelében maradnak, inkább sétálva, mint repülve, társakat keresve.

A sapkába, kesztyűbe, sálba, parkába és hosszú alsóneműbe burkolózva (és még mindig hidegben), elgondolkodtam az általam megfigyelt téli kőlégyek fiziológiáján. Hogyan lehetnek ilyen aktívak a fagypont alatti téli hőmérsékleten, amikor a legtöbb hatlábú testvérük jól el van rejtve az elemek elől? És hogyan tudják elkerülni a megfagyás halálos hatásait két nagyon különböző élőhelyen, a vízben és a szárazföldön?

Visszatérve otthonom meghitt melegébe, elkezdtem megvizsgálni néhány ilyen kérdést. Elég hamar rájöttem, hogy nem sokat tudunk a vízi rovarok, pláne a téli kőlegyek (ez a név konkrétan a Plecoptera rend két családjára utal: a Capniidae és a Taeniopterygidae) hidegtűrő képességéről. A néhai kanadai természetkutató, H.B. Noel Hynes a kőlegyekről szóló értekezésében felvetette ennek egyik lehetséges okát; a kifejlett téli kőlegyek, elmélkedik, “a szezon elején vannak a legnagyobb számban, mielőtt az átlagos entomológus előbújik a téli álmából.”

Hogy megértsük, hogyan kezelik a téli kőrislegyek a fagyos hőmérsékletet a vízben és a szárazföldön, hasznos először megvizsgálni, hogy mit mutatott ki 60 évnyi kutatás arról, hogy a szárazföldi rovarok, egy jobban tanulmányozott csoport, hogyan élik túl a telet. Ha nem elég okosak ahhoz, hogy teljesen elkerüljék a telet azzal, hogy délre vándorolnak (mint az okos monarch-pillangók) vagy szigetelt menedéket keresnek, mint például a házuk (hölgybogarak és büdösbogarak, valaki?), a szárazföldi rovarok számos fiziológiai és biokémiai változással készülnek fel a tél brutális hidegére.

E változások megértéséhez Richard Lee, Jr. kriobiológus azt javasolja, hogy gondoljunk a rovarra úgy, mint egy apró vizes zacskóra. Kis, rovarméretű térfogatban a vizet valójában sok fokkal a szokásos fagyáspontja (0°C) alá lehet hűteni, és mégis folyékony formában maradhat, ezt a folyamatot szuprahűtésnek nevezik. Ezen a télen már találkozhattál valamikor szuperhűtött folyadékokkal fagyott eső formájában. Ha azonban egy porszemcsét juttatunk egy túlhűtött folyadékba, a magképződésnek nevezett folyamat során azonnal jégkristályok kezdenek kialakulni körülötte. Ezenkívül jég képződhet a szuperhűtött vízzel teli kis zacskó belsejében is, ha külső jégkristályok érnek hozzá, és később bármilyen kis nyíláson keresztül behatolnak, ezt a folyamatot nevezik beoltásos nukleációnak.

A fagypont alatti téli hőmérsékletnek való kitettségre készülő rovarok, akár aktív, akár nyugalmi állapotban vannak, általában kétféle stratégia egyikét alkalmazzák a hidegállóság elérése érdekében: elkerülik a fagyást vagy elviselik azt.

A fagykímélő rovarok aktívan termelnek fagyálló vegyületeket – köztük glicerint, fehérjéket és cukrokat -, amelyek fokozzák a szuprahűlés képességét, lehetővé téve, hogy a testnedvek fagypont alatti hőmérsékleten is fagymentesek maradjanak. Egyes szárazföldi rovarok szuperhűtött testnedvei 15-35 °C-os fagypont alatti hőmérsékleten is képesek folyékony állapotban maradni. Ráadásul a tél közeledtével a fagykímélő rovarok eltávolítják a beleikből és testnedveikből azokat az anyagokat, amelyek jégkristályok kialakulásának magjául szolgálhatnak, beleértve a táplálékot, az emésztéssel kapcsolatos baktériumokat és a port.

A fagytűrő rovarok ezzel szemben nem csak tolerálják a jégkristályok kialakulását a sejtjeiket fürdető folyadékokban, hanem aktívan elősegítik azt. Ezek a rovarok extracelluláris folyadékukban jégmagképző fehérjéket termelnek, amelyek valójában korlátozzák a rovarok szuperhűtési képességét, és elősegítik a jégkristályok kialakulását magasabb fagypont alatti hőmérsékleten. A sejteken kívüli jégkristályok növekedésének elősegítésével a jégmagképző fehérjék segítenek csökkenteni annak valószínűségét, hogy a rovarok sejtjeiben lévő tartalom megfagyjon és felrobbanjon. Mivel azonban a sejteken kívüli víz jégkristályok formájában van megkötve, a sejteken belüli víz a sejten kívüli térbe akar költözni. A sejtek későbbi kiszáradásának megakadályozása és a sejtmembránok stabilizálása érdekében a fagytűrő rovarok a glicerin fagyálló vegyületet is termelnek.

Hogyan alkalmazhatók ezek a stratégiák, ha alkalmazhatók egyáltalán, a vízi rovarokra, különösen a téli kőlegyekre?

Mielőtt azonban ezzel a kérdéssel foglalkoznánk, nézzük meg a vízi környezet termodinamikai tulajdonságait, amelyet életciklusuk nagy részében otthonuknak neveznek. A víznek, ahogyan a középiskolai fizikából talán emlékeznek rá, nagyobb a fajhője, mint a levegőnek; más szóval, a víz felmelegítéséhez több energiára van szükség, mint egy azonos mennyiségű levegő felmelegítéséhez. Következésképpen a patakok és folyók vizében nem tapasztalhatók olyan szélsőséges hőmérséklet-ingadozások, mint a felettük lévő levegőben, és télen általában melegebb marad, mint a szomszédos szárazföldi élőhelyeken. Amikor egy víztest felszínén jég képződik, az valójában szigeteli az alatta lévő vizet és aljzatot a fagypont alatti hőmérséklettől.

Dr. Lee és kriobiológiai csapata bátran kelt ki a téli hibernációból, hogy összegyűjtse és összehasonlítsa a mérsékelt égövi vízi és szárazföldi rovarok téli szuperhűtési képességeit. Kiderült, hogy a vízi rovarok sokkal kevésbé hűlnek le, mint szárazföldi rokonaik; a vízi rovarok körülbelül -7°C-ra hűltek le, míg az ugyanezen családok szárazföldi rovarai akár -40°C-ra is lehűltek! A csökkent szuperhűtési képesség ellenére az e mérsékelt égövi vizekben élő vízi rovarok többsége még mindig fagykímélőnek minősül; az a viszonylag kevés vízi rovar, amelyről ismert, hogy ténylegesen elviseli a fagyást (a példányokat közvetlenül a jégből gyűjtötték!), olyan sarkvidéki patakokban és tavakban él, amelyek rendszeresen teljesen átfagynak a fenéken. Dr. Lee és munkatársai feltételezik, hogy a mérsékelt égövben élő, telelő vízi rovarok egyszerűen nem találkoznak olyan szélsőséges, fagypont alatti hőmérsékletekkel, mint a szárazföldi rovarok, ami evolúciósan szükségtelenné teszi a szuperhűlés képességét.

A téli kőlegy nimfák felnőttként a víz és a felszíni jégszigetelő réteg közötti légzsebekbe bújnak, egy meglehetősen védett élőhelyre, ahol a hőmérséklet nem sokkal 0°C alatt van. Ráadásul Dr. Lee és munkatársai azt találták, hogy a februárban gyűjtött kifejlett téli kőlobogók jelentősen nagyobb szuperhűtési képességgel rendelkeztek (azaz sokkal alacsonyabb hőmérsékletre képesek lehűlni anélkül, hogy megfagynának), mint a nimfa stádiumuk, ami arra utal, hogy a kifejlett egyedek képesek növelni a fagyálló vegyületek mennyiségét a testnedveikben.

A kelést követően a kifejlett téli kőlobogók védelmet kereshetnek a hó alatti vagy sziklák alatti termikus menedékhelyeken, ahol a fagypont alatti felszíni levegőnél melegebb hőmérséklet uralkodik. Bár a kifejlett egyedek barnás-fekete testszínezete elősegítheti a napsugárzás elnyelését, kis testtömegük miatt az ilyen nyereséget valószínűleg felülírná a hideg szellő. Azzal pedig, hogy a kifejlett kőlegyek a lábuk hegyén járkálnak, elkerülik a külső jégkristályok veszélyét, amelyek esetleg behatolhatnak a testükbe, és oltási fagyást idézhetnek elő.

Amint a tavaszt várva egyre hosszabbak és melegebbek lesznek a téli napok, hamarosan megszűnnek a lehetőségek, hogy a téli kőlegyeket ebben a szezonban akcióban fogjuk elkapni. Íme egy keresőkép az Ön számára – Vésse az emlékezetébe. Most pedig ébreszd fel magad a téli hibernációból, és keresd meg azokat a szuperklassz kis víztasakokat!

Hivatkozások és további olvasnivalók

Borror D.J., White R.E. Peterson. (1970) A field guide to insects of America north of Mexico. Houghton Mifflin Co., New York. 404 pp.

Bouchard R.W., Schuetz B.E., Ferrington L.C., Kells S.A. (2009) Cold hardiness in the adult of two winter stonefly species: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) és 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: Fagyni vagy nem fagyni. 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: A vízi és szárazföldi rovarok telelési stratégiái. 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

Fotóhitelesítés: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; három Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Minden képet engedéllyel és a Creative Commons licenc alatt használunk.

A szerzőről: Dr. Holly Menninger a Cornell Egyetem vezető tanácsadó munkatársa, ahol segít megvédeni New York állam természeti erőforrásait az invazív fajok, köztük számos igazán nagy, rossz bogár fenyegetésétől. Az ökológiából doktorált és a furcsa és csodálatos élettörténetű rovarokért rajong, ezért minden eszközzel igyekszik megosztani a természet iránti lelkesedését, beleértve a podcastokat, a tweeteket (@DrHolly) és a 17 éves kabócákkal az orrán való pózolást.

A kifejtett nézetek a szerző sajátjai, és nem feltétlenül a Scientific Americané.