Perhaps it’s the summers I spent in college counting and identifying dragonflies and butterflies on the wing. O forse sono state le centinaia di ore che ho sopportato alla scuola di specializzazione con la faccia pericolosamente vicina a una pentola piena di letame, spennando migliaia di minuscoli insetti di fiume. Credo che sia solo una vita di curiosità per qualsiasi cosa a sei zampe che ha permanentemente inciso un’immagine di ricerca per gli insetti nel mio cervello.

Quindi, non c’è da meravigliarsi che, mentre mi godevo una giornata invernale in una delle mie cascate preferite vicino a Ithaca, New York, i miei occhi si sono spostati dal paesaggio panoramico ghiacciato alle piccole macchie scure che si muovevano agilmente sulla neve: le stoneflies invernali erano in movimento!

Le stoneflies invernali sono piccole creature particolari. Nel cuore dell’inverno, gli stadi acquatici immaturi delle stoneflies, chiamati larve o ninfe, strisciano dal loro fondo roccioso attraverso le crepe e le fessure nella neve e nel ghiaccio che coprono la superficie del torrente che hanno abitato per l’ultimo anno ed emergono come adulti. Anche se in possesso di quattro ali arrotolate ordinatamente sopra i loro addomi allungati, le mosche adulte invernali rimangono vicino alla neve e al ghiaccio, camminando piuttosto che volando, in cerca di compagni.

Tutto infagottato nel mio cappello, guanti, sciarpa, parka e biancheria lunga (e ancora freddo), mi sono chiesto la fisiologia delle mosche invernali che ho osservato. Come possono essere così attivi nelle temperature invernali sotto lo zero, quando la maggior parte dei loro fratelli a sei zampe sono ben nascosti dagli elementi? E come fanno ad evitare gli effetti letali del congelamento in due habitat molto diversi, in acqua e sulla terraferma?

Tornato nell’accogliente calore della mia casa, ho iniziato a indagare su alcune di queste domande. Ho imparato piuttosto rapidamente che non si sa molto sulla resistenza al freddo degli insetti acquatici, per non parlare dei moscerini invernali (un nome che si riferisce specificamente a due famiglie dell’ordine Plecoptera: Capniidae e Taeniopterygidae). Infatti, nel suo trattato sulle mosche della pietra, il defunto naturalista canadese H.B. Noel Hynes ha proposto una possibile ragione per cui questo è il caso; le mosche della pietra invernali adulte, egli pensa, sono “più abbondanti all’inizio della stagione prima che l’entomologo medio sia emerso dal letargo.”

Per capire come i moscerini invernali affrontano le temperature gelide in acqua e sulla terraferma, è utile prima esaminare ciò che 60 anni di ricerca hanno rivelato su come gli insetti terrestri, un gruppo più studiato, sopravvivono all’inverno. Se non sono abbastanza intelligenti da evitare del tutto l’inverno migrando verso sud (come quelle intelligenti farfalle monarca) o cercando un rifugio isolato come la vostra casa (coleotteri femmina e cimici puzzolenti, chiunque?), gli insetti terrestri si preparano al freddo brutale dell’inverno internamente subendo una serie di cambiamenti fisiologici e biochimici.

Per capire questi cambiamenti, il criobiologo Richard Lee, Jr. raccomanda di pensare a un insetto come una piccola borsa d’acqua. In piccoli volumi delle dimensioni di un insetto, l’acqua può essere effettivamente raffreddata molti gradi al di sotto del suo punto di congelamento standard (0°C) e rimanere ancora in forma liquida, un processo noto come superraffreddamento. Potresti aver incontrato liquidi super-raffreddati in qualche momento di questo inverno sotto forma di pioggia gelata. Tuttavia, se una particella di polvere viene introdotta in un liquido superraffreddato, i cristalli di ghiaccio inizieranno immediatamente a formarsi intorno ad essa in un processo chiamato nucleazione. Inoltre, il ghiaccio può formarsi all’interno della piccola sacca di acqua super-raffreddata se cristalli di ghiaccio esterni la toccano e successivamente la invadono attraverso qualsiasi piccola apertura, un processo chiamato nucleazione inoculativa.

Gli insetti che si preparano all’esposizione a temperature invernali sotto lo zero, sia in uno stato attivo che di riposo, generalmente impiegano una delle due strategie per ottenere la resistenza al freddo: evitare il congelamento o tollerarlo.

Gli insetti che evitano il congelamento producono attivamente composti antigelo – tra cui glicerolo, proteine e zuccheri – che migliorano la loro capacità di super raffreddamento, permettendo ai fluidi corporei di rimanere non congelati a temperature ancora più basse del loro punto di congelamento. I fluidi corporei superraffreddati di alcuni insetti terrestri possono rimanere allo stato liquido a temperature da 15 a 35°C sotto lo zero. Inoltre, con l’avvicinarsi dell’inverno, gli insetti che evitano il congelamento eliminano dalle loro viscere e dai loro fluidi corporei i materiali che potrebbero servire da seme attorno al quale si nuclearizzano i cristalli di ghiaccio, compreso il cibo, i batteri legati alla digestione e la polvere.

Gli insetti tolleranti al congelamento, d’altra parte, non solo tollerano la formazione di cristalli di ghiaccio nei fluidi che bagnano le loro cellule, ma la promuovono attivamente. Questi insetti producono proteine ice-nucleating nel loro fluido extracellulare che in realtà limitano la capacità degli insetti di supercool e promuovono la formazione di cristalli di ghiaccio a temperature sottozero più elevate. Promuovendo la crescita di cristalli di ghiaccio all’esterno delle cellule, le proteine ice-nucleating aiutano a ridurre la probabilità che il contenuto all’interno delle cellule degli insetti si congeli e scoppi. Ma con l’acqua all’esterno delle cellule legata come cristalli di ghiaccio, l’acqua all’interno delle cellule vorrà spostarsi nello spazio extracellulare. Per prevenire la successiva disidratazione delle cellule e stabilizzare le membrane cellulari, gli insetti tolleranti al gelo producono anche il composto antigelo glicerolo.

