Kanske är det sommarna jag tillbringade i college med att räkna och identifiera trollsländor och fjärilar på vingarna. Eller kanske var det de hundratals timmar som jag under min forskarutbildning stod med ansiktet farligt nära en kastrull fylld med dynga och plockade ut tusentals små bäckinsekter. Jag tror att det bara är en livslång nyfikenhet på allt sexbent som permanent har etsat in en sökbild för insekter i min hjärna.

Det är därför inte konstigt att när jag under en vinterdag vandrade till ett av mina favoritvattenfall i närheten av Ithaca, New York, så förflyttade sig min blick från det natursköna, isglaserade landskapet till de små, mörka fläckar som rörde sig smidigt över snön: det var vinterstensflugor som var i farten!

Vinterstensflugor är märkliga små varelser. Mitt i vintern kryper stenflugornas vattenlevande omogna stadier, som kallas larver eller nymfer, från sitt steniga bottenboende upp genom sprickor och klyftor i den snö och is som täcker ytan på det vattendrag som de har bebott under det senaste året och kommer fram som vuxna individer. Även om de vuxna vintersteklarna har fyra vingar som rullas snyggt över deras långsträckta buk, håller de sig nära snön och isen och går snarare än flyger på jakt efter partner.

Samt insvept i min mössa, mina vantar, min halsduk, min parka och mina långa underkläder (och fortfarande KOLD), funderade jag på fysiologin hos de vintersteklar som jag observerade. Hur kan de vara så aktiva i vintertemperaturer under noll grader, när de flesta av deras sexbenta bröder är väl gömda från elementen? Och hur undviker de de dödliga effekterna av frysning i två mycket olika livsmiljöer, i vatten och på land?

Tillbaka i mitt hems mysiga värme började jag undersöka några av dessa frågor. Jag lärde mig ganska snabbt att man inte vet mycket om vattenlevande insekters köldtålighet, än mindre om vintersteklar (ett namn som specifikt hänvisar till två familjer i ordningen Plecoptera: Capniidae och Taeniopterygidae). I sin avhandling om stenflugor gav den framlidne kanadensiske fältnaturforskaren H.B. Noel Hynes en möjlig orsak till varför det är så. Vuxna vintersteklar, menar han, är ”mest förekommande tidigt på säsongen innan den genomsnittlige entomologen har kommit upp ur sin vinterdvala”.”

För att förstå hur vinterflugor klarar av de iskalla temperaturerna i vatten och på land är det lämpligt att först undersöka vad 60 års forskning har avslöjat om hur landlevande insekter, en mer studerad grupp, överlever vintern. Om de inte är tillräckligt smarta för att undvika vintern helt och hållet genom att vandra söderut (som de smarta monarkfjärilarna) eller söka sig till ett isolerat skydd som ditt hus (nyckelpigor och stinkinsekter, någon?), så förbereder sig landlevande insekter på vinterns brutala kyla internt genom att genomgå ett antal fysiologiska och biokemiska förändringar.

För att förstå dessa förändringar rekommenderar kryobiologen Richard Lee, Jr. att vi tänker oss att en insekt är som en liten påse med vatten. I små volymer av insektsstorlek kan vatten faktiskt kylas ned många grader under sin standardfryspunkt (0 °C) och ändå förbli i flytande form, en process som kallas superkylning. Du kanske har stött på superkylda vätskor någon gång i vinter i form av isande regn. Om en dammpartikel förs in i en underkyld vätska kommer dock iskristaller omedelbart att börja bildas runt omkring den i en process som kallas kärnbildning. Dessutom kan is bildas inuti den lilla påsen med underkylt vatten om externa iskristaller rör vid den och därefter invaderar den genom någon liten öppning, en process som kallas inokulativ nukleering.

Insekter som förbereder sig för att utsättas för vintertemperaturer under nollstrecket, vare sig de är i aktivt eller vilande tillstånd, tillämpar i allmänhet en av två strategier för att uppnå köldhärdighet: undvika frysning eller tolerera den.

Insekter som undviker frysning producerar aktivt frostskyddsföreningar – inklusive glycerol, proteiner och socker – som förbättrar deras förmåga till superkylning, vilket gör det möjligt för kroppsvätskor att förbli ofrusna vid temperaturer som ligger ännu längre under deras fryspunkt. Vissa landlevande insekters superkylda kroppsvätskor kan förbli flytande vid temperaturer på 15-35 °C under nollpunkten. När vintern närmar sig kommer insekter som undviker frysning dessutom att eliminera material från sina inälvor och kroppsvätskor som kan fungera som ett frö kring vilket iskristaller bildas, inklusive mat, matsmältningsrelaterade bakterier och damm.

