Biyolojik Bir Mucize - Wood Frog

• Wood frog, Alaska ve Kanada'nın kuzey ormanlarının sert kışlarını bedeni donmuş haldeyken geçirir ve bahar geldiğinde yeniden hareket etmeye başlar
• Diğer kuzey kurbağaları suda vücut sıcaklıklarını donma noktasının üstünde tutarken, wood frog orman tabanındaki yaprak döküntüsü tabakasına saklanır ve sıfırın altındaki havaya maruz kalır
• Kış başladığında organların çevresinde ve deriyle kasların arasında buz oluşur, ancak karaciğerin ürettiği büyük miktardaki glikoz hücre içinde donmayı ve susuz kalmayı önler
• Kış uykusu sırasında kas hareketi, kalp atışı ve solunum tamamen durur; baharda ise önce iç kısımlar çözülür ve işlevler kalp, beyin, bacaklar sırasıyla geri döner
• Yüksek kan şekerine dayanıklılık, donma-çözülme ve kan dolaşımı durduktan sonra toparlanma yeteneği; diyabet, nakil organlarının korunması ve kalp krizi-inme tedavisi araştırmalarıyla bağlantılı olabilir

---

Arktik kışına uyarlanmış bir kış uykusu stratejisi

• Wood frog'un en şaşırtıcı özelliği, iribaştan kurbağaya dönüştüğü yaz değil, kış uykusunda ortaya çıkar
• Alaska ve Kanada'nın kuzey ormanlarında sıcaklık değişimleri aşırıdır
  • Yazın gündüz 24 saat sürebilir ve sıcaklıklar 90°F seviyelerine çıkabilir
  • Kışın -50°F nadir değildir
  • Brooks Range'in güneyindeki Prospect Creek'te Alaska'nın en düşük sıcaklığı olan -80°F kaydedilmiştir
• Kurbağalar soğukkanlı hayvanlardır; bu yüzden vücut sıcaklıkları çevredeki havayla neredeyse aynı olur
• Wood frog, bu uzun subarktik kışlara dayanmak zorunda olan küçük bir amfibidir

Su yerine orman tabanını seçen kurbağa

• Kuzeydeki kurbağaların çoğu kış uykusunu gölet, göl ve akarsuların derin sularında geçirir
  • Çok soğuk ve neredeyse hareketsiz hale gelseler de vücut sıcaklıkları donma noktasının altına inmez
• Wood frog ise kışı orman tabanındaki yaprak döküntüsü ve humus içine gömülerek geçirir
  • Yaprak döküntüsü, humus ve kar bir miktar yalıtım sağlar, ancak suda kış uykusunda olduğu gibi sıfırın altındaki sıcaklıklara karşı tam koruma sunmaz
• Bu strateji sayesinde wood frog kış boyunca donmuş halde hayatta kalır

Daha hızlı çözülen karaların sunduğu üreme fırsatı

• Karadaki kar ve toprak, buzla kaplı göllerden daha hızlı çözülüp ısındığı için wood frog ilkbaharda çok erken aktif hale gelebilir
• Erken uyanan wood frog, küçük göletlerde ya da yaz ortasından önce kuruyabilecek kar suyu birikintilerinde bile çiftleşip yumurta bırakabilir
• Suda kış uykusuna yatan kurbağalar aktiviteye daha geç başladıkları için üremeleri de daha geç olur
• Geç üreyen kurbağalar için kurumayan kalıcı su kaynakları gerekir

Neden buz çoğu hayvan için ölümcüldür

• Çoğu hayvan hayatta kalabilmek için dokularının donacağı koşullardan kaçınmak zorundadır
• Vücudun içinde buz kristalleri oluştuğunda peş peşe çeşitli hasarlar meydana gelir
  • Buz kristalleri kan damarlarını delebilir
  • Kan donarsa organlara oksijen ve besin taşınamaz, bu da ciddi metabolik hasara yol açar
  • Buz, hücrelerden su çekerek susuz kalmaya neden olur; hücre içi yapıları bozar ve hücre zarlarını parçalar
• Bu hasarlar yaygın ve ölümcül iç yaralanmalara dönüşebilir

