Milagre biológico - a rã-da-madeira
(nps.gov)- A rã-da-madeira passa os invernos rigorosos das florestas do Alasca e do norte do Canadá com o corpo congelado e volta a se mover quando a primavera chega
- Enquanto outras rãs do norte mantêm a temperatura corporal acima do ponto de congelamento dentro d’água, a rã-da-madeira se esconde na camada de folhas secas no chão da floresta e fica exposta ao ar abaixo de zero
- Quando o inverno começa, forma-se gelo ao redor dos órgãos e entre a pele e os músculos, mas uma grande quantidade de glicose produzida pelo fígado impede o congelamento dentro das células e a desidratação
- Durante a hibernação, o movimento muscular, os batimentos cardíacos e a respiração param completamente; na primavera, o corpo descongela de dentro para fora, e as funções voltam na ordem coração, cérebro e pernas
- A tolerância à hiperglicemia, ao congelamento e descongelamento, e a capacidade de se recuperar após a interrupção da circulação sanguínea podem estar ligadas a pesquisas sobre diabetes, preservação de órgãos para transplante e tratamentos para infarto e AVC
Estratégia de hibernação adaptada ao inverno do Ártico
- A característica mais surpreendente da rã-da-madeira não aparece no verão, quando ela passa de girino a rã, mas sim na hibernação de inverno
- As florestas do Alasca e do norte do Canadá têm variações extremas de temperatura
- No verão, o dia pode durar 24 horas e a temperatura pode chegar à casa dos 90°F
- No inverno, temperaturas de -50°F não são raras
- Em Prospect Creek, ao sul da Brooks Range, foi registrada a temperatura mais baixa do Alasca: -80°F
- Como as rãs são animais de sangue frio, sua temperatura corporal fica quase igual à do ar ao redor
- A rã-da-madeira é um pequeno anfíbio que precisa suportar esses longos invernos subárticos
A rã que escolheu o chão da floresta em vez da água
- A maioria das rãs do norte hiberna em águas profundas de lagoas, lagos e riachos
- Elas ficam frias e quase imóveis, mas sua temperatura corporal não cai abaixo do ponto de congelamento
- A rã-da-madeira passa o inverno enterrada entre folhas secas e húmus no chão da floresta
- Folhas, húmus e neve oferecem algum isolamento térmico, mas não protegem totalmente contra temperaturas abaixo de zero como acontece na hibernação dentro d’água
- Por causa dessa estratégia, a rã-da-madeira sobrevive ao inverno em estado congelado
A chance de reprodução dada por um ambiente terrestre que descongela mais rápido
- A neve e o solo em terra firme descongelam e aquecem mais rápido do que lagos cobertos de gelo, permitindo que a rã-da-madeira entre em atividade muito cedo na primavera
- Ao despertar cedo, a rã-da-madeira pode acasalar e botar ovos até mesmo em pequenas lagoas ou poças de água do degelo que podem secar antes do meio do verão
- Rãs que hibernam na água começam a se movimentar mais tarde e, por isso, também se reproduzem mais tarde
- Para essas rãs de reprodução tardia, é necessário haver água permanente que não seque
Por que o gelo costuma ser fatal para os animais
- A maioria dos animais só sobrevive se evitar condições em que seus tecidos congelem
- Quando cristais de gelo se formam dentro do corpo, surgem vários tipos de dano
- Cristais de gelo podem perfurar os vasos sanguíneos
- Se o sangue congela, ele não consegue levar oxigênio e nutrientes aos órgãos, causando graves danos metabólicos
- O gelo retira água das células, provoca desidratação, desorganiza estruturas internas e rompe as paredes celulares
- Esses danos podem levar a lesões internas extensas e fatais
Congelar fora das células e proteger seu interior
- A rã-da-madeira consegue suportar ficar com o corpo rigidamente congelado por até 8 meses a cada ano
- Quando o inverno começa, o gelo rapidamente preenche a cavidade abdominal e envolve os órgãos internos
- Cristais de gelo também se formam entre a pele e os músculos, e as lentes dos olhos congelam, deixando os olhos brancos
- Ao mesmo tempo, o fígado produz grandes quantidades de glicose e a envia para todas as células do corpo
- Essa solução açucarada e viscosa impede que as células congelem
- Ela também se liga às moléculas de água dentro das células e reduz a desidratação
- O corpo da rã-da-madeira permite a formação de gelo na parte externa das células e dos órgãos, mas impede o congelamento no interior das células, evitando danos fatais
A ordem em que um corpo parado volta a despertar
- Durante a hibernação, a rã-da-madeira não tem movimento muscular, não apresenta batimentos cardíacos e não respira
- Durante todo o inverno, ela parece um bloco de gelo frio e duro em forma de rã, mas na verdade permanece viva em estado suspenso
- Quando a primavera chega, a rã-da-madeira descongela de dentro para fora
- Primeiro, o coração volta a bater
- Depois, o cérebro é reativado
- Por fim, as pernas voltam a se mover
