おそらく、大学でトンボや蝶の羽を数えて識別することに費やした夏のせいでしょう。 あるいは、大学院で何百時間もの間、泥の入った鍋に顔を近づけて危険な状態に耐えながら、何千匹もの小さな川の虫を摘み取ったせいかもしれません。 このように、冬の日、ニューヨーク州イサカの近くにあるお気に入りの滝でハイキングを楽しんでいるとき、氷に覆われた風景から、雪の上を軽快に動く小さな黒い斑点に目が行ったのも不思議ではありません。

ウインターストーンフライは奇妙な生き物です。 真冬になると、幼虫やニンフと呼ばれる水棲の未熟児が、岩の底から、1年間生息した川の表面を覆う雪や氷の割れ目を這い上がり、成虫になって出てくるのだそうです。

帽子、ミトン、マフラー、パーカー、長い下着で身を固め（それでも寒い）、私は冬のオニバスの生理について考えてみました。 他の多くの6本足の昆虫は寒さから身を隠しているのに、なぜ彼らは氷点下の冬の寒さの中で活動できるのだろう？ そして、水中と陸上というまったく異なる生息地で、凍結による致命的な影響をどのように回避しているのでしょうか。

暖かい自宅に戻り、私はこれらの疑問について調べ始めました。 水生昆虫の耐寒性についてはあまり知られていないこと、ましてや冬のトンボ（特にプレコプタラ目のカプニ科とテニオプテルギ科の2科を指す名称）については、すぐにわかりました。 カナダのフィールド・ナチュラリスト、H.B.ノエル・ハインズ（H.B. Noel Hynes）は、その理由の一つとして、「冬のトンボの成虫は、一般の昆虫学者が冬眠から覚める前のシーズン初期に最も多く見られる」と考察しているのだそうです。「

水中や陸上の凍結温度に冬のトンボがどう対処するかを理解するには、まず、より研究対象が多い陸生昆虫が冬をどう乗り越えるかを60年にわたる研究によって明らかにしたものを調べるのが有益です。 賢いオオカバマダラのように南へ移動して冬を完全に避けたり、家のような断熱性の高いシェルターを探したりするほど賢くない場合 (テントウムシやカメムシは？)、陸生昆虫は多くの生理生化学的変化を受けることによって、内部で冬の厳しい寒さに備えるのです。 昆虫サイズの小さな体積では、水は実際に標準的な凝固点（0℃）より何度も冷やしても液体のままであり、過冷却として知られるプロセスです。 この冬、皆さんも氷雨のような過冷却液体に遭遇したことがあるのではないでしょうか。 しかし、過冷却状態の液体にホコリを入れると、核生成と呼ばれる現象により、ホコリの周りにすぐに氷の結晶が生成される。 さらに、外部の氷の結晶が過冷却水の小さな袋に触れ、その後、小さな隙間から侵入すると、過冷却水の小さな袋の内部に氷が形成されることがあります。

活動状態でも休止状態でも、冬の氷点下の気温にさらされる準備をしている昆虫は、一般に、凍らないか耐えるかという、2つの戦略のいずれかを採用して耐寒性を実現しています。

凍結を避ける昆虫は、グリセロール、タンパク質、糖類などの凍結防止化合物を積極的に生産して過冷却能力を高め、体液が氷点よりさらに低い温度でも凍結せずにいられるようにします。 陸生昆虫の過冷却体液の中には、氷点下15〜35℃でも液状を保つものがある。

一方、耐凍性昆虫は、細胞内の体液に氷晶ができることを容認するだけでなく、積極的にそれを促進する。 これらの昆虫は、細胞外液中に氷核形成タンパク質を生成し、実際に昆虫の過冷却能力を制限して、より高い氷点下温度での氷結晶の形成を促進するのである。 細胞外での氷結晶の成長を促進することで、昆虫の細胞内の内容物が凍って破裂する可能性を低くすることができるのだ。 しかし、細胞外の水分が氷の結晶として結合していると、細胞内の水分が細胞外に移動したくなってしまう。 その後の細胞の脱水を防ぎ、細胞膜を安定させるために、凍結耐性昆虫は凍結防止化合物のグリセロールも生成します。

では、これらの戦略は、水生昆虫、特に冬のカブトムシにどう反映されるのでしょうか？

その質問に取り組む前に、彼らが生活サイクルの大半を過ごす水生環境の熱力学的特性を考えてみましょう。 高校物理で習ったかもしれませんが、水は空気より比熱が高いのです。言い換えれば、同じ質量の空気を温めるより、水を温める方がより多くのエネルギーを必要とします。 そのため、小川や川の水は、上空の空気のような激しい温度変化がなく、通常、冬でも隣接する陸上の生息地よりも暖かい状態を保っています。

リー博士と彼の低温生物学チームは、冬の冬眠から勇敢にも目を覚まし、温帯の水生および陸生昆虫の冬の過冷却能力を収集し、比較したのです。 水生昆虫は約-7℃まで過冷却するのに対し、同じ科の陸生昆虫は-40℃まで過冷却するのだ！水生昆虫は陸生昆虫に比べ過冷却能力がはるかに低いことが判明した。 過冷却能力が低いにもかかわらず、温帯水域に生息する水生昆虫の多くは凍結回避型に分類される。実際に凍結に耐えることが知られている比較的少数の水生昆虫（実際に氷から直接標本を採集した！）は、底まではっきりと凍ることが多い北極の川や池に生息している。 リー博士らは、温帯で越冬する水生昆虫は、陸生昆虫のような極端な氷点下に遭遇しないため、超過冷却能力は進化的に不要であるという仮説を立てています。

冬のトンボの幼虫は、水と表面氷の断熱層の間のエアポケットで成虫として出現しますが、ここは0℃をはるかに下回る温度になることがない、かなり守られた生息場所です。 さらに、リー博士らは、2月に採集した冬のストーンフライの成虫が、幼虫の段階よりも過冷却能力（凍結せずにずっと低い温度まで冷却できる能力）が著しく高いことを発見し、成虫が体液中の凍結防止化合物の量を増やせることを示唆している。

出現後、冬のストーンフライ成虫は、雪の下や岩下の氷点下の空気よりも暖かい温度を提供する避暑地に保護を求めていると考えられる。 成虫は茶色がかった黒色の体色をしているため、日射の吸収を促進することができますが、体積が小さいため、冷たい風が吹くと吸収されなくなってしまうでしょう。

春を前に冬の日が長くなり、暖かくなってくると、今シーズンのカワニナの活躍の場も少なくなってくることでしょう。 ここで、検索画像を記憶しておきましょう。 このような場合、「痒いところに手が届く」ような感覚を味わうことができるのです！

References and Further Reading

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Photo credits: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; three Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. すべての写真は許可を得て使用しており、クリエイティブ・コモンズの下でライセンスされています。

著者について ホリー・メニンガー博士は、コーネル大学の上級エクステンション・アソシエイトとして、ニューヨーク州の自然資源を、巨大で悪い虫を含む侵略的な種の脅威から守るための支援を行っています。 生態学の博士号を持ち、奇妙で素晴らしい生活史を持つ昆虫が好きな彼女は、ポッドキャストやツイート（@DrHolly）、17年目のセミを鼻に乗せて写真を撮るなど、あらゆる手段を使って自然界への情熱を共有しようと決意しています

述べられている見解は著者のもので、必ずしもScientific Americanのものではありません

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