Perhaps it’s the summers I spent in college counting and identifying dragonflies and butterflies on the wing. A może to setki godzin, które przetrwałem w szkole średniej z twarzą niebezpiecznie blisko patelni pełnej mułu, wyskubując tysiące maleńkich owadów strumieniowych. Sądzę, że to po prostu życiowa ciekawość wszystkiego, co sześcionożne, która na stałe wyryła w moim mózgu obraz poszukiwania owadów.

Tak więc nic dziwnego, że podczas zimowej wędrówki do jednego z moich ulubionych wodospadów w pobliżu Ithaca w stanie Nowy Jork, moje oczy powędrowały od malowniczego, pokrytego lodem krajobrazu do maleńkich, ciemnych plamek poruszających się zwinnie po śniegu: zimowe muchy były w ruchu!

Kamieniarki zimowe są osobliwymi małymi stworzeniami. W środku zimy, wodne niedojrzałe stadia, zwane larwami lub nimfami, wypełzają z ich skalistego domu na dnie przez pęknięcia i szczeliny w śniegu i lodzie, które pokrywają powierzchnię strumienia, który zamieszkiwały przez ostatni rok i wyłaniają się jako osobniki dorosłe. Chociaż w posiadaniu cztery skrzydła zwinięte starannie nad ich wydłużone odwłoki, dorosłe zimowe stoneflies pobyt blisko śniegu i lodu, chodzenie, a nie latać, w poszukiwaniu mates.

Wszystko opatulony w mojej czapce, mitenki, szalik, parka, i długą bieliznę (i nadal zimno), zastanawiałem się nad fizjologią zimowych stoneflies obserwowałem. Jak mogą one być tak aktywne w temperaturach poniżej zera, kiedy większość ich sześcionożnych braci jest dobrze ukryta przed żywiołami? I jak unikają śmiertelnych skutków zamarzania w dwóch bardzo różnych siedliskach, w wodzie i na lądzie?

Z powrotem w przytulnym cieple mojego domu, zacząłem badać niektóre z tych pytań. Dowiedziałem się dość szybko, że niewiele wiadomo o odporności na zimno owadów wodnych, nie mówiąc już o zimie stoneflies (nazwa, która odnosi się w szczególności do dwóch rodzin w porządku Plecoptera: Capniidae i Taeniopterygidae). W rzeczywistości, w swojej rozprawie na temat motyli, późny kanadyjski przyrodnik terenowy H.B. Noel Hynes zaproponował jeden możliwy powód, dlaczego tak się dzieje; dorosłe motyle zimowe, on myśli, są „najbardziej obfite na początku sezonu, zanim przeciętny entomolog wyszedł z hibernacji.”

Aby zrozumieć, jak zimowe motyle radzą sobie z ujemnymi temperaturami w wodzie i na lądzie, warto najpierw zbadać, co 60 lat badań ujawniło o tym, jak owady lądowe, bardziej zbadana grupa, przeżywają zimę. Jeśli nie na tyle sprytny, aby uniknąć zimy całkowicie przez migrację na południe (jak te inteligentne motyle monarchy) lub poszukiwanie izolowane schronienie, takie jak dom (chrząszcze i robaki cuchnące, ktoś?), owady lądowe będą przygotowywać się do brutalnego zimna zimą wewnętrznie przez poddanie się wielu fizjologicznych i biochemicznych zmian.

Aby zrozumieć te zmiany, kriobiolog Richard Lee, Jr zaleca myślimy o owadzie jako maleńki worek wody. W małych, owadzich objętościach, woda może być faktycznie schłodzona o wiele stopni poniżej swojej standardowej temperatury zamarzania (0°C) i nadal pozostawać w postaci ciekłej, proces ten znany jest jako superchłodzenie. Być może zetknąłeś się już kiedyś tej zimy z przechłodzonymi cieczami w postaci marznącego deszczu. Jeśli jednak do przechłodzonej cieczy zostanie wprowadzona cząsteczka kurzu, natychmiast zaczną się wokół niej tworzyć kryształki lodu w procesie zwanym nukleacją. Dodatkowo, lód może tworzyć się wewnątrz małego worka z przechłodzoną wodą, jeśli zewnętrzne kryształy lodu dotkną, a następnie wtargną do niego przez jakikolwiek mały otwór, proces zwany nukleacją inokulacyjną.

Insekty przygotowujące się do ekspozycji na subzimowe temperatury zimowe, czy to w stanie aktywnym czy spoczynku, generalnie stosują jedną z dwóch strategii, aby osiągnąć odporność na zimno: unikać zamarzania lub tolerować je.

Owady unikające zamarzania aktywnie produkują związki przeciw zamarzaniu – w tym glicerol, białka i cukry – które zwiększają ich zdolność do superchłodzenia, pozwalając płynom ustrojowym pozostać niezamarzniętymi w temperaturach jeszcze niższych niż ich punkt zamarzania. Niektóre superchłodzone płyny ustrojowe owadów lądowych mogą pozostawać w stanie ciekłym w temperaturach 15 – 35°C poniżej zera. Dodatkowo, gdy zbliża się zima, owady unikające mrozu wyeliminują z wnętrzności i płynów ustrojowych materiały, które mogłyby służyć jako nasiona, wokół których zarodkują kryształy lodu, w tym żywność, bakterie związane z trawieniem i kurz.

Odporne na mróz owady, z drugiej strony, nie tylko tolerują tworzenie się kryształów lodu w płynach kąpiących ich komórki, ale aktywnie je promują. Te owady produkują białka nukleujące lód w ich płynie pozakomórkowym, które faktycznie ograniczają zdolność owadów do przechłodzenia i promują tworzenie kryształów lodu w wyższych temperaturach poniżej zera. Promując wzrost kryształów lodu na zewnątrz komórek, białka nukleujące lód pomagają zmniejszyć prawdopodobieństwo, że zawartość komórek owadów zamarznie i pęknie. Jednak gdy woda na zewnątrz komórek zostanie związana w postaci kryształów lodu, woda wewnątrz komórek będzie chciała przemieścić się do przestrzeni pozakomórkowej. Aby zapobiec późniejszemu odwodnieniu komórek i ustabilizować błony komórkowe, owady odporne na zamarzanie również produkują związek przeciw zamarzaniu – glicerol.

Więc jak te strategie przekładają się, jeśli w ogóle, na owady wodne, szczególnie na zimę stoneflies?

Alas, zanim zajmiemy się tym pytaniem, rozważmy właściwości termodynamiczne środowisk wodnych, które nazywają domem dla większości ich cyklu życiowego. Woda, jak możesz sobie przypomnieć z fizyki w szkole średniej, ma wyższe ciepło właściwe niż powietrze; innymi słowy, potrzeba więcej energii do ogrzania wody niż do ogrzania równej masy powietrza. W związku z tym woda w strumieniach i rzekach nie doświadcza tak dużych wahań temperatury jak powietrze nad nimi, a zimą pozostaje cieplejsza niż sąsiadujące z nią siedliska lądowe. Kiedy lód tworzy się na powierzchni zbiornika wodnego, faktycznie izoluje wodę i podłoże pod nim od temperatur poniżej zera.

Dr Lee i jego zespół kriobiologii odważnie wyszedł z zimowej hibernacji, aby zebrać i porównać zdolności super chłodzące strefy umiarkowanej owadów wodnych i lądowych w zimie. Okazało się, że owady wodne schładzają się znacznie mniej niż ich lądowi krewni; owady wodne schładzają się do około -7°C, podczas gdy owady lądowe z tych samych rodzin schładzają się do temperatury tak niskiej jak -40°C! Pomimo zmniejszonej zdolności do przechłodzenia, większość owadów wodnych zamieszkujących wody strefy umiarkowanej jest nadal klasyfikowana jako unikające zamarzania; stosunkowo niewiele owadów wodnych, o których wiadomo, że faktycznie tolerują zamarzanie (okazy zostały zebrane bezpośrednio z lodu!) zamieszkuje strumienie i stawy w Arktyce, które regularnie zamarzają przez dno. Dr Lee i jego koledzy stawiają hipotezę, że zimujące owady wodne żyjące w strefie umiarkowanej po prostu nie spotykają się z ekstremalnymi temperaturami poniżej zera, jakie występują u owadów lądowych, co sprawia, że zdolność do superchłodzenia jest ewolucyjnie zbędna.

Zimujące nimfy motyli pojawiają się jako osobniki dorosłe w kieszeniach powietrznych między wodą a izolacyjną warstwą lodu powierzchniowego, w dość chronionym siedlisku, które nie doświadcza temperatur znacznie poniżej 0°C. Ponadto dr Lee i jego koledzy odkryli, że dorosłe zimowe motyle zebrane w lutym miały znacznie większą zdolność do superchłodzenia (tzn. mogą ochłodzić się do znacznie niższych temperatur bez zamarzania) niż ich stadia nimfalne, co sugeruje, że dorośli mogą zwiększyć ilość związków zapobiegających zamarzaniu w swoich płynach ustrojowych.

Po pojawieniu się dorosłe zimowe motyle mogą szukać ochrony w schronieniach termicznych pod śniegiem lub pod skałami, które oferują temperatury cieplejsze niż powietrze na powierzchni subzero. Podczas gdy brązowo-czarne ubarwienie ciała dorosłych może sprzyjać absorpcji promieniowania słonecznego, wszelkie takie zyski zostaną prawdopodobnie zniwelowane przez zimną bryzę z powodu ich niewielkiej masy ciała. I przez chodzenie na czubkach stóp, dorosłe stoneflies uniknąć zagrożeń zewnętrznych kryształów lodu potencjalnie inwazji ich ciała i indukowanie inoculative freezing.

As our winter days grow longer and warmer in anticipation of spring, your opportunities to catch winter stoneflies in action this season will soon disappear. Oto obrazek do wyszukiwania – zapamiętaj go. Teraz obudzić się z tej zimowej hibernacji i iść znaleźć te super fajne małe worki wody!

Referencje i dalsze czytanie

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 adults of two winter stonefly species: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) i 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: Overwintering strategii wodnych i lądowych owadów. 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; trzy Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Wszystkie zdjęcia zostały wykorzystane za zgodą i na licencji Creative Commons.

O autorze: Dr Holly Menninger jest starszym współpracownikiem ds. rozszerzenia na Uniwersytecie Cornella, gdzie pomaga chronić zasoby naturalne stanu Nowy Jork przed zagrożeniami ze strony gatunków inwazyjnych, w tym wielu naprawdę dużych, złych robaków. Ma doktorat z ekologii i zamiłowanie do owadów o dziwnych i wspaniałych historiach życia. Jest zdeterminowana, aby dzielić się swoim entuzjazmem dla świata przyrody za pomocą wszelkich niezbędnych środków, w tym podcastów, tweetów (@DrHolly) i pozowania do zdjęć z 17-letnimi cykadami na nosie.

Poglądy wyrażone są poglądami autora i niekoniecznie są poglądami Scientific American.