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Comment les grenouilles peuvent-elles tolérer le gel alors que les humains ne le peuvent pas ?


Une grenouille des bois peut tolérer la congélation de son sang et d'autres tissus. (wiki, news2), mais les êtres humains ne peuvent pas.

Certaines personnes prévoient de geler leur corps/cerveau après la mort, et certaines d'entre elles l'ont fait.

Les grenouilles des bois peuvent-elles nous aider à apprendre à congeler notre cerveau en toute sécurité ?


Généralement les grenouilles sont des animaux à sang froid (plus spécifiquement ectothermes ou poïkilothermes). Les grenouilles des bois peuvent maintenir leur température corporelle en produisant des cryoprotecteurs qu'un corps humain ne peut pas produire à partir de processus métaboliques normaux. De telles molécules abaissent le point de congélation des tissus et évitent la formation de glace. Voici un rapport scientifique sur la physiologie des grenouilles des bois et ce qui les aide à survivre à des températures glaciales. Il existe également d'autres mécanismes que les animaux à sang froid utilisent pour survivre à de telles conditions.

Maintenant pour la partie humaine. Les humains ont le sang chaud (plus précisément endothermique). Nous essayons toujours de maintenir leur température corporelle (notre température corporelle normale est de 37$^{o}$). C'est pourquoi nous ne pouvons tolérer des températures glaciales, car notre physiologie n'a pas les moyens d'éviter les dommages cellulaires à cette température. L'entreprise que vous avez citée utilise des méthodes de vitrification qui utilisent divers cryoprotecteurs artificiels (que la grenouille des bois fabrique naturellement).

Des recherches sont déjà en cours dans ce sens. Les chercheurs utilisent des extrêmophiles et leurs produits métaboliques en cosmétique et en médecine (comme ça, ça et ça).


Adaptations au climat froid et tolérance au gel chez les amphibiens et les reptiles

Les amphibiens et les reptiles sont bien connus pour être ectothermes (à sang froid). Cela signifie qu'ils sont incapables de réguler en interne leur température corporelle et qu'ils dépendent plutôt de leur environnement externe pour le faire. Par conséquent, lorsque nous pensons à des espèces comme les serpents et les lézards, nous avons tendance à les associer aux climats chauds, les imaginant souvent se prélasser au soleil. Bien qu'ils habitent les climats chauds, les amphibiens et les reptiles peuvent être trouvés partout dans le monde, à l'exception de l'Antarctique. Le Royaume-Uni compte 14 espèces indigènes d'amphibiens et de reptiles, et quelques espèces rustiques peuvent même être trouvées dans des climats extrêmement froids comme dans l'Arctique où les températures peuvent descendre jusqu'à -45 °C. Alors, comment ces espèces sont-elles adaptées pour survivre dans des conditions aussi extrêmes ?

Une stratégie importante utilisée par les amphibiens et les reptiles est la brumation, où ils entrent dans un état de dormance pendant les mois froids d'hiver. Ils bruissent généralement dans des terriers ou sous des tas de bûches, mais différentes espèces utilisent une variété d'habitats, certaines grenouilles communes brumant même dans la boue au fond des étangs. Bien que similaire à l'hibernation, la principale différence réside dans le fait que les animaux brumateurs émergent pendant de courtes périodes pour se nourrir avant de retourner à leur état de dormance, généralement les jours les plus chauds. Toutes les espèces indigènes du Royaume-Uni brumatent pour éviter les températures les plus froides et économiser l'énergie. Néanmoins, la météo britannique peut toujours être difficile toute l'année. Les grenouilles rousses sont particulièrement robustes et ont été trouvées en train de se reproduire à la plus haute altitude de tous les amphibiens du Royaume-Uni à 1 120 m dans les montagnes écossaises de Cairngorm. Les habitats de haute altitude offrent une fenêtre de reproduction beaucoup plus courte, donc pour faire face à cela, les populations de grenouilles rousses de haute altitude en Écosse ont des taux de croissance plus élevés et des périodes larvaires plus courtes par rapport aux populations de basse altitude (Muir et al. 2014). Cela garantit que la métamorphose est terminée avant que les températures ne chutent à nouveau pour maximiser les chances de survie. D'un autre côté, certains têtards de grenouilles communes retarderont plutôt la métamorphose jusqu'au printemps suivant et hiverneront en tant que têtard plutôt que grenouille. (Walsh et al., 2008).

Une autre espèce britannique particulièrement bien adaptée au froid est la tortue luth. C'est souvent une surprise lorsque les gens découvrent que la tortue luth est originaire du Royaume-Uni, mais qu'elle est active dans nos mers environnantes malgré le faible nombre d'observations (en savoir plus sur ce ici). Les tortues luths ont une plus grande aire de répartition que les autres tortues marines et peuvent survivre dans nos eaux froides en maintenant une température corporelle profonde de 18 °C supérieure à celle de l'eau environnante (Frair et al., 1972). Ils le font par le biais d'un processus d'échange de chaleur à contre-courant dans leurs nageoires (Greer et al., 1973), un processus beaucoup plus communément associé aux mammifères et aux oiseaux qu'aux reptiles. Les vaisseaux sanguins de leurs nageoires sont étroitement serrés les uns contre les autres de sorte que le sang chaud se déplaçant du noyau vers les extrémités passe à proximité immédiate du sang froid revenant des extrémités vers le noyau. Chaleur La chaleur est transférée dans le sang froid et renvoyée au cœur, évitant les extrémités où elle serait perdue dans l'environnement extérieur (Greer et al., 1973). Cette méthode de réduction des pertes de chaleur aux extrémités et de circulation de cette chaleur dans le cœur du corps est essentielle à leur survie dans l'eau froide.

Crédit d'image: Jack Rawlinson

Une adaptation très différente est la stratégie de reproduction d'une espèce, dont il existe deux options clés, l'oviparité (ponte) ou la viviparité (naissance vivante). La plupart des reptiles sont ovipares car cela nécessite moins d'investissement par couvée, ce qui leur permet d'avoir plusieurs couvées par an. Cependant, les reptiles des climats froids sont en fait plus susceptibles d'être vivipares car le développement interne permet à la mère de se thermoréguler plus efficacement, améliorant ainsi la survie de la progéniture dans des conditions environnementales froides ou imprévisibles (Tinkle et Gibbons, 1977). Les températures froides peuvent également réduire la durée de la saison de reproduction, rendant improbable la possibilité de couvées multiples par an et éliminant ainsi les avantages de l'oviparité (Tinkle et Gibbons, 1977). En Écosse, tous les reptiles indigènes sont vivipares, à l'exception de la couleuvre à collier. La couleuvre à collier est répandue en Angleterre et au Pays de Galles, mais ne se trouve que dans l'extrême sud de l'Écosse. Cela pourrait-il suggérer que le fait d'être ovipare les rend moins adaptés au climat écossais plus frais ? Fait intéressant cependant, il existe une population de lézards ovipares, le lézard des sables, vivant sur l'île écossaise de Coll. Ils sont originaires d'Angleterre et non d'Écosse, mais ont été introduits à Coll dans les années 70 et sont toujours là aujourd'hui. Cela peut suggérer que bien que la viviparité puisse être bénéfique dans les climats froids, elle n'est pas essentielle.

Le nombre d'amphibiens et de reptiles qui prospèrent dans le climat britannique est sans aucun doute impressionnant, mais encore plus remarquable est la gamme d'espèces résistantes qui survivent à des climats extrêmement froids tels que l'Arctique. Pour n'importe quelle espèce, ce serait un défi, et pour la plupart des ectothermes, les températures de congélation sont mortelles - les fluides dans leurs cellules gèlent et forment des cristaux de glace qui peuvent ensuite se rompre (Storey et Storey, 1988). Cependant, il existe deux stratégies fondamentales utilisées par les ectothermes des climats froids pour lutter contre cet évitement du gel (surfusion) et cette tolérance au gel. L'évitement du gel est l'endroit où les fluides cellulaires restent liquides malgré l'atteinte des températures de congélation, tandis que la tolérance au gel est l'endroit où un individu est capable de survivre au gel dans une certaine mesure en limitant le gel aux zones extracellulaires (Storey et Storey, 1988). Ces processus reposent généralement sur la production d'un cytoprotecteur, une substance qui réduit le point de congélation de l'eau et peut être utilisée pour empêcher le gel en général (éviter le gel) ou dans les cellules et les organes clés (tolérance au gel). Différentes substances peuvent agir comme cryoprotecteurs chez les amphibiens et les reptiles, certaines étant courantes, notamment le glycérol, le glucose et la taurine. Les cytoprotecteurs sont également utilisés en médecine, par exemple lorsque les organes de donneurs sont conservés par refroidissement, les cytoprotecteurs sont souvent utilisés pour empêcher la congélation et la rupture des cellules.

