Biologisches Wunder – der Waldfrosch

 (nps.gov)
1 Punkte von GN⁺ 2024-11-16 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Der Waldfrosch verbringt die harten Winter in den Wäldern Alaskas und Nordkanadas in einem Zustand, in dem sein Körper eingefroren ist, und beginnt im Frühling wieder, sich zu bewegen
  • Während andere nördliche Frösche ihre Körpertemperatur im Wasser über dem Gefrierpunkt halten, versteckt sich der Waldfrosch in der Laubschicht am Waldboden und ist Luft unter null Grad ausgesetzt
  • Wenn der Winter beginnt, bildet sich Eis um die Organe sowie zwischen Haut und Muskeln, doch große Mengen an Glukose, die die Leber produziert, verhindern das Gefrieren im Zellinneren und die Austrocknung
  • Während der Winterruhe kommen Muskelbewegungen, Herzschlag und Atmung vollständig zum Stillstand; im Frühling taut der Körper von innen nach außen auf, und die Funktionen kehren in der Reihenfolge Herz, Gehirn, Beine zurück
  • Die Toleranz gegenüber hohem Blutzucker, das Einfrieren und Auftauen sowie die Fähigkeit, sich nach einem Stillstand des Blutkreislaufs zu erholen, könnten mit der Forschung zu Diabetes, der Konservierung von Transplantationsorganen und der Behandlung von Herzinfarkt und Schlaganfall zusammenhängen

Winterruhestrategie für den arktischen Winter

  • Die erstaunlichste Eigenschaft des Waldfroschs zeigt sich nicht im Sommer, wenn er sich von der Kaulquappe zum Frosch entwickelt, sondern in der Winterruhe
  • Die Wälder Alaskas und Nordkanadas sind von extremen Temperaturschwankungen geprägt
    • Im Sommer dauert der Tag 24 Stunden, und die Temperaturen können auf Werte in den 90ern °F steigen
    • Im Winter sind -50°F keine Seltenheit
    • In Prospect Creek südlich der Brooks Range wurde mit -80°F die niedrigste jemals in Alaska gemessene Temperatur aufgezeichnet
  • Frösche sind wechselwarme Tiere, daher entspricht ihre Körpertemperatur fast der Umgebungsluft
  • Der Waldfrosch ist ein kleines Amphibium, das solche langen subarktischen Winter überstehen muss

Ein Frosch, der statt Wasser den Waldboden wählt

  • Die meisten nördlichen Frösche halten Winterruhe in den tieferen Wasserschichten von Teichen, Seen und Bächen
    • Sie werden kalt und nahezu bewegungslos, doch ihre Körpertemperatur sinkt nicht unter den Gefrierpunkt
  • Der Waldfrosch verbringt den Winter eingegraben in Laub und Humus am Waldboden
    • Laub, Humus und Schnee isolieren bis zu einem gewissen Grad, schützen aber nicht so vollständig vor Minusgraden wie die Winterruhe im Wasser
  • Durch diese Strategie überlebt der Waldfrosch den Winter in eingefrorenem Zustand

Früh auftauendes Land als Fortpflanzungsvorteil

  • Schnee und Boden an Land tauen schneller auf und erwärmen sich früher als eisbedeckte Seen, sodass der Waldfrosch im Frühling sehr früh aktiv werden kann
  • Früh erwachte Waldfrosche können sich sogar in kleinen Teichen oder in Schneeschmelzpfützen, die noch vor dem Hochsommer austrocknen können, paaren und Eier ablegen
  • Frösche, die im Wasser überwintern, beginnen später mit ihrer Aktivität und pflanzen sich deshalb auch später fort
  • Spät brütende Frösche sind auf dauerhafte Gewässer angewiesen, die nicht austrocknen

Warum Eis für gewöhnliche Tiere tödlich ist

  • Die meisten Tiere können nur überleben, wenn sie Bedingungen vermeiden, unter denen ihr Gewebe gefriert
  • Wenn sich im Körper Eiskristalle bilden, führt das zu verschiedenen Schäden
    • Eiskristalle können Blutgefäße durchstechen
    • Wenn Blut gefriert, können Organe nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden, was schwere Stoffwechselschäden verursacht
    • Eis entzieht den Zellen Wasser, verursacht Austrocknung, stört die inneren Zellstrukturen und zerstört Zellwände
  • Solche Schäden führen zu weitreichenden und tödlichen inneren Verletzungen

