Численні спостереження і досліди, проведені з метою виявлення дії субнулевих температур на пойкілотермних тварин, спростували деякі раніше розроблені загальноприйняті теорії, і в останні роки вся проблема в цілому була переглянута.
Багато дослідників отримали дані, що комахи різних сильно відрізняються один від одного видів переживають заморожування при низьких температурах. Наприклад, Сколендер і співробітники показали, що личинки комара-звонца (Chironomus), яких виявляли на Алясці замерзлими в льоду або в мулі на дні арктичних водойм при температурі -20 °, завжди оживали після відтавання, навіть після заморожування при -40 °. Вони переживали також неодноразове охолодження до -16 °. Визначали кількість льоду і води в цих заморожених, але живих личинках при різних температурах. Ставлення змісту води до сухої ваги різко зменшувалася у міру падіння температури. При -15 ° вимерзало до 90% води. При -35 °, т. Е. Найбільш низькій температурі, яку застосовували в даних дослідженнях, в личинці залишалося ще якесь невеличке кількість вільної води. Іноді личинку переохолоджуватися, але це не впливало на переживання нею низьких температур. За допомогою микрометода визначали споживання кисню частково замороженої личинки при різних температурах. В інтервалі температур від 0 до -15 ° у окремих личинок спостерігалося різке зменшення споживання О2. Вражаючі зміни коефіцієнта Q10 для споживання О2 виявлені в личинках, охолоджених до температур, що лежать вище точки замерзання, а також між точкою замерзання і -5 °. Деяка кількість кисню вони споживали і при -15 °, але коли температура падала до -40 °, потреба в кисні зводилася до нуля. У дослідах визначали інтенсивність дифузії кисню і СО2 через лід, і вона виявлялася достатньою для підтримки дихання личинок, які перебували в дрібних замерзлих водоймах при температурі, що переважає в природних умовах.
Дуже цікаве вивчення виживаності заморожених комах провів японський вчений Асехіна з співробітниками. Вони повідомили, що предкуколки метелики Монета flavescens (більш відомої як Cnidocampa flavescens Walk.) Переживали заморожування при -30 °, будучи переохолодженими приблизно до -20 °. Типова крива показує поступове зниження температури комахи під час охолодження до -20 °.
Потім слід різке і швидке підвищення температури, що збігається з настанням процесу заморожування і обумовлене виділенням прихованої теплоти кристалізації. Після цього температура поступово знижується і досягає рівня температури навколишнього повітря, тоді як рідини організму поступово вимерзають. Коли зимуючих предкуколок звільняли від коконів, вони переживали заморожування при таких низьких температурах, як -30 °, що підтвердилося відновленням у них скорочень серця після відтавання. Вони переживали також неодноразове заморожування і відтавання з інтервалами в 1 день. Будучи на тій же стадії розвитку, але в інтактних коконах, предкуколки переживали і нормально розвивалися після заморожування і перебування протягом 100 днів при температурі -15 °. На противагу цьому гусениці, що вилупилися в літні місяці, не переймалися навіть короткочасного заморожування при -10 °.
Процес заморожування зимуючих предкуколок Cnidocampa flavescens вивчали під мікроскопом. Лялечкам розкривали черевну порожнину і охолоджували їх на столику мікроскопа до -10 або -20 °. Вимерзання починалося в декількох місцях з поверхні крові. Поступово кристали розросталися в радіальному напрямку, поки не заповнювали весь простір, зайняте кров'ю. Коли серця зимуючих предкуколок ізолювали і охолоджували в крові безпосередньо під мікроскопом, кристали льоду утворювалися поза клітинами серцевого м'яза. Окремі клітини і цілі органи зморщувалися, але після відтавання вони знову набували нормальний вигляд, а серцева діяльність відновлювалася. При такому ж заморожуванні сердець літніх гусениць в крові, а також при заморожуванні сердець зимуючих гусениць в 0,15 М розчині хлористого натрію окремі клітини заморожувалися зсередини при температурі близько -15 °. Усередині клітин були помітні кристали льоду, а все серце в цілому темніло. Серця, в яких відбувалася внутрішньоклітинна кристалізація льоду, після відтавання не відновлювали ритмічних скорочень. Цілком можливо, що у комах, замерзлих в природних зимових умовах, кристали льоду утворилися поза клітинами, які зневоднюють і зморщувалися.
У наступних дослідах Асахіна і Аокі охолоджували зимуючих предкуколок Cnidocctmpa flavescens до -90 ° в спеціальній холодильній камері, де температура за 1,5 год знижувалася від -5 до -90 ° Через 45 хв предкуколок зігрівали при кімнатній температурі, причому з 60 ожило 20. предкуколок, витягнутих з коконів, занурювали в рідкий кисень з температурою -180 °. Попередньо їх заморожували при -30 ° і витримували при цій температурі протягом одного дня. Після відтавання при кімнатній температурі у них відновлювалися скорочення серця і деякі предкуколки продовжували розвиватися, але не завершували повністю метаморфоза до стадії імаго. Предкуколки, яких до занурення в рідкий кисень витримували протягом 1 дня при температурі -10 або -20 °, що не вживали після відтавання. Зимуючі гусениці метелика бояришници A porta crataegi adherbal Fruhstorfer також переживали занурення в рідкий кисень за умови попереднього заморожування при -30 °. Після відтавання у них відновлювалася нормальна рухливість і вони продовжували рости. Можна вважати, що виживання при температурі -180 ° залежало в кожному окремому випадку від позаклітинного вимерзання води при -30 °.