- Ainda não se sabe o que faz um coração que ficou congelado e inativo durante todo o inverno do norte voltar a bater
- Depois de totalmente descongelada, a rã-da-madeira atravessa a floresta em busca de lagoas de reprodução ou de outra água adequada
- Em condições que seriam fatais para quase qualquer outro animal, a rã-da-madeira sobrevive sem danos
Potencial para pesquisas em medicina humana
- A glicose no sangue da rã-da-madeira é um elemento-chave para evitar danos aos tecidos nas temperaturas extremas do inverno ártico
- Essa glicose é a mesma substância presente no açúcar no sangue de todos os vertebrados, inclusive os humanos
- Durante a hibernação, a rã-da-madeira consegue tolerar níveis de açúcar no sangue 100 vezes maiores que o normal
- Em humanos com diabetes, níveis de açúcar no sangue apenas 2 a 10 vezes acima do normal já podem causar danos
- Entender como a rã-da-madeira suporta isso pode ajudar no controle da hiperglicemia em pacientes diabéticos
- A resistência da rã-da-madeira ao congelamento pode ajudar na busca por formas de congelar e descongelar órgãos humanos para transplante sem causar danos
- Isso poderia ampliar o tempo disponível entre a retirada do órgão do doador e o transplante no receptor
- Com isso, mais transplantes poderiam se tornar viáveis
- O princípio pelo qual ela interrompe a circulação sanguínea e a restabelece meses depois sem coágulos ou outros danos também é alvo de estudo
- Compreender esse mecanismo pode ser valioso para tratar pessoas cujo fluxo sanguíneo foi interrompido temporariamente por infarto ou AVC
1 comentários
Comentários do Hacker News
Há um bom livro sobre como os animais sobrevivem a invernos rigorosos: Winter World, de Bernd Heinrich
Bernd é um biólogo muito interessante e se aprofunda bastante nos assuntos. Quando explica no livro como os esquilos passam o inverno, ele parte de princípios básicos e desenvolve os cálculos com área de superfície corporal, manutenção da temperatura do corpo, temperatura externa de -40˚C, calorias necessárias por hora e calorias de um único pinhão
Ele chega até a colocar pinhões na boca de um esquilo morto para medir quantos cabem no máximo e obtém o valor de 17, seguindo os cálculos a partir disso, o que é bem curioso
Esquilos não armazenam comida na boca, e sim em depósitos; eles acordam, vão até o depósito, comem e voltam a dormir. Também não saem para coletar pinhões novos a -40°C, e no inverno quase não restam pinhões nas árvores
Talvez a ideia desse cálculo fosse mostrar que essa estratégia não seria boa, mas no cálculo acima também faltam o isolamento térmico da pelagem e do abrigo
A parte mais fascinante dessa história é: “ainda ninguém sabe o que faz o coração do wood frog voltar a bater depois de ficar congelado e inativo durante todo o inverno do norte”
O sapo está completamente congelado e, pelo que sabemos, sem batimentos cardíacos nem atividade cerebral. Mas, quando descongela, alguma coisa volta a funcionar
É difícil imaginar como seria esse mecanismo. Fico pensando se existe uma pequena região do cérebro que rastreia se ele estava congelado, ou se algum sinal químico surge dentro da cavidade corporal
Em humanos e em muitos animais, quem controla os batimentos cardíacos é uma estrutura dentro do coração chamada nó sinoatrial. Cada célula do nó sinoatrial consegue gerar por conta própria sinais elétricos rítmicos
No wood frog, talvez uma dessas células comece a produzir pulsos rítmicos assim que descongela, e, para o coração bater direito, ela precisa se sincronizar com as outras células do nó sinoatrial. Parece algo como chegar a um consenso, com cada célula se ajustando um pouco à fase média das células vizinhas em cada ciclo
Ou talvez tenha a ver com a elasticidade do coração e dos músculos
A menos que, no sapo, o coração dependa do cérebro
Talvez a ordem do descongelamento aconteça ao contrário, começando pelas extremidades, e o coração seja a última parte a descongelar, depois do resto do sistema circulatório. Nesse caso, o fato de o coração ficar no centro teria sido biologicamente vantajoso
Como o wood frog vive só de 3 a 5 anos, ele deve passar por esse ciclo de congelamento/descongelamento no máximo umas 5 vezes. Fico curioso se a vida curta permite tolerar até certo ponto o dano celular acumulado ao longo desses ciclos
Ele também tem cerca de 10 mil vezes menos neurônios do que mamíferos
Mesmo que fosse possível implementar essa bioquímica, quantas vezes uma forma de vida mais avançada conseguiria suportar esse ciclo? Parece que formas de vida mais complexas sacrificaram parte da capacidade de recuperação, como a regeneração de membros. Anfíbios, para começar, já são especialmente bons em regeneração
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Agora fiquei curioso sobre todo tipo de coisa a respeito do cérebro deles. Será que conseguem formar memórias, e essas memórias permanecem depois do ciclo de congelamento/descongelamento?