Une espèce qui utilise ces stratégies est la grenouille des bois, la seule grenouille connue à vivre dans le cercle polaire arctique. Ils peuvent tolérer d'être congelés à -3°C pendant deux semaines, avec jusqu'à 70 % de leur eau corporelle gelée (Costanzo et al., 1993). Ils utilisent le glucose comme cytoprotecteur, qu'ils produisent en grande quantité dans les organes clés pour empêcher la formation de glace (Costanzo et al., 1993). Cela limite le gel aux parties moins importantes du corps où il est moins susceptible de causer des dommages. Les couleuvres rayées à flancs rouges au Canada utilisent une stratégie similaire et peuvent survivre à -2,5 °C avec jusqu'à 40 % de leur eau corporelle gelée, en utilisant la taurine comme cryoprotecteur (Churchill et Storey, 2011). Contrairement aux grenouilles des bois, elles ont une période de tolérance beaucoup plus courte, avec seulement 50 % de chances de survie après 10 heures de congélation (Churchill et Storey, 2011). Cela peut suggérer qu'il ne s'agit pas d'une stratégie utilisée régulièrement, mais plutôt d'une adaptation pour survivre à de courtes périodes de gel en automne ou au printemps peu avant/après la brumation.

Bien que des espèces comme la grenouille des bois et la couleuvre rayée soient incroyablement robustes, il existe une espèce qui peut les surpasser toutes, le triton de Sibérie. Les températures en Sibérie peuvent atteindre -45°C et il semble impossible qu'une grande partie de la vie puisse prospérer ici, pourtant le triton sibérien le fait. Incroyablement, il peut survivre à la congélation à -35 °C pendant 45 jours, ou à -50 °C pendant 3 jours (Berman et al., 2016). Il n'est pas tout à fait clair comment cette espèce remarquable survit à des températures aussi hostiles, mais il semble probable qu'elle produise un cryoprotecteur pour protéger ses cellules et ses organes clés du gel, bien que l'on ne sache pas ce que pourrait être ce cryoprotecteur.

Les amphibiens et les reptiles sont ectothermes et, par conséquent, sont souvent associés aux climats chauds. En réalité, ils peuvent être trouvés dans une grande variété d'habitats et de climats et ont un éventail d'adaptations comportementales et physiologiques qui leur permettent de vivre et de prospérer même dans certaines des régions les plus froides du monde. Les adaptations telles que la brumation, la reproduction vivipare et les systèmes de transfert de chaleur efficaces ne sont que quelques-unes des choses qui peuvent aider les amphibiens et les reptiles à survivre dans des climats froids ou variables. Remarquablement, dans les régions les plus froides, les espèces utilisent des adaptations encore plus extrêmes d'évitement et de tolérance au gel afin de rester en vie. La capacité de certaines espèces à tolérer le gel à des températures extrêmes pendant de longues périodes raconte une histoire incroyable de survie et d'adaptation, et nous rappelle de ne jamais sous-estimer l'éclat des amphibiens et des reptiles.


Comment les grenouilles survivent-elles à l'hiver ? Pourquoi ne meurent-ils pas de froid ?

Les grenouilles sont des animaux incroyables. Malgré leur apparence fragile et leurs manières inoffensives, ils disposent d'innombrables stratégies pour faire face aux climats les plus sévères que cette planète a à offrir. On les trouve au cercle polaire arctique, dans les déserts, dans les forêts tropicales humides et pratiquement partout entre les deux. Certaines de leurs stratégies de survie sont tout simplement ingénieuses. Diverses espèces de grenouilles utilisent deux stratégies pour faire face aux extrêmes environnementaux : l'hibernation et l'estivation.

L'hibernation est une réponse courante à l'hiver froid des climats tempérés. Une fois qu'un animal a trouvé ou créé un espace de vie (hibernaculum) qui le protège des conditions hivernales et des prédateurs, le métabolisme de l'animal ralentit considérablement, de sorte qu'il peut "s'endormir" l'hiver en utilisant les réserves d'énergie de son corps. Lorsque le printemps arrive, l'animal "se réveille" et quitte son hibernacle pour se consacrer à l'alimentation et à la reproduction.

Grenouilles aquatiques comme la grenouille léopard(Rana pipiens) et ouaouaron américain (Rana catesbeiana) hiberne généralement sous l'eau. Une idée fausse commune est qu'elles passent l'hiver comme les tortues aquatiques, creusées dans la boue au fond d'un étang ou d'un ruisseau. En fait, les grenouilles en hibernation s'étoufferaient si elles creusaient dans la boue pendant une période prolongée. Le métabolisme d'une tortue en hibernation ralentit si considérablement qu'elle peut se débrouiller avec le maigre apport d'oxygène de la boue. Cependant, les grenouilles aquatiques en hibernation doivent se trouver près d'une eau riche en oxygène et passer une bonne partie de l'hiver simplement allongées sur la boue ou seulement partiellement enfouies. Ils peuvent même nager lentement de temps en temps.

Les grenouilles terrestres hibernent normalement sur terre. crapauds américains (Bufo américain) et d'autres grenouilles qui sont de bons creuseurs s'enfouissent profondément dans le sol, en toute sécurité sous la ligne de gel. Certaines grenouilles, comme la grenouille des bois (Rana sylvatica) et la crucifère (Hyla crucifère), ne sont pas doués pour creuser et recherchent à la place des fissures et des crevasses profondes dans les bûches ou les rochers, ou simplement creusent aussi loin que possible dans la litière de feuilles. Ces hibernacles ne sont pas aussi bien protégés du froid et peuvent geler, ainsi que leurs habitants.

Et pourtant les grenouilles ne meurent pas. Pourquoi? Antigel! Il est vrai que des cristaux de glace se forment dans des endroits tels que la cavité corporelle et la vessie et sous la peau, mais une concentration élevée de glucose dans les organes vitaux de la grenouille empêche le gel. Une grenouille partiellement congelée cessera de respirer et son cœur cessera de battre. Il paraîtra bien mort. Mais lorsque l'hibernaculum se réchauffe au-dessus du point de congélation, les portions congelées de la grenouille décongèlent et son cœur et ses poumons reprennent leur activité - il existe vraiment une chose telle que les morts-vivants !

L'estivation est similaire à l'hibernation. Il s'agit d'un état de dormance qu'un animal prend en réponse à des conditions environnementales défavorables, dans ce cas, la saison sèche prolongée de certaines régions tropicales. Plusieurs espèces de grenouilles sont connues pour être estivées. Deux des espèces les plus connues sont la grenouille cornue ornée (Ceratophrys ornata) d'Amérique du Sud et la grenouille taureau d'Afrique (Pyxicephalus adspersus).

Lorsque la saison sèche commence, ces grenouilles s'enfouissent dans le sol et entrent en dormance. Pendant la saison sèche prolongée, qui peut durer plusieurs mois, ces grenouilles réalisent une astuce : elles perdent plusieurs couches de peau intactes, formant un cocon pratiquement imperméable qui enveloppe tout le corps, ne laissant que les narines exposées, ce qui leur permet de respirer. Ces momies herpétologiques restent dans leurs cocons pendant toute la saison sèche. Lorsque les pluies reviennent, les grenouilles se libèrent de leurs linceuls et remontent à travers le sol humide jusqu'à la surface.


IRA FLATOW : C'est le vendredi de la science. Je suis Ira Flatow qui vient de l'auditorium Hall de l'Université de Miami à Oxford, Ohio. Oui. On n'a pas l'impression que le printemps va jamais arriver. Est-ce que c'est? Vous savez, les températures nocturnes descendent près de zéro.

Mais pensez aux animaux qui doivent vivre dehors. Comment ils doivent se sentir dans tout ce temps froid. Eh bien, certains d'entre eux ont trouvé des moyens uniques de faire face au froid. Leurs tissus se remplissent de quelque chose comme de l'antigel pour empêcher la formation de glace à l'intérieur de leurs cellules. Certains peuvent super cool ou ils se laissent même délibérément geler comme un roc.

