Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии
Данные о температуре замерзания жука Upis ceramboides, а также о наличии в его гемолимфе нуклеаторов льда свидетельствуют о морозотолерантности этого вида насекомых. Результаты исследований показали высокую активность нуклеаторов льда, которые способны инициировать льдообразование при температуре –7...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы криобиологии и криомедицины |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137105 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии / Н.Г. Ли // Проблемы криобиологии. — 2006. — Т. 16, № 3. — С. 303-310. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137105 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ли, Н.Г. 2018-06-16T23:13:48Z 2018-06-16T23:13:48Z 2006 Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии / Н.Г. Ли // Проблемы криобиологии. — 2006. — Т. 16, № 3. — С. 303-310. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137105 595.7:591.54 Данные о температуре замерзания жука Upis ceramboides, а также о наличии в его гемолимфе нуклеаторов льда свидетельствуют о морозотолерантности этого вида насекомых. Результаты исследований показали высокую активность нуклеаторов льда, которые способны инициировать льдообразование при температуре –7°С. Для исследуемых насекомых характерна большая водосохраняющая способность летом по сравнению с зимним периодом, вследствие снижения скорости дыхания. Возможно, это обусловлено экологическими особенностями обитания насекомых. Чувствительность U. ceramboides к скорости охлаждения и зависимость этого параметра от температуры среды свидетельствуют об особенностях механизма морозотолерантности, требующих более детального изучения. Дані щодо температури замерзання жука Upis ceramboides, а також наявності в його гемолімфі нуклеаторів льоду свідчать про морозотолерантність цього виду комах. Результати досліджень довели високу активність нуклеаторів льоду, які здатні ініціювати льодоутворення при – 7°С. Досліджувані комахи мають більшу здатність зберігати воду влітку, ніж взимку, внаслідок зниження швидкості дихання. Припускається, що це обумовлено екологічними умовами проживання комах.Чутливість U. сeramboides до швидкості охолодження та залежність цього параметра від температури середовища свідчать про особливості механізму морозотолерантності, які потребують більш детального вивчення. The data on freezing temperature for Upis ceramboides beetle as well as presence in its hemolymph of ice nucleators testify to a cold-tolerance of this insect species. Research results have shown a high activity of ice nucleators, capable of initiating ice formation even at –7°C. For the insects under study a high water-keeping ability in summer if compared with winter period is characteristic, preconditioned with a respiration rate reduction. It is likely stipulated with ecological peculiarities of their habitat. U. ceramboides sensitivity to cooling rate and dependence of this parameter on environmental temperature testify to the peculiarities of a coldresistance mechanism, requiring a detailed study. Исследования были проведены при поддержке гранта РФФИ Арктика 06-04-96048 (2006-2008 гг.) и Норвежского университета наук и технологий (г.Трондхейм). Автор выражает благодарность профессору Zachariassen K.E. за методическую помощь в проведении экспериментов. ru Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України Проблемы криобиологии и криомедицины Теоретическая и экспериментальная криобиология Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии Ecophysiological peculiarities of cold adaptation of Upis ceramboides beetles habitant in Central Yakutia Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии |
| spellingShingle |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии Ли, Н.Г. Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| title_short |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии |
| title_full |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии |
| title_fullStr |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии |
| title_full_unstemmed |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии |
| title_sort |
экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков upis ceramboides, обитающих в центральной якутии |
| author |
Ли, Н.Г. |
| author_facet |
Ли, Н.Г. |
| topic |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| topic_facet |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы криобиологии и криомедицины |
| publisher |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Ecophysiological peculiarities of cold adaptation of Upis ceramboides beetles habitant in Central Yakutia |
| description |
Данные о температуре замерзания жука Upis ceramboides, а также о наличии в его гемолимфе нуклеаторов льда свидетельствуют о морозотолерантности этого вида насекомых. Результаты исследований показали высокую активность нуклеаторов льда, которые способны инициировать льдообразование при температуре –7°С. Для исследуемых насекомых характерна большая водосохраняющая способность летом по сравнению с зимним периодом, вследствие снижения скорости дыхания. Возможно, это обусловлено экологическими особенностями обитания насекомых. Чувствительность U. ceramboides к скорости охлаждения и зависимость этого параметра от температуры среды свидетельствуют об особенностях механизма морозотолерантности, требующих более детального изучения.
Дані щодо температури замерзання жука Upis ceramboides, а також наявності в його гемолімфі нуклеаторів льоду свідчать про морозотолерантність цього виду комах. Результати досліджень довели високу активність нуклеаторів льоду, які здатні ініціювати льодоутворення при – 7°С. Досліджувані комахи мають більшу здатність зберігати воду влітку, ніж взимку, внаслідок зниження швидкості дихання. Припускається, що це обумовлено екологічними умовами проживання комах.Чутливість U. сeramboides до швидкості охолодження та залежність цього параметра від температури середовища свідчать про особливості механізму морозотолерантності, які потребують більш детального вивчення.