Außen gefrieren lassen, innen schützen

  • Der Waldfrosch kann jedes Jahr bis zu 8 Monate in vollständig eingefrorenem Zustand überstehen
  • Mit Beginn des Winters füllt Eis rasch die Bauchhöhle und umhüllt die inneren Organe
  • Auch zwischen Haut und Muskeln bilden sich Eiskristalle, und die Linsen gefrieren, wodurch die Augen weiß werden
  • Gleichzeitig produziert die Leber große Mengen an Glukose und leitet sie in alle Zellen des Körpers weiter
    • Die zähflüssige Zuckerlösung verhindert, dass die Zellen gefrieren
    • Sie bindet sich an Wassermoleküle in den Zellen und verringert so die Austrocknung
  • Der Körper des Waldfroschs lässt Eis an der Außenseite von Zellen und Organen zu, verhindert aber das Gefrieren im Inneren der Zellen und vermeidet so tödliche Schäden

In welcher Reihenfolge der stillgelegte Körper wieder erwacht

  • Während der Winterruhe zeigt der Waldfrosch keine Muskelbewegungen, keinen Herzschlag und keine Atmung
  • Den ganzen Winter über sieht er aus wie ein kalter, harter Klumpen Eis in Froschform, lebt aber tatsächlich in einem Stillstandszustand weiter
  • Wenn der Frühling kommt, taut der Waldfrosch von innen nach außen auf
    • Zuerst beginnt das Herz wieder zu schlagen
    • Danach wird das Gehirn aktiv
    • Zuletzt beginnen sich die Beine zu bewegen
  • Warum ein Herz, das den ganzen nördlichen Winter über eingefroren und inaktiv war, wieder zu schlagen beginnt, ist noch unbekannt
  • Vollständig aufgetaut wandert der Waldfrosch durch den Wald auf der Suche nach einem Laichgewässer oder anderem geeigneten Wasser
  • Unter Bedingungen, die für fast alle anderen Tiere tödlich wären, überlebt der Waldfrosch ohne Schäden

Potenzial für die medizinische Forschung am Menschen

  • Die Glukose im Blut des Waldfroschs ist ein Schlüsselelement, das Gewebeschäden bei extremen arktischen Wintertemperaturen verhindert
  • Diese Glukose ist dieselbe Substanz wie der Blutzucker aller Wirbeltiere, einschließlich des Menschen
  • Während der Winterruhe kann der Waldfrosch einen 100-fach erhöhten Blutzuckerspiegel gegenüber dem Normalwert tolerieren
    • Bei Menschen mit Diabetes können schon Blutzuckerwerte, die 2- bis 10-mal über dem Normalwert liegen, Schäden verursachen
    • Wenn man versteht, wie der Waldfrosch das aushält, könnte das beim Umgang mit hohem Blutzucker bei Diabetespatienten helfen
  • Die Frostresistenz des Waldfroschs könnte dazu beitragen, Methoden zu finden, menschliche Transplantationsorgane ohne Schäden einzufrieren und wieder aufzutauen
    • Dadurch könnte die zulässige Zeit zwischen der Entnahme eines Organs vom Spender und der Transplantation auf den Empfänger verlängert werden
    • Mehr Transplantationen könnten möglich werden
  • Auch die Prinzipien, mit denen nach einem monatelangen Stillstand des Blutkreislaufs die Zirkulation wieder einsetzt, ohne Blutgerinnsel oder andere Schäden zu verursachen, sind Gegenstand der Forschung
    • Ein Verständnis dieses Mechanismus könnte für die Behandlung von Menschen wertvoll sein, bei denen der Blutfluss durch Herzinfarkt oder Schlaganfall vorübergehend zum Erliegen gekommen ist

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-11-16
Hacker-News-Kommentare

  • Ein gutes Buch darüber, wie Tiere den bitterkalten Winter überstehen, ist Bernd Heinrichs Winter World
    Bernd ist ein sehr interessanter Biologe, der sich tief in die Materie eingräbt. Selbst wenn er im Buch erklärt, wie Eichhörnchen überwintern, geht er von ersten Prinzipien aus und entwickelt Berechnungen anhand von Körperoberfläche, Wärmeerhalt, Außentemperaturen von -40 ˚C, benötigter Wärme pro Stunde und dem Energiegehalt eines einzelnen Pinienkerns
    Er steckt sogar Pinienkerne in das Maul eines toten Eichhörnchens, um zu messen, wie viele maximal hineinpassen, kommt auf 17 Stück und führt darauf basierend die Rechnung weiter, was ziemlich unterhaltsam ist

    • Die Stelle „Ich habe Pinienkerne in das Maul eines toten Eichhörnchens gesteckt, bis keine mehr hineinpassten, und es waren 17“ ist etwas seltsam. Abgesehen von dem makabren Witz verstehe ich nicht, welchen Sinn das haben soll
      Eichhörnchen lagern Futter nicht im Maul, sondern in Vorräten, wachen auf, gehen zu ihrem Vorrat, fressen und schlafen wieder ein. Sie gehen bei -40 °C auch nicht hinaus, um neue Pinienkerne zu sammeln, und im Winter bleiben an den Bäumen ohnehin kaum welche übrig
      Vielleicht sollte die Rechnung zeigen, dass so eine Strategie nicht besonders gut wäre, aber in der obigen Berechnung fehlt auch die Isolationswirkung von Fell und Schlafplatz

  • Der faszinierendste Teil dieser Geschichte ist die Aussage: „Noch immer weiß niemand, warum das Herz des wood frog, das den ganzen nordischen Winter über eingefroren und inaktiv war, wieder anfängt zu schlagen“
    Der Frosch ist vollständig gefroren, und soweit wir wissen gibt es weder Herzschlag noch Hirnaktivität. Und doch springt beim Auftauen irgendetwas wieder an
    Es ist schwer vorstellbar, wie dieser Mechanismus aussieht. Ich frage mich, ob es einen kleinen Bereich im Gehirn gibt, der verfolgt, dass der Frosch eingefroren war, oder ob aus der Körperhöhle irgendein chemisches Signal kommt

    • Ich habe https://en.wikipedia.org/wiki/Sinoatrial_node#Function überflogen, und vielleicht läuft es etwa so
      Bei Menschen und vielen Tieren wird der Herzschlag von einer Struktur im Herzen gesteuert, dem Sinusknoten. Jede Zelle des Sinusknotens kann selbst rhythmische elektrische Signale erzeugen
      Beim wood frog könnte eine dieser Zellen direkt nach dem Auftauen wieder beginnen, rhythmische Pulse zu erzeugen, und damit das Herz richtig schlägt, müsste sie sich mit den übrigen Zellen des Sinusknotens synchronisieren. Wahrscheinlich geschieht das, indem sich jede Zelle in jedem Zyklus ein wenig an die mittlere Phase ihrer Nachbarzellen anpasst, bis ein gemeinsamer Takt erreicht ist
    • Es könnte auch so etwas wie ein neuronales Bit-Flip im Froschgehirn durch Sonneneinstrahlung sein
      Oder vielleicht liegt es an der Elastizität von Herz und Muskeln
    • Es könnte sich um eine temperaturabhängige chemische Reaktion handeln
    • Aus der Sicht von jemandem mit wenig Biologiekenntnissen wirkt die Antwort „Wenn genug vom Körper aufgetaut ist, damit das Herz schlagen kann, schlägt es eben“ etwas unbefriedigend
      Es sei denn, das Herz ist beim Frosch tatsächlich vom Gehirn abhängig
    • Verwirrend ist, dass nicht nur das Herz, sondern das gesamte Kreislaufsystem wieder anlaufen muss
      Vielleicht verläuft das Auftauen in umgekehrter Reihenfolge von den Gliedmaßen nach innen, und das Herz taut erst ganz am Ende auf, nachdem der restliche Kreislauf wieder frei ist. In diesem Fall wäre die zentrale Lage des Herzens biologisch vorteilhaft

  • Der wood frog lebt nur 3 bis 5 Jahre und durchläuft diesen Gefrier-/Auftauzyklus also höchstens etwa fünfmal. Ich frage mich, ob die kurze Lebensdauer es ihm erlaubt, die sich dabei ansammelnden Zellschäden einigermaßen zu verkraften
    Er hat auch etwa 10.000-mal weniger Neuronen als Säugetiere
    Selbst wenn man diese Biochemie nachbilden könnte: Wie oft würde ein höher entwickeltes Lebewesen so einen Zyklus aushalten? Komplexere Lebewesen scheinen einen Teil ihrer Regenerationsfähigkeit, etwa das Nachwachsen von Gliedmaßen, geopfert zu haben. Amphibien sind ohnehin besonders gut in Regeneration

    • „Frösche frieren nicht einmal ein und bleiben dann einfach gefroren, sondern durchlaufen über ein bis zwei Wochen hinweg nachts Gefrier- und tagsüber Auftauphasen, bis die Temperaturen dauerhaft unter null fallen“
      https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
    • Wir wissen nicht, warum wir die Fähigkeit verloren haben, Gliedmaßen nachwachsen zu lassen. Welchen Platz hat das stattdessen in der DNA geschaffen?

  • Jetzt frage ich mich alle möglichen Dinge über ihr Gehirn. Können sie Erinnerungen bilden, und bleiben diese nach einem Gefrier-/Auftauzyklus erhalten?
    Im gefrorenen Zustand sind sie faktisch tot, und man nimmt an, dass es keine Hirnaktivität gibt. Wenn sie auftauen, werden sie also wieder ins Leben zurückversetzt. Ich frage mich, ob andere Tiere auch so etwas erleben

    • Soweit ich gelesen habe, wandern sie im Winter offenbar. Sie gehen etwa 0,5 Meilen bergauf, aber Erwachsene kehren im Frühjahr immer zu demselben Laichgewässer zurück, also ist diese Information irgendwo gespeichert
    • So wie ein Computerspeicher nach einem Neustart erhalten bleibt, könnte auch das Gehirn dieses Frosches seine innere Struktur und synaptischen Verbindungen über den Gefrier-/Auftauzyklus hinweg bewahren
    • Fühlt sich an wie ein Fortsetzen nach dem Ruhezustand

  • Ich frage mich, wie lange eine eingefrorene Struktur „überleben“ kann. Ich bin nicht sicher, ob es eine gute Idee wäre, solche Frösche einzufrieren und erst Jahrhunderte später wieder aufzutauen. Wie amphibische Zeitreisende

  • Evolutionsbiologisch sind Amphibien in gewisser Weise einfacher als Säugetiere, kleiner als viele Säugetiere und leben auch nicht besonders lange, daher könnte manches einfach daran liegen, dass gewisse Dinge „nicht vorhanden“ sind.
    Bei sehr niedrigen Temperaturen dürfte das Problem mit fortgeschrittenen Glykationsendprodukten auch nicht so groß sein. Eine andere Strategie zum Überleben im Eis sind Antifrostproteine. Tannen und verschiedene arktische Fische besitzen solche Proteine: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
    Trotzdem ist mir immer noch nicht klar, wie beim Auftauen das Membranpotenzial aufrechterhalten oder wiederhergestellt wird. Gibt es dazu gute Quellen?