Il y a une sorte de grenouille qui fait ça. Nous allons regarder cela. Tout cela au nom de passer l'hiver. Nous allons examiner longuement quelques-uns de ces animaux ce soir. Dans le but d'apprendre leurs astuces et peut-être de les appliquer pour aider nous, les humains, d'une manière ou d'une autre.

Permettez-moi de vous présenter mes invités. Rick Lee est professeur émérite de biologie, directeur du laboratoire de cryobiologie écophysiologique de l'Université de Miami. Bienvenue au Vendredi des sciences.

RICHARD LEE : Merci beaucoup.

IRA FLATOW : Clara do Amaral est physiologiste comparative et professeure adjointe de biologie à l'Université Mount St. Joseph de Cincinnati et également une ancienne de l'Université de Miami. Bienvenue au Vendredi des sciences.

CLARA DO AMARAL : Merci de m'avoir reçu.

IRA FLATOW : Dr do Amaral, vous nous avez apporté un spécimen de votre travail. Il est assis juste là dans le terrarium.

CLARA DO AMARAL : Oui, donc dans le terrarium, il y a en fait deux grenouilles des bois, qui sont l'une des espèces de grenouilles que j'étudie et qui tolèrent le gel.

IRA FLATOW : Quand vous dites tolérant au gel, est-ce qu'il gèle vraiment ?

CLARA DO AMARAL : Oui. Congeler solide.

IRA FLATOW : Pour que je puisse le frapper sur une table.

CLARA DO AMARAL : Vous ne devriez probablement pas, mais vous pourriez.

IRA FLATOW : Comment fait-il cela ?

CLARA DO AMARAL : Donc, fondamentalement, les grenouilles sont, ce que les gens appellent en général, des organismes à sang froid. Et donc, lorsque l'hiver arrive et que les températures environnementales chutent suffisamment, la température corporelle de la grenouille suit en quelque sorte cette température.

Ils deviennent donc relativement froids. Et donc, si la température corporelle baisse suffisamment, si près de zéro degré Celsius, leurs fluides corporels commencent lentement à geler.

Nous étudions donc comment ils peuvent réellement le faire. Ils ont donc une série de réponses physiologiques qui leur permettent de survivre à la congélation.

IRA FLATOW : Ici, nous avons une photo d'elle congelée qui est dans son état congelé.

CLARA DO AMARAL : Oui. Mm-hmm.

IRA FLATOW : C'est de la glace à l'extérieur ?

CLARA DO AMARAL : Oui. Donc, fondamentalement, il y a un peu de glace à la surface et puis si vous deviez le toucher, vous pouvez réellement sentir ces plaques de glace sur la face ventrale et sur les jambes et les bras.

IRA FLATOW : Alors, pourquoi aurait-il l'avantage de geler plutôt que d'hiberner ou quelque chose comme ça.

CLARA DO AMARAL : Exact. Cela a donc à voir avec l'écologie et le comportement de la grenouille. Donc, ces grenouilles, elles n'hivernent pas vraiment dans un environnement abrité. Ils hibernent essentiellement dans des dépressions peu profondes du sol forestier où ils sont en fait exposés à ces basses températures. Et c'est donc l'une des stratégies qui lui permet d'hiverner essentiellement dans ces endroits particuliers.

IRA FLATOW : Et votre travail, Richard Lee, porte sur le plus grand animal terrestre qui vit en Antarctique.

RICHARD LEE : Exactement. Je veux dire, qui ne voudrait pas travailler sur le plus gros animal terrestre. C'est vrai. Juste là.

IRA FLATOW : Qu'est-ce que c'est ? Qu'est-ce que c'est?

RICHARD LEE : En fait, j'en ai apporté quelques-uns pour vous. Tu as l'air d'un gars assez fort.

IRA FLATOW : Oh, oh, oh, c'est lourd. C'est lourd. Ce sont de minuscules petites mouches ?

RICHARD LEE : Les mouches et les larves.

IRA FLATOW : Mouches et larves ?

RICHARD LEE : Ils ont les deux là-bas. Oui.

IRA FLATOW : C'est le plus grand animal terrestre vivant ?

RICHARD LEE : Écoutez, si vous voulez être le plus gros animal terrestre, vous devez y rester 12 mois par an. Vous ne pouvez pas être les pingouins et les phoques qui viennent se reproduire en été, puis repartent. Vous devez rester là et le prendre. Et donc certains de ces lunkers, je ne plaisante pas, mesurent six millimètres de long.

IRA FLATOW : Eh bien, nous avons quelques photos d'eux sur l'écran là-bas.

RICHARD LEE : Ce sont les larves juste là.

IRA FLATOW : Ils ressemblent à des choses véreuses.

RICHARD LEE : Voilà à quoi ressemble tout bon asticot.

IRA FLATOW : Alors qu'arrive-t-il aux larves ? Ils alors ?

RICHARD LEE : Il y a quatre stades larvaires. Il leur faut deux ans pour franchir ces étapes. Ce même groupe de mouches ici terminerait son cycle de vie en une seule année. Mais à cause de la courte saison de croissance, cela prend deux ans là-bas.

Ils passent donc par leur première, deuxième, troisième et quatrième étoile de fin. Ils hivernent deux fois. Et puis ils émergent comme un adulte qui ne vit que 7 à 10 jours. Ils s'accouplent, ils pondent des œufs, ils ne se nourrissent pas, et c'est leur vie.

IRA FLATOW : Je suis allé en Antarctique. Il fait assez froid en hiver en Antarctique. Comment peuvent-ils survivre en hiver ?

RICHARD LEE : Donc, quand je suis allé pour la première fois en Antarctique pour étudier ces derniers, j'ai fait mon doctorat au Minnesota et j'ai travaillé sur la tolérance au froid là-bas, j'ai dit, wow. Nous allons aller en Antarctique et y voir vraiment des animaux tolérants au froid. Alors nous descendons là-bas et nous faisons le test et ils sont une bande de mauviettes.

Oui, ils peuvent survivre au gel. Mais il s'avère que les conditions environnementales le long de la péninsule sont assez douces car l'océan tamponne la température des îles dans les péninsules où ils vivent. Et donc, ils sont très rarement exposés à des températures inférieures à moins 5 degrés centigrades.

RICHARD LEE : Un peu comme Miami. C'est vrai. C'est donc la ceinture bananière de la péninsule Antarctique.

IRA FLATOW : Eh bien Clara, parlons de ce que le froid endommage exactement notre corps en premier lieu ? Comment le froid endommage-t-il notre corps ? Que se passe-t-il là-bas ?

CLARA DO AMARAL : Eh bien, il y a donc plusieurs choses. Donc, dans un organisme entièrement congelé, il y a quelques choses. Donc tout d'abord la glace, en général. La glace dans les tissus est donc assez dommageable. Si vous pensez pendant l'hiver à la façon dont vous êtes censé laisser votre eau couler pour que vos tuyaux ne gèlent pas.

Pensez maintenant aux vaisseaux sanguins de ces animaux. D'accord, donc si vous avez de la glace qui se forme, vous pouvez endommager les tissus. Vous pouvez avoir des saignements internes et des choses comme ça. L'un des autres problèmes qui se produisent est que lorsque ces animaux sont congelés, ils ne respirent pas vraiment.

Vous savez donc qu'il n'y a pas d'oxygène qui entre et que le dioxyde de carbone est éliminé, il y a donc beaucoup d'accumulation de composés toxiques, pour ainsi dire. Et ce ne sont donc que quelques-uns des exemples de choses qui sont fondamentalement dangereuses et dommageables pour la congélation.

IRA FLATOW : Tu sais, Rick, quand j'étais en Antarctique, je les regardais étudier la morue antarctique, qui a de l'antigel. C'est la même chose qu'ils ont dit d'antigel que vous mettez dans le radiateur de votre voiture, à peu près.

RICHARD LEE : Oui, certains d'entre eux le font.

IRA FLATOW : Et c'est comme ça qu'ils ont de l'antigel, c'est une méthode que les animaux utilisent pour survivre.