The data on freezing temperature for Upis ceramboides beetle as well as presence in its hemolymph of ice nucleators testify to a cold-tolerance of this insect species. Research results have shown a high activity of ice nucleators, capable of initiating ice formation even at –7°C. For the insects under study a high water-keeping ability in summer if compared with winter period is characteristic, preconditioned with a respiration rate reduction. It is likely stipulated with ecological peculiarities of their habitat. U. ceramboides sensitivity to cooling rate and dependence of this parameter on environmental temperature testify to the peculiarities of a coldresistance mechanism, requiring a detailed study.
|
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137105 |
| citation_txt |
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis ceramboides, обитающих в Центральной Якутии / Н.Г. Ли // Проблемы криобиологии. — 2006. — Т. 16, № 3. — С. 303-310. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ling ékofiziologičeskieosobennostiholodovoiadaptaciižukovupisceramboidesobitaûŝihvcentralʹnoiâkutii AT ling ecophysiologicalpeculiaritiesofcoldadaptationofupisceramboidesbeetleshabitantincentralyakutia |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:44Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:44Z |
| _version_ |
1850578736139730944 |
| fulltext |
303 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
УДК 595.7:591.54
Н.Г. ЛИ
Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков Upis
ceramboides, обитающих в Центральной Якутии
UDC 595.7:591.54
N.G. LI
Ecophysiological Peculiarities of Cold Adaptation of Upis ceramboides
Beetles Habitant in Central Yakutia
Данные о температуре замерзания жука Upis ceramboides, а также о наличии в его гемолимфе нуклеаторов льда
свидетельствуют о морозотолерантности этого вида насекомых. Результаты исследований показали высокую активность
нуклеаторов льда, которые способны инициировать льдообразование при температуре –7°С. Для исследуемых насекомых
характерна большая водосохраняющая способность летом по сравнению с зимним периодом, вследствие снижения скорости
дыхания. Возможно, это обусловлено экологическими особенностями обитания насекомых. Чувствительность U. ceramboides
к скорости охлаждения и зависимость этого параметра от температуры среды свидетельствуют об особенностях механизма
морозотолерантности, требующих более детального изучения.
Ключевые слова: холодоустойчивые насекомые, морозотолерантность, точка переохлаждения, нуклеаторы льда,
осмоляльность, гемолимфа.
Дані щодо температури замерзання жука Upis ceramboides, а також наявності в його гемолімфі нуклеаторів льоду свідчать
про морозотолерантність цього виду комах. Результати досліджень довели високу активність нуклеаторів льоду, які здатні
ініціювати льодоутворення при – 7°С. Досліджувані комахи мають більшу здатність зберігати воду влітку, ніж взимку, внаслідок
зниження швидкості дихання. Припускається, що це обумовлено екологічними умовами проживання комах.Чутливість
U. сeramboides до швидкості охолодження та залежність цього параметра від температури середовища свідчать про особливості
механізму морозотолерантності, які потребують більш детального вивчення.
Ключові слова: холодостійкі комахи, морозотолерантність, точка переохолодження, нуклеатори льоду, осмоляльність,
гемолімфа.
The data on freezing temperature for Upis ceramboides beetle as well as presence in its hemolymph of ice nucleators testify to a
cold-tolerance of this insect species. Research results have shown a high activity of ice nucleators, capable of initiating ice formation
even at –7°C. For the insects under study a high water-keeping ability in summer if compared with winter period is characteristic, pre-
conditioned with a respiration rate reduction. It is likely stipulated with ecological peculiarities of their habitat. U. ceramboides
sensitivity to cooling rate and dependence of this parameter on environmental temperature testify to the peculiarities of a cold-
resistance mechanism, requiring a detailed study.
Key-words: cold resistance, freeze tolerance, over-cooling point, ice nucleators, osmolality, hemolymph.
* Адрес для корреспонденции:, Ленинский просп., 41,
Якутск,Российская Федерация 677980; электронная почта:
li_natalia@mail.ru
* Address for correspondence: 41, Leninskiy Ave., Yakutsk, Rus-
sian Federation 677980, e-mail: li_natalia@mail.ru
Institute of Biological Problems of Cryolitozone of Siberian Branch
of Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russian Federation
Институт биологических проблем криолитозоны
СО РАН, Якутск
Насекомые, обитающие в регионах с холодным
климатом, должны быть морозотолерантными
либо избегающими замерзания [4, 9, 13].
У морозотолерантных насекомых в гемолимфе
присутствуют нуклеаторы льда, что обеспечивает
контролируемое льдообразование без деструктив-
ных процессов в клетках. Показано, что морозо-
толерантные насекомые в Канаде и на Аляске
встречаются значительно чаще, чем в Сканди-
навии, для которой характерен более теплый
климат [4, 18].
В соответствии с классификацией Lundheim
различают адаптивные и случайные нуклеаторы
льда [6]: вещества, инициирующие льдообразо-
вание в организме, обеспечивают реальное
преимущество в преодолении суровых климати-
ческих условий и выполняют адаптивную функ-
Insects whose habitat is cold climate regions should
be either cold-tolerant or avoiding freezing [4, 9, 13].
In cold-tolerant insects hemolymph there are ice
nucleators providing the controlled ice formation with
no destructive processes in cells. It has been shown
that cold-tolerant insects in Canada and Alaska are
found more frequently than in Scandinavia where
warmer climate is characteristic [4, 18].
According to Lundheim’s classification adaptive
and incidental ice nucleators are distinguished [6]:
substances initiating ice formation in an organism
provide a distinct advantage in preventing severe
climate conditions and accomplish adaptive functions;
if the function of nucleators is not related to cold-
resistant mechanism, they are incidental and likely
participating in other physiological processes of an
organism.
