Insekter bruger frostvæske for at overleve i koldt klima
Insekter og andre hvirvelløse dyr kan bebo ugæstfrie egne af Jorden, hvor temperaturen ofte kommer under -20 °C. De har tilpasset sig de kolde levevilkår ved hjælp af frostvæske og proteiner.

Billedet viser et udsnit af den Grønlandske natur. I sådanne områder findes et mangfoldigt samfund af hvirvelløse dyr, der udviser fantastiske tilpasninger til de ekstreme temperaturforhold. (Foto: Jesper Givskov Sørensen)

Fascinerende tilpasninger til et særdeles koldt klima har gjort, at insekter og andre hvirvelløse dyr kan leve i på for eksempel Svalbard og Antarktis, hvor temperaturen ofte kommer ned under -20 °C.

På grund af deres relativt lille kropsstørrelse har disse organismer næsten samme temperatur som det omgivende miljø, og det stiller store krav til, hvordan hvirvelløse dyr overlever temperaturpåvirkninger.

Forskellige tilpasninger til kulde

En afgørende udfordring for alle vekselvarme organismer opstår, når temperaturen falder til under 0 °C. Når kropsvæsken inden i og omkring cellerne nedkøles, kan der dannes iskrystaller. Hvis nedkølingen sker for hurtigt, kan der ske en ukontrolleret isdannelse, som til sidst kan ødelægge cellen. Dette må dyrene undgå for at overleve.

Traditionelt har man inddelt kuldetilpasninger i to hovedtyper - nemlig fryseundvigende og frysetolerante. Fryseundvigende dyr undgår isdannelse ved at have et lavt frysepunkt, så der ikke sker isdannelse i organismen, mens de frysetolerante organismer i et vist omfang er i stand til at tåle isdannelse i organismen.

Dyr med frostvæske

Fryseundvigende dyr opnår populært sagt et lavt frysepunkt ved at have frostvæske i deres kropsvæsker. Ligesom almindeligt salt nedsætter vands fryse punkt, kan også andre organiske og uorganiske molekyler som f.eks. glucose eller glycerol sænke vands frysepunkt. Jo højere koncentration, jo lavere frysepunkt.

Oftest vil hvirvelløse dyr, der benytter denne strategi, ikke have konstant lavt frysepunkt, men vil ændre fryse punktet som respons på vinterens komme - det vil sige som respons på faldende temperaturer eller aftagende dagslængde.

En anden respons, der kan forekomme i fryseundvigende organismer er fjernelse af partikler, der virker som vækstpunkter for iskrystaller.

Det kan f.eks. være organiske partikler i tarmen på dyret. Mange hvirvelløse dyr vil tømme deres tarm for at hindre isdannelser, hvis de udsættes for kulde - det gælder også springhalen 'Orchesella cincta'.

Antifryseproteiner

Endelig findes såkaldte antifryseproteiner, som er en unik gruppe af små proteiner, der er karakteriseret ved, at de genkender isoverflader og binder sig til disse, hvorved de hæmmer isens vækst. Således kan disse proteiner sænke frysepunktet (uden at påvirke smeltepunktet) i kropsvæskerne.

Antifryseproteiner kendes fra både fisk, planter, bakterier, svampe og hvirvelløse dyr som biller, edderkopper og mider.

'Orchesella cincta' er en fryseundvigende springhale, som lever i store dele af Europa. (Foto: Steve Hopkins)

Proteinerne er meget effektive, og der findes eksempler på kuldetilpassede insekter, der kan nedsætte frysepunktet af deres kropsvæsker med over 30 °C og overleve temperaturer under -40 °C uden at kropsvæskerne fryser.

Kontrolleret isdannelse

I modsætning til de fryseundvigende er de frysetolerante hvirvelløse dyr som nævnt i stand til at tåle isdannelse i kropsvæskerne. Isdannelsen er meget strengt reguleret, da isen ellers nemt kan sprede sig til cellerne og slå dyret ihjel. Reguleringen opnås ved at regulere koncentrationen af molekyler, der påvirker frysepunktet i og udenfor cellerne.

Nogle af de frysetolerante organismer danner molekyler, der fungerer som vækstpunkter for dannelse af iskrystaller uden for cellerne, således at isen dannes i takt med temperatursænkningen og ikke hurtigt og ukontrolleret. Endelig findes også i frysetolerante organismer en række forskellige antifryseproteiner.

Disse specialiserede molekyler i frysetolerante organismer er alle med til at kontrollere og regulere isdannelsen udenfor cellerne. Netop på grund af den voldsomme effekt, når underafkølet væske fryser, er det ikke hensigtsmæssigt for frysetolerante organismer at have et lavt frysepunkt. Ved at have et relativt højt frysepunkt og ved at danne molekyler, der fungerer som vækstpunkter for isdannelsen, kan disse organismer kontrollere hastigheden af isdannelsen og dens omfang.

Klimatilpasninger globalt set

Kuldetilpasning er gennem evolutionen udviklet gentagne gange uafhængigt af hinanden i forskellige dyregrupper. Hvilken tilpasningsform, de enkelte organismer benytter sig af, afhænger bl.a. af de lokale (regionale) klimatiske forhold. Derfor afspejler udbredelsen af forskellige typer af kuldetilpasning i dag den overordnede geografi og klima. I områder, præget af kontinentalklima er frostperioder normalt relativt forudsigelige, begrænset til vinterperioden og permanente, når temperaturen først er faldet til under frysepunktet.

Fryseundvigende dyr opnår populært sagt et lavt frysepunkt ved at have frostvæske i deres kropsvæsker. Ligesom almindeligt salt nedsætter vands fryse punkt, kan også andre organiske og uorganiske molekyler som f.eks. glucose eller glycerol sænke vands frysepunkt.

Jesper Givskov Sørensen og Simon Bahrndorff

Her er insektarter stærkt frysetolerante og tolererer temperaturer langt under deres frysepunkt.

I områder, præget af kystklima, er vintrene mildere med kortere, men gentagne og mere uforudsigelige frostperioder.

Her findes også frysetolerante arter, men de er typisk kun moderat frysetolerante, det vil sige, de begynder at dø (af andre årsager end isdannelse) mindre end 10 °C grader under deres frysepunkt.

Frysetolerante insekter findes nordpå

I mindre kolde områder findes desuden mange fryseundvigende insektarter, selvom alle strategier forekommer her.

I de arter, der foreløbigt er blevet undersøgt, tyder meget på, at stærkt frysetolerante insekter er mere almindelige på den nordlige halvkugle end på den sydlige. Dette skyldes formodentlig, at størstedelen af alle landmasser findes på den nordlige halvkugle, og det er derfor også her, der findes de største landområder med kontinentalt klima med hårde vintre.

Samtidig er mildt frysetolerante insekter langt hyppigere på den sydlige halvkugle, hvor de relativt små landområder er meget påvirket at ustabilt kystklima, mens fryseundvigelse er mere udbredt blandt insekter fra samme kystklima-områder på den nordlige halvkugle. Forskellige strategier har altså øjensynligt løst samme opgave på hver af de to halvkugler.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker