راز حیواناتی که یخ می‌زنند اما نمی‌میرند

لحظاتی بعد، توضیح داد که واقعاً قورباغه را پرتاب نکرده و برای اثرگذاری بیشتر، به جای قورباغه، یک تکه یخ را به سمت دیوار نشانه گرفته است. اما هدف او از این کار، به تصویر کشیدن یک نکته بود: این که قورباغه‌ی جنگلی واقعاً مثل «یخ» منجمد می‌شود تا در زمستان زنده بماند. سپس در فصل بهار دوباره آب می‌شود.

قورباغه‌ی جنگلی یکی از حیوانات روی زمین است که توانایی منجمد شدن را دارد و مطالعات زیادی روی آن انجام شده است. وقتی دمای هوا در پاییز پایین می‌آید، این قورباغه لابلای برگ‌ها جای می‌گیرد و اجازه می‌دهد سرما به بدنش نفوذ کند تا زمانی که به طور کامل بدنش از حرکت بایستد: قلب، مغز و تمامی اندام.

اما قورباغه‌ی جنگلی تنها گونه‌ای نیست که موقتاً می‌میرد و دوباره زنده می‌شود. هزاران لارو حشره نیز منجمد و آب می‌شوند و برخی از آن‌ها بسته به آب و هوا این کار را هر روز انجام می‌دهند. لاک‌پشت‌های رنگینِ جوان می‌توانند بدون این روش‌ها یخ بزنند. کندرو‌ها نیز آب بدنشان را به طور کامل از دست می‌دهند و منتظر بهار می‌مانند.

کِنِث اِستوری، استاد بیوشیمیِ دانشگاهِ کارلتونِ اتاوای، کانادا که در زمینه‌ی تحملِ یخ‌زدگی مطالعه می‌کند، می‌گوید: «اگر توانایی یخ زدن داشته باشید در دنیا به وضعیت بهتری دست پیدا می‌کنید.»

اهمیت شکر

استوری درباره اهمیت شکر می‌گوید: «قورباغه‌ی جنگلی را در نظر بگیرید. مایع است، به این طرف و آن طرف می‌پرد و سپس یخ از بیرون به درون آن نفوذ می‌کند. پوست آن اندکی یخ می‌زند و سپس یخ از طریق رگ‌ها و شاهرگ‌ها به بدن او نفوذ می‌کند.» از این جا به بعد فرآیند عجیب‌تر می‌شود. چشمان قورباغه سرد و بی‌روح می‌شود، مغزش از کار می‌افتد و یخ، خون را به سمت قلب قورباغه هدایت می‌کند تا اینکه سرانجام قلب هم با یخ‌زدگی از کار می‌ایستد.

این مرحله‌ی تغییر مستلزم تغییرات مهم در بیوشیمی است. مولکول‌های میکروآر‌اِن‌اِیِ قورباغه سلول‌ها را سازماندهی مجدد می‌کنند تا از آن‌ها در برابر آسیب محافظت کنند. سپس یخ به آهستگی پیرامونِ خارجِ اندام‌ها و سلول‌ها شکل می‌گیرد. همزمان، کبد قورباغه مقادیر باورنکردنی گلوکز را آزاد می‌کند؛ یک مایع شربت‌مانند که مانند ضدیخ برای اندام‌های حیاتی عمل می‌کند و به همه‌جا نفوذ می‌کند از جمله درون سلول‌ها تا جلوی کم شدن و مرگ آن‌ها را بگیرد. سپس در فصل بهار، به نقل از استوری: «خورشید می‌درخشد، گل و لای شکل می‌گیرد، بدن قورباغه گرم می‌شود و یخش آب می‌شود.»

میزانِ یخ‌زدگیِ حیوانات متفاوت است. قورباغه‌های جنگلیِ آلاسکا تا منفی ۵ درجه فارنهایت یخ می‌زنند و قورباغه‌های کارولینای شمالی تا ۸.۶ درجه خنک می‌شوند، اما مکانیسم‌هایشان یکسان است. این فرایند در قورباغه‌های دیگر هم مشاهده شده است از جمله قورباغه‌های درختی قهوه‌ای جنوبی، قورباغه‌ی پیپِر و قورباغه‌ی کریکت، همینطور بسیاری از حشرات و لاروهایشان. اما این تنها راهِ یخ‌زدگی حیوانات نیست. بر اساس مطالعات جدیدِ منتشرشده در مجله‌ی Science of the Total Environment، بچه قورباغه‌های رنگین با سازماندهی مجدد متابولیسم‌شان توسط میکروآراِن‌اِی به روشی که به گلوکزِ بسیار کمتری در قیاس با قورباغه‌های جنگلی نیاز دارد یخ می‌زنند. در نتیجه، آن‌ها به حدی یخ نمی‌زنند که نفس‌شان حبس شود. قورباغه‌های بالغ در گل و لای زیر آب به خواب زمستانی می‌روند، چون می‌توانند چهار ماه بدون نفس کشیدن زنده بمانند.