304 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
цию. Если функция нуклеаторов не связана с
холодоустойчивым механизмом, они являются
случайными и, вероятно, участвуют в других
физиологических процессах организма.
Наличие адаптивных нуклеаторов льда в гемо-
лимфе холодоустойчивых насекомых впервые
установили Zachariassen и Hammel [17]. Было по-
казано, что нуклеаторы – это соединения белковой
природы, инициирующие замерзание внекле-
точной жидкости насекомых при относительно
высоких для данного процесса температурах
(–7 ÷–12°С).
Адаптивные нуклеаторы льда, находясь в
гемолимфе, инициируют образование кристаллов
льда, что вызывает отток жидкости из клеток во
внеклеточную среду. При этом внутриклеточное
содержимое концентрируется, а температура
переохлаждения понижается. У некоторых насеко-
мых дегидратация клеток сопровождается синте-
зом глицерола, что дополнительно понижает
температуру переохлаждения и в целом повышает
холодоустойчивость. Таким образом, нуклеаторы
льда выступают в качестве внутриклеточных
антифризов [4].
Для нуклеаторов льда характерна льдонуклеи-
рующая активность (температура нуклеации льда),
зависящая от концентрации растворенных веществ
в среде, в которой происходит процесс нуклеации
[11-14]. Эти характеристики важны для понимания
механизма морозотолерантности и оценки холодо-
устойчивого эффекта у морозотолерантных насе-
комых.
Согласно данным [7, 18] морозотолерантные
насекомые обладают менее эффективным водосох-
раняющим механизмом, чем виды, избегающие
замерзания, что связано с физическим состоянием
их гемолимфы в зимнее время. Сухой климат
Якутии может влиять на водный баланс морозо-
толерантных насекомых.
Цель работы – изучить стратегию холодовой
адаптации и связанное с ней состояние водного
баланса жуков Upis ceramboides, обитающих в
Центральной Якутии.
Материалы и методы
Жуки U. ceramboides относятся к семейству
Tenebrionidae (Coleoptera). Насекомые зимуют под
корой погибших деревьев (береза, сосна), иногда
выше уровня снежного покрова и в зимнее время
подвергаются воздействию экстремально низких
температур (–45÷–55°С).
Насекомых (имаго) собирали в окрестностях
г. Якутска в сентябре 2003 г. и выдерживали в
течение зимы в условиях, приближенных к
природным. Для экспериментов отбирали только
живые экземпляры.
The presence of adaptive ice nucleators in
hemolymph of cold-resistant insects was established
for the first time by Zachariassen and Hammel [17].
The ice nucleators have been shown as the compounds
of protein origin, initiating freezing of extracellular
liquid of insects under relative high temperatures for
this process (–7÷–12°C).
Adaptive ice nucleators being in hemolymph
initiate the formation of ice crystals that causes liquid
out-flux from cells into extracellular medium.
Herewith intracellular content is concentrated and
overcooling temperature reduces. In some insects cell
dehydration is accompanied by glycerol synthesis that
in addition decreases overcooling temperature and in
a whole increases cold-resistance. Thus ice nucleators
act as intracellular antifreezes [4].
For ice nucleators ice-nucleating activity is
characteristic (ice nucleation temperature), depending
on concentration of dissolved substances in the
medium where the nucleation occurs [11-14]. The
parameters are important for understanding the
mechanism of cold-tolerance and assessment of cold
resistance in cold-hardy insects.
According to the data [7, 18] cold-tolerant insects
have less effective water-preserving mechanism in
comparison with the species avoiding freezing that is
related to physical state of their hemolymph in winter
period. Dry climate of Yakutiya in its turn may affect
water balance of cold-tolerant insects.
The research aim was to study the strategy of cold
adaptation and associated with it state of water balance
of Upis ceramboides beetles habitant in Central
Yakutia.
Materials and methods
U. ceramboides beetles are referred to the
Tenebrionidae (Coleoptera) family. The insects
overwinter under the rind of dead trees (birch tree,
pine) sometimes higher than snow mantle and in winter
period are subjected the effect of extreme low
temperatures (–45÷–55°C).
Insects (imago) were gathered in the vicinity of
the city of Yakutsk in September 2004 and were kept
within the winter under conditions close to natural
ones. For the experiments only living individuals were
chosen.
Overcooling temperature for the insects was
measured with a traditional method [5]. In this case
freezing temperature was recorded with sensitive
thermocouple adjusted to ventral side of the insects
and fixed with scotch tape and then connected to a
recorder. The insects were cooled in a fridge with the
rate approximately 1°C/min up to spontaneous
freezing. Overcooling temperature was recorded at the
moment of the liberation of heat, released during the
transition of body’s liquid into a solid state.
305 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
Температуру переохлаждения насекомых
измеряли в соответствии с общепринятым методом
[5]. При этом температуру замерзания регистриро-
вали с помощью чувствительной термопары, кото-
рую прикрепляли к вентральной стороне насеко-
мых, фиксировали с помощью скотча и соединяли
с регистрирующим самописцем. Насекомых
охлаждали в холодильнике со скоростью примерно
1°С/мин до спонтанного замерзания. Температуру
переохлаждения регистрировали в момент выделе-
ния тепла, освобождаемого при переходе жидкости
тела насекомого в твердое состояние.
Насекомых относили к морозотолерантным,
если после замерзания и последующего отогрева
они сохраняли способность к координированному
движению и дыханию.
Образцы гемолимфы получали путем прокалы-
вания имаго U. ceramboides в области брюшка
тонким стеклянным капилляром. Чтобы пред-
отвратить испарение и окисление гемолимфы,
образцы изолировали внутри капилляра с по-
мощью капель минерального масла. Для опреде-
ления осмоляльности гемолимфу (5 нл) отбирали
из капилляра специально изготовленным микро-
шприцом.
Осмоляльность гемолимфы насекомых опреде-
ляли по значению температуры плавления с
помощью осмометра (Otago, Новая Зеландия) [12].
Гемолимфу наносили на поверхность пор измери-
тельной ячейки, которые предварительно запол-
няли минеральным маслом. Ячейку охлаждали до
замерзания образца, затем его медленно отогре-
вали. Температурой плавления считали темпе-
ратуру, при которой лед полностью исчезал.
Для определения гистерезиса растаявший
образец вновь замораживали, затем медленно
отогревали и выдерживали 1 мин при температуре
ниже температуры плавления, при этом в образце
оставалось несколько кристаллов. После этого
образец с гемолимфой вновь медленно охлаждали
со средней скоростью 0,1°С до тех пор, пока не
начинался быстрый рост кристаллов. Температуру,
при которой начинается рост кристаллов, приняли
за гистерезисную температуру замерзания [12].
Для проведения теста на наличие нуклеаторов
льда образец гемолимфы центрифугировали при
3000 g в течение 5 мин для удаления гемоцитов,
влияющих на льдонуклеирующую активность
гемолимфы.
Присутствие нуклеаторов льда в гемолимфе
выявляли с помощью метода [15]. Каждый образец
готовили в тонких стеклянных капиллярах по
принципу “сэндвича”: раствор NaCl (5 мкл)
находился между слоями минерального масла,
гемолимфу (5 нл) вводили в раствор NaCl с помо-
щью микрошприца.
The insects were referred to cold-tolerant if after
freezing and following thawing they preserve the
ability of coordinated movement and respiration.
Hemolymph samples were obtained by pinning of
U. ceramboides imago in belly site with a glass
capillary. To prevent evaporation and oxidation of
hemolymph the samples were isolated inside a
capillary with the mineral oil drops. To examine
osmolality the hemolymph (5 nl) was removed from a
capillary with specially designed micro-syringe.
Hemolymph osmolality of insects was examined
on the value of melting temperature with osmometer
(Otago, New Zealand) [12]. Hemolymph was layered
on a surface of measuring cell pores, preliminarily
filled with mineral oil. The cell was cooled down to a
sample freezing then it was slowly thawed. The
temperature under which an ice completely disappea-
red was considered as melting one.
To determine hysteresis the melted samples was
repeatedly frozen and then slowly thawed and main-
tained for 1 min at the temperature lower the melting
one, herewith in a sample some crystals remained.
Afterwards the sample with hemolymph was once
again slowly cooled with an average rate until a rapid
growth of crystals starts. Temperature under which
the growth of crystals starts was assumed as hysteresis
freezing temperature [12].
To test the presence of ice nucleators the hemo-
lymph sample was centrifuged at 3,000g for 5 min to
remove hemocytes affecting ice-nucleating activity of
hemolymph.
The presence of ice nucleators in hemolymph was
revealed with the method [15]. Each sample was prepa-
red in a thin glass capillaries on “sandwich” principle:
NaCl solution (5 µl) was between the layers of mineral
oil, hemolymph (5 nl) was introduced into NaCl
solution by means of micro-syringe.
For the measurement three similar capillaries were
prepared, they were fixed with scotch tape and
introduced the end of measuring thermocouple
between them. Obtained sample was slowly cooled
with the rate of 1°C/min until freezing temperature of
samples was recorded as the heat released at solution
crystallization. In the experiment there were used the
following NaCl concentrations: 0.509, 0.998, 1.500
and 1.991 mOsm.
Aqueous balance was estimated on the rate of
weight loss for U. ceramboides species during
respiration process. The weight loss was found by
weighing of the insects before and after keeping them
in closed boxes at 20°C where with silica gel 5%
humidity was maintained. During the experiment the
insects were not fed therefore the weight loss because
of excrements was excluded.
Oxygen consumption rate was measured with glass
respirometer at 20°C with the methods [1].
306 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
Для измерения готовили три одинаковых
капилляра, скрепляли их скотчем и вводили между
ними конец измерительной термопары. Получен-
ный образец медленно охлаждали со скоростью
1°С/мин до тех пор, пока температура замерзания
образцов не была зарегистрирована в виде тепла,
высвобождаемого при кристаллизации раствора.
В эксперименте использовали следующие концен-
трации NaCl: 0,509; 0,998; 1,500 и 1,991 мОсмоль.
Водный баланс оценивали по скорости потери
веса особей U. ceramboides в процессе дыхания.
Потерю веса определяли путем взвешивания
насекомых до и после выдерживания их в закры-
тых бюксах при 20°С, где с помощью силикагеля
поддерживали 5%-ю влажность. В ходе экспери-
ментов насекомые не питались, поэтому потеря
веса за счет экскрементов была исключена.
Скорость поглощения кислорода измеряли при
помощи стеклянного респирометра при 20°С по
методике [1].
Результаты представлены в виде средних зна-
чений измерений и их стандартных отклонений с
помощью статистического пакета Statistica 6.0.
Результаты и обсуждение
Cтратегии холодоустойчивости (избегание
замерзания и толерантность к замерзанию)
характеризуются температурой переохлаждения,
величиной осмоляльности, температурой плавле-
ния, гистерезисной активностью гемолимфы
насекомых, наличием нуклеаторов льда и анти-
фризов [4, 9, 10, 12].
Ежемесячные измерения температуры переох-
лаждения имаго U. ceramboides в течение 2003-
2004 гг. показали, что они замерзают при отно-
сительно высоких отрицательных температурах,
оставаясь при этом живыми. Из рис. 1 видно, что
температура переохлаждения понижается в
наиболее холодные месяцы, но не опускается ниже
–12°С. Постепенное понижение температуры
переохлаждения обусловлено частичной потерей
воды организмом и повышением осмоляльности
внеклеточной жидкости, а также накоплением
полиолов. Довольно высокая температура пере-
охлаждения насекомого свидетельствует о нали-
чии нуклеаторов льда в гемолимфе.
Используя метод [15], мы показали присутствие
нуклеирующих агентов в гемолимфе зимних
особей U. ceramboides.
После внесения гемолимфы насекомых в
растворы NaCl различной осмоляльности наблю-
дали повышение температуры замерзания раство-
ра, что свидетельствует о наличии в гемолимфе
нуклеаторов льда (рис. 2).
Из рис. 2 видно, что осмоляльность среды
оказывает большое влияние на проявление нуклеи-
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
Август Октябрь Декабрь Февраль Апрель
Те
м
пе
ра
ту
ра
п
ер
ео
хл
аж
де
ни
я,
°
С
O
ve
rc
oo
lin
g
te
m
pe
ra
tu
re
,
°С
Месяцы Months
Aug Oct Dec Feb Apr
Рис. 1. Температура переохлаждения U. ceramboides по
месяцам (2003-2004 гг). Каждая точка кривой представ-
ляет среднее значение ежемесячных измерений тем-
пературы переохлаждения жука (n=4) ± стандартное
отклонение. * – достоверные различия по сравнению с
периодом весна-осень, p<0,05.
Fig. 1. Overcooling temperature for U. ceramboides by
months (2003-2004 years). Each point of the curve reprsents
a mean value of monthly measurements of beetle overcoo-
ling temperature (n=4) ± SD. * – statistically significant
differences comparing to spring-autumn months, p<0.05.
The results are represented as means of the
measurements and their standard deviations using
Statistica 2.0 softaware.
Results and discussion
Cold resisitance strategies (avoiding freezing and
freeze-tolerance) are characterized with overcooling
temperature, the value of osmolality, melting
temperature, hysteresis activity of insect’s hemolymph,
presence of ice nucleators and anti-freezes [4, 9, 10,
12].
Monthly measurements of cooling temperature for
U. ceramboides imago within 2003-2004 years have
shown that they freeze under relatively high negative
temperatures remaining alive herewith (Fig 1). Fig 1.
demonstrates that overcooling temperature decreases
within the coldest months but does not reduce lower
than –12°C. Gradual reduction of overcooling
temperature is stipulated by a partial loss of water by
an organism and rise in osmolality of extracellular
liquid as well as accumulation of polyols. Quite a high
temperature of insect overcooling testifies to the
presence of ice nucleators in hemolymph.
Using the method [15] we have demonstrated the
presence of nucleating agents in hemolymph of winter
individuals of U. ceramboides.
After insect hemolymph introduction into NaCl
solutions of various osmolalities a rise in freezing
temperature was observed an increase in freezing
* *
307 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
рующей активности. Величина осмоляльности
гемолимфы отражает уровень содержания осмо-
тически активных веществ, многие из которых
обладают криопротекторными свойствами (гли-
церол, сахара и др.), и является одним из основных
параметров механизма холодоустойчивости
насекомых.
В работе [12] при изучении скандинавских и
африканских жуков показано, что осмоляльность
гемолимфы летних насекомых составляет
400-600 мОсмоль/кг. При накоплении полиолов
осмоляльность гемолимфы в зимний период может
возрастать до 3000 мОсмоль/кг и более. Поскольку
повышение осмоляльности является результатом
аккумулирования осмотически активных веществ,
главным образом полиолов, то ее величина может
быть индикатором наличия полиолов.
Измеренные физиологические параметры
обитающих в Якутии жуков U. ceramboides,
характеризующие их морозотолерантность,
таковы: температура переохлаждения –7,0±0,65°С;
величина осмоляльности гемолимфы 930,0±5,5
мОсмоль; температура плавления –2,0±0,35°С;
содержание воды 52,0±2,3°С (n=4; измерения были
проведены в январе 2005 г). Наши исследования
биохимического состава гемолимфы U. ceram-
boides не выявили наличия в ней глицерола, что
согласуется с данными [3], согласно которым в
гемолимфе U. ceramboides отсутствует глицерол,
и вместо него синтезируются треитол и сорбитол.
Гемолимфа U. ceramboides не обладает гисте-
резисной активностью, что свидетельствует об
отсутствии в ней антифризных белков. Переохлаж-
денное жидкое состояние насекомых является
метастабильным – при понижении температуры в
такой системе может происходить внезапный и
спонтанный рост кристаллов. Антифризные белки,
обладающие гистерезисной активностью, стаби-
лизируют переохлажденное жидкое состояние,
понижая температуру спонтанного роста кристал-
лов. Поэтому синтез антифризных белков является
важнейшей характеристикой прежде всего насеко-
мых, избегающих замерзания [12, 18].
Стратегия морозотолерантности обеспечивает
определенные преимущества насекомым в отно-
шении водного баланса [7] по сравнению с видами,
избегающими замерзания. Эти различия в водном
балансе указанных категорий насекомых прояв-
ляются в том, что для кутикулы морозотолерант-
ных насекомых, как правило, характерна хорошая
водная проницаемость, а для кутикулы насекомых,
избегающих замерзания, – очень низкая водо-
проницаемость, сравнимая с таковой у пустынных
жуков [7].
Сравнительное изучение водного баланса
летних и зимних особей жука U. ceramboides (с
y = -1,9329x - 7,1282
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Те
м
пе
ра
ту
ра
п
ер
ео
хл
аж
де
ни
я,
°
С
O
ve
rc
oo
lin
g
te
m
pe
ra
tu
re
,
°С
Осмоляльность (Осмоль)
Osmolality (Osmol)
Рис. 2. Температура переохлаждения 5 мкл раствора
NaCl, содержащего 5% (об/об) гемолимфы U. ceramboi-
des, представленная как функция концентрации
раствора NaCl, выраженной в единицах осмоляльности.
Fig. 2. Overcooling temperature of 5 ml NaCl solution, con-
taining 5 % (w/w) hemolymph of U. ceramboides, presented
as the function of NaCl solution concentration, represented
in osmolality units.
temperature of the solution, testifying to the presence
of ice nucleators in hemolymph (Fig. 2).
Fig 2. shows that medium osmolality affects greatly
the manifestation of nucleating activity. The value of
osmolality of hemolymph reflects the content level
for osmotically active substances, many of those have
cryoprotective properties (glycerol, sugars etc.) and
is one of the main parameters of insect cold resistance
mechanism.
In the paper [12] when studying Scandinavian and
African beetles it has been shown that osmolality of
hemolymph of summer insects makes 400-600
mOsm/kg. During accumulation of polyols the
hemolymph osmolality in winter period may increase
up to 3,000 mOsm/kg and higher. Since a rise in
osmolality is the result of accumulation of osmotically
active substances mainly polyols then its value may
indicate their presence.
Measured physiological parameters of habitant in
Yakutia U. ceramboides beetles, characterizing their
freeze-tolerance are as follows: overcooling temperature
is 7.0±0.65°C; the value of hemolymph osmolality is
930.0±5.5 mOsm; melting temperature is 2.0±0.35°C,
water content is 52.0±2.3°C (n=4; measured in January
2005). Our researches of biochemical composition of
hemolymph U. ceramboides did not reveal the pre-
sence of glycerol in it, that corresponded to the data
[3] stating about the absence of glycerol in hemolymph
of U. ceramboides and synthesizing of treitol and
sorbitol instead of it.
U. ceramboides hemolymph does not possess
hysteresis activity that testifies to the absence of
308 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
использованием регрессионной зависимости,
полученной в [7] для пустынных жуков Африки)
показало, что жуки обладают большей способ-
ностью сохранять воду в своем организме летом,
чем зимой за счет снижения скорости дыхания
(рис. 3). Лето в Якутии, как правило, сухое и
жаркое, микроклимат в местах обитания U. ceram-
boides (под корой умерших деревьев) сходен с
микроклиматом африканских саванн (персо-
нальные данные). Поэтому эти жуки, имеющие
высокую проницаемость кутикулы, приспосаб-
ливаются к жарким и сухим условиям летнего
периода в Якутии за счет снижения скорости
дыхания, что приводит к уменьшению потери воды
в их организме. Вероятно, этим можно объяснить
более высокую способность удерживать воду
летними особями, по сравнению с зимними
насекомыми. Для выяснения адаптивных меха-
низмов, направленных на поддержание оптималь-
ного уровня воды в организме без ущерба для
холодоустойчивости, необходимо провести более
детальные исследования водного баланса жуков
якутской популяции U. ceramboides в описанных
климатических условиях.
В работе [8] показано, что U. ceramboides имеет
несколько интересных аспектов холодоустой-
чивости. Они чрезвычайно чувствительны к
скорости охлаждения. Для достижения макси-
-5,5
-5
-4,5
-4
-3,5
-3
-2,5
-2
-2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5
U.ceramboides ,
Швеция, зима/
Sweden, winter
U. ceramboides ,
лето/summer
жуки африканских пустынь
african desert beetles
U. ceramboides ,
зима/winter
С
ко
ро
ст
ь
по
те
ри
в
од
ы
, г
/ч
W
at
er
lo
ss
ra
te
, g
/h
r
Скорость дыхания, мкл О2/мин
Oxygen consumption rate, ml O2/min
Рис. 3. Двойной логарифмический график скорости
дыхания и скорости потери веса у зимних и летних
особей жуков U. ceramboides, построенный относи-
тельно регрессионной линии для пустынных жуков
Африки [4]. Для сравнения приведены данные для
U.ceramboides шведской популяции [4].