Quando está congelado, ele parece praticamente morto, e a suposição é de que não há atividade cerebral. Nesse caso, ao descongelar, ele estaria sendo restaurado à vida. Fico me perguntando se outros animais também passam por algo assim
Fico me perguntando por quanto tempo uma estrutura congelada consegue “sobreviver”. Não sei se seria uma boa ideia congelar esses sapos e descongelá-los séculos depois. Como se fossem viajantes do tempo anfíbios
Um estudo mais recente [2] mostrou sobrevivência por 7 meses, com taxa de sobrevivência de 100%
Então parece que mais pesquisas são necessárias
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
Em termos evolutivos, os anfíbios são de certa forma mais simples que os mamíferos, menores que muitos mamíferos e também não vivem tanto, então parte disso pode simplesmente se dever a “coisas que não têm”
Em temperaturas muito baixas, o problema dos produtos finais de glicação avançada também não deve ser tão grande. Outra estratégia para sobreviver ao gelo são as proteínas anticongelantes. Abetos e vários peixes do Ártico têm essas proteínas: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
Ainda assim, continuo sem entender como o potencial de membrana é mantido ou reconstituído na fase de descongelamento. Há algum material de referência sobre isso?
Isso ainda não está estabelecido nem suficientemente compreendido, mas parece uma área promissora de pesquisa
Mesmo que uma região muito pequena ao redor dos canais iônicos permaneça líquida, equilibrando tanto a célula quanto as concentrações iônicas, parece provável que, quando o fluido extracelular descongelar, a concentração original seja quase restaurada
Tartarugas aquáticas têm outra estratégia de brumation. Elas respiram ar, mas podem ficar presas sob o gelo por meses, então reduzem o metabolismo e usam adaptações para obter um pouco de oxigênio da água através dos tecidos retais, além de atividade química relacionada a glicose e cálcio
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
Tenho uma tartaruga em casa que vive sempre em água morna e, talvez por conseguir ver o céu, todo ano nessa época decide entrar em brumation por conta própria e começa a cochilar por dias ou semanas em seu esconderijo submerso
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
O verbo provavelmente deveria ser brumate. Mas aparentemente existe uma vontade forte de alinhar com hibernation, e isso acontece com muitas palavras. Ou será que foi influência de rumination?
Não é muito inteligente, mas se esforça bastante
Para quem acha que congelamento poderia ser uma opção, não basta simplesmente evitar cristais de gelo
A hipotermia terapêutica em humanos reduz a temperatura em apenas alguns graus, mas o limite não está no tempo passado em estado frio, e sim em restaurar a temperatura corporal normal rápido demais
As mitocôndrias produzem muitas espécies reativas de oxigênio em estado de hipóxia, e restaurar o oxigênio rapidamente causa danos químicos que podem ser a verdadeira causa da morte. Por isso, o retorno à temperatura normal é feito ao longo de várias horas. Imagino que esse não seja o único ciclo metabólico prejudicado pelo super-resfriamento
Este post não tem fotos do sapo. Dá para ver fotos do sapo descongelado e do sapo congelado aqui: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Na Wikipedia diz que, além da glicose, ele também produz ureia, e que ambos atuam como crioprotetores
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
Também é difícil chamar isso de hibernação. Congelar completamente traz outros benefícios colaterais, então isso pode desacelerar ou matar a atividade de muitos microrganismos infecciosos. Talvez haja até algum efeito de extensão da vida útil
Quase não é necessária adaptação comportamental. Quando esfria, o sapo se enterra sob as folhas, congela completamente e, 8 meses depois, descongela e acorda com fome e cheio de vontade de se reproduzir. Nada mal
Os crioprotetores no corpo do sapo não fazem distinção, então provavelmente protegeriam as bactérias externas tanto quanto as células do sapo
Para mim, seria um resultado bem contraintuitivo