Poate din cauza verilor pe care le-am petrecut în facultate numărând și identificând libelule și fluturi pe aripi. Sau poate că au fost sutele de ore pe care le-am îndurat în școala de absolvenți cu fața periculos de aproape de o cratiță plină de noroi, smulgând mii de insecte minuscule de râu. Recunosc că este doar o viață întreagă de curiozitate pentru orice lucru cu șase picioare care mi-a gravat permanent în creier o imagine de căutare a insectelor.

Nu este deci de mirare că, în timp ce mă bucuram de o drumeție într-o zi de iarnă la una dintre cascadele mele preferate de lângă Ithaca, New York, ochii mei s-au abătut de la peisajul pitoresc cu geamuri de gheață la pete mici și întunecate care se mișcau agil pe zăpadă: muștele de piatră de iarnă erau în mișcare!

Mustele de piatră de iarnă sunt niște creaturi mici și ciudate. În toiul iernii, stadiile imature acvatice ale muștelor de piatră, numite larve sau nimfe, se târăsc de la casa lor de pe fundul stâncilor până la crăpăturile și fisurile din zăpada și gheața care acoperă suprafața pârâului în care au locuit în ultimul an și ies la suprafață ca adulți. Deși în posesia a patru aripi rulate frumos peste abdomenul lor alungit, muștele de piatră adulte de iarnă rămân aproape de zăpadă și gheață, mergând mai degrabă pe jos decât zburând, în căutare de parteneri.

Înglobat în pălăria, mănușile, eșarfa, parka și lenjeria de corp lungă (și încă FRĂCUT), m-am întrebat despre fiziologia muștelor de piatră de iarnă pe care le-am observat. Cum pot fi atât de active la temperaturi de iarnă sub zero grade, când majoritatea fraților lor cu șase picioare sunt bine ascunși de elemente? Și cum reușesc să evite efectele letale ale înghețului în două habitate foarte diferite, în apă și pe uscat?

Înapoi în căldura confortabilă a casei mele, am început să investighez unele dintre aceste întrebări. Am învățat destul de repede că nu se știu prea multe despre rezistența la frig a insectelor acvatice, cu atât mai puțin despre muștele de piatră de iarnă (un nume care se referă în mod specific la două familii din ordinul Plecoptera: Capniidae și Taeniopterygidae). De fapt, în tratatul său despre muște de piatră, regretatul naturalist de teren canadian H.B. Noel Hynes a oferit un posibil motiv pentru care se întâmplă acest lucru; muște de piatră adulte de iarnă, spune el, sunt „cele mai abundente la începutul sezonului, înainte ca entomologul mediu să iasă din hibernare.”

Pentru a înțelege cum fac față muștele de piatră de iarnă temperaturilor de îngheț în apă și pe uscat, este util să examinăm mai întâi ceea ce 60 de ani de cercetare au dezvăluit despre modul în care insectele terestre, un grup mai studiat, supraviețuiesc iernii. Dacă nu sunt suficient de inteligente pentru a evita cu totul iarna migrând spre sud (cum ar fi acei fluturi monarh inteligenți) sau căutând un adăpost izolat, cum ar fi casa dumneavoastră (gândaci doamnă și gândaci urât mirositori, cineva?), insectele terestre se vor pregăti pentru frigul brutal al iernii pe plan intern, suferind o serie de modificări fiziologice și biochimice.

Pentru a înțelege aceste modificări, criobiologul Richard Lee Jr. recomandă să ne gândim la o insectă ca la o mică pungă cu apă. În volume mici, de mărimea unei insecte, apa poate fi de fapt răcită cu multe grade sub punctul său standard de îngheț (0°C) și să rămână în continuare sub formă lichidă, un proces cunoscut sub numele de supraînghețare. Este posibil să fi întâlnit lichide supraîncălzite la un moment dat în această iarnă, sub forma ploii înghețate. Cu toate acestea, în cazul în care o particulă de praf este introdusă într-un lichid supraîncălzit, cristalele de gheață vor începe imediat să se formeze în jurul acesteia printr-un proces numit nucleație. În plus, gheața se poate forma în interiorul pungii mici de apă supraînghețată dacă cristalele de gheață exterioare o ating și ulterior o invadează prin orice mică deschidere, un proces numit nucleație inoculativă.

Insectele care se pregătesc pentru expunerea la temperaturi de iarnă sub zero grade, fie că se află în stare activă sau în repaus, folosesc în general una dintre cele două strategii pentru a obține rezistența la frig: să evite înghețul sau să-l tolereze.

Insectele care evită înghețul produc în mod activ compuși anti-îngheț – inclusiv glicerol, proteine și zaharuri – care le sporesc capacitatea de a se supraîngheța, permițând fluidelor corporale să rămână necongelate la temperaturi chiar și mai mici decât punctul lor de îngheț. Fluidele corporale supraînghețate ale unor insecte terestre pot rămâne în stare lichidă la temperaturi cuprinse între 15 și 35°C sub zero grade Celsius. În plus, pe măsură ce se apropie iarna, insectele care evită înghețul vor elimina din intestinele și fluidele lor corporale materialele care ar putea servi drept sămânță în jurul căreia să se formeze cristale de gheață, inclusiv hrana, bacteriile legate de digestie și praful.