Hücre dışını dondurup hücre içini koruyan yöntem

• Wood frog her yıl en fazla 8 ay boyunca bedeni tamamen donmuş halde kalmaya dayanabilir
• Kış başladığında buz kısa sürede karın boşluğunu doldurur ve iç organları sarar
• Deriyle kasların arasında da buz kristalleri oluşur; göz merceği donduğu için gözler beyaza döner
• Aynı anda karaciğer büyük miktarda glikoz üretip bunu vücuttaki tüm hücrelere gönderir
  • Yoğun şeker çözeltisi, hücrelerin donmasını engeller
  • Hücre içindeki su molekülleriyle bağ kurarak susuz kalmayı azaltır
• Wood frog'un bedeni, hücrelerin ve organların dış tarafında buz oluşmasına izin verir, ancak hücrelerin içinde donmayı engelleyerek ölümcül hasardan kaçınır

Duran bedenin yeniden uyanma sırası

• Kış uykusundaki wood frog'ta kas hareketi yoktur, kalp atmaz ve solunum da gerçekleşmez
• Tüm kış boyunca kurbağa biçiminde soğuk ve sert bir buz parçası gibi görünür, ama aslında askıya alınmış bir durumda yaşamaya devam eder
• Bahar geldiğinde wood frog içten dışa doğru çözülür
  • Önce kalp yeniden atmaya başlar
  • Ardından beyin aktif hale gelir
  • En son bacaklar hareket eder
• Kuzeyin kışı boyunca donmuş ve inaktif kalan kalbin tam olarak neden yeniden atmaya başladığı henüz bilinmiyor
• Tamamen çözülen wood frog, ormanın içinden geçerek üreme göletlerine ya da uygun su kaynaklarına gider
• Neredeyse tüm diğer hayvanlar için ölümcül olan koşullarda bile wood frog zarar görmeden hayatta kalır

İnsan tıbbı araştırmalarına uzanan potansiyel

• Wood frog'un kanındaki glikoz, aşırı kutup kışı sıcaklıklarında doku hasarını önleyen temel unsurdur
• Bu glikoz, insanlar dahil tüm omurgalılardaki kan şekeriyle aynı maddedir
• Kış uykusundaki wood frog, normalden 100 kat yüksek kan şekerine bile dayanabilir
  • Diyabet hastalarında kan şekeri normalin 2 ila 10 katına çıktığında bile hasar görülebilir
  • Wood frog'un buna nasıl dayandığını anlamak, diyabet hastalarında yüksek kan şekerinin yönetimine yardımcı olabilir
• Wood frog'un donmaya direnç yeteneği, insan nakil organlarını zarar vermeden dondurup çözmenin yollarını bulmada kullanılabilir
  • Organ bağışçısından çıkarılan bir organın alıcıya nakledilmesine kadar geçen kabul edilebilir süre uzatılabilir
  • Böylece daha fazla nakil mümkün olabilir
• Kan dolaşımını durdurup aylar sonra yeniden başlatırken pıhtı ya da başka hasarlar oluşmasını önleyen ilke de araştırma konusudur
  • Bu mekanizmayı anlamak, kalp krizi ya da inme nedeniyle kan akışı geçici olarak duran kişilerin tedavisinde değerli olabilir

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• Hayvanların dondurucu kışa nasıl dayandığını ele alan iyi bir kitap olarak Bernd Heinrich’in Winter World kitabı var
  Bernd çok ilginç bir biyolog olduğu için konuyu derinlemesine inceliyor. Kitapta sincapların kışı nasıl geçirdiğini anlatırken de ilk prensiplere inip vücut yüzey alanı, vücut sıcaklığını koruma, dış sıcaklığın -40˚C olması, saat başına gereken ısı miktarı, bir çam fıstığının kalorisi gibi hesaplarla ilerliyor
  Hatta ölü bir sincabın ağzına en fazla kaç tane sığacağını ölçmek için çam fıstığı koyup 17 sonucunu elde ediyor ve hesaplamayı bunun üzerinden sürdürmesi epey eğlenceli

