- ウッドフロッグはアラスカとカナダ北部の森林の過酷な冬を、体が凍りついた状態で過ごし、春になると再び動き始める
- 他の北方のカエルが水中で体温を氷点以上に保っているあいだ、ウッドフロッグは森の地表の落ち葉層に隠れ、氷点下の空気にさらされる
- 冬が始まると臓器の周囲や皮膚と筋肉のあいだに氷ができるが、肝臓が作る大量のブドウ糖が細胞内部の凍結と脱水を防ぐ
- 冬眠中は筋肉の動き、心拍、呼吸がすべて止まり、春には体の内側から溶けて、心臓・脳・脚の順に機能が戻る
- 高血糖耐性、凍結・解凍、血液循環停止後の回復能力は、糖尿病、移植用臓器の保存、心筋梗塞・脳卒中の治療研究につながる可能性がある
北極圏の冬に適応した冬眠戦略
- ウッドフロッグの最も驚くべき特徴は、オタマジャクシからカエルへ変わる夏ではなく、冬眠で明らかになる
- アラスカとカナダ北部の森林は気温変化が極端である
- 夏には日中が24時間続き、気温が90°F台まで上がることがある
- 冬には -50°F も珍しくない
- ブルックス山脈南側の Prospect Creek では、アラスカ最低気温の -80°F が記録されている
- カエルは変温動物であり、体温は周囲の空気とほぼ同じになる
- ウッドフロッグは、このような長い亜北極の冬を耐え抜かなければならない小さな両生類である
水中ではなく森の地表を選んだカエル
- ほとんどの北方のカエルは、池、湖、川の深い水中で冬眠する
- 冷たくほとんど動かない状態になるが、体温は氷点下には下がらない
- ウッドフロッグは森の地表の落ち葉と腐植土の中に身を埋めて冬を過ごす
- 落ち葉、腐植土、雪がある程度は保温してくれるが、水中での冬眠のように氷点下の温度から完全には守ってくれない
- この戦略によって、ウッドフロッグは冬のあいだ凍った状態で生き延びる
早く解ける陸地がもたらす繁殖の機会
- 陸地の雪や地面は氷に覆われた湖よりも早く解けて暖まり、ウッドフロッグは春に非常に早く活動を始められる
- 早く目覚めたウッドフロッグは、小さな池や真夏前に干上がることもある雪解け水の水たまりでも交尾し、産卵する
- 水中で冬眠するカエルは活動開始が遅くなり、繁殖もさらに遅れる
- 遅く繁殖するカエルには、干上がらない恒久的な水域が必要になる
なぜ普通の動物にとって氷は致命的なのか
- ほとんどの動物は、体組織が凍る条件を避けなければ生存できない
- 体内に氷の結晶ができると、さまざまな損傷が連鎖的に起こる
- 氷の結晶が血管を突き刺すことがある
- 血液が凍ると臓器に酸素や栄養を届けられず、深刻な代謝障害が起こる
- 氷は細胞から水を奪って脱水を引き起こし、細胞内部の構造を乱し、細胞壁を破壊する
- このような損傷は、広範囲で致命的な内部損傷につながる
細胞の外は凍らせ、細胞の中は守る仕組み
- ウッドフロッグは毎年最大8か月のあいだ、体が完全に凍りついた状態に耐えられる
- 冬が始まると、氷が腹腔を急速に満たし、内臓を包み込む
- 皮膚と筋肉のあいだにも氷の結晶ができ、水晶体が凍って目は白くなる
- 同時に肝臓は大量のブドウ糖を作り、体のすべての細胞へ送り出す
- 粘りのある糖の溶液が細胞が凍るのを防ぐ
- 細胞内の水分子と結びついて脱水を減らす
- ウッドフロッグの体は、細胞や臓器の外側には氷ができることを許容する一方、細胞内部の凍結は防ぎ、致命的な損傷を避ける
止まった体が再び目覚める順序
- 冬眠中のウッドフロッグは筋肉の動きがなく、心拍もなく、呼吸もしない
- 冬のあいだじゅう、カエルの形をした冷たく硬い氷の塊のように見えるが、実際には停止状態で生きている
- 春が来ると、ウッドフロッグは体の内側から外側へ向かって溶ける
- まず心臓が鼓動を始める
- 次に脳が活性化する
- 最後に脚が動く
- 北方の冬のあいだずっと凍結して不活性だった心臓が、なぜ再び鼓動を始めるのかは、まだ分かっていない
- 完全に解凍されたウッドフロッグは、森を抜けて繁殖のための池や適した水場を探しに向かう
- ほぼすべての他の動物にとって致命的な条件でも、ウッドフロッグは損傷なく生き延びる
人間の医学研究につながる可能性
- ウッドフロッグの血液中のブドウ糖は、極限の北極の冬の気温から組織損傷を防ぐ重要な要素である
- このブドウ糖は、人間を含むすべての脊椎動物の血糖と同じ物質である
- 冬眠中のウッドフロッグは、正常の100倍高い血糖値にも耐えられる
- 人間の糖尿病患者は、血糖値が正常より2〜10倍高いだけでも損傷を受ける可能性がある
- ウッドフロッグがこれに耐える仕組みを理解できれば、糖尿病患者の高血糖管理に役立つかもしれない
- ウッドフロッグの耐凍結能力は、移植用の人間の臓器を損傷なく凍結・解凍する方法を見つけるのに活用できる可能性がある
- 提供者から臓器を取り出してから受容者に移植するまでの許容時間を延ばせる
- より多くの移植が可能になるかもしれない
- 血液循環を止めたあと数か月後に再開しても、血栓やその他の損傷を避ける原理も研究対象である
- このメカニズムを理解できれば、心筋梗塞や脳卒中で血流が一時的に止まった人の治療に価値を持つ可能性がある
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
動物が厳寒の冬をどう乗り切るかを扱った良書に、Bernd Heinrichの Winter World がある
Berndは非常に興味深い生物学者で、物事を深く掘り下げる。作中でリスが冬を越す過程を説明するときも、第一原理まで立ち返り、体表面積・体温維持・外気温 -40˚C・1時間あたりに必要な熱量・松の実1粒の熱量、といった形で計算を展開する
さらには死んだリスの口に松の実を入れて最大で何個入るかを測り、17個という値を得て、それを基に計算を続ける、という具合なのでかなり面白い
リスは餌を口の中に貯蔵するのではなく、貯蔵場所に置いておき、目を覚ましてそこへ行って食べ、また眠る。-40°Cの中を外に出て新しい松の実を集めるわけでもないし、冬には木にも松の実はあまり残っていない
おそらくその計算の要点は、そういう戦略が良くないことを示すことだったのかもしれないが、上の計算には毛皮と寝床の断熱も抜けている
「北方の冬の間ずっと凍りついて不活性状態だった wood frogの心臓 が、何によって再び動き始めるのかはまだ誰にも分かっていない」という部分が、この話で最も魅力的だ
カエルは完全に凍っていて、私たちの知る限り心拍も脳活動もない。ところが解けると、何かが再び作動を始める
そのメカニズムがどんなものなのか想像しにくい。凍っていたかどうかを追跡する脳の小さな領域があるのか、体腔内部から何らかの化学シグナルが出るのか気になる
人間や多くの動物で心拍を制御しているのは、心臓内の洞房結節という構造だ。洞房結節の各細胞は、自らリズム性の電気信号を作ることができる
wood frogでは、この細胞の一つが解けるとすぐにリズム性のパルスを作り始め、心臓がきちんと拍動するには残りの洞房結節細胞と同期する必要がある。各細胞が周期ごとに隣接細胞の平均位相のほうへ少しずつ調整しながら合意に達する方式なのだと思う
あるいは心臓と筋肉の弾性のせいかもしれない
カエルで心臓が脳に依存しているなら話は別だが
もしかすると、解ける順序が四肢から逆向きに進み、残りの循環系が解けた後で心臓が最後に解ける構造なのかもしれない。この場合、心臓が中央にあることは生物学的に有利だったのだろう
wood frogは3〜5年しか生きないので、こうした凍結/解凍サイクルを多くても5回ほど経験するだけだろう。寿命が短いおかげで、このサイクル中に蓄積する細胞損傷にある程度耐えられるのか気になる
哺乳類よりニューロン数も約1万分の1少ない
たとえこうした生化学を実現できるとしても、より高等な生命体がこのようなサイクルに何度耐えられるのだろうか。複雑な生命体は、手足の再生能力のような回復力をある程度犠牲にしたように見える。両生類はそもそも再生が特に得意なほうでもある
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
今度は彼らの脳について、いろいろなことが気になってきた。記憶を形成できるのか、そして凍結/解凍サイクルの後にもその記憶が残るのか知りたい
