大自然的奥秘:青蛙冻结&解冻

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从中获得的木青蛙图像Wikimedia Commons.,拍摄生物学家Brian Gratwicke。

春天来了。在中西部的森林里,青蛙从他们的冬眠中醒来。这些青蛙中的许多人,包括春天的犬子(Pseudaris Crucifer)和木青蛙(Rana sylvatica),树皮下方的冬眠或森林地板上的叶子垃圾下面。作为冷血动物,它们需要来自外部来源的热量以保持体温。当温度下降时,这些青蛙冻结了。

虽然它听起来很简单,但冬天冻结和春天的解冻,又幸存,冻结并不容易。在人类中,极端寒冷导致冻伤,冷冻我们的组织,并在特别严重时造成永久性损坏。为了生存,动物需要保护他们的细胞免受这些危险。青蛙和其他冻融的两栖动物和爬行动物,就像一些蛇,蝾螈和龟孵化,步行生化的绳索在低温下存活

就像冰块中的水一样在固化时膨胀,电池内的水在冻结时膨胀。这种扩展改变了细胞体积并可能损坏其结构。青蛙避免损坏细胞内的冰在他们的细胞外推高达65%的水。然后水冻结在骨骼肌周围皮肤下方的口袋里。然而,在细胞外移动水也带有危险。

当从细胞中除去水,留下任何溶解的组分或溶质,并变得更浓缩。高浓度的溶质可以损害细胞,甚至破坏蛋白质。细胞内外溶质浓度的差异导致称为渗透压的力,其推动在细胞壁上。类似于气压如何引起溢流球体流出,细胞中非常高的溶质浓度可以构建渗透压并导致细胞膜破裂。

青蛙通过制作普通分子,包括葡萄糖,我们自己的血液中的糖的糖,保护青蛙细胞的体积来克服这一挑战。这些分子被称为冷冻保护剂,因为它们可以防止“冷冻”,这简单地意味着冷。冷冻保护剂通过改变青蛙细胞内部的流体的显齐性能。

当化合物以这种高浓度的液体溶解到液体中时,发生堆积性质,使其改变液体的性质。在冬季,我们使用戏剧性质来保持我们的道路冰川:我们在盐中覆盖它们。盐溶解在水中并降低其冷冻点。在青蛙的身体中,高浓度的葡萄糖作为天然抗冻结,可防止细胞的体积变化过多。通过皮肤下的冰块触发,青蛙通过服用糖原 - 身体组织的一个建筑物 - 从他们的肝脏来制造葡萄糖,使其变成葡萄糖。

青蛙还需要调节他们的身体流程 - 心跳,呼吸和血液循环 - 在冻结过程中。完全冷冻时,青蛙没有呼吸或心跳;缺乏血流量剥夺了青蛙的氧气器官。氧气通常是新陈代谢所必需的,其维持身体并提供能量的化学反应。青蛙在被冻结的同时减缓他们的新陈代谢,变得有些休眠,使用较少的能量。它们仍然需要一些能量来生存,因此它们的器官使用储存的燃料并切换到不需要氧气的代谢反应。在这种休眠状态下,与他们的大部分水都转向冰,他们的新陈代谢减缓了,他们可以生存很多星期通过冬天最冷的部分。

当春天的温暖解冻青蛙时,他们的重新生活的第一个迹象是恢复的心跳。呼吸和血液流量再次开始。保护青蛙的葡萄糖从冻结的危险中返回到肝脏,在那里它可以转换回组织。青蛙从他们的隐藏斑点中出现,温暖的温度现在使他们能够让他们的下一阶段终身 - 交配和繁殖 - 已经到来。

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