RICHARD LEE : Ainsi, les antigels que la plupart des insectes utilisent nos sucres de bas poids moléculaire et nos alcools polyhydriques. Des choses comme le glycérol, le sorbitol. Le sucre dans le sang des insectes est le tréhalose, un disaccharide. Et ils les accumulent donc à des concentrations élevées, tout comme l'éthylène glycol que vous mettez dans votre radiateur.

Et donc l'accumulation est vraiment incroyable. C'est une consistance sirupeuse. Maintenant, cela peut fonctionner de deux manières différentes. La plupart des insectes ne survivent pas au gel.

Mais lorsque vous avez des concentrations élevées de ces composés cryoprotecteurs, cela les aide à super refroidir. Ne pas congeler jusqu'à des températures très basses : moins 40, 50, 60 ou moins. Mais si vous êtes tolérant au gel, ce qui est le cas pour une petite poignée d'insectes, ils protègent également l'insecte lorsque de la glace se forme dans le corps.

IRA FLATOW : Et Clara chez les animaux alors ?

CLARA DO AMARAL : Donc la grenouille des bois fait des choses similaires. Ils accumulent donc essentiellement des cryoprotecteurs. C'est le nom que nous donnons à ces composés de faible masse moléculaire. Et donc c'est la glycémie, donc le glucose. C'est la glycémie des vertébrés que la grenouille des bois accumule.

Une autre chose est l'urée. C'est donc généralement un composé quelque peu toxique chez les mammifères. Mais la grenouille des bois est capable de tolérer de grandes concentrations de ceux-ci et cela aide de multiples façons. Mais l'un d'eux est de réduire la quantité de glace formée lorsque l'animal est congelé. Ce n'est donc pas exactement comme un antigel, mais cela aide à minimiser la glace et les dommages.

IRA FLATOW : Il y a donc un peu de dégâts–

IRA FLATOW : Ça continue. J'imagine que rien n'est à 100%.

IRA FLATOW : Et donc, quand la grenouille dégivre, je veux dire, elle n'est dans l'évier de personne qui goutte n'importe où, à quoi ressemble le processus ? Comment cela se passe-t-il ?

CLARA DO AMARAL : Donc, en gros, c'est vraiment cool parce qu'ils commencent à décongeler

IRA FLATOW : Cool est un bon mot à utiliser.

IRA FLATOW : Je n'ai pas pu m'en empêcher. Je suis désolé. Mon personnel me détestera, mais ce n'est pas grave.

CLARA DO AMARAL : Tout va bien. Tu es bon. Cela commence en fait de l'intérieur. Ainsi, les organes centraux, donc le cœur et le foie, sont les premiers à décongeler. Donc, fondamentalement, le rythme cardiaque est l'une des premières choses qui reviennent. Et quand vous regardez de l'extérieur, vous ne le remarquez pas.

La grenouille est très immobile. Les yeux sont un peu vitreux parce que tout est gelé. Mais ensuite, lentement, la circulation commence à se produire. Finalement, vous avez la respiration qui revient.

Et ils sont très lents au début et c'est super lent. Cela prend environ 12 heures. Et puis finalement, l'animal commence réellement à bouger. Et puis quelques jours plus tard, tout est complètement revenu à la normale.

IRA FLATOW : Est-ce que ça fait un saut ? Une longueur d'avance sur les autres animaux? Je suis désolé. Je dois le faire. Je suis désolé.

CLARA DO AMARAL : En fait, oui. Donc à peu près il y a environ un mois, quand nous avons eu un peu de dégel, c'est à ce moment-là qu'ils sortent et s'accouplent. Ainsi, les grenouilles des bois sont en fait l'une des rares premières grenouilles à sortir tôt au printemps pour s'accoupler. Et ils sont donc les premiers à atteindre les étangs.

Ils hibernent dans ce genre d'étangs temporaires. Et donc, en fait, être tolérant au gel et leur permettre de réagir si tôt au printemps prochain leur permet d'arriver tôt aux étangs, de s'accoupler, puis de poursuivre leurs activités.

IRA FLATOW : Wow, c'est un avantage. Passons à une question du public. Oui?

PUBLIC : J'ai donc été récemment invité à une migration de salamandre à la mi-février. Et mon ami qui m'a invité a dit que ces salamandres sont radicalement affectées par le changement climatique. Et donc je me demandais quels autres animaux pourraient également vivre ces changements climatiques ?

IRA FLATOW : Clara, tu veux commencer ?

CLARA DO AMARAL : Bien sûr. Grande question. Ainsi dans le cas des animaux tolérants au gel. Il y a quelques problèmes avec le fait que les hivers peuvent devenir plus doux. Des températures plus élevées signifient que ces organismes dépensent essentiellement leurs réserves d'énergie plus rapidement.

Leurs cryoprotecteurs qu'ils ont proviennent de réserves d'énergie et d'organes comme le foie principalement. Et donc, si la température ambiante est plus élevée, ils ne gèleront peut-être pas autant, mais cela signifie également qu'ils épuisent leurs réserves d'énergie plus rapidement, ce qui signifie qu'ils ne pourront peut-être pas survivre tout l'hiver.

Et puis une vague de froid arrive et ils doivent fabriquer ces cryoprotecteurs assez rapidement, ils n'en ont peut-être pas assez pour le faire. Et donc ils peuvent en fait ne pas être en mesure de survivre.

RICHARD LEE : De la même manière, nous avons vu des insectes que vous connaissez peut-être la mouche de la verge d'or. La verge d'or, la mauvaise herbe, il y a une boule de galle dessus et il y a une larve dans la galle qui tolère le gel.

Et il s'avère que si vous placez ces galles en hiver dans un microhabitat plus chaud, elles ne survivent pas aussi bien car elles brûlent leurs réserves d'énergie trop rapidement. Cela signifie donc que pour eux, plus froid est meilleur pour leur survie hivernale.

IRA FLATOW : Waouh. Allons par ici. Oui?

PUBLIC Le tardigrade est une autre créature, très microscopique, qui peut survivre dans des environnements vraiment extrêmes. Et je me demandais comment certains de ses mécanismes de survie se comparent aux grenouilles ou aux mouches que vous avez étudiées.

RICHARD LEE : Question très intéressante et juste au bon endroit. Parce que lorsque nous étudions le moucheron de l'Antarctique, nous sommes particulièrement intéressés par la relation entre la tolérance au gel et la tolérance à la déshydratation. Et certains des mêmes composés cryoprotecteurs sont produits par les tardigrades.

Maintenant, les tardigrades peuvent descendre à moins de 1% de leur masse corporelle en ce qui concerne l'eau. Je veux dire très, très bas. Or ces larves de mouches, originaires de l'Antarctique, peuvent tolérer une déshydratation jusqu'à environ 30% de leur poids initial. Alors on les fait sécher. Ils ressemblent à de petits raisins secs.

Ils ont l'air terribles. Et puis nous ajoutons de l'eau et ils gonflent et ils se tortillent et je pense que je peux les entendre se moquer de nous. Parce qu'ils sont habitués à vivre différents types de déshydratation. Les deux à cause de la déshydratation environnementale, de l'exposition à l'eau salée.

Mais il s'avère également que pour survivre à la congélation, il s'agit de survivre à la déshydratation cellulaire. Parce que lorsque la glace se forme à l'extérieur des cellules, seules les molécules d'eau rejoignent le réseau de glace. Cela concentre le soluté restant et donc l'eau est extraite des cellules par osmotique.

Et c'est ce qui régule probablement la température létale inférieure pour ceux-ci. Et donc nous examinons la tolérance croisée entre le gel, la déshydratation, la tolérance à la salinité, ils vont de pair. Et sans surprise, nous voyons certains des mêmes mécanismes physiologiques de protection.

IRA FLATOW : Je suis Ira Flatow. C'est Science Friday de WNYC Studios. Clara, tu hoches beaucoup la tête.

CLARA DO AMARAL : Oui et pour les vertébrés c'est la même chose. Il y a donc ces thèmes communs que vous voyez avec tous ces extrêmophiles. Ils sont donc généralement tolérants aux basses températures, tolérants aux conditions de faible teneur en oxygène, puis tolérants à la déshydratation. C'est comme les trois principes majeurs de tous ces organismes qui peuvent survivre au gel.

IRA FLATOW : Maintenant, je comprends que l'un des aspects intéressants de ce travail est que vous devez collecter vos échantillons en Antarctique année après année. Et il semble que vous rencontriez des animaux sauvages en cours de route. Quelques autres animaux sauvages.

RICHARD LEE: C'est beaucoup d'animaux sauvages. C'est exactement ça.

IRA FLATOW : Parlez-nous de ces photos. Que regardons-nous ?

RICHARD LEE : Alors c'est nous qui allons ramasser des insectes. Il n'y a pas de filets à papillons ici. C'est un processus très technique qui consiste à ramper sur des rochers pointus avec une cuillère que nous avons volée dans la cuisine et à ramasser ces larves. Et puis on les ramène au laboratoire pour les étudier.

IRA FLATOW : Vous avez aussi des résidents qui semblent intéressés ?

RICHARD LEE : Nous avons des amis là-bas. Ce sont des manchots Adélie ici. Et donc c'est tout simplement incroyable. Quand je suis allé là-bas pour la première fois en 1980, je n'arrêtais pas de dire, je ne peux tout simplement pas le croire.

Et je ne pouvais finalement que dire, il me semble que je suis entré dans les pages de National Geographic. C'est la seule façon pour moi de m'identifier à ça.

IRA FLATOW : Et c'est un climat qui change très rapidement maintenant, n'est-ce pas ?

RICHARD LEE : Oui. Et Clara, et ton travail en Alaska ? On dirait qu'il pourrait être mûr avec l'aventure? Droit?

CLARA DO AMARAL : Oui, et c'est assez excitant. Donc, pour l'un des produits que j'ai fait pendant mon doctorat, j'ai dû me rendre en Alaska à trois reprises. Et fondamentalement, nous chassions les grenouilles. Et donc nous n'y étions jamais allés. Nous avons donc dû rechercher plusieurs endroits.

Il y avait beaucoup d'aventures comme le canoë sur ces îles désertes. Se perdre plusieurs fois au milieu des bois. Et oui, nous stockons nos grenouilles dans le frigo donc c'est comme notre frigo d'hôtel. Tu peux voir.

IRA FLATOW : Vous aimez manger du houmous ? Houmous et coca ?

CLARA DO AMARAL : Oui, exactement. Vous pouvez donc voir notre alimentation et évidemment notre précieuse collection. Chaque petite tasse a une grenouille individuelle avec une petite éponge avec de l'eau pour les garder humides. Alors oui, c'était comme un voyage de 10 jours.

Chaque jour, vous travaillez comme 16 heures. Tu es juste un endroit magnifique, mais tu es comme si j'avais besoin de grenouilles. J'ai besoin de grenouilles. C'est la seule chose à laquelle vous pensez. Et puis, bien sûr, éviter d'être mangé par des ours ou de se faire donner des coups de pied par des orignaux et des choses comme ça.

IRA FLATOW : Je déteste quand ça arrive.

CLARA DO AMARAL: I know, right?

IRA FLATOW: What kinds of things can you learn about freezing and not freezing from these animals– Clara, let me ask you first– that might help benefit our health?

CLARA DO AMARAL: Sure, absolutely. So we’re looking at these organisms that basically can survive being completely frozen while we can’t take a human heart and freeze it right now. So most organs have a shelf life of four to 12 hours after they are removed from a body. And if they’re not used then they’re gone. You can’t use them.

So that would be a great application for the type of work we do. So if we can understand how these organisms can tolerate these different compounds, these different stresses. Are there things that we can extract from that to apply to cryopreservation of organs, would be one of the things.

Yeah, one of the issues is many of these protectants for mammalian tissues are toxic. But if you can figure out how these insects, how these frogs, can tolerate such high concentrations maybe you can then translate that to an actual application for organ preservation.

IRA FLATOW: Wow, sounds fascinating. I want to thank you both for taking time to be with us today. Richard Lee, Professor of biology, director of the ecophysiological cryobiology lab. That’s cold stuff.

IRA FLATOW: At Miami University and Clara do Amaral a comparative physiologist, assistant professor of biology at Mount St. Joseph University in Cincinnati. Thank you both for taking the time to be with us today.

After the break we’ll talk about how fossilized pollens and plants can reveal clues about how our ancient ancestors evolved.


How can frogs tolerate freezing while humans cannot? - La biologie

(Click thumbnail images for larger photos.)

Name Derivation

The common name of the Wood Frog is pretty obvious, it's a frog that is found mainly in wooded areas. The scientific name derives as follows:

Lithobates (from Greek) - meaning a stone (Litho) that walks or haunts (bates), sylvaticus (from Latin) - pertaining to woods or forests.

La description

W ood frogs can grow to 50 mm (2 inches) in body length. Stretched out, a frog with a 50 mm long body might reach 140 mm from its snout to the tip of its toes. Females tend to be larger than males. Wood frogs are quite variable in colour, but are usually a mottled brown (the colour of dead leaves on the forest floor), with a black mask-like patch from their eyes to the line of the jaw. Females are usually more rusty red in colour.

Distribution

The wood frog is the most widely distributed amphibian occurring in Manitoba. It is the only frog that can be found throughout the entire province of Manitoba. In North America it occurs throughout Canada, as far north as the tree line (the edge of the Arctic tundra) and through most of the northern United States as far south as Georgia in the east.

Habitat

UNE s its name implies the wood frog is found mainly in wooded areas, but can live in meadows, or even urban areas. Populations of wood frogs can survive just about anywhere there is enough water available in the spring in which to breed. They prefer to breed in "vernal ponds" - small, temporary ponds arising from the spring snow melt. Any pond that holds water until the end of June can be used for rearing their young. Wood frogs will breed in larger bodies of water including lakes and slow flowing streams, but prefer temporary ponds which do not harbour fish and other predators that would eat both eggs and tadpoles.

Adult wood frogs eat insects and other small invertebrates. Like most frogs and toads they will eat just about any animal that will fit into their mouths! The tadpoles are primarily herbivorous, eating algae and decaying plant matter, but they will eat dead animal flesh (even other dead tadpoles) if it is available. They have small beak-like mouths with which they rasp or scrape away at food items. Adults have wide mouths and a sticky tongue they can flick out to capture prey.

Wood frogs can be raised from egg to small froglets in less than 50 days. All that is required is a container with clean, oxygenated water and simple foods, such as boiled lettuce or fish food (commercial flakes). Vérifier: Wood Frogs in the Class Room et Frog Log.

La reproduction

W ood frogs make their way to breeding ponds as soon as the weather allows in the spring, often as early as mid-April in southern Manitoba (though they have recently been recorded laying eggs in late March!). Males call to attract females throughout the day, but evening is usually the time of greatest breeding activity. The call of the wood frog sounds like "quork, quork, quork".

Play the mating call of a Wood Frog

M ales clasp onto the backs of females and deposit sperm into the water as the female lays her eggs. The egg mass, which may contain many hundreds of eggs, is attached to vegetation near the surface of the water. The eggs usually hatch in under 1 week, but cold weather resulting in cooling of the pond can slow development. Growth of the tadpoles depends on water temperature and food availability. In the wild, tadpoles may transform into their adult form by late June or early July. In captivity, with warmer temperatures and assured food supplies they can transform by mid-June. Growth and transformation can be delayed by as much as 2 months if food is limiting in the wild. Newly transformed frogs, called froglets, are quite small, often only 10 mm (snout to vent). They require 2 or more years to reach full adult size.

Watch Wood Frog eggs become froglets in this NatureNorth Critter Video!

Attention all amphibian lovers!

If you want to help conserve amphibians in Manitoba then get involved with the Manitoba Herps Atlas ! When you find a critter enter a record to help build a province-wide database of species' locations and natural history.

Habits

UNE fter the spring breeding period, adult frogs leave the ponds to spend the summer foraging for insects, worms and other invertebrates. In summer they are most active at night. In cooler times of the year (spring and fall) wood frogs are more active during the day. The home range of individual frogs can be as small as 100 square metres (0.01 ha or 0.03 acre), but is quite variable. Wood frogs spend winter on land, under leaf litter, logs or rocks. They are one of several species of frogs that can tolerate freezing of their body tissues.

H ibernating on land and experiencing freezing may seem like a drastic lifestyle, but it has some real rewards. Chief among these are access to habitats far from permanent bodies of water and the ability to start breeding early. Without the need for large bodies of water for hibernation, wood frogs can live in areas far from permanent water bodies. The forest floor where they lie dormant for the winter warms quicker in the spring than do large ponds, marshes or lakes, freeing the wood frog to start its breeding cycle much earlier. The vernal ponds that the wood frog uses for breeding also warm faster and stay warmer than larger water bodies allowing for rapid growth of tadpoles in an environment largely free from aquatic predators. A new crop of froglets is launched by late June or early July before summer's heat dries out the vernal ponds.

(There are real disadvantages to hibernating in ponds, too, see our Winter Kill article.)

How do wood frogs have the energy to mate and produce large masses of eggs first thing in the spring, before most of the insects and invertebrates they eat have emerged form hibernation? They take it into cold storage with them! By late fall the frogs have stored enough fat and glycogen (a storage form of the sugar, glucose) to get them through the breeding season and sustain them until new prey appears in late spring. Also, they will have produced their eggs and sperm before heading into winter those freeze undamaged, too.

Being cold blooded does have its advantages. While mammals and birds must meter out their precious stores of food and fat just to stay warm and endure the winter, wood frogs and other cold-blooded critters emerge from winter fat and fit.

Thanks for learning about Wood Frogs! Bye for now.

Remerciements

T hanks to Bill Preston, Curator (retired) of Reptiles, Amphibians and Fishes at the Manitoba Museum of Man and Nature for information and the frog sounds. Thanks also to Jan and Ken Storey at Carleton University, Ottawa for some information and images.

MORE Frog Stuff

F ollow this link for more Frog and Toad Calls.

For more on "frog-sicles" and other cryogenic creatures check out our Winter Issue article Frozen Alive.


Freeze tolerance evolution among anurans: Frequency and timing of appearance ☆

Despite numerous mechanistic studies on physiological responses supporting freeze tolerance in anurans, few have addressed the evolutionary significance of this trait. We thus investigated the phylogenetic relationships among anuran species whose freeze tolerance has been assessed and in combination with new data on freezing tolerance of two closely related species of the European brown frogs (Rana temporaire et Rana dalmatina). The species we studied exhibited short survival times in frozen state (around 8 h for both species). Phylogenetic analysis suggests that freeze tolerance evolved at least two times among Ranidae and one or two times among Hylidae and never in Bufonidae. Furthermore, in order to assess the timing of divergence of this character we used a relaxed molecular clock created, and found that the most recent separation between a freeze tolerant species and a freeze intolerant species dates from 15.9 ± 7.6 Myr (Rana arvalis et R. temporaria). The comparison between these two species thus represents the best current model to understand freeze tolerance evolution. Addressing the evolution of this trait with such large-scale approaches will not only improve our understanding of cold hardiness strategies, but might also create a framework guiding future comparative studies.


Jon Costanzo, senior research scholar in the Department of Biology, is helping unlock the mystery of how wood frogs (Rana sylvatica) can freeze in winter — with their hearts not beating while frozen — then quickly resume normal life after thawing in the spring.

Findings of Costanzo’s work with University Distinguished Professor of Zoology Richard Lee and graduate students Clara do Amaral and Andrew Rosendale were reported in the August 21 issue of the Journal de biologie expérimentale. The researchers found that the freeze-tolerant frogs can survive at temperatures much lower than previously reported.

The National Science Foundation-supported research also has led to some new discoveries related to underlying physiological mechanisms that allowed frogs from the interior of Alaska to survive freezing at minus 16 degrees Celsius. They required only two days of thawing to resume normal movements.

The research team’s work was featured on the TV science program NOVA’s “Making Things Colder” and in a David Attenborough production, “Natural Curiosities” earlier this year. A third, yet-to-be scheduled, program — the BBC’s “Hidden Kingdoms” — will also discuss the research.

Focusing on the differences between Ohio and Alaskan wood frogs, the researchers collected dozens of frogs on the verge of hibernation near Fairbanks, Alaska, to study how they prepared for winter.

Back at the Miami campus, the researchers placed the frogs in programmable environmental chambers and manipulated temperature and light exposure for six weeks to simulate the frogs’ normal conditions.

“We kind of faked them out as if they were being subjected to decreasing temperature and decreasing daylight like they would experience in the field,” he said.

While studying how they changed physiologically, they discovered something that surprised even Costanzo, who has been studying the creatures for 25 years.
Costanzo said the finding that the frogs broke down muscle protein at this time, was “completely unexpected” because they would have to breed soon after emerging from hibernation.

The frog “needs good muscle tone, good muscle structure, to be able to pull that off,” Costanzo said. “Yet these frogs were using some of their muscle protein before winter.”

Researchers believe that occurs so the frogs can use nitrogen in the protein to produce urea. Although humans and other creatures also produce urea, a waste byproduct, they quickly release it from their bodies. The frogs don’t.

“Rather than urinating to get rid of the urea, they’re hanging onto it and they really stacked it up,” Costanzo said.

While the researchers have known for a while that the frogs produce urea heading into winter, they don’t yet understand how they are able to retain it the way they do.

“The concentration of urea in their blood was just huge and way more than we’d ever seen in the frogs from Ohio,” he said. “We’ve never seen the accumulation like we’ve seen in these Alaskan frogs. It’s really spectacular.”

Urea, a cryoprotectant, can help tissues survive freezing stresses and also stabilize membranes.

“It can help brain tissue tolerate swings in salt concentration, which you might see in freezing and thawing,” he said, “so urea is probably one of their secrets.”

Costanzo said urea also helps depress metabolism while the frogs hibernate for nearly eight months.

“They are not going to be feeding so depressing their metabolism during the winter is really important to survive because it’s going to help them last longer on their stored energy reserves,” he said.

The research also found the frogs produce glucose, which is ordinary blood sugar, as they’re freezing and accumulate that to high levels, too, which appears to help the cells tolerate freezing.

“We don’t know exactly how they are dehydrating their organs during freezing but we know the organs shrink,” Costanzo said. “The idea is that rather than have all that water remain in the organ and freeze and become big chunks of ice, have that water freeze outside where it’s not going to harm the tissue structure.”

The researchers found the Alaskan wood frogs survived to temperatures of minus 16 degrees Celsius, which is 11 degrees colder than Ohio wood frogs survived in testing.

“They also survived a two-month period of freezing” at minus 4 degrees and required only two days to get back “up on their feet and looking great,” Costanzo said.

The response time for the Ohio frogs was a week or longer.

“Given they came back in two days, we think they probably can go much lower than minus 16,” he said.

Rosendale said that they pursue this kind of research because it’s fascinating but realize that their discoveries may eventually lead to medical breakthroughs.

Scientists for years have been able to preserve simple systems such as embryos by freezing them. Regarding organ transplants, medical personnel ship and store organs on ice because they are trying to lower the temperature as much as possible to reduce damage.

“But they can’t freeze organs yet,” Costanzo said.

If there is something that can be applied from the wood frog research, it is the role cryoprotectants play in improving freezing survival.

“That is something the frogs demonstrated very well,” he said.

Additionally, understanding the winter biology of ectotherms such as frogs may help predict consequences of climate change for their survival, according to Lee.

Written by Margo Kissell, University News & Communications, Miami University. This article originally appeared August 21, 2014 on the Miami University News & Events website, and is re-used here with permission.


Cold or freezing as appropriate anesthesia or euthanasia for amphibians and reptiles

Here, we discuss important points related to the issue of whether cold and freezing are, under certain conditions, humane methods for either supplementing recognized methods of anesthesia or as a primary method of euthanasia of small ectothermic tetrapod vertebrates.

Hypothermia and anesthesia

Hypothermia has been used as a primary or supplemental method for anesthesia and analgesia for more than a century, both in ectotherms and endotherms (Blair 1971, Phifer and Terry 1986, Martin 1995, Suckow et al. 1999). In the sciatic nerves of toads, low temperature exerts the same structural and electrophysiological effects on myelinated nerves as various local anesthetics (Luzzati et al. 1999). However, the molecular events associated with anesthesia remain controversial (Mullins 1991, McKemy 2005, Foulkes and Wood 2007), as do opinions about guidelines for whether hypothermia is a clinically efficacious method for anesthesia (Martin 1995). This is because low temperature may lead to apparent paralysis without having fully blocked nociception. Data from studies of fishes suggest that rapid cooling can provide rapid anesthesia, potentially low mortality rates, improved safety, and an effective anesthetic method for scientific research (Matthews and Varga 2012, Chen et al. 2014). Although we do not recommend low temperature as a sole mode of anesthesia, we believe it can be very useful as a supplement to other methods (see below).