Insectele tolerante la îngheț, pe de altă parte, nu numai că tolerează formarea de cristale de gheață în fluidele care le îmbăiază celulele, dar o promovează în mod activ. Aceste insecte produc proteine nucleatoare de gheață în fluidul lor extracelular care limitează de fapt capacitatea insectelor de a se supraîncălzi și promovează formarea de cristale de gheață la temperaturi mai ridicate sub zero grade. Promovând creșterea cristalelor de gheață în afara celulelor, proteinele nucleatoare de gheață ajută la reducerea probabilității ca conținutul din celulele insectelor să înghețe și să explodeze. Dar cu apa din afara celulelor legată sub formă de cristale de gheață, apa din interiorul celulelor va dori să se deplaseze în spațiul extracelular. Pentru a preveni deshidratarea ulterioară a celulelor și pentru a stabiliza membranele celulare, insectele tolerante la îngheț produc, de asemenea, glicerolul, un compus anti-îngheț.

Dar cum se traduc aceste strategii, dacă se traduc, la insectele acvatice, în special la muștele de piatră de iarnă?

Pe de altă parte, înainte de a aborda această întrebare, să luăm în considerare proprietățile termodinamice ale mediilor acvatice pe care acestea le numesc casă pentru cea mai mare parte a ciclului lor de viață. Apa, după cum probabil vă amintiți din fizica din liceu, are o căldură specifică mai mare decât aerul; cu alte cuvinte, este nevoie de mai multă energie pentru a încălzi apa decât pentru a încălzi o masă egală de aer. Prin urmare, apa din cursurile de apă și râuri nu suferă fluctuațiile extreme de temperatură pe care le suferă aerul de deasupra lor și, în general, rămâne mai caldă decât habitatele terestre adiacente în timpul iernii. Atunci când se formează gheață la suprafața unui corp de apă, aceasta izolează de fapt apa și substratul de sub ea de temperaturile sub zero grade.

Dr. Lee și echipa sa de criobiologie au ieșit cu curaj din hibernarea lor de iarnă pentru a colecta și compara capacitățile de supraînghețare ale insectelor acvatice și terestre din zona temperată în timpul iernii. S-a dovedit că insectele acvatice se supraîncălzesc mult mai puțin decât rudele lor terestre; insectele acvatice s-au supraîncălzit până la aproximativ -7°C, în timp ce insectele terestre din aceleași familii s-au supraîncălzit până la temperaturi de până la -40°C! În ciuda capacității reduse de supraînghețare, majoritatea insectelor acvatice care locuiesc în aceste ape temperate sunt încă clasificate ca evitând înghețul; cele relativ puține insecte acvatice cunoscute ca tolerând de fapt înghețul (specimenele au fost de fapt colectate direct din gheață!) locuiesc în cursurile de apă și în iazurile din Arctica care îngheață în mod regulat până la fund. Dr. Lee și colegii săi pornesc de la ipoteza că insectele acvatice care iernează și trăiesc în zona temperată pur și simplu nu se confruntă cu temperaturile extreme sub zero grade Celsius pe care le întâlnesc insectele terestre, ceea ce face inutilă, din punct de vedere evolutiv, o capacitate de super-refrigerare.

Nimfele de hibernare ale muștei de piatră apar ca adulți în pungile de aer dintre apă și un strat izolator de gheață de suprafață, un habitat destul de protejat care nu cunoaște temperaturi cu mult sub 0°C. Mai mult decât atât, Dr. Lee și colegii săi au descoperit că muștele de piatră adulte de iarnă colectate în februarie aveau o capacitate semnificativ mai mare de a se supraîncălzi (adică se pot răci la temperaturi mult mai scăzute fără a îngheța) decât stadiile lor de nimfe, sugerând că adulții pot crește cantitatea de compuși anti-îngheț din fluidele lor corporale.

După apariția, muștele de piatră adulte de iarnă pot căuta protecție în refugii termice sub zăpadă sau sub roci care oferă temperaturi mai calde decât aerul de suprafață sub zero grade. În timp ce colorația maronie-neagră a corpului adulților poate favoriza absorbția radiațiilor solare, orice astfel de câștig ar fi probabil anulat de o briză rece din cauza masei lor corporale mici. Iar prin faptul că se plimbă pe vârful picioarelor, muștele de piatră adulte evită pericolele unor cristale de gheață externe care ar putea să le invadeze corpul și să inducă înghețarea inoculativă.

Pe măsură ce zilele noastre de iarnă devin mai lungi și mai calde în așteptarea primăverii, oportunitățile de a prinde muștele de piatră de iarnă în acțiune în acest sezon vor dispărea în curând. Iată o imagine de căutare pentru dumneavoastră – Înscrieți-o în memorie. Acum trezește-te din acea hibernare de iarnă și du-te să găsești acele pungi mici de apă supercool!

Referințe și lecturi suplimentare

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) Rezistența la frig la adulții a două specii de stăncuțe de iarnă: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) și 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: A îngheța sau a nu îngheța. 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: Strategii de iernare a insectelor acvatice și terestre. 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

Credite foto: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; trei Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Toate fotografiile sunt folosite cu permisiunea și sunt licențiate sub Creative Commons.

Despre autor: Dr. Holly Menninger este asociat senior de extensie la Universitatea Cornell, unde ajută la protejarea resurselor naturale ale statului New York de amenințările speciilor invazive, inclusiv o serie de insecte cu adevărat mari și rele. Cu un doctorat în ecologie și o pasiune pentru insectele cu istorii de viață ciudate și minunate, ea este hotărâtă să împărtășească entuziasmul ei pentru lumea naturală prin orice mijloace necesare, inclusiv podcast-uri, tweet-uri (@DrHolly) și pozând pentru fotografii cu cicade de 17 ani pe nas.

Potrivirile exprimate sunt cele ale autorului și nu sunt neapărat cele ale Scientific American.