  • “Ölü bir sincabın ağzına artık daha fazla koyamayıncaya kadar çam fıstığı koydum, 17 tane sığdı” kısmı biraz tuhaf. Ürkütücü bir şaka dışında ne anlamı olduğunu bilmiyorum
    Sincaplar yiyeceği ağızlarında depolamaz; depolara koyar, uyanıp depoya gider, yer ve tekrar uyur. -40°C’de dışarı çıkıp yeni çam fıstıkları toplamazlar; kışın ağaçlarda pek çam fıstığı da kalmaz
    Belki o hesabın amacı böyle bir stratejinin iyi olmadığını göstermekti, ama yukarıdaki hesapta kürk ve yuvanın yalıtımı da eksik

• “Kuzeyin kışı boyunca donmuş ve inaktif halde kalan wood frog’un kalbinin neyin etkisiyle yeniden atmaya başladığını hâlâ kimse bilmiyor” kısmı bu hikâyenin en büyüleyici yanı
  Kurbağa tamamen donmuş durumda ve bildiğimiz kadarıyla kalp atışı da beyin faaliyeti de yok. Ama çözülünce bir şey yeniden çalışmaya başlıyor
  Bu mekanizmanın nasıl görünebileceğini hayal etmek zor. Beynin, donmuş olup olmadığını izleyen küçük bir bölgesi mi var; yoksa vücut boşluğunun içinden bir tür kimyasal sinyal mi geliyor, merak ediyorum

  • https://en.wikipedia.org/wiki/Sinoatrial_node#Function sayfasına göz attım; muhtemelen şöyle bir şey olabilir
    İnsanlarda ve birçok hayvanda kalp atışını kontrol eden yapı, kalbin içindeki sinoatriyal düğümdür. Sinoatriyal düğümdeki her hücre kendi başına ritmik elektrik sinyalleri üretebilir
    Wood frog’da bu hücrelerden biri çözülür çözülmez ritmik darbeler üretmeye başlıyor olabilir; kalbin düzgün atabilmesi için de diğer sinoatriyal düğüm hücreleriyle senkronize olması gerekir. Her hücrenin her döngüde komşu hücrelerin ortalama fazına doğru biraz ayarlanarak uzlaşmaya ulaşması gibi bir yöntem olabilir
  • Kurbağa beyninde güneş radyasyonu gibi etkiler yüzünden nöron plakasında bit flip benzeri bir şey oluyor olabilir
    Ya da kalp ve kasların elastikiyetinden kaynaklanıyor olabilir
  • Sıcaklığa duyarlı bir kimyasal reaksiyon olma ihtimali var
  • Biyoloji bilgisi yetersiz biri olarak, “vücudun yeterli kısmı çözülüp kalbin atmasını mümkün kılınca kalp atar” gibi, pek tatmin edici olmayan bir yanıt gibi görünüyor
    Kurbağalarda kalp beyne bağımlıysa bilemem
  • Kafa karıştıran şey yalnızca kalp değil; tüm dolaşım sisteminin yeniden çalışması gerektiği
    Belki çözülme sırası uzuvlardan tersine doğru ilerliyordur ve dolaşım sisteminin geri kalanı çözüldükten sonra kalp en son çözülüyordur. Bu durumda kalbin merkezde yer alması biyolojik olarak avantajlı olmuş olabilir

• Wood frog yalnızca 3–5 yıl yaşadığı için bu donma/çözülme döngüsünü en fazla yaklaşık 5 kez yaşayacaktır. Kısa ömürleri sayesinde bu döngü sırasında biriken hücre hasarını bir ölçüde tolere edip etmediklerini merak ediyorum
  Memelilere göre yaklaşık 10 bin kat daha az nöronları var
  Böyle bir biyokimyayı gerçekleştirebilsek bile, daha gelişmiş canlılar bu tür bir döngüye kaç kez dayanabilir? Karmaşık canlılar, uzuv yenileme gibi iyileşme kapasitesinden bir ölçüde feragat etmiş gibi görünüyor. Amfibiler zaten rejenerasyon konusunda özellikle yetenekli sayılır

  • “Kurbağalar bir kez donup öylece donmuş kalmaz; sıcaklık sürekli sıfırın altına düşmeden önce 1–2 hafta boyunca geceleri donar, gündüzleri çözülürler”
    https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
  • Biz neden uzuvlarımızı yeniden çıkaramaz hale geldik, bilmiyorum. Bunun yerine DNA’da ne için yer açıldı acaba?

• Şimdi bunların beyni hakkında her şeyi merak etmeye başladım. Anı oluşturup oluşturamadıklarını ve donma/çözülme döngüsünden sonra bu anıların kalıp kalmadığını merak ediyorum
  Donmuşken fiilen ölü durumdalar ve beyin faaliyeti de olmadığını varsayıyoruz. Öyleyse çözülürken hayata geri yükleniyorlar demektir. Başka hayvanlar da böyle bir şey yaşıyor mu, merak ediyorum

  • Biraz bakınca kışın hareket ettikleri anlaşılıyor. Yaklaşık 0,5 mil kadar tepeye doğru çıkıyorlar; ama yetişkinlerin her bahar hep aynı üreme göletine döndüğü söyleniyor, demek ki o bilgi bir yerlerde saklı
  • Bilgisayar depolama aygıtlarının yeniden başlatmadan sonra olduğu gibi kalması gibi, bu kurbağanın beyninin de iç yapısı ve sinaptik bağlantıları vb. donma/çözülme döngüsünden sonra korunuyor diye düşünebiliriz
  • Hazırda bekletme modundan sonra devam etme gibi bir his

• Donmuş yapının ne kadar süre “hayatta kalabileceğini” merak ediyorum. Böyle bir kurbağayı dondurup yüzyıllar sonra çözmenin iyi bir fikir olup olmadığından emin değilim. Amfibi bir zaman yolcusu gibi.

  • Yapay deneylerde [1] 3 ayı aşamadılar. Ancak bir not var.
    Yeni bir çalışmada [2] 7 ay boyunca hayatta kaldılar ve hayatta kalma oranı %100 idi.
    Bu yüzden daha fazla araştırma gerekiyor gibi görünüyor.
    [1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
    [2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
  • Bir yerlerdeki bir buzulda kusursuz biçimde korunmuş bir dinozor bulabileceğimiz fikri biraz fanteziye yakın.

• Evrimsel açıdan amfibiler memelilere göre bir ölçüde daha basit, pek çok memeliden daha küçük ve uzun da yaşamıyorlar; bu yüzden bunun bir kısmının sadece “olmayan şeyler” sayesinde olabileceğini düşünüyorum.
  Sıcaklık çok düşük olduğu için ileri glikasyon son ürünleri sorunu da muhtemelen o kadar büyük değildir. Buzda hayatta kalmak için bir başka strateji de antifriz proteinleri. Göknarlar ve çeşitli Arktik balıklar bu proteinlere sahip: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
  Yine de çözülme aşamasında membran potansiyelinin nasıl korunduğunu ya da yeniden oluşturulduğunu hâlâ bilmiyorum. Başvurulabilecek bir kaynak var mı?

  • Michael Levin’in çalışmalarında, membran potansiyelinin mikrotübül yapılarında “kodlanıp” daha sonra tekrar potansiyele dönüştürülebileceğini ima eden bir çizgi var gibi görünüyor.
    Henüz yerleşmiş ya da yeterince anlaşılmış bir konu değil, ama umut vadeden bir araştırma alanı gibi duruyor.
  • Bunun nedeni, hücre dışında buz oluşurken iyonları yerinde sabitlemesi de olabilir.
    İyon kanallarının çevresindeki çok küçük bir bölge sıvı kalıp hem hücreyi hem de iyon derişimlerini dengeye getirse bile, hücre dışı sıvı eridiğinde özgün derişimin büyük ölçüde geri gelmesi muhtemel görünüyor.