An important issue related to transient hypothermia for supplemental anesthesia is the potential for immunosuppression and the subsequent development of infectious disease. The immune responses of amphibians and reptiles are temperature sensitive—often with their strongest responses occurring at “optimal” temperatures specific to a species (Zimmerman et al. 2010)—and can be suppressed by periods of hypothermia or variations of temperature (Cooper EL et al. 1992, Maniero and Carey 1997, Raffel et al. 2006). Temperature can also affect the prevalence and life cycles of pathogens in addition to immune defense. Problems attributed to hypothermia have been discussed in several publications related to commercially farmed fish and stranded, “cold-stunned” sea turtles (e.g., Bly and Clem 1992, Innis et al. 2009). In the case of sea turtles, only a portion of populations succumbs to “cold-stunning” and their preconditions are not known. Conversely, it has been suggested that amphibians can tolerate, or even benefit from, natural patterns of rapid warming and cooling (Terrell et al. 2013). Cooling is not logically implicated to impose long-term health problems for individuals or populations of species that naturally experience seasonal or daily bouts of exposure to low temperature (Storey and Storey 1992). Most importantly, there are no studies that indicate that very short-term hypothermia (e.g., less than 1 hour of supplemental anesthesia) negatively affects the subsequent health of ectothermic tetrapods. Snakes representing several species that were cooled to low temperature as supplemental anesthesia during cardiovascular surgeries recovered normal behaviors rapidly and survived well for periods of months until they were released or transferred to other projects (personal observations by HBL and RSS). We suggest the possible effects of very short-term hypothermia (less than 2 hours of supplemental anesthesia) would be an interesting and profitable area of further research.

Temperature and conduction of nerve signals

The conduction velocities for neuronal action potentials decrease with decreasing temperature and may cease at temperatures close to 0°C. There is a clear linear relationship between temperature and the velocity of nerve conduction in tortoises, and nerve blockage occurs at temperatures of 1°C–3.5°C (Rosenberg 1978). Similarly, conduction by peripheral nerves is blocked at about 0°C–2°C in bullfrogs (Roberts and Blackburn 1975). Therefore, the excitable membranes of some ectothermic vertebrates experience cold block of action potentials at low temperatures near freezing. In addition, blockage of nociceptive C fibers occurs at higher temperatures than does blockage of neuromuscular A fibers in bullfrogs (Roberts and Blackburn 1975). In general, the blockage of nerve conduction in mammals occurs at higher temperatures compared with that in ectothermic vertebrates (e.g., Rossi and Britt 1984). For example, anesthetized goats do not respond to peripheral painful stimuli when they are cooled to about 20°C and the anesthetic is removed (Antognini 1993).

Still, cold-resistant and freeze-tolerant species retain functionality at very low temperatures, with the variability of response depending on the thermal adaptations of species (Daló et al. 1995, Costanzo et al. 1999, Madsen et al. 2013). Cold-resistant amphibians and reptiles are capable of coordinated movements down to freezing temperatures and can readily respond to stimuli such as a leg pinch. However, their response to continued lowering of temperature alone does not appear to be one of stress or panic (personal observations by KBS and HBL). Notably, there are no indications of pain withdrawal or distress in the response to simple chilling or freezing when amphibians or reptiles are not touched, which implies that cooling or freezing en soi is not a painful or distressful stimulus.

Therefore, we believe that a sensation of pain attributable strictly to hypothermia is not present during cooling of whole ectothermic animals before ice crystals begin to form, and this reflects their natural history and assures that these animals retain mobility and other functions at low temperatures. Some will correctly suggest, therefore, that cold temperatures do not readily induce unconsciousness in these animals (Martin 1995, Madsen et al. 2013). The point here, however, is that a trajectory of lowering whole-body temperature to freezing eliminates the possibility of pain that might be associated with freezing of the entire animal. Again, the possibility of pain in freezing tissues is physically impossible.

Temperature and brain function

Normal brain function depends on temperature and ceases at low temperatures approaching 0°C in cold-sensitive ectothermic vertebrates. There is a close relationship between brain temperatures and cerebral metabolism, which is reduced dramatically at low temperature (LaManna et al. 1980, Mrozek et al. 2012). The restoration of neuronal membrane potential following depolarization requires energy and suggests a direct link between temperature and neuronal activity (Sokoloff 1999). Moreover, temperature also influences the passive properties of neuronal membranes, synaptic transmission (including release, reuptake, and diffusion of neurotransmitter) and cerebral blood flow (Mrozek et al. 2012). Electro-encephalographic studies demonstrate near-zero activity in recordings from the brains of amphibians or reptiles having body temperatures close to 0°C (Hunsaker and Lansing 1962, Shine et al. 2015). Although only a small number of cold-tolerant species have been studied (Daló et al. 1995, Madsen et al. 2013), one might expect near-zero brain activity to be characteristic of numerous taxa.

Bispectral analysis is a statistic applied to EEG waveforms to monitor the depth of anesthesia. Research in humans indicates that the bispectral index (BIS) decreases by 1.12 units for every °C decrease in body temperature (Mathew et al. 2001). It would be useful to develop a bispectral index for use in monitoring the effects of hypothermia in amphibians and reptiles.

Formation of ice crystals

Physical laws contradict the assumption that ice crystals cause pain. The formation of ice crystals will block the movement of all charged particles (freezing them in place) and thereby disrupt any activity of excitable membranes and thus inhibit neural transmission as well as any central integration of “pain.” Therefore, any pain experienced concurrent with the initiation of ice formation could be near instantaneous and quickly blocked as ice penetrates through the body and impairs nerve function. In anurans, ice crystals form at –1°C to –4.3°C (Storey and Storey 1986, Hillman et al. 2009). As we have discussed above, peripheral nerves are unlikely to transmit signals when tissues of cold-sensitive species are below 0°C, and the brain is likely to be inactive as well. Thus, nociception or perception of pain is not possible at temperatures that induce formation of ice crystals in tissues, and the creation of a crystal lattice involving neural tissue would further prevent any neural activity. Therefore, we conclude that the transmission of pain associated with freezing is not possible. Note also that cryoprotectants identified in some cold-resistant and freeze-tolerant amphibians would delay but not stop the disruption of excitable membrane function associated with the formation of ice crystals. Moreover, cooling and freezing for euthanasia would not engage time courses sufficiently long to produce effective amounts of cryoprotectants in those freeze-avoiding species that are capable of such protection.

When freezing at any particular location seeds growth of ice crystals, the subsequent change of water to ice can be very rapid at the freezing point (Packard et al. 1993, Cziko et al. 2006, Cheng and Detrich 2007), although the freezing kinetics of organisms can vary considerably depending on the mass of the organism, its water content, and the cooling capacity of the microenvironment (Claussen and Costanzo 1990). Moreover, the rate of nucleation (crystal growth) is faster in tissues than in water, depending on colloidal or macromolecular inclusions (Stephenson 1956). Therefore, when smaller amphibians or reptiles are cooled and the entire body approaches freezing, the end result is likely to be a very rapid formation of ice. When larval polar fish having low concentrations of antifreeze proteins are cooled to an organismal freezing point causing ice crystals to form (–0.99°C to –2.63°C), complete freezing occurs within 1–2 seconds of the onset of the growth of crystal (Cziko et al. 2006).

Freezing might occur much more slowly in freeze-tolerant species or in animals that cool very gradually or intermittently under natural conditions in the field (Storey and Storey 1992). Again, however, it seems contrary to natural processes that such “slow freezing” would render animals to be in pain for prolonged periods while subject to normal conditions in natural environments. Alaskan wood frogs sometimes undergo multiple, repetitive cycles of freezing and thawing in their natural environment (Costanzo et al. 2013, Larson et al. 2014).

Cooling of tropical species

Cooling of low-elevation tropical species to temperatures approaching 0°C can kill tropical species without formation of ice crystals in body fluids or tissues (Wilson et al. 2009). Therefore, we consider either rapid cooling in an ice bath or slower cooling in a refrigerator and/or freezer (Shine et al. 2015) to be a humane method of euthanasia for small tropical amphibians and reptiles because low temperatures will suppress nerve and brain function as discussed above. Moreover, the use of chemical agents for euthanasia might induce equal or greater levels of distress (see below). Generally, freezing of zebrafish is allowed by current guidelines, and we suggest this practice also should be extended to small species of tropical amphibians and reptiles.

Pain and distress associated with chemical agents

The injection of euthanizing chemicals can be painful and induce neural and behavioral effects that are highly variable in different species (e.g., Wilson et al. 2009). Arguably, the humane use of chemical agents to induce anesthesia or death in animals depends on appropriate parameters of delivery such as volume, concentration, site and rate of injection, and appropriate buffering. Whereas zebrafish display signs of distress both to buffered and to unbuffered tricaine methanesulfonate (MS222 Wilson et al. 2009, Mathews and Varga 2012), Conroy and colleagues (2009) outlined a two-stage protocol for euthanasia of small reptiles with MS222 suitable for use in both the laboratory and the field. Because of the interspecific variation of responses to chemical agents, the judicious and humane use of chemical anesthetics potentially requires clinical trials and training that is appropriate for any species of wildlife in question. One of us (ERJ) has continued to modify euthanasia methods over 46 years of research and clinical experience with amphibians and reptiles.

Recherche sur le terrain

We propose that freezing can provide a humane and practical means of euthanasia for amphibians and reptiles that might be investigated in remote or particular field situations in which the appropriate chemical agents required for euthanasia by current guidelines are not available. Moreover, there are many locales where the transport of controlled substances places the investigator in legal or physical jeopardy, thereby also threatening the viability of the project and the humane treatment of animals that are involved.


No falling iguanas here, but maybe tegus

Some North Floridians surely feel they are missing out on something really neat by not having torporous iguanas falling out of trees.

Or pythons as long as a minivan slithering around, for that matter.

Iguanas in particular get a lot of attention when the weather turns cold because they get so lethargic and stiff that they can become falling hazards from above.

But one exotic reptile can tolerate colder weather. It is in Alachua County and it is one scary-looking lizard.

&ldquoWe have some records of the Argentine black and white tegu and they certainly have the ability over time to become established around here if the population got going and something wasn&rsquot done about it,&rdquo University of Florida associate professor Steve Johnson said. &ldquoThere&rsquos been at least half a dozen or so in Alachua County. They can tolerate cold weather. They go underground to avoid the cold.&rdquo

Johnson is in the Department of Wildlife Ecology and Conservation, specializing in reptiles and amphibians.

South Florida&rsquos warm, moist climate is ideal for many invasive reptiles, most of which started as pets that escaped or were released into nature by their owners.

Pythons are eating or displacing native wildlife, particularly in the Everglades. Iguanas, now commonly seen in yards, are pests that eat vegetables in gardens and leave behind a lot of waste.

Cane toads &mdash bufo toads to old-timers &mdash have a toxic poison that can kill pets.

And now, tegus. They are on the increase, can grow to 5 feet long and, while they do not attack humans, they are eating native animals that are beloved in Florida.

The Florida Fish and Wildlife Conservation Commission did an analysis of a tegu&rsquos gut and found remains of juvenile gopher tortoise, a protected species in Florida.

Tegus raid nests of other wildlife, including alligators, to eat the eggs. They will also munch on agricultural crops.

&ldquoThough current population estimates are not available for this species, evidence suggests possible expansion of their populations in Florida,&rdquo FWC reports. &ldquoAdults have few predators and can give birth to large numbers of offspring per year, increasing the risk of populations spreading beyond their established ranges and impacting surrounding areas.&rdquo

As with iguanas and pythons, tegus can be killed on private property &mdash but it must be done humanely. They can be shot or stabbed through the head and brain, for instance, but they cannot be drowned or poisoned.

Reptiles find mates through scent. Once enough exotics are released for them to find another and breed, the boom starts.

North Central Florida is home to a number of invasive small reptiles and amphibians &mdash Cuban brown anoles, Cuban tree frogs and various geckos among them.

Some gecko species are strictly female and lay fertile eggs without having to mate, Johnson said.

Brown anoles can displace the native green anoles and Cuban tree frogs eat native frogs.

Johnson added that a study of garter snakes fed a diet of Cuban tree frogs showed they did not grow as well compared to a diet of native fish and frogs.

The exotic anoles, geckos and frogs likely came to Florida and the U.S. as stowaways in cargo.

&ldquoThey inadvertently move with people,&rdquo Johnson said. &ldquoThese have not come through the pet trade because they are not a flashy species.&rdquo


Guest Blog: Freezing Wood Frogs

Dr. Jon Costanzo, Senior Research Scholar and Adjunct Professor in the Department of Zoology at Miami University in Oxford, OH was invited to tell us about his amazing research on wood frogs animals that can actually survive freezing! Here is his post:

In a recent post, Dr. Dolittle commented on our poster.pdf presented at the Ohio Physiological Society's meeting in Cincinnati, Ohio. We reported on seasonal variation in the abundance of proteins within the liver of the wood frog (Rana sylvatica), the most cold adapted of all North American amphibians. The wood frog is one of about a dozen known species of amphibians and reptiles that are naturally "freeze tolerant," meaning that they tolerate the freezing of their tissues under naturalistic thermal and temporal conditions.

Wood frogs inhabit forests from the southern Appalachian Mountains north to Labrador
and west to Alaska, where they occur within the Arctic Circle (Figure 1). Throughout their range they hibernate beneath the forest duff, enduring dehydration and hypothermia, and passing many months without feeding.


Figure 1: Geographic range of the wood frog, Rana sylvatica. http://en.wikipedia.org/wiki/Wood_Frog

Depending on the weather and other factors, frogs may become frozen for periods lasting from hours to several weeks, and at high latitudes, perhaps months. While frozen they appear inanimate and have no heartbeat or pulmonary breathing, yet they completely recover upon thawing.

Figure 2: Fully-frozen adult wood frog. Photo credit: Evelyn Dietz.

The wood frog can survive the freezing of up to 65-70% of its body water so long as it cools slowly (and ice accumulates gradually) and body temperature remains above some critical temperature. This temperature is -5 to -6°C for frogs indigenous to the Midwestern United States and southern Canada, but apparently is much lower for frogs of northern populations. With support from the National Science Foundation, our current research project aims to elucidate the molecular and physiological basis for extreme freeze tolerance in Alaskan wood frogs.

Figure 3:Biophysical and physiological responses to freezing and thawing of the wood frog. A: exothermic rise in body temperature after freezing begins (at time zero), followed by gradual cooling B: initial increase in heart rate followed by cardiac arrest C: accumulation of ice in tissues to a survivable equilibrium level D: rapid accrual of the cryoprotectant, glucose, in tissues E: protective dehydration of tissues during freezing and rapid rehydration following thawing. Adapted from our review article.

Natural freeze tolerance, which was first reported for amphibians by William D. Schmid some 30 years ago, is a remarkably complex adaptation. During freezing, ice forms only in the blood and spaces outside cells intracellular freezing is lethal to nearly all organisms. Freezing/thawing stress is ameliorated by "cryoprotectants," certain organic solutes that limit cellular shrinkage and protect membranes and macromolecules. Cryoprotectants used by the wood frog include glucose, which is quickly synthesized in the liver after freezing begins, and urea, which gradually accumulates in tissues during autumn and early winter. As a bonus, high levels of urea also contribute to a metabolic depression that reduces energy use during dormancy. Tissue damage is further minimized because much of the water within the organs is translocated to the coelom before it freezes. Post-thaw resumption of normal behavioral and physiological functions can occur within 12-24 hours, but may be delayed several days if the freezing exposure was severe. A time-lapse video of the usual thawing/recovery process can be viewed here . In the video, time is compressed 120:1.

Research in our Laboratory for Ecophysiological Cryobiology addresses the mechanisms permitting various species of insects, amphibians, and reptiles to thrive in cold environments. Some of these animals spend over half of their lives in hibernation, yet relatively little is known of their winter biology. Understanding this facet of their life history may help predict consequences of climate change for their survival, as cold tolerance governs the distributional patterns of many ectotherms. Furthermore, investigation of natural cold-hardiness mechanisms may contribute to knowledge in various applied disciplines, such as integrated pest management, tissue cryopreservation, and organ banking.


Voir la vidéo: Les effets du climat sur les amphibiens - La Maison Léon-Provancher (Janvier 2022).