Chladová odolnost hmyzu a tropy

V posledních dvou letech se v odborných článcích z hmyzí kryobiologie začíná objevovat zdánlivě nelogická spojitost mezi mechanizmy ochrany proti nízké teplotě a proti vysoké teplotě spojené s nízkou vlhkostí prostředí.

Hmyz, stejně jako ostatní studenokrevní živočichové, podstupuje v mírném a arktickém klimatickém pásu každoročně několikaměsíční odolnost v nepříznivých podmínkách zimy. Většina druhů již dlouho před příchodem chladného období vyhledává úkryty pro přezimování a přechází z normálního vývoje do diapauzy (adaptivního naprogramovaného snížení úrovně metabolizmu a zastavení vývoje či rozmnožování). Ačkoliv například v půdě či ve vrstvě opadanky pod sněhovou pokrývkou jsou živočichové poměrně dobře chráněni proti nepříznivým účinkům mrazivého suchého vzduchu, hrozí jim zde napadení patogeny, predátory aktivními pod sněhem, popřípadě zatopení a následný nedostatek kyslíku. Některé druhy se nebezpečí vyhýbají tím, že přezimují na exponovaných místech: v živých i odumřelých rostlinných tkáních, skalních puklinách. Například slunéčka Adalia bipunctata a Semiadalia undecimnotata nacházíme ve štěrbinách vystavených mrazivému vzduchu, kde jiné druhy nepřežijí. V takových místech - a při déletrvajících holomrazech i v hlubších úkrytech - hmyz přežívá jen díky fyziologickým adaptacím na chlad a mráz.

O mechanizmech poškození hmyzího organizmu chladem (teplotou pod 0 °C, ale beze vzniku ledových krystalů) se ví zatím málo. V buněčných membránách se objevují trhliny způsobené fázovými změnami lipidů nebo termoelastickým pnutím, mění se terciární a kvartérní struktura enzymů, řízení a koordinace tělesných funkcí jsou desynchronizovány, různé metabolické dráhy běží nestejnou rychlostí, takže se mohou akumulovat toxické meziprodukty a zplodiny látkové výměny.

Lépe známé jsou příčiny poškození organizmu při vzniku ledových krystalů. Velké krystaly mechanicky narušují buňky a tkáně, protože zvětšují svůj objem oproti vodě. Vznik ledu uvnitř buněk se považuje za letální. I když růst krystalů obvykle začíná v mezibuněčném prostoru (hemolymfě nebo uvnitř střeva), zahušťující roztok odčerpává osmoticky vodu z buněk. Buňky jsou pak poškozeny celkovým osmotickým šokem, toxickým působením některých látek ve zvýšené koncentraci (včetně změn pH) nebo mechanicky - překročením minimálního objemu buňky. Led brání transportu kyslíku a jiných látek v těle. Někdy se buňka poškodí až při rozmrzání, kdy nasává vodu z mezibuněčného prostoru tak intenzivně, až popraská buněčná membrána.

Podle citlivosti daného druhu (populace, jedince, stadia) k uvedeným poškozením a na základě použitých ochranných mechanizmů lze charakterizovat šest strategií, jak hmyz čelí chladu a mrazu:

• Oportunní přežívání: druhy neschopné přežít po delší dobu snížení teploty pod práh umožňující normální vývoj vyhledávají v zimě místa s dostatečně vysokou teplotou. Jde především o zavlečené tropické druhy (mravenec faraon), některé parazity teplokrevných obratlovců, ale patří sem třeba i moucha domácí a včela medonosná.
• Citlivost k chladu: druhy, které přežívají dlouhodobě teploty mnohem menší, než je jejich práh vývoje, ale jsou velmi citlivé na snížení teploty pod bod mrazu. Přežívají v chráněných místech, kde po celou zimu teplota neklesne příliš hluboko pod O °C. Takto citlivé jsou mnohé druhy mšic a nediapauzní jedinci různých druhů hmyzu (v létě, kdy jsou aktivní), včetně klidových stádií (kukly dvoukřídlých).
• Tolerance chladu: hmyz oddalující zmrznutí tím, že sníží bod podchlazení , a snášející mírně záporné teploty. Při dlouhodobém vystavení velmi nízké teplotě dochází i zde k úhynu bez tvorby ledu v těle. Zřejmě nejpočetnější skupina, zahrnující přezimující jedince různých stádií a taxonů.
• Vyhýbání se zmrznutí: druhy, které jsou schopny přežít dlouhodobé vystavení chladu, ale hynou při mrznutí tělních tekutin. Snižují aktivně bod podchlazení na teploty -20 až -50 °C. Proto vylučují potenciální nukleátory z těla (vyprazdňují obsah střev), nebo je inaktivují uložením v lipidické fázi membrán. V hemolymfě akumulují velké množství kryoprotektantů. Proti ukládání vody do krystalické mřížky ledu působí hygroskopičnost kryoprotektantů a také speciální hysterezní proteiny (THF - thermal hysteresis factors), které se nabalují na již vzniklá ledová jádra a zastavují jejich růst. Proti inokulaci ledovými krystaly z vnějšího prostředí hmyz využívá úkrytu v kokonech, zesílení hydrofobní vrstvy kutikuly a uzavření průduchů. Do této kategorie bylo zařazeno mnoho druhů hmyzu, avšak dlouhodobé přežívání velmi nízkých teplot bylo opravdu věrohodně zjištěno jen u housenky obaleče Epiblima scudderiana a u vajíček píďalky Epirrita autumnata.
• Tolerance zmrznutí: některé druhy jsou schopny přežít zdánlivě úplné mrznutí tělních tekutin. Oproti předchozí skupině naopak vylučují do hemolymfy vlastní nukleátory, na nichž dochází k růstu ledových krystalů při relativně vysokých teplotách -3 až -10 °C). Tím je zaručeno, že ledové krystaly porostou pomalu a řízeně a buňky budou mít dostatek času vyrovnat se se změnou osmotického tlaku roztoků a s růstem objemu. Tolerance mrznutí není myslitelná bez nahromadění vysoké koncentrace viskózních kryoprotektantů, snižující pohyblivost vody a její dostupnost pro krystalizaci . Vysoká koncentrace roztoků uvnitř buněk a její zvyšování, způsobené odčerpáváním vody do extracelulárních krystalů, brání letálnímu vzniku ledu uvnitř buněk. Velká část vody (až 30%) je reverzibilně, ale pevně vázána na makromolekuly, takže se růst krystalů neúčastní. Navíc jsou i zde často přítomny hysterezní proteiny, zpomalující růst již iniciovaných krystalů ledu. Ve zmrzlém stavu přežívají tyto druhy po dlouhou dobu i velmi nízké teploty (až -70 °C). Tato strategie je rozšířena zejména u přezimujících larev hmyzu s dokonalou proměnou (četní housenky, larvy páteříčka sněhového apod,).
• Kombinovaná strategie vyhýbání se a tolerance zmrznutí: vzácné případy (brouk Pytho deplanatus), kdy se bod podchlazení sníží vyloučením nukleátorů a vysokou koncentrací glycerolu na méně než -50 °C, a když ochrana selže, druh - díky strategii - zmrznutí hemolymfy přežije.

Rozdělení do uvedených kategorií není zcela striktní. První čtyři skupiny mohou být chápány jako kontinuum, kde letální teplota (LT50) postupně klesá od spodního prahu vývoje až k bodu podchlazení, přičemž velmi záleží na tom, jak dlouhá je doba při měření LT50. Existují rovněž druhu s vlastnostmi na přechodu mezi pátou a šestou strategií, které mají středně hluboký bod podchlazení (-20 až -30 °C).

Ani mezi zcela rozdílnými strategiemi - čtvrtou a pátou - neleží nepřekročitelné hranice. Fyziologické mechanizmy zapojené v těchto dvou strategiích jsou podobné (obsah kryoprotektantů a hysterezních proteinů), rozdíl je v přítomnosti vysoce efektivních nukleátorů. Existují druh y)např. brouk Dendroides canadensis), které mohou podle podmínek před zimováním buď snižovat SCP (a zmrznutí nepřežijí), nebo produkovat do hemolymfy nukleátory a tím zvyšovat SCP (přičemž zmrznutí přežívají). Daleko častěji, než nasvědčují doposud prováděné laboratorní experimenty, hmyz zřejmě využívá cizí nukleátory (bakterie ve střevě, ledové krystaly dotýkající se těla) ke zvýšení SCP a následným přežíváním zmrznut. Například již zmíněný obaleč Epiblema scudderiana udržuje vnitřek své hálky v čistotě a tím se vyhýbá nebezpečí inokulace, zatímco vrtule Eurosta solidaginis, vytvářející podobné hálky na téže rostlině (celíku kanadském), ponechává nečistoty uvnitř hálky a využívá inokulace od ledových krystalů vznikajících na této drti.

Některé druhy hmyzu v čistém prostředí laboratorně vykazují strategii vyhýbání se zmrznutí nebo tolerance chladu, ale v přírodě na zimovišti využívají (alespoň do jisté míry) toleranci k zmrznutí. Například octomilka Chymomyza costata může být v suchém prostředí podchlazena na -20oC, ale pak je citlivá k zmrznutí po inokulaci ledem (při -2 °C) a po pomalém zchlazení přežívá teploty až -70 °C! Jednoduchý mechanizmus využívání cizích nukleátorů je pravděpodobně evolučně původní, zatímco tělem produkované "vlastní" nukleátory jsou k tomuto účelu dostatečně přizpůsobené krevní proteiny a lipoproteiny.

Podívejme se znovu, jaký charakter mají některé příčiny poškození hmyzího organizmu při nízké teplotě. Osmotické a mechanické poškození buněk a membrán při zmrznutí hemolymfy je vlastně způsobeno nedostatkem vody (jež je vázána v krystalu). ale i v případě, kdy nedojde k zmrznutí vody v led, je organizmus ohrožen vysycháním. Po dlouhou dobu (týdny až měsíce) je přezimující hmyz vystaven působení suchého vzduchu. Při teplotě pod 0 °C je absolutní vlhkost vzduchu velmi nízká, přitom parciální tlak vodní páry nad podchlazeným roztokem (např. hemolymfa) je poměrně vysoký, takže molekuly vody unikají z roztoku a jsou vázány v ledu. Pro přežití zimního období jsou tedy potřebné i mechanizmy odolnosti k vysychání.

Mechanizmy, které využívá hmyz v horkém suchém prostředí (v tropech nebo během letní diapauzy v mírném pásu) proti vysychání (desikaci) jsou následující:

• nižší celkový obsah vody, zvláště volné (nevázané na makromolekuly), již před vystavením vysychání,
• zvýšení chemického potenciálu tělních tekutin, tzn. vysoká molalita roztoku a nižší parciální tlak vodní páry nad tímto roztokem,
• nepropustnost kutikuly a uzavírání průduchů,
• přežívání v dormantním stavu v chráněném mikrohabitatu, popřípadě tvorba kokonů apod.

Srovnáme-li adaptace k suchu s adaptacemi k nízké teplotě, naskýtá se domněnka, že mnoho mechanizmů, považovaných za přizpůsobením k přežití nízké teploty, bylo původně přizpůsobením proti vysychání. Jako adaptace na suché prostředí tyto mechanizmy vznikly nejspíše v evoluční minulosti, kdy tropické klima převládalo na většině souše, a dodnes jako adaptace proti vysychání fungují, jejich role v ochraně proti nízké teplotě je druhotná. Dokumentují to některá měření u tropických druhů hmyzu. Neotropický brouk Stenotarsus rotundus, který se nikdy nesetkává s teplotou pod +15 °C, ale musí přežít několikaměsíční období sucha, akumuluje během diapauzy glycerol a sacharidy (tedy vlastně kryoprotektanty!), které snad brání ztrátě vody, ale mohou také snižovat bod podchlazení, a zároveň vylučuje z těla látky působící jako nukleátory, takže snižuje bod podchlazení na -15 °C.

Existují ovšem i speciální adaptace na chlad a mráz (tj.vzniklé de novo), které pro vodní bilanci nemají žádný význam (například tvorba vlastních nukleátorů v těle, hysterezní proteiny), ale ty jsou omezeny jen na malý počet vyšších taxonů, a tedy jsou zřejmě evolučně mladší.

Zároveň se ukazuje, že některé uvedené mechanizmy, ať už sloužící jako ochrana proti suchu, nebo proti nízké teplotě, jsou inherentní vlastnosti hmyzího organizmu v diapauzním stavu. I v případech, kdy diapauza není spojena s chladným obdobím, můžeme u zkoumaného hmyzu zjistit některé již známé jevy: z těla jsou vylučovány cizí nukleátory (neboť střevo se vyprazdňuje a diapauzní hmyz většinou nepřijímá další potravu), zvyšuje se koncentrace glycerolu (neboť metabolizmus se v diapauzním stavu zpomaluje a glycerol vznikající z glykogenu není dál zpracováván).

Můžeme tedy načrtnout následující scénář vývoje adaptací na nízkou teplotu (v plné míře vyhovující pro akumulaci kryoprotektantů(: vznik diapauzy u dávných předků hmyzu a její průvodní symptomy (zvýšení koncentrace glycerolu a jiných meziproduktů) - využití existujících mechanizmů k ochraně proti vysychání (selekce na vyšší obsah glycerolu) - využití již vyselektovaných mechanizmů (preadaptací pro ochranu proti nízkým teplotám (selekce na spouštění vyšší produkce glycerolu jako odpověď na snížení teploty). O kterých dalších vlastnostech temperátních organizmů mírného pásma zjistíme, že mají původ v tropech?