- La grenouille des bois passe les rudes hivers des forêts d’Alaska et du nord du Canada le corps gelé, puis recommence à bouger avec l’arrivée du printemps
- Alors que d’autres grenouilles boréales maintiennent leur température corporelle au-dessus du point de congélation dans l’eau, la grenouille des bois se cache dans la couche de feuilles mortes du sol forestier et s’expose à l’air sous zéro
- Au début de l’hiver, de la glace se forme autour des organes ainsi qu’entre la peau et les muscles, mais de grandes quantités de glucose produites par le foie empêchent le gel à l’intérieur des cellules et la déshydratation
- Pendant l’hibernation, les mouvements musculaires, les battements du cœur et la respiration s’arrêtent tous ; au printemps, le corps dégèle de l’intérieur, et les fonctions reviennent dans l’ordre : cœur, cerveau, puis pattes
- Sa tolérance à l’hyperglycémie, sa capacité à geler et dégeler, ainsi qu’à récupérer après l’arrêt de la circulation sanguine, pourraient être liées à la recherche sur le diabète, la conservation des organes à greffer et les traitements de l’infarctus et de l’AVC
Une stratégie d’hibernation adaptée aux hivers du cercle arctique
- La caractéristique la plus étonnante de la grenouille des bois ne se révèle pas en été, lorsqu’elle passe de têtard à grenouille, mais pendant son hibernation hivernale
- Les forêts d’Alaska et du nord du Canada connaissent des variations de température extrêmes
- En été, la lumière du jour peut durer 24 heures et la température peut monter jusqu’à plus de 90 °F
- En hiver, -50 °F n’est pas rare
- À Prospect Creek, au sud de la Brooks Range, la température la plus basse d’Alaska, -80 °F, a été enregistrée
- Les grenouilles sont des animaux à sang froid, si bien que leur température corporelle devient presque identique à celle de l’air ambiant
- La grenouille des bois est un petit amphibien qui doit résister à ces longs hivers subarctiques
Une grenouille qui choisit le sol forestier plutôt que l’eau
- La plupart des grenouilles boréales hibernent profondément sous l’eau, dans des mares, des lacs ou des cours d’eau
- Elles deviennent froides et presque immobiles, mais leur température corporelle ne descend pas sous le point de congélation
- La grenouille des bois passe l’hiver enfouie dans les feuilles mortes et l’humus du sol forestier
- Les feuilles mortes, l’humus et la neige assurent une certaine isolation, mais ne la protègent pas totalement des températures négatives comme le ferait une hibernation sous l’eau
- À cause de cette stratégie, la grenouille des bois survit pendant l’hiver à l’état gelé
L’occasion de se reproduire offerte par une terre qui dégèle vite
- La neige et le sol sur la terre ferme fondent et se réchauffent plus vite que les lacs couverts de glace, ce qui permet à la grenouille des bois de devenir active très tôt au printemps
- Réveillée tôt, elle peut s’accoupler et pondre même dans de petites mares ou des flaques de fonte des neiges susceptibles de s’assécher avant le milieu de l’été
- Les grenouilles qui hibernent sous l’eau commencent leur activité plus tard, et leur reproduction est donc aussi retardée
- Les grenouilles qui se reproduisent tard ont besoin d’eaux permanentes qui ne s’assèchent pas
Pourquoi la glace est mortelle pour les animaux ordinaires
- La plupart des animaux doivent éviter les conditions où leur chair gèle pour survivre
- Lorsque des cristaux de glace se forment dans le corps, plusieurs types de dommages s’ensuivent
- Les cristaux de glace peuvent perforer les vaisseaux sanguins
- Si le sang gèle, il ne peut plus transporter l’oxygène et les nutriments vers les organes, ce qui provoque de graves dommages métaboliques
- La glace prive les cellules de leur eau, provoque une déshydratation, désorganise les structures internes des cellules et détruit les parois cellulaires
- Ces dégâts entraînent des lésions internes étendues et mortelles
Geler l’extérieur des cellules tout en protégeant leur intérieur
- La grenouille des bois peut supporter chaque année jusqu’à 8 mois avec le corps solidement gelé
- Au début de l’hiver, la glace remplit rapidement la cavité abdominale et enveloppe les organes internes
- Des cristaux de glace se forment aussi entre la peau et les muscles, et les cristallins gèlent, rendant les yeux blancs
- Dans le même temps, le foie produit de grandes quantités de glucose et les diffuse vers toutes les cellules du corps
- Cette solution sucrée et visqueuse empêche les cellules de geler
- Elle se lie aux molécules d’eau à l’intérieur des cellules et réduit la déshydratation
- Le corps de la grenouille des bois laisse la glace se former à l’extérieur des cellules et des organes, mais empêche le gel à l’intérieur des cellules, évitant ainsi des dommages mortels
L’ordre dans lequel un corps arrêté se réveille
- Une grenouille des bois en hibernation n’a aucun mouvement musculaire, aucun battement de cœur et ne respire pas