Fig. 3. Double logarithm graph of respiration rate and weight
loss rate in winter and summer species of U. ceramboides
beetles, plotted in respect of regression line for African
desert beetles [4]. To compare there are presented the data
for Swedish population of U. ceramboides [4].
antifreeze proteins in it. Overcooled liquid state of
insects is metastable at temperature decrease in such
a system an abrupt and spontaneous growth of crystals
may occur. Antifreeze proteins having hysteresis
activity stabilizes an overcooled liquid state by
reducing the temperature of crystal spontaneous
growth. Therefore the synthesis of antifreeze proteins
is the most important parameter of insects avoiding
freezing [12, 18].
Strategy of cold tolerance provides certain
advantages to the insects in respect of aqueous balance
[7] if compared with the species avoiding freezing.
These differences in aqueous balance of the mentioned
categories of insects manifest in the fact that for cuticle
of freeze-tolerant insects as a rule good water
penetrability is characteristic and very low penetration
ability compared with those in desert beetles for the
cuticle of those avoiding freezing.
Comparative study of aqueous balance of winter
species of U. ceramboides beetles (using regression
dependence obtained in [7] for desert beetles of Africa)
has shown that the beetles possess a higher ability to
preserve water in its organism in summer than in winter
due to a decrease in respiration rate (Fig. 3). Summer
in Yakutia as a rule is dry and hot, microclimate in
U. ceramboides habitat (under rind of dead trees) is
similar to one of African savannas (personal data).
Therefore these beetles with a high penetrability of
cuticle adapt to hot and dry conditions of summer
period in Yakutia due to reduction in the respiration
rate, resulting in a decrease in water loss in their
organism. This may probably explain higher ability
to keep water by summer individuals if compared with
winter insects. To reveal adaptive mechanisms directed
to maintenance of optimal water leveling an organism
with no harm for cold resistance it is necessary to
investigate in details the water balance in beetles of
Yakut population of U. ceramboides under described
climate conditions.
The research [8] depicts that U. ceramboides have
some interesting aspects of cold resistance. They are
quite sensitive to a cooling rate. To achieve maximum
freeze-tolerance at –50°C the rate lower than
0.3°C/min is essential, and increase in the rate down
to 0.35°C/min sharply enhances death rate. Drastic
cooling of beetles during early autumn (quite common
phenomenon in regions with seasonal inland climate)
results in high death rate of beetles at –50°C.
Conclusions
Thus using the data on freezing temperature as well
as test for presence of nucleating agents in hemolymph
of U. ceramboides may be referred to freeze-tolerant
insects. Obtained results testify to a high activity of
nucleating components in hemolymph of insects
capable of initiating ice formation even at –7°C.
309 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
мальной морозотолерантности при –50°С необхо-
дима скорость менее 0,3°С/мин, а повышение
скорости до 0,35°С/мин резко увеличивает их
смертность. Резкое охлаждение жуков ранней
осенью (практически обычное явление в регионах
с резко континентальным климатом) приводит к
высокой смертности жуков при –50°С.
Выводы
Таким образом, на основании данных о темпе-
ратуре замерзания, а также теста на наличие
нуклеирующих агентов в гемолимфе U. ceram-
boides можно отнести к морозотолерантным
насекомым. Полученные результаты свиде-
тельствуют о высокой активности нуклеирующих
компонентов в гемолимфе насекомых, способных
инициировать льдообразование уже при темпера-
туре –7°С.
Значения водоудерживающей способности
жуков U. ceramboides якутской и скандинавской
популяций сходны, однако в летний период
насекомые якутской популяции имеют более
эффективную водоудерживающую способность
благодаря снижению скорости дыхания.
Чувствительность U. ceramboides к скорости
охлаждения свидетельствует о наличии особен-
ностей механизма морозотолерантности, требую-
щих более детального изучения.
Исследования были проведены при поддержке
гранта РФФИ Арктика 06-04-96048 (2006-2008 гг.) и
Норвежского университета наук и технологий
(г.Трондхейм). Автор выражает благодарность
профессору Zachariassen K.E. за методическую помощь
в проведении экспериментов.
References
Green N., Stout W., Taylor D. Biology.– Moscow: Mir, 1990.–
75 p.
Block W. Cold tolerance of insects and other arthropods //
Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 1990.– Vol. 326, N1237.–
P. 613-633.
Block W. Cold hardiness in invertebrate poikilotherms // Comp.
Biochem. Physiol. A. – 1982. – Vol. 73, N4. – P. 581-595.
Duman J.G., Wu D.W., Xu L., et al. Adaptations of insects to
subzero temperature // Quart. Rev. Biol.– 1991.– Vol. 66, N4.–
P. 407.
Laak van der S. Physiological adaptations to low temperature
in freezing-tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp.
Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P.613-621.
Lundheim R. Adaptive and incidental biological ice nucleator.:
Dr. scient. thesis.– Trondheim, 1996.– P. 11.
Lundheim R., Zachariassen K.E. Water balance of over-
wintering beetles in relation to strategies for cold tolerance //
J. Comp. Physiol. B.– 1993.– Vol. 163, N1.– P. 1-4.
Miller K. Cold hardiness strategies of some adult and immature
insects overwintering in interior Alaska // Comp. Biochem.
Physiol. A.– 1993.– Vol. 73, N4.– P. 595-605.
Salt R.W. Principles of insect cold hardiness // Annu. Rev.