    • In einigen Arbeiten von Michael Levin scheint es eine Linie zu geben, die darauf hindeutet, dass Membranpotenziale in Mikrotubuli-Strukturen „kodiert“ und später wieder in Potenziale zurückverwandelt werden können
      Das ist noch nicht etabliert oder ausreichend verstanden, wirkt aber wie ein vielversprechendes Forschungsgebiet
    • Es könnte auch daran liegen, dass sich Eis außerhalb der Zellen bildet und dadurch die Ionen an Ort und Stelle fixiert werden
      Selbst wenn winzige Bereiche um die Ionenkanäle flüssig bleiben und sowohl die Zellen als auch die Ionenkonzentrationen ins Gleichgewicht bringen, scheint es wahrscheinlich, dass beim Auftauen der extrazellulären Flüssigkeit die ursprünglichen Konzentrationen nahezu wiederhergestellt werden

  • Wasserschildkröten haben eine andere Brumations-Strategie. Sie atmen Luft, können aber monatelang unter dem Eis eingeschlossen sein, weshalb sie ihren Stoffwechsel herunterfahren und Anpassungen nutzen, um über das Rektalgewebe etwas Sauerstoff aus dem Wasser aufzunehmen, zusammen mit chemischen Prozessen rund um Glukose und Kalzium
    https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
    https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
    Ich habe zu Hause eine Schildkröte, die immer in warmem Wasser lebt, aber vielleicht weil sie den Himmel sehen kann, beschließt sie jedes Jahr um diese Zeit von selbst, in Brumation zu gehen, und beginnt dann, in ihrem Unterwasserversteck tagelang oder sogar wochenlang Nickerchen zu machen

    • Das war ein Wort, das ich nicht kannte, und du kennst es streng genommen auch nicht. Das 1965 geprägte Wort lautet brumation
      https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
      Das Verb müsste wohl brumate sein. Aber offenbar ist der Drang groß, es an hibernation anzugleichen, und so etwas passiert bei vielen Wörtern. Oder war es der Einfluss von rumination?
    • Meine Schildkröte versucht auch jedes Jahr das Gleiche, obwohl sie in einem sehr komfortablen, klimatisierten Innengehege lebt
      Besonders schlau ist sie nicht, aber sie bemüht sich

  • Für Menschen, die glauben, Einfrieren könnte eine Option sein: Es reicht nicht, einfach nur Eiskristalle zu vermeiden
    Die menschliche medizinische Hypothermie bedeutet nur eine Absenkung um wenige Grad, und selbst dann liegt die Grenze nicht in der Zeit, die man kalt verbringt, sondern darin, die normale Körpertemperatur zu schnell wiederherzustellen
    Mitochondrien erzeugen unter Sauerstoffmangel viele reaktive Sauerstoffspezies, und wenn man die Sauerstoffversorgung zu schnell wiederherstellt, kommt es zu chemischen Schäden, die tatsächlich die Todesursache sind. Deshalb wird die normale Körpertemperatur über mehrere Stunden hinweg wiederhergestellt. Das ist vermutlich nicht der einzige Stoffwechselzyklus, der durch Unterkühlung aus dem Takt gerät

    • Könnte man vor dem Abkühlen nicht liposomales ATP in den Blutkreislauf injizieren? Dann könnte man die Mitochondrien vielleicht einfach abschalten. Mit „einfach“ ist hier natürlich nicht gemeint, dass es leicht wäre.

  • Dieser Beitrag enthält keine Froschfotos. Bilder von aufgetauten und gefrorenen Fröschen gibt es hier: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/

  • Es ist schwer, das überhaupt Winterschlaf zu nennen. Das vollständige Einfrieren hat auch andere Nebenvorteile, da es die Aktivität vieler infektiöser Mikroorganismen verlangsamen oder sie abtöten kann. Vielleicht hat es sogar einen gewissen lebensverlängernden Effekt
    Es braucht auch kaum Verhaltensanpassungen. Wenn dem Frosch kalt wird, gräbt er sich unter Laub ein, friert vollständig ein und taut 8 Monate später wieder auf, um hungrig und voller Fortpflanzungstrieb aufzuwachen. Nicht schlecht

    • Ich würde nicht darauf setzen, dass infektiöse Mikroorganismen abgetötet werden
      Die Kryoprotektoren im Körper des Frosches unterscheiden nicht, daher würden externe Bakterien wohl genauso geschützt wie die Zellen des Frosches
    • Falls es keinen lebensverlängernden Effekt gibt, wäre das sogar noch interessanter
      Für mich wäre das ein ziemlich kontraintuitives Ergebnis