- Tout l’hiver, elle ressemble à un bloc de glace froid et dur en forme de grenouille, mais elle est en réalité vivante, en état d’arrêt
- Au printemps, la grenouille des bois dégèle de l’intérieur vers l’extérieur
- Le cœur recommence d’abord à battre
- Puis le cerveau s’active
- Enfin, les pattes se mettent à bouger
- On ignore encore ce qui fait redémarrer le cœur après qu’il est resté gelé et inactif pendant tout l’hiver nordique
- Une fois entièrement décongelée, la grenouille des bois traverse la forêt à la recherche d’une mare ou d’un plan d’eau adapté pour se reproduire
- La grenouille des bois survit sans dommage à des conditions qui seraient mortelles pour presque tous les autres animaux
Des pistes possibles pour la recherche médicale humaine
- Le glucose présent dans le sang de la grenouille des bois est un élément clé pour empêcher les dommages aux tissus lors des températures extrêmes de l’hiver arctique
- Ce glucose est la même substance que la glycémie chez tous les vertébrés, humains compris
- Pendant l’hibernation, la grenouille des bois peut tolérer une glycémie 100 fois supérieure à la normale
- Chez les patients diabétiques humains, une glycémie 2 à 10 fois supérieure à la normale peut déjà provoquer des lésions
- Comprendre comment la grenouille des bois y résiste pourrait aider à mieux gérer l’hyperglycémie chez les patients diabétiques
- La résistance au gel de la grenouille des bois pourrait servir à trouver des méthodes permettant de congeler et décongeler sans dommage des organes humains destinés à la transplantation
- Cela pourrait allonger le délai disponible entre le prélèvement d’un organe chez un donneur et sa greffe chez un receveur
- Davantage de greffes pourraient ainsi devenir possibles
- Les principes qui lui permettent d’arrêter la circulation sanguine puis de la relancer plusieurs mois plus tard sans caillots ni autres dommages font également l’objet de recherches
- Comprendre ce mécanisme pourrait être précieux pour traiter des personnes dont le flux sanguin s’est temporairement interrompu à la suite d’un infarctus ou d’un AVC
1 commentaires
Avis de Hacker News
Un bon livre sur la façon dont les animaux survivent aux hivers extrêmes est Winter World, de Bernd Heinrich.
Bernd est un biologiste vraiment passionnant, qui va au fond des choses. Dans le livre, lorsqu’il explique comment les écureuils passent l’hiver, il repart aussi des premiers principes, avec des calculs autour de la surface corporelle, du maintien de la température du corps, d’une température extérieure de -40 °C, des calories nécessaires par heure, des calories contenues dans un pignon de pin, etc.
Il va même jusqu’à mettre des pignons dans la bouche d’un écureuil mort pour mesurer combien peuvent y entrer au maximum, obtient le chiffre de 17, puis poursuit ses calculs à partir de là ; c’est assez amusant.
Les écureuils ne stockent pas la nourriture dans leur bouche, ils la mettent dans des caches, puis se réveillent, vont à la cache, mangent et se rendorment. Ils ne sortent pas non plus par -40 °C pour ramasser de nouveaux pignons, et en hiver il n’en reste pas beaucoup sur les arbres.
Peut-être que l’objectif du calcul était de montrer que cette stratégie ne serait pas bonne, mais le calcul ci-dessus omet aussi l’isolation fournie par la fourrure et le nid.
Le passage disant que « personne ne sait encore ce qui fait repartir le cœur de la grenouille des bois, restée gelée et inactive pendant tout l’hiver nordique », est ce qu’il y a de plus fascinant dans cette histoire.
La grenouille est complètement gelée et, pour autant qu’on le sache, il n’y a ni battement cardiaque ni activité cérébrale. Mais quand elle dégèle, quelque chose redémarre.
Il est difficile d’imaginer à quoi ressemble ce mécanisme. Je me demande s’il existe une petite zone du cerveau qui garde la trace du fait qu’elle était gelée, ou si un signal chimique est émis depuis l’intérieur de la cavité corporelle.
Chez l’humain et de nombreux animaux, ce qui contrôle le rythme cardiaque est une structure située dans le cœur, appelée nœud sinusal. Chaque cellule du nœud sinusal peut produire d’elle-même un signal électrique rythmique.
Chez la grenouille des bois, dès que l’une de ces cellules dégèle, elle commence probablement aussitôt à générer des impulsions rythmiques ; pour que le cœur batte correctement, elle doit ensuite se synchroniser avec les autres cellules du nœud sinusal. J’imagine un mécanisme où chaque cellule ajuste légèrement, à chaque cycle, sa phase vers la phase moyenne de ses voisines, jusqu’à parvenir à un consensus.
Ou bien que cela vienne de l’élasticité du cœur et des muscles.
Sauf si, chez la grenouille, le cœur dépend du cerveau.
Peut-être que l’ordre du dégel se fait à l’inverse, en commençant par les membres, et que le cœur dégèle en dernier après le reste du système circulatoire. Dans ce cas, le fait que le cœur soit au centre aurait été biologiquement avantageux.