Ще не з'ясовані основні фактори, що сприяють виживанню цих та інших видів комах при низьких температурах на певній стадії циклу розвитку, а також відмінність їх від комах, які неминуче гинуть при дії заморожування. Новий струмінь внесли дослідження Уайетта і співробітників, які встановили, що гліцерин є основним розчинним компонентом в плазмі лялечки метелика Hyalophora cecropia і родинного їй вигляду сатурнії Telea polyohemus; гліцерин виявлений також в яйцях тутового шовкопряда (Bombyx mori) і в личинках лучного метелика (Loxostege stictlcalts) і золотарніковой мухи-пестрокрилкі (Eurosta solidaglnis). У кожному разі стадія розвитку комахи, під час якої в організмі знаходили гліцерин, представляла собою зимову стадію. Звідси можна було зробити висновок, що своєю стійкістю до холоду деякі комахи зобов'язані саме накопичення гліцерину. Більш ранні дослідження показували, що присутність гліцерину в гемолімфі і тканинних рідинах не завжди пов'язано зі стійкістю до холоду. Солт, наприклад, виявив, що личинки лучного метелика (Loxostege stictlcalts), що не переживають заморожування, мають майже таку ж концентрацію гліцерину (2-4%), як і личинки золотарніковой мухи-пестрокрилкі (Eurosta solidagints), які переживають хропіння протягом 18 днів при температурі -55 °.
Пізніше в 1958 р Солт повідомив, що він знайшов до 25% гліцерину в зимуючих личинках паразитичної оси Bracon cephi (Gahan). Деякі з цих комах, що паразитують на хлібному американському пильщик (Cephus cinctus), переохолоджуватися при -47 °. Зв'язок між концентрацією гліцерину і досягнутої температурою переохолодження у окремих личинок відображено. Точка замерзання гемолімфи у цих комах лежить в інтервалі від -7 до-17 °. Для більшої точності результатів були визначені також і точки танення.
Цікаво відзначити, що концентрація гліцерину в личинках Bracon cephi збільшувалася восени при зберіганні їх як в природних умовах, так і при температурі -5 °. Одночасно з цим знижувалася температура переохолодження і танення. В, цей же період у комах спостерігалася здатність переживати вплив температур від -40 до -47 ° в переохолодженому стані, а також переживати заморожування. Навесні і раннім літом відбувався зворотний процес - концентрація гліцерину в крові знижувалася і зникала стійкість до холоду. У гемолимфе і інших тканинних рідинах зимуючих личинок В. cephi, крім гліцерину, були присутні також якісь інші, ще не ідентифіковані розчинені речовини. Коли концентрація гліцерину досягала 5 М, вона не відповідала наблюдавшемуся в цей час зниження температури танення приблизно на одну моляльну одиницю. Не може бути ніяких сумнівів у тому, що виняткова стійкість личинок В. cephi до холоду восени пов'язана головним чином з їх здатністю забезпечувати високу концентрацію гліцерину. Концентрація гліцерину в личинках в середині зими досягала 20-27%, і цього було досить для забезпечення переохолодження до такої низької температури, що комахи не замерзали в своїх природних житлах. Концентрація гліцерину була також достатньою для захисту окремих клітин і тканин від пошкодження, якщо личинки В. cephi все-таки замерзали. У чутливих ж до холоду личинках Loxostege sticticalis його концентрація була, мабуть, недостатньо високою для надання захисної дії. Як би там не було, дослідження на Bracon cephi показали, що завдяки зміні метаболічних процесів з настанням холодів у ряду комах розвивалася підвищена стійкість до холоду. Примітно, що раніше сам Солт сумнівався в існуванні такого основного чинника, що підвищує стійкість до холоду.
Згодом гліцерин виявили в зимуючих личинках жуків-древоточцев Melandra striata і кукурудзяного метелика (Pyrausta nubilalis). Впадають у сплячку Пенсільванського мурахи-червиці (Camponotus pennsilvanicus) і їх яйця містили взимку 10% гліцерину. Коли мурах, поступово зігріваючи до кімнатної температури, виводили зі стану сплячки, вони знову ставали рухомими і приблизно через 3 дня в їх організмі вже не можна було виявити гліцерину. Як тільки у комах за допомогою охолодження викликали стан сплячки, гліцерин знову з'являвся і знову кожен раз зникав, коли мурах виводили з цього стану. Таким чином, немає ніяких сумнівів в тому, що гліцерин відіграє головну роль в стійкості цих видів комах до зимових холодів.
Однак залишалося ще багато незрозумілих моментів. Так, наприклад, не відомо, звідки беруть гліцерин личинки Bracon cephi і Camponotus pennsilvanicus восени. Чіно встановив, що гліцерин і сорбіт в знаходяться в діапаузі яйцях тутового шовкопряда (Botbyx mori) утворюються з глікогену. Уайетт і Мейер вважають, що гліцерин є продуктом гідролізу гліцерофосфатів під час діапаузи у лялечок Hyalophora cecropia. Інший нез'ясованих питання стосується причини пошкоджень чутливих до холоду видів комах під час заморожування і відтавання. Підвищення концентрації електролітів, що настає в процесі вимерзання води, являє собою основну причину пошкодження еритроцитів і сперматозоїдів деяких видів ссавців і, ймовірно, різних інших клітин в організмі ссавців. Гліцерин у відповідній концентрації захищає їх, принаймні частково, діючи як сольовий буфер. Однак багато комахи не так вже багаті електролітами. Гліцерин в маленьких кількостях може надавати захисну дію на деякі ліпопротеїдні компоненти оболонок, що знаходяться як всередині, так і поза клітинами. Необхідно провести ще багато досліджень, щоб виявити роль гліцерину в гемолімфі комахи, зокрема щодо підвищення стійкості до холоду.
Було зроблено ще одне важливе спостереження. Великі клітини жирового тіла стійкою до холоду золотарніковой мухи-пестрокрилкі (Eurosta solidaginis) переживають внутрішньоклітинну кристалізацію льоду. Солт вивчав процеси заморожування і відтавання цих клітин безпосередньо під мікроскопом. Замерзаючи, вони зберігали свою сферичну форму і початковий розмір, що не стискаючись, як це зазвичай буває з клітинами при настанні позаклітинної кристалізації. При неодноразовому заморожуванні і відтаванні окремі крапельки жиру всередині клітин зливалися один з одним. У природних умовах взимку клітини жирового тіла личинки Е. solidaginis округлювалися, а після настання теплої погоди процес розвитку тривав. Отже, можна припустити, що внутрішньоклітинний заморожування і відтавання є нормальне явище у цієї комахи на стадії личинки. Так це чи ні, але Солт перший спостерігав (причому абсолютно чітко) виживання живих клітин після внутрішнього заморожування. Можливо, різні клітини інших холодостійких пойкілотермних тварин також переживали внутрішньоклітинну кристалізацію льоду в природних умовах. Знову виникає питання: чи завжди внутрішньоклітинний заморожування тягне за собою летальний результат?
Вивчаючи вплив низьких температур на комах та інші живі організми, важливо пам'ятати про основні екологічних принципах. Мелланбі підкреслює, що при охолодженні комах їх можливе переживання і смерть не є ні єдиним, ні навіть найважливішим фактором, які слід мати на увазі. Виживання виду залежить від багатьох сторін активності, пов'язаних з життєвим циклом, в тому числі від харчування і здатності розмножуватися. Виживання ж окремої особини пов'язана з її здатністю уникати безпосередньо загрожує їй небезпеки. Так, наприклад, личинки жовто-гарячкового комара (Aedes aegypti) зазвичай знаходяться у поверхні води, але негайно йдуть на дно, як тільки їх стривожить поява будь-якої тіні або струс води. Реакція тривоги зникає при охолодженні води до 9-14 ° (в залежності від того, до якої температури звикли личинки). Подальше охолодження призводить до того, що личинки стають нерухомими, хоча вони ще в змозі реагувати на механічне подразнення. Потім досягається температура Холодовий коми, а при подальшому зниженні температури комахи вже знаходяться в стані холодового наркозу. Показано дію акліматизації при різних температурах на личинки A. aegypti у зігрітих після Холодовий коми і ожилих личинок відновлюється реакція тривоги.
Багато комахи гинуть при температурах вище нуля. Личинки комара А. aegypti, наприклад, гинуть при + 05 ° через різні терміни залежно від температури, при якій вони раніше жили. Всі личинки, культивовані при + 30 °, гинули менш ніж через 17 год при температурі + 0,5 °. Якщо ж їх попередньо витримували при температурі 17 °, вони переживали такий термін зберігання при + 05 °. Через 18 год наступала повна акліматизація до навколишнього холодному середовищі за умови, що температура була все-таки вище, ніж та, при якій настає холодова кома.
Відносно деяких комах можна домогтися того, що вони звикнуть до дії низьких температур, які раніше були летальними. Так, перебування при відносно високій температурі + 15 ° допомагає чорним тарганам (Blatta orientalis) переживати короткочасне перебування при такій низькій температурі, як -6,8 °, яка детальна для комах цього виду, попередньо інкубованих при + 30 °. Механізм такої швидкої акліматизації ще не відомий, але навряд чи можна сумніватися в наявності пристосувальних змін у всіх тканинах активного комахи у відповідь на коливання температури. Комахи, що впадають під впливом холоду в стан наркозу, що не акліматизуються. Більш того, вони наражаються на небезпеку бути знищеними іншими тваринами або різними механічними і фізичними силами, крім самого замерзання. Замерзання не завжди є головною причиною загибелі охолоджених комах. Для виживання багатьох видів істотне значення має тривале перебування їх щорічно при температурі значно вище нуля.
Поділіться посиланням з друзями