生活在北极圈内的林蛙

作者:PSG

每当提到生活在极地的动物时,也许每一个人脑海中都会立刻联想起那些浑身被厚厚的皮毛所覆盖的动物,比如北极熊、北极狐、企鹅和雪兔等等。然而,当告诉你蛙类也能够在极地生活时,你不免会感到诧异,像这种全身皮肤裸露且体温随着外界变化的小动物是怎么能够适应严寒的极地生活的,这严重与我们所理解的常理不符。

但是,现实就是这样。我们今天的主角——美洲林蛙(Rana sylvatica)就是一种可以在北极圈内生活的蛙类。严格地说,美洲林蛙广泛地分布在北美大陆上,从亚热带的美国佐治亚州到严寒的阿拉斯加,都可以见到它们的倩影。生活在极地的美洲林蛙只是它们中的一小部分,然而就是这一小部分林蛙上演了属于两栖动物的抗寒奇迹。

事实上,动物界一直是奇迹发生之地,很多深海鱼类、昆虫、甚至蜥蜴都具有“令人发指”的抗寒能力。然而基于两栖动物的生理特征,美洲林蛙的抗寒能力更令人惊异,并驱使科学家们去探索它们的奥秘。极地林蛙的抗寒主要表现在三个方面:首先,在极度严寒的时候,林蛙体内三分之二的体液处于冰冻状态,它们仍然能活下来;其次,更难以置信的是,在冬眠的时候,林蛙的呼吸和心脏甚至处于停止的状态,这种状态意味着它们体内的代谢同样被停滞,而这种停滞甚至能够持续数天至数周;最后,在北极圈漫长的冬季中,林蛙要面临这样多次的停滞/活跃的转变。

同质园实验(common garden experiment)是进化生理学家常用的一种实验方法,目的是把不同个体放到同样个环境中,以排除环境因素对实验的影响。科学家们把分别来自阿拉斯加和俄亥俄的美洲林蛙放到一起进行关于耐寒的同质园实验,结果发现几乎所有个体都有抗寒的能力,但阿拉斯加林蛙的耐寒能力显然更强。俄亥俄林蛙能够忍受零下4摄氏度的低温,而阿拉斯加林蛙则能够忍受最低零下16摄氏度的低温。这个结果暗示,美洲林蛙自身的个体可塑性(self-plasticity)和进化适应(adaptation)都对它们的抗寒力有所贡献。

进一步对美洲林蛙进行生理检测,科学家发现极地林蛙体内的一些物质的积累,可能有助于抗寒,这其中包括了血糖、尿素和一种未知的溶质。对大多数动物来说,长期处于零下严寒的温度下,由于组织液结冰的缘故,会使得细胞逐渐收缩脱水,最终导致细胞死亡。而对于极地林蛙,由于血糖和尿素等溶质浓度的升高,会降低体内组织液的凝固点,限制了体内组织液结冰的数量,最终达到保护的目的。此外,一种未知溶质被发现在极地林蛙中含量增加,这种物质可能也与抗寒能力相关,尽管它的性质还没有被鉴定,但已经被作为了将来的研究方向。

这就是能够在北极圈内的严寒中生活的美洲林蛙,对它们的研究除了能够为科学殿堂的积累添砖加瓦而外,也可能会为人类社会的进步做贡献。普遍的一个看法是,这种抗寒的机制能够用于将来人类移植器官的保存当中。那么,你的看法是什么呢?

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图1. 林蛙的分布范围. 棕色部分为林蛙的分布区;黑色箭头所指方向为同质园实验的个体生活的区域

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图2. 血糖和尿素的含量在冰冻实验过程中的变动(以肌肉中为例)

 

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图片均来自Costanzo et al. (2013) (参考资料1)

参考资料

1. Costanzo et al. 2013. Hibernation physiology, freezing adaptation and extreme freeze tolerance in a northern population of th wood frog. The Journal of Experimental biology 216, 3461-3473.

2. Wood frog: http://en.wikipedia.org/wiki/Wood_frog#Geographic_range

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