La grenouille des bois ne vit que 3 à 5 ans, donc elle ne traverse probablement ces cycles gel/dégel qu’environ 5 fois au maximum. Je me demande si sa courte durée de vie lui permet de tolérer dans une certaine mesure les dommages cellulaires qui s’accumulent pendant ces cycles.
Elle possède aussi environ 10 000 fois moins de neurones qu’un mammifère.
Même si l’on pouvait reproduire cette biochimie, combien de ces cycles un organisme plus évolué pourrait-il supporter ? Les organismes complexes semblent avoir sacrifié une partie de leur résilience, comme la capacité à régénérer des membres. Les amphibiens, de toute façon, sont particulièrement doués pour la régénération.
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Maintenant, j’ai toutes sortes de questions sur leur cerveau. Je me demande s’ils peuvent former des souvenirs, et si ces souvenirs subsistent après un cycle gel/dégel.
Lorsqu’ils sont gelés, on suppose qu’ils sont en fait dans un état proche de la mort, sans activité cérébrale. Dans ce cas, le dégel les ramène à la vie. Je me demande si d’autres animaux connaissent ce phénomène.
Je me demande combien de temps une structure gelée peut « survivre ». Je ne sais pas si ce serait une bonne idée de congeler ce genre de grenouille puis de la décongeler des siècles plus tard. Comme un amphibien voyageur temporel
Dans une nouvelle étude [2], elles ont survécu 7 mois, avec un taux de survie de 100 %
Il semble donc qu’il faille davantage de recherches
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
Sur le plan évolutif, les amphibiens sont dans une certaine mesure plus simples que les mammifères, plus petits que beaucoup d’entre eux et ne vivent pas aussi longtemps ; je pense donc qu’une partie de l’explication pourrait simplement tenir à ce qu’ils « n’ont pas »
Comme la température est très basse, le problème des produits terminaux de glycation avancée ne devrait pas être si important. Une autre stratégie pour survivre dans la glace consiste à utiliser des protéines antigel. Les sapins et plusieurs poissons arctiques possèdent ce type de protéines : https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
Cela dit, je ne vois toujours pas comment le potentiel de membrane est maintenu ou reconstruit lors de la phase de décongélation. Y a-t-il des ressources utiles à ce sujet ?
Ce n’est pas encore établi ni suffisamment compris, mais cela ressemble à un domaine de recherche prometteur
Même si une toute petite zone autour des canaux ioniques reste liquide et équilibre à la fois la cellule et les concentrations ioniques, il me semble que la concentration d’origine serait presque rétablie lorsque le liquide extracellulaire fond
Les tortues aquatiques ont une autre stratégie de brumation. Elles respirent de l’air, mais comme elles peuvent rester piégées sous la glace pendant des mois, elles utilisent des adaptations qui abaissent leur métabolisme et leur permettent d’obtenir un peu d’oxygène dans l’eau via les tissus rectaux, ainsi que des processus chimiques liés au glucose et au calcium
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
J’ai chez moi une tortue qui vit toujours dans une eau chaude ; pourtant, sans doute parce qu’elle peut voir le ciel, elle décide d’elle-même, à cette période de l’année, d’entrer en brumation et commence à faire des siestes de plusieurs jours ou semaines dans sa cachette sous l’eau
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
Le verbe devrait être brumate, je suppose. Mais l’envie de l’aligner sur hibernation semble forte, et ce genre de chose arrive avec beaucoup de mots. Ou alors était-ce l’influence de rumination ?
Elle n’est pas très futée, mais elle s’applique
Pour ceux qui pensent que la congélation pourrait être une option, il ne suffit pas d’éviter les cristaux de glace
L’hypothermie médicale chez l’humain ne baisse la température que de quelques degrés, et pourtant la limite n’est pas le temps passé au froid, mais le fait de retrouver une température normale trop rapidement
Les mitochondries produisent beaucoup d’espèces réactives de l’oxygène en état d’hypoxie, et le rétablissement rapide de l’oxygène provoque les dégâts chimiques qui sont la véritable cause de la mort. C’est pourquoi on ramène la température normale sur plusieurs heures. Ce n’est probablement pas le seul cycle métabolique perturbé par la surfusion
Cet article ne contient pas de photo de grenouille. On peut voir des photos de grenouilles dégelées et gelées ici : https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Le wiki indique qu’en plus du glucose, de l’urée est également produite, et que les deux agissent comme cryoprotecteurs.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
Il est même difficile d’appeler cela une hibernation. Le fait de geler complètement présente aussi d’autres avantages annexes : cela peut ralentir l’activité de nombreux micro-organismes infectieux, voire les tuer. Il pourrait aussi y avoir, dans une certaine mesure, un effet d’allongement de la durée de vie.
Cela ne demande pas non plus beaucoup d’adaptation comportementale. Quand il fait froid, la grenouille s’enfouit sous les feuilles, gèle complètement, puis dégèle huit mois plus tard et se réveille affamée, avec une forte envie de se reproduire. Pas mal.
Les cryoprotecteurs présents dans le corps de la grenouille ne font pas la distinction ; ils protégeraient donc aussi les bactéries externes autant que les cellules de la grenouille.
Pour moi, ce serait un résultat assez contre-intuitif.