Физические условия зимовки на дне водоема
Для видов, проводящих холодный сезон в воде, спасением служит фундаментальное свойство воды. Максимальной плотности вода достигает при температуре плюс четыре градуса Цельсия. По этой причине самый тяжелый слой опускается на дно, тогда как лед формируется на поверхности и изолирует толщу водоема от морозного воздуха. Лягушки выбирают непромерзающие ручьи, озера, старицы или глубокие канавы, где температура у дна стабильно держится в диапазоне от одного до четырех градусов тепла.
В таких условиях зимуют травяная лягушка Rana temporaria, озерная Pelophylax ridibundus и прудовая Pelophylax lessonae. Они устраиваются в донных углублениях, под нависшими берегами, среди камней или под слоем листового опада. Земноводные держатся открытыми для постоянного омывания свежей водой, избегая плотного зарывания в анаэробный донный осадок.
Переход на кожное дыхание
Подо льдом легкие полностью прекращают вентилироваться. Газообмен целиком обеспечивает кожный покров, снабженный густой капиллярной сетью. Эпителий кожи земноводных предельно тонок и проницаем для газов, что позволяет поддерживать базовую жизнь организма в холодной воде.
Холодная вода обладает высокой способностью удерживать растворенные газы. При температуре около нуля градусов концентрация кислорода в свободной воде достигает максимума, если лед прозрачен и под ним продолжается фотосинтез водорослей. Кислород пассивно диффундирует сквозь влажную кожу напрямую в капилляры, связывается с гемоглобином и разносится замедленным током крови к жизненно важным органам. Одновременно через кожу во внешнюю среду диффундирует углекислый газ.
Метаболическая депрессия и физиология оцепенения
Земноводные относятся к пойкилотермным организмам. Температура их тела пассивно следует за температурой внешней среды. Падение температуры до плюс двух градусов автоматически снижает активность ферментов дыхательной цепи митохондрий, замедляя все биохимические реакции организма.
Сердечная деятельность претерпевает кардинальные изменения. Частота сокращений сердца падает с сорока-пятидесяти ударов в минуту летом до одного-двух ударов в минуту или вовсе переходит в режим периодических остановок на несколько десятков минут. Скорость кровотока падает, кровяное давление снижается, кровь перераспределяется в пользу головного мозга и внутренних органов, сокращая перфузию периферических мышц.
Пищеварительная система полностью отключается еще осенью. Желудочно-кишечный тракт освобождается от остатков пищи, перистальтика замирает, выработка пищеварительных ферментов прекращается. Энергетические потребности сводятся к поддержанию трансмембранного ионного потенциала клеток. Расход энергии компенсируется окислением запасов гликогена, накопленного за лето в печени и скелетной мускулатуре.
Биохимическая адаптация мембран и защита тканей
Низкая температура угрожает структуре клеточных мембран. При охлаждении липидный бислой склонен переходить из жидкого кристаллического состояния в твердое гелеобразное, что нарушает работу ионных насосов и каналов. Осенью клетки земноводных меняют липидный состав. Они встраивают в мембраны полиненасыщенные жирные кислоты с изогнутыми углеводородными хвостами, сохраняя текучесть мембран при температуре около нуля градусов.
В плазме крови и тканях амфибий накапливаются осмолиты, включая глицерин и мочевину. Хотя водным лягушкам не требуется сверхвысокая концентрация криопротекторов для предотвращения замерзания льда внутри тела, присутствие многоатомных спиртов стабилизирует четвертичную структуру белков, защищает ферменты от денатурации на холоде и снижает гидратационный стресс.
Опасность гипоксии и анаэробный резерв
Главный риск для зимующих земноводных связан с заморами водоемов. Если водоем мелок, непроточен, а лед покрыт толстым слоем снега, фотосинтез прекращается. Бактерии-деструкторы утилизируют органику на дне, быстро расходуя растворенный кислород до нулевых значений.
При острой гипоксии лягушки переключаются на анаэробный гликолиз. Расщепление гликогена без участия кислорода вырабатывает лактат, приводя к метаболическому ацидозу. Земноводные способны нейтрализовать закисление внутренней среды, высвобождая карбонаты кальция из собственного кожного покрова и скелета для связывания избытка протонов. Этот резервный механизм позволяет пережить локальное кислородное голодание в течение нескольких дней или недель, но долгий дефицит кислорода приводит к массовой гибели популяции.
Частые вопросы
Может ли травяная лягушка выжить, если вмерзнет в лед?
Нет, прямое вмерзание в толщу льда для травяной и озерной лягушек смертельно. Внутри их клеток образуются кристаллы льда, разрывающие клеточные стенки и разрушающие сосудистое русло. Они выживают исключительно в незамерзающей жидкой воде у дна водоема.
Пьют ли лягушки воду во время зимней спячки?
Амфибии вообще не пьют воду ртом. Всасывание жидкости происходит исключительно через кожу благодаря осмотическому градиенту. Зимой этот процесс сводится к физиологическому минимуму, а почки практически останавливают фильтрацию мочи.
Почему лягушки не всплывают на поверхность подо льдом?
Перед погружением на дно лягушки освобождают легкие от избыточного воздуха, из-за чего их плавучесть становится отрицательной. В состоянии глубокого оцепенения тонус мышц снижен, тело пассивно лежит на грунте и не тратит энергию на удержание глубины.
Как быстро лягушка возвращается к нормальной жизни весной?
Процесс занимает от нескольких часов до пары суток по мере прогрева воды. Повышение температуры ускоряет ферментативные реакции, восстанавливает сердечный ритм, земноводные поднимаются к поверхности, делают первые вдохи легкими и начинают активно питаться.