Un milagro biológico: la rana de bosque
(nps.gov)- La rana de bosque pasa los duros inviernos de los bosques de Alaska y del norte de Canadá en un estado de cuerpo congelado, y cuando llega la primavera vuelve a moverse
- Mientras otras ranas del norte mantienen su temperatura corporal por encima del punto de congelación dentro del agua, la rana de bosque se esconde en la capa de hojarasca del suelo del bosque y queda expuesta al aire bajo cero
- Cuando empieza el invierno, se forma hielo alrededor de los órganos y entre la piel y los músculos, pero una gran cantidad de glucosa producida por el hígado evita la congelación dentro de las células y la deshidratación
- Durante la hibernación se detienen por completo el movimiento muscular, los latidos del corazón y la respiración, y en primavera se descongela desde el interior del cuerpo, recuperando funciones en el orden de corazón, cerebro y patas
- Su tolerancia a la hiperglucemia, a la congelación y descongelación, y su capacidad de recuperarse tras la interrupción de la circulación sanguínea podrían vincularse con investigaciones sobre diabetes, preservación de órganos para trasplantes y tratamientos para infartos y accidentes cerebrovasculares
Estrategia de hibernación adaptada al invierno ártico
- La característica más sorprendente de la rana de bosque no se ve en el verano, cuando pasa de renacuajo a rana, sino en su hibernación invernal
- Los bosques de Alaska y del norte de Canadá presentan cambios de temperatura extremos
- En verano, el día puede durar 24 horas y la temperatura puede subir hasta los 90°F
- En invierno, temperaturas de -50°F no son raras
- En Prospect Creek, al sur de la cordillera Brooks, se registró la temperatura más baja de Alaska: -80°F
- Las ranas son animales de sangre fría, por lo que su temperatura corporal se vuelve casi igual a la del aire que las rodea
- La rana de bosque es un pequeño anfibio que debe soportar estos largos inviernos subárticos
La rana que elige el suelo del bosque en lugar del agua
- La mayoría de las ranas del norte hibernan en las zonas profundas del agua de estanques, lagos y arroyos
- Permanecen frías y casi inmóviles, pero su temperatura corporal no cae por debajo del punto de congelación
- La rana de bosque pasa el invierno enterrada entre la hojarasca y el humus del suelo del bosque
- La hojarasca, el humus y la nieve aportan cierto aislamiento térmico, pero no la protegen por completo de temperaturas bajo cero como ocurre al hibernar dentro del agua
- Debido a esta estrategia, la rana de bosque sobrevive al invierno en un estado congelado
La oportunidad reproductiva que da una tierra que se descongela rápido
- La nieve y el suelo de tierra firme se derriten y se calientan antes que los lagos cubiertos de hielo, así que la rana de bosque puede activarse muy temprano en primavera
- Al despertar temprano, la rana de bosque puede aparearse y poner huevos incluso en pequeños estanques o en charcos de deshielo que podrían secarse antes de pleno verano
- Las ranas que hibernan en el agua empiezan su actividad más tarde, por lo que también se reproducen más tarde
- Las ranas que se reproducen tarde necesitan agua permanente que no se seque
Por qué el hielo suele ser mortal para los animales
- La mayoría de los animales solo pueden sobrevivir si evitan condiciones en las que su cuerpo se congele
- Cuando se forman cristales de hielo dentro del cuerpo, se producen varios tipos de daño
- Los cristales de hielo pueden perforar los vasos sanguíneos
- Si la sangre se congela, deja de poder llevar oxígeno y nutrientes a los órganos, lo que provoca un daño metabólico grave
- El hielo extrae agua de las células y causa deshidratación, altera las estructuras internas de la célula y destruye las paredes celulares
- Este daño puede derivar en lesiones internas extensas y letales
Congelar por fuera de las células y proteger su interior
- La rana de bosque puede soportar cada año hasta 8 meses con el cuerpo completamente congelado
- Cuando comienza el invierno, el hielo llena rápidamente la cavidad abdominal y rodea los órganos internos
- También se forman cristales de hielo entre la piel y los músculos, y al congelarse el cristalino los ojos se vuelven blancos
- Al mismo tiempo, el hígado produce grandes cantidades de glucosa y las envía a todas las células del cuerpo
- Esta solución espesa de azúcar impide que las células se congelen
- Se une a las moléculas de agua dentro de las células y reduce la deshidratación
- El cuerpo de la rana de bosque permite que se forme hielo en el exterior de las células y los órganos, pero evita la congelación en el interior de las células para esquivar daños mortales
El orden en que un cuerpo detenido vuelve a despertar