Come si traducono queste strategie, se mai, per gli insetti acquatici, in particolare i stoneflies invernali?

Prima di affrontare questa domanda, consideriamo le proprietà termodinamiche degli ambienti acquatici che chiamano casa per la maggior parte del loro ciclo vitale. L’acqua, come ricorderete dalla fisica del liceo, ha un calore specifico più alto dell’aria; in altre parole, ci vuole più energia per riscaldare l’acqua che per riscaldare una massa uguale di aria. Di conseguenza, l’acqua dei torrenti e dei fiumi non subisce le estreme fluttuazioni di temperatura che subisce l’aria sopra di loro e generalmente rimane più calda degli habitat terrestri adiacenti in inverno. Quando il ghiaccio si forma sulla superficie di un corpo idrico, in realtà isola l’acqua e il substrato sottostante da temperature sotto lo zero.

Il dottor Lee e il suo team di criobiologia sono coraggiosamente emersi dal loro letargo invernale per raccogliere e confrontare le capacità di super raffreddamento degli insetti acquatici e terrestri della zona temperata in inverno. Si è scoperto che gli insetti acquatici superraffreddano molto meno dei loro parenti terrestri; gli insetti acquatici superraffreddano fino a circa -7°C mentre gli insetti terrestri delle stesse famiglie superraffreddano fino a temperature di -40°C! Nonostante le ridotte capacità di superraffreddamento, la maggior parte degli insetti acquatici che abitano queste acque temperate sono ancora classificati come evitatori del congelamento; i relativamente pochi insetti acquatici noti per tollerare effettivamente il congelamento (gli esemplari sono stati raccolti direttamente dal ghiaccio!) abitano torrenti e stagni nell’Artico che regolarmente si congelano fino al fondo. Il Dr. Lee e i suoi colleghi ipotizzano che gli insetti acquatici che svernano nella zona temperata semplicemente non incontrano le temperature estreme sotto lo zero che incontrano gli insetti terrestri, rendendo evolutivamente non necessaria una capacità di super raffreddamento.

Le ninfe di stonefly invernali emergono come adulti nelle sacche d’aria tra l’acqua e uno strato isolante di ghiaccio superficiale, un habitat abbastanza protetto che non sperimenta temperature molto inferiori a 0°C. Inoltre, il Dr. Lee e i suoi colleghi hanno scoperto che le mosche adulte invernali raccolte in febbraio avevano una capacità significativamente maggiore di supercool (cioè, possono raffreddarsi a temperature molto più basse senza congelare) rispetto ai loro stadi ninfali, suggerendo che gli adulti possono aumentare la quantità di composti antigelo nei loro fluidi corporei.

Dopo l’emergenza, le mosche adulte invernali possono cercare protezione nei rifugi termici sotto la neve o sotto le rocce che offrono temperature più calde dell’aria superficiale sottozero. Mentre la colorazione nero-brunastra del corpo degli adulti può promuovere l’assorbimento della radiazione solare, qualsiasi guadagno sarebbe probabilmente annullato da una brezza fredda a causa della loro piccola massa corporea. E camminando sulle punte dei loro piedi, le mosche adulte evitano i pericoli dei cristalli di ghiaccio esterni che potenzialmente invadono i loro corpi e inducono il congelamento inoculativo.

Come le nostre giornate invernali diventano più lunghe e più calde in attesa della primavera, le opportunità di catturare le mosche invernali in azione in questa stagione scompariranno presto. Ecco un’immagine di ricerca per te – Impegnala nella memoria. Ora svegliati dal letargo invernale e vai a cercare quei sacchetti d’acqua supercool!

Riferimenti e ulteriori letture

Borror D.J., White R.E. Peterson. (1970) Una guida di campo agli insetti dell’America a nord del Messico. Houghton Mifflin Co, New York. 404 pp.

Bouchard R.W., Schuetz B.E., Ferrington L.C., Kells S.A. (2009) Resistenza al freddo negli adulti di due specie di stonefly invernali: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) e A. pygmaea (Burmeister, 1839) (Plecoptera: Capniidae). Aquatic Insects 31 (2): 145-155 doi: 10.1080/01650420902776690

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Walters Jr, K.R., Sformo T., Barnes B.M., Duman J.G. (2009) Tolleranza al gelo in una stonefly artica dell’Alaska. Journal of Experimental Biology 212(2): 305-312 doi:10.1242/jeb.020701

Crediti foto: Taughannock Falls e Winter Stonefly in mano, Holly Menninger, 2008; tre Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Tutte le foto sono utilizzate con il permesso e la licenza Creative Commons.

Per quanto riguarda l’autore: La dottoressa Holly Menninger è una senior extension associate presso la Cornell University, dove aiuta a proteggere le risorse naturali dello Stato di New York dalle minacce delle specie invasive, compresi alcuni insetti davvero grandi e cattivi. Con un dottorato di ricerca in ecologia e una passione per gli insetti con storie di vita strane e meravigliose, è determinata a condividere il suo entusiasmo per il mondo naturale con ogni mezzo necessario, compresi podcast, tweet (@DrHolly), e posando per le foto con cicale di 17 anni sul naso.

Le opinioni espresse sono quelle dell’autore e non sono necessariamente quelle di Scientific American.