Entomol.– 1961.– Vol. 6.– P. 55-74.
Somme L. Effect of glycerol on cold-hardiness in insects //
Can. J. Zool.– 1964.– Vol. 42, N1– P. 89-100.
Zachariassen K.E., Kristiansen E., Pedersen S.A., Ham-
mel H.T. Ice nucleation in solutions and freeze-avoiding
insects – homogeneous or heterogeneous? // Cryobiology.–
2004.– Vol. 48, N3 – P. 309-321.
Zachariassen K.E. Physiology of cold tolerance in insects //
Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– 832 p.
Zachariassen K.E. Ice nucleating agents in cold-hardy
insects / In: Water and Life. Eds: Somero et al.– Berlin,
Heidelberg: Springer Verlag, 1992.– P. 261-281.
Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects //
Comp. Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P. 557-562.
Zachariassen K.E., Baust J.G., Lee R.J. A method for
quantitative determination of ice nucleating agents in insect
hemolymph // Cryobiology.– 1982.– Vol. 19, N2.– P. 180-184.
Zachariassen K.E., Hammel H.T. The effect of ice-nucleating
agents on ice-nucleating activity // Cryobiology.– 1988.–
Vol. 25, N2.– P. 143-147.
Литература
Грин Н., Стаут У., Тэйлор Д. Биология.– М.:Мир, 1990.–
75 с.
Block W. Cold tolerance of insects and other arthropods //
Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 1990.– Vol. 326, N1237.–
P. 613-633.
Block W. Cold hardiness in invertebrate poikilotherms // Comp.
Biochem. Physiol. A. – 1982. – Vol. 73, N4. – P. 581-595.
Duman J.G., Wu D.W., Xu L., et al. Adaptations of insects to
subzero temperature // Quart. Rev. Biol.– 1991.– Vol. 66, N4.–
P. 407.
Laak van der S. Physiological adaptations to low temperature
in freezing-tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp.
Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P.613-621.
Lundheim R. Adaptive and incidental biological ice nucleator.:
Dr. scient. thesis.– Trondheim, 1996.– P. 11.
Lundheim R., Zachariassen K.E. Water balance of over-
wintering beetles in relation to strategies for cold tolerance //
J. Comp. Physiol. B.– 1993.– Vol. 163, N1.– P. 1-4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Values of water-keeping ability of U. ceramboides
beetles of Yakut and Scandinavian populations are
similar however in summer period the insects of Yakut
population have more effective water-keeping ability
due to reduction of respiration rate.
U. ceramboides sensitivity to cooling rate gives
an evidence to the presence of freeze-tolerance
mechanism peculiarities demanding a detailed study.
The investigations were supported by the grant RFFI
Arctica 06-04-96048 (2006-2008) and the Norwegian
University of Science and Technology (Trondheim). The
author expresses the acknowledgements to Prof. Zacha-
riassen K.E. for the methodical assistance in performing
the experiments.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
310 PROBLEMS
OF CRYOBIOLOGY
Vol. 16, 2006, №3
ПРОБЛЕМЫ
КРИОБИОЛОГИИ
Т. 16, 2006, №3
Miller K. Cold hardiness strategies of some adult and immature
insects overwintering in interior Alaska // Comp. Biochem.
Physiol. A.– 1993.– Vol. 73, N4.– P. 595-605.
Salt R.W. Principles of insect cold hardiness // Annu. Rev.
Entomol.– 1961.– Vol. 6.– P. 55-74.
Somme L. Effect of glycerol on cold-hardiness in insects //
Can. J. Zool.– 1964.– Vol. 42, N1– P. 89-100.
Zachariassen K.E., Kristiansen E., Pedersen S.A., Ham-
mel H.T. Ice nucleation in solutions and freeze-avoiding
insects – homogeneous or heterogeneous? // Cryobiology.–
2004.– Vol. 48, N3 – P. 309-321.
Zachariassen K.E. Physiology of cold tolerance in insects //
Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– 832 p.
Zachariassen K.E. Ice nucleating agents in cold-hardy
insects / In: Water and Life. Eds: Somero et al.– Berlin,
Heidelberg: Springer Verlag, 1992.– P. 261-281.
Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects //
Comp. Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P. 557-562.
Zachariassen K.E., Baust J.G., Lee R.J. A method for quan-
titative determination of ice nucleating agents in insect hemo-
lymph // Cryobiology.– 1982.– Vol. 19, N2.– P. 180-184.
Zachariassen K.E., Hammel H.T. The effect of ice-nucleating
agents on ice-nucleating activity // Cryobiology.– 1988.–
Vol. 25, N2.– P. 143-147.
Zachariassen K.E., Hammel H.T. Nucleating agents in the
haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.–
Vol. 262, N5566.– P. 285-287.
Zachariassen K.E., Kristiansen E. What determines the
strategy of cold-hardiness? // Acta. Soc. Zool. Biochem.–
2003.–Vol. 67, N1. – P. 51-58.
Поступила 01.02.2006
17.
18.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Zachariassen K.E., Hammel H.T. Nucleating agents in the
haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.–
Vol. 262, N5566.– P. 285-287.
Zachariassen K.E., Kristiansen E. What determines the
strategy of cold-hardiness? // Acta. Soc. Zool. Biochem.–
2003.–Vol. 67, N1. – P. 51-58.
Accepted in 01.02.2006
|