凍っている間は事実上死んだ状態で、脳活動もないと考えることになる。だとすれば、解けるときに生命へ復元されるわけだ。他の動物もこういうことを経験するのか気になる
凍りついた構造がどれくらい長く「生き延びられる」のか気になる。こういうカエルを凍らせて、数世紀後に解凍するのが良い考えなのかは分からない。両生類のタイムトラベラーみたいに
新しい研究 [2] では 7か月 生存し、生存率は 100% だった
なので追加研究が必要そうに見える
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
進化的に見ると、両生類は哺乳類よりある程度単純で、多くの哺乳類より小さく、長生きもしないので、一部は単に「ないもの」のおかげかもしれないと思う
温度が非常に低いので、終末糖化産物の問題もそれほど大きくないはず。氷の中で生き延びる別の戦略としては 不凍タンパク質 がある。モミや複数の北極圏の魚はこうしたタンパク質を持っている: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
それでも解凍段階で膜電位がどう維持されたり再構成されたりするのかは、まだ分からない。参考になりそうな資料はあるだろうか？
まだ確立されたものでも十分に理解されたものでもないが、有望な研究領域に見える
イオンチャネル周辺のごく小さな領域が液体のまま残り、細胞とイオン濃度の両方を平衡化するとしても、細胞外液が融けるときには元の濃度がほぼ復元されそうだ
水生ガメにはまた別の ブルメーション 戦略がある。空気で呼吸するが、数か月間氷の下に閉じ込められることがあるため、代謝を下げ、直腸組織を通じて水中から少量の酸素を得る適応と、ブドウ糖・カルシウム関連の化学活動を利用する
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
家にいつも温かい水で過ごしているカメが1匹いるのだが、空が見えるからなのか、毎年この時期になると自分でブルメーションに入ることにして、水中の隠れ家で何日も、あるいは何週間も昼寝をし始める
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
動詞は brumate になるはずだと思う。ただ、hibernation に合わせたい欲求が強いようで、こういうことは多くの単語で起きる。あるいは rumination の影響だったのだろうか？
あまり賢くはないが、頑張ってはいる
凍結が選択肢になり得ると考えている人にとっては、単に氷の結晶を避ければいいという話ではない
人間の 医療的低体温 はほんの数度下げる程度なのに、限界は冷たい状態で過ごした時間ではなく、正常体温へあまりに急速に戻すことにある
ミトコンドリアは低酸素状態で多くの活性酸素を作り、酸素を急速に回復させると実際の死因となる化学的損傷が生じる。だから数時間かけて正常体温に戻す。過冷却で壊れる代謝サイクルはこれだけではなさそうだ
この記事にはカエルの写真はありません。解凍されたカエルと凍ったカエルの写真はこちらで見られます: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Wikiには、グルコースのほかに尿素も作られ、どちらも凍結保護剤として働くと書かれています
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
これを冬眠と呼ぶのも難しいです。完全に凍りつくことにはほかの副次的な利点もあり、多くの感染性微生物の活動を遅らせたり、死滅させたりできる可能性があります。ある程度の寿命延長効果もあるかもしれません
行動適応もあまり必要ありません。カエルは寒くなると葉の下にもぐり込み、完全に凍ってから8か月後に解け、空腹で繁殖欲に満ちた状態で目覚めます。悪くありません
カエルの体内の凍結保護剤は区別しないので、外部の細菌もカエルの細胞と同じくらい保護するはずです
私にとってはかなり直感に反する結果になりそうです