Frosttoleranta insekter tolererar å andra sidan inte bara bildandet av iskristaller i de vätskor som badar i deras celler, utan främjar det aktivt. Dessa insekter producerar iskärnande proteiner i sin extracellulära vätska som faktiskt begränsar insekternas förmåga till superkylning och främjar bildandet av iskristaller vid högre minusgrader. Genom att främja iskristalltillväxten utanför cellerna bidrar de isbildande proteinerna till att minska sannolikheten för att innehållet i insekternas celler ska frysa och spricka. Men när vattnet utanför cellerna är bundet i form av iskristaller kommer vattnet i cellerna att vilja flytta in i det extracellulära utrymmet. För att förhindra efterföljande uttorkning av cellerna och stabilisera cellmembranen producerar frystoleranta insekter också den frostskyddande föreningen glycerol.

Hur kan dessa strategier överföras, om alls, till vattenlevande insekter, i synnerhet vintersteklar?

För att ta itu med den frågan måste vi dock först ta hänsyn till de termodynamiska egenskaperna hos de vattenmiljöer som de är hemvist i under större delen av sin livscykel. Vatten har, som du kanske minns från gymnasiets fysik, en högre specifik värme än luft. Med andra ord krävs det mer energi för att värma upp vatten än för att värma upp en lika stor mängd luft. Följaktligen upplever vattnet i bäckar och floder inte de extrema temperatursvängningar som luften ovanför dem gör och förblir i allmänhet varmare än intilliggande livsmiljöer på land under vintern. När is bildas på ytan av en vattenförekomst isolerar den faktiskt vattnet och substratet under den från minusgrader.

Dr. Lee och hans kryobiologigrupp kom modigt upp ur sin vinterdvala för att samla in och jämföra superkylningsförmågan hos vattenlevande och landlevande insekter i den tempererade zonen på vintern. Det visade sig att vattenlevande insekter superkyls mycket mindre än deras landlevande släktingar; vattenlevande insekter superkyls till cirka -7 °C medan landlevande insekter i samma familjer superkyls till temperaturer så låga som -40 °C! De relativt få vattenlevande insekter som är kända för att faktiskt tåla frysning (exemplar har faktiskt samlats in direkt från is!) lever i bäckar och dammar i Arktis som regelbundet fryser klart genom botten. Dr. Lee och hans kollegor antar att övervintrande vattenlevande insekter som lever i den tempererade zonen helt enkelt inte stöter på de extrema minusgrader som landlevande insekter gör, vilket gör att en förmåga till superkyla evolutionärt sett är onödig.

Vinterstekelnymferna växer upp som vuxna i luftfickorna mellan vattnet och ett isolerande skikt av ytinis, en ganska skyddad livsmiljö som inte upplever temperaturer mycket under 0°C. Lee och hans kollegor har dessutom funnit att vuxna vintersteklar som samlades in i februari hade en betydligt större förmåga till superkylning (dvs. de kan svalna till mycket lägre temperaturer utan att frysa) än sina nymfstadier, vilket tyder på att de vuxna kan öka mängden frostskyddsföreningar i sina kroppsvätskor.

När de vuxna vintersteklarna har kommit ut kan de söka skydd i termiska tillflyktsorter under snön eller under stenar som har en varmare temperatur än ytvattnet under nollstrecket. Även om de vuxnas brunsvarta kroppsfärgning kan främja absorptionen av solstrålning, skulle eventuella sådana vinster sannolikt överröstas av en kall bris på grund av deras lilla kroppsmassa. Och genom att gå omkring på fotspetsarna undviker de vuxna stenflugorna riskerna med externa iskristaller som kan invadera deras kroppar och framkalla inokulativ frysning.

När våra vinterdagar blir längre och varmare i väntan på våren, kommer dina möjligheter att fånga vinterstensflugor i aktion den här säsongen snart att försvinna. Här är en sökbild för dig – lägg den på minnet. Väck nu dig själv från vinterdvalan och leta upp dessa supercoola små vattenpåsar!

Referenser och vidare läsning

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) och 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: Att frysa eller inte frysa. 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 strategies of aquatic and terrestrial insects. 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

Fotokrediter: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008; tre Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. Alla foton används med tillstånd och är licensierade under Creative Commons.

Om författaren: Hon hjälper till att skydda naturresurserna i delstaten New York från hoten från invasiva arter, inklusive ett antal riktigt stora, elaka insekter. Med en doktorsexamen i ekologi och en förkärlek för insekter med konstiga och underbara livshistorier är hon fast besluten att dela med sig av sin entusiasm för naturen på alla sätt, inklusive podcasts, tweets (@DrHolly) och att posera för bilder med 17-åriga cikador på näsan.

De åsikter som uttrycks är författarens och inte nödvändigtvis Scientific Americas.