• Su kaplumbağalarının başka bir brumasyon stratejisi var. Havayla solunum yapıyorlar ama aylarca buzun altında mahsur kalabildikleri için metabolizmalarını düşürüyor, rektal dokuları üzerinden sudan biraz oksijen almaya yönelik adaptasyonlardan ve glikoz-kalsiyumla ilgili kimyasal etkinliklerden yararlanıyorlar.
  https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
  https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
  Evde sürekli sıcak suda yaşayan bir kaplumbağam var; gökyüzünü görebildiği için olsa gerek, her yıl bu zamanlarda kendi kendine brumasyona girmeye karar veriyor ve su altındaki saklanma yerinde günlerce ya da haftalarca şekerleme yapmaya başlıyor.

  • Benim de bilmediğim bir kelimeydi, sizin de tam olarak bilmediğiniz bir kelime. 1965’te türetilen kelime brumation.
    https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
    Fiilinin brumate olması gerekiyor gibi. Ama hibernation ile uyumlu olsun isteği güçlü görünüyor; bu pek çok kelimede olan bir şey. Yoksa rumination etkisi mi vardı?
  • Bizim evdeki kaplumbağa da gayet konforlu, sıcaklığı ayarlı kapalı bir muhafazada olmasına rağmen her yıl aynı şeyi yapmak için çukur kazmaya çalışıyor.
    Pek zeki sayılmaz ama çabalıyor.

• Dondurmanın bir seçenek olabileceğini düşünenler için mesele yalnızca buz kristallerinden kaçınmak değil.
  İnsanlarda tıbbi hipotermi yalnızca birkaç derece düşürme düzeyinde olsa da sınır, soğuk halde geçirilen süre değil, normal vücut sıcaklığını fazla hızlı geri kazandırmak.
  Mitokondriler düşük oksijen durumunda çok miktarda reaktif oksijen türü üretir; oksijeni hızla geri verirseniz, asıl ölüm nedeni olan kimyasal hasar oluşur. Bu yüzden normal vücut sıcaklığına dönüş birkaç saate yayılır. Aşırı soğumayla bozulan metabolik döngünün yalnızca bundan ibaret olmadığını sanıyorum.

  • Soğutma sürecinden önce kan dolaşımına lipozomal ATP enjekte edilemez mi? O zaman mitokondrileri öylece kapalı tutmak mümkün olabilir. Burada “öylece” derken bunun kolay olduğu anlamında söylemiyorum.

• Bu yazıda kurbağa fotoğrafı yok. Çözülmüş kurbağa ve donmuş kurbağa fotoğraflarını burada görebilirsiniz: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/

  • Bağlantı verilen videoda çözülme sürecinin time-lapse’i: https://youtu.be/pLPeehsXAr4?t=176
  • Wiki de var ama fotoğraf fazla değil. Fotoğraflardan biri Quebec’te çekilmiş
    Wiki’de glikozun yanı sıra üre de üretildiği ve ikisinin de kriyoprotektan olarak işlev gördüğü yazıyor
    https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog

• Buna kış uykusu demek de zor. Tamamen donmanın başka yan faydaları da var; birçok bulaşıcı mikroorganizmanın faaliyetini yavaşlatabilir veya onları öldürebilir. Bir ölçüde ömür uzatma etkisi de olabilir
  Davranışsal adaptasyona da pek gerek yok. Kurbağa üşüyünce yaprakların altına giriyor, tamamen donuyor ve 8 ay sonra çözülüp aç ve üreme isteğiyle dolu bir halde uyanıyor. Fena değil

  • Bulaşıcı mikroorganizmaları öldürmesi konusunda pek umutlanmazdım
    Kurbağanın vücudundaki kriyoprotektan ayrım yapmaz; bu yüzden dış bakterileri de kurbağa hücreleri kadar koruyacaktır
  • Ömür uzatma etkisi yoksa, bence bu daha da ilginç olur
    Bana oldukça sezgilere aykırı bir sonuç gibi gelirdi