پروتئین ضدیخ!

واژه‌ی ابرسرماییدن یا Supercool گاهی‌اوقات برای اشاره به اجتناب از یخ‌زدگی زیر صفر به کار می‌رود. اما ابرسرماییدنِ واقعی در طبیعت و به ویژه در اندام‌های انسان خطراتی را به همراه دارد. یخ به چیزی نیاز دارد که دورِ آن شکل بگیرد، چیزی که به آن عاملِ هسته‌زا می‌گویند که می‌تواند به کوچکیِ ذره‌ای غبار یا یک مولکول کلسترول باشد. اما اگر یک حشره یا حیوان بتواند شکل‌گیریِ کریستال‌های یخ را از خود دور کند، خونِ یخ‌زده‌اش مایع می‌ماند. این یک «اگر» بزرگ است. خارج از یک آزمایشگاهِ کنترل‌شده، دنیای ما مملو از عوامل هسته‌زا است. سنجاب زمینیِ قطبی می‌تواند با حذف تمام هسته‌های بالقوه برای شکل‌گیری کریستال‌ها از یخ‌زدگی پیشی بگیرد. این به معنای این نیست که این سنجاب‌ها می‌توانند تا بالاترین حد، ابرسرماییدن را تجربه کنند و اگر بتواند که اینطور نیست، هرگونه نیروی بیرونی یا عامل هسته‌زای مزاحم آن‌ها را به یک قندیل یخی تبدیل می‌کند که دیگر امیدی به حیات دوباره آن‌ها نیست.

حفظ یک عضو در حالت مایع مزایای زیادی دارد، اما اگر همیشه در معرض شکل‌گیری تصادفی یخ قرار گیرد، مشکلی است که باید به آن رسیدگی کرد. به همین دلیل است که بسیاری از گونه‌هایی که در آب و هوای سرد زندگی می‌کنند برای پایین آوردن دمای انجماد خون‌شان، پروتئین یا شکر تولید می‌کنند تا بتوانند بدون یخ‌زدگی، دمای بدنشان را تا زیر ۳۲ درجه پایین بیاورند. برخی گونه‌های ماهی دریایی پروتئین‌های ضدیخ دارند درحالی که بسیاری از حشرات از شکر استفاده می‌کنند.

خواسته‌های مختلف حشرات مختلف برای دستیابی به این هدف تکامل یافته است. لارو‌های مگس مازو در زمستان، وقتی که دمای هوا زیرصفر است منجمد می‌شوند و با گرم شدن هوا آب می‌شوند، حتی ظرف ۲۴ ساعت! اما لارو پروانه‌ی مازو در طول روز و شب مایع می‌ماند. لارو مگس مازو مانند قورباغه‌ی جنگلی از شکر استفاده می‌کند تا از سلول‌هایش در برابر اثرات مخرب دما‌های زیر صفر محافظت کند. لارو پروانه مازو از شکر برای جلوگیری از یخ‌زدگی استفاده می‌کند، به ویژه ابرسرماییدن تا منفی ۳۶ درجه فارنهایت.

از دست دادن آب بدن تا خشکی کامل

کندروها، این بی‌مهرگان میکروسکوپی که در شدیدترین محیط‌های زمین یافت می‌شوند راه مبتکرانه‌ای برای پیشگیری از یخ‌زدگیِ آب درون سلول‌هایشان یافته‌اند: دفع کردن. انسان‌ها نمی‌توانند این کار را انجام دهند. اگر کسی حتی ۵ درصد آب بدنش را از دست بدهد، جانش را از دست می‌دهد. اما کندرو‌ها آب بدنشان را تا زمانی که کاملاً خشک شوند دفع می‌کنند. مغز آن‌ها از کار می‌افتد، هشت پای آن‌ها به داخل کشیده می‌شود و سرما را تحمل می‌کنند. پس می‌توانید آن‌ها را داخل نیتروژن مایع غرق کنید.

کندرو به همین سرعت می‌تواند به حالت اول هم باز گردد. کافیست آب ببیند تا بدنش دوباره جان بگیرد. قورباغه‌های جنگلی و حیوانات دیگری که در شرایط سخت طبیعی دوام می‌آورند کاربرد‌های زیادی در پزشکی دارند به ویژه در دنیای پیوند اعضا. برای مثال، قلب انسان تنها چهار ساعت می‌تواند خارج از بدن زندگی کند. این زمانِ محدود، سببِ محدودیت‌های پشتیبانی می‌شود. به همین دانشندان در تلاش هستند تا مانند قورباغه‌های جنگلی با مقادیر بالای گلوکز، کل کبد یا قلب یا اندام دیگری را منجمد کنند، آن را در زیستِ معلق نگه دارند، با ایمنی دوباره به آن حیات دهند و آن را پیوند بزنند.