- Durante la hibernación, la rana de bosque no tiene movimiento muscular, no presenta latidos del corazón y no respira
- Durante todo el invierno parece un bloque de hielo frío y duro con forma de rana, pero en realidad sigue viva en un estado de suspensión
- Cuando llega la primavera, la rana de bosque se descongela de adentro hacia afuera
- Primero empieza a latir el corazón
- Luego se activa el cerebro
- Por último se mueven las patas
- Aún no se sabe qué hace que un corazón que permaneció congelado e inactivo durante todo el invierno del norte vuelva a latir
- Ya completamente descongelada, la rana de bosque cruza el bosque en busca de un estanque de reproducción o de agua adecuada
- En condiciones que serían mortales para casi cualquier otro animal, la rana de bosque sobrevive sin daños
Posibles aplicaciones en la investigación médica humana
- La glucosa en la sangre de la rana de bosque es un elemento clave para evitar daños en los tejidos bajo las temperaturas extremas del invierno ártico
- Esta glucosa es la misma sustancia que el azúcar en sangre de todos los vertebrados, incluidos los humanos
- Durante la hibernación, la rana de bosque puede tolerar niveles de azúcar en sangre 100 veces más altos de lo normal
- En humanos con diabetes, niveles de azúcar apenas de 2 a 10 veces por encima de lo normal ya pueden causar daño
- Entender cómo la rana de bosque lo tolera podría ayudar en el manejo de la hiperglucemia en personas con diabetes
- La resistencia de la rana de bosque a la congelación podría usarse para encontrar formas de congelar y descongelar órganos humanos para trasplante sin dañarlos
- Podría ampliarse el tiempo permitido entre la extracción del órgano del donante y su trasplante al receptor
- Eso podría hacer posibles más trasplantes
- También se estudia el principio por el cual puede detener su circulación sanguínea y reanudarla meses después sin sufrir coágulos ni otros daños
- Comprender este mecanismo podría ser valioso para tratar a personas cuyo flujo sanguíneo se detuvo temporalmente por un infarto o un accidente cerebrovascular
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Un buen libro sobre cómo los animales sobreviven a los inviernos extremos es Winter World, de Bernd Heinrich.
Bernd es un biólogo muy interesante y profundiza mucho en los temas. Incluso al explicar en el libro cómo una ardilla pasa el invierno, parte de primeros principios y desarrolla cálculos con cosas como el área de superficie corporal, el mantenimiento de la temperatura corporal, una temperatura exterior de -40 ˚C, las calorías necesarias por hora y las calorías de un piñón.
Incluso mete piñones en la boca de una ardilla muerta para medir cuántos caben como máximo, obtiene el valor 17, y sigue calculando a partir de eso, así que resulta bastante entretenido.
Las ardillas no guardan comida en la boca, sino en escondites; se despiertan, van al escondite, comen y vuelven a dormir. Tampoco salen a -40 °C a juntar piñones nuevos, y en invierno tampoco quedan muchos piñones en los árboles.
Tal vez el objetivo de ese cálculo era mostrar que esa estrategia no sería buena, pero en el cálculo de arriba también faltan el aislamiento del pelaje y del nido.
La parte más fascinante de esta historia es que “todavía nadie sabe qué hace que el corazón de la rana de bosque, que estuvo congelado e inactivo durante todo el invierno del norte, vuelva a empezar a latir”.
La rana está completamente congelada y, hasta donde sabemos, no tiene latidos ni actividad cerebral. Pero cuando se descongela, algo vuelve a ponerse en marcha.
Es difícil imaginar cómo será ese mecanismo. Me pregunto si habrá una pequeña región del cerebro que registre si estuvo congelada, o si dentro de la cavidad corporal se genera alguna señal química.
En humanos y muchos animales, lo que controla el latido del corazón es una estructura dentro del corazón llamada nodo sinoauricular. Cada célula del nodo sinoauricular puede generar por sí sola señales eléctricas rítmicas.
En la rana de bosque, cuando una de estas células se descongela, probablemente empieza de inmediato a generar pulsos rítmicos, y para que el corazón lata correctamente debe sincronizarse con el resto de las células del nodo sinoauricular. Supongo que cada célula va ajustándose un poco en cada ciclo hacia la fase promedio de sus células vecinas hasta llegar a un consenso.
O quizá se deba a la elasticidad del corazón y los músculos.
Aunque sería otra cosa si en las ranas el corazón dependiera del cerebro.
Tal vez el orden de descongelamiento avance en sentido inverso desde las extremidades, y el corazón sea lo último en descongelarse después de que se haya descongelado el resto del sistema circulatorio. En ese caso, que el corazón esté en el centro habría sido biológicamente ventajoso.
La rana de bosque vive solo de 3 a 5 años, así que como mucho pasará por unos 5 ciclos de congelamiento/descongelamiento. Me pregunto si gracias a su corta vida puede tolerar en cierta medida el daño celular acumulado durante esos ciclos.
También tiene unas 10 mil veces menos neuronas que un mamífero.
Incluso si pudiéramos implementar esta bioquímica, ¿cuántas veces podría soportar un ciclo así un ser vivo más avanzado? Los organismos complejos parecen haber sacrificado cierta capacidad de recuperación, como la de regenerar extremidades. Además, los anfibios de por sí suelen ser especialmente buenos regenerando.
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Ahora me da curiosidad todo lo relacionado con sus cerebros. Me pregunto si pueden formar recuerdos y si esos recuerdos permanecen después de los ciclos de congelamiento/descongelamiento.
Cuando están congeladas, en la práctica están muertas, y uno asume que no tienen actividad cerebral. Entonces, al descongelarse, sería como si se restauraran a la vida. Me pregunto si otros animales pasan por algo parecido.
Me da curiosidad cuánto tiempo puede “sobrevivir” una estructura congelada. No sé si sería buena idea congelar a estas ranas y descongelarlas siglos después. Como anfibios viajeros en el tiempo.
En un estudio nuevo [2], sobrevivieron durante 7 meses y la tasa de supervivencia fue del 100%.
Así que parece que hacen falta más estudios.
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
Evolutivamente, los anfibios son en cierto grado más simples que los mamíferos, más pequeños que muchos mamíferos y tampoco viven tanto, así que creo que parte de esto podría deberse simplemente a las cosas que “no tienen”.
Como la temperatura es muy baja, el problema de los productos finales de glicación avanzada tampoco debería ser tan grande. Otra estrategia para sobrevivir en el hielo son las proteínas anticongelantes. Los abetos y varios peces árticos tienen estas proteínas: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
Aun así, sigo sin saber cómo se mantiene o se reconstruye el potencial de membrana durante la fase de descongelación. ¿Habrá algún material de referencia?
Todavía no está establecido ni se entiende lo suficiente, pero parece un área de investigación prometedora.
Incluso si una región diminuta alrededor de los canales iónicos permanece líquida y equilibra tanto la célula como la concentración de iones, cuando se derrita el líquido extracelular parecería que la concentración original se restauraría casi por completo.
Las tortugas acuáticas tienen otra estrategia de brumación. Respiran aire, pero pueden quedar atrapadas bajo el hielo durante meses, así que reducen su metabolismo, usan una adaptación para obtener algo de oxígeno del agua a través del tejido rectal y aprovechan actividad química relacionada con la glucosa y el calcio.
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
En casa tengo una tortuga que siempre vive en agua tibia, pero quizá porque puede ver el cielo, todos los años por estas fechas decide por su cuenta entrar en brumación y empieza a echarse siestas de días o semanas en su escondite bajo el agua.
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
El verbo parecería que debería ser brumate. Pero parece fuerte el deseo de alinearla con hibernation, y eso pasa con muchas palabras. ¿O habrá sido influencia de rumination?
No es muy lista, pero sí muy esforzada.
Para quienes piensan que la congelación podría ser una opción, no se trata simplemente de evitar los cristales de hielo.
La hipotermia médica en humanos apenas baja unos grados, pero el límite no está en el tiempo que se pasa en estado frío, sino en recuperar la temperatura corporal normal demasiado rápido.
Las mitocondrias producen muchas especies reactivas de oxígeno en condiciones de hipoxia, y si se restablece el oxígeno rápidamente se produce daño químico que termina siendo la causa real de muerte. Por eso se vuelve a la temperatura corporal normal a lo largo de varias horas. No creo que ese sea el único ciclo metabólico que se descompone con el sobreenfriamiento.
Este artículo no incluye fotos de ranas. Aquí se pueden ver fotos de ranas descongeladas y congeladas: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
La wiki dice que, además de glucosa, también se produce urea, y que ambas actúan como crioprotectores
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
También es difícil llamar a esto hibernación. Congelarse por completo tiene otras ventajas secundarias, ya que puede ralentizar la actividad de muchos microorganismos infecciosos o matarlos. Quizá incluso tenga cierto efecto de extensión de la vida
Tampoco requiere mucha adaptación conductual. Cuando la rana siente frío, se mete debajo de las hojas, se congela por completo y, 8 meses después, se descongela y despierta con hambre y llena de ganas de reproducirse. Nada mal
Los crioprotectores dentro del cuerpo de la rana no distinguen, así que también protegerán a las bacterias externas tanto como a las células de la rana
Para mí sería un resultado bastante contraintuitivo