Na granicy życia i lodu. Dlaczego ryby nie zamarzają zimą?

Kiedy temperatura na zewnątrz spada poniżej zera, a tafle jezior i mórz pokrywają się grubą warstwą lodu, podwodny świat powinien zastygnąć bez ruchu. Jeśli jednak zajrzymy pod lodową pokrywę, okaże się, że ryby nie zamieniają się w sople lodu, lecz świetnie radzą sobie z trudnymi warunkami. Jak to możliwe?

Molekularny sekret

Kluczem do przetrwania ryb jest unikalna cecha wody, zwana anomalną rozszerzalnością termiczną. W przyrodzie niemal każda substancja zachowuje się zgodnie z zasadą – im jest chłodniejsza, tym bardziej zmniejsza się jej objętość. Woda natomiast stanowi wyjątek od tej reguły. Jej objętość zmniejsza się podczas ogrzewania w specyficznym zakresie od 0°C do około 4°C. Dopiero po przekroczeniu tej granicy zaczyna zachowywać się “prawidłowo” i rozszerza się. Oznacza to, że w temperaturze 4°C woda zajmuje najmniejszą możliwą przestrzeń, przez co staje się najcięższa i opada na dno.

Jeśli już wiemy, jak zachowuje się woda, możemy zajrzeć głębiej – do jej struktury. W temperaturze poniżej 0°C cząsteczki wody nie układają się ciasno, lecz budują regularną, przestrzenną sieć przypominającą kratę o sześciokątnych oczkach. Ta otwarta konstrukcja sprawia, że lód zajmuje więcej miejsca niż ta sama ilość wody w stanie ciekłym, dlatego jest od niej lżejszy i unosi się na powierzchni.

Jednak gdy lód zaczyna topnieć, wodna krata zaczyna się rozpadać. Nie dzieje się to jednak gwałtownie. W miarę rośnięcia temperatury w stronę 4°C, coraz więcej wiązań między cząsteczkami pęka, a one same mogą wreszcie zbliżyć się do siebie, wypełniając puste wcześniej miejsca. W efekcie woda staje się bardziej zwarta i gęsta. Dopiero po przekroczeniu granicy 4°C ruch cząsteczek staje się na tyle intensywny, że zaczynają się one od siebie oddalać, a objętość cieczy ponownie rośnie.

Jakie właściwie znaczenie ma to dla ryb? Nawet jeśli nie są w stanie w pełni zrozumieć tego zjawiska, chętnie korzystają z niego w mroźne dni. Gdyby woda zachowywała się jak inne substancje, najzimniejsza woda opadałaby na dno, a jeziora zamarzałyby od dołu. Jednak dzięki temu nietypowemu fenomenowi lżejsza woda o temperaturze 0°C wypływa na wierzch i tworzy izolacyjną warstwę lodu, pod którą ryby bezpiecznie bytują w temperaturze 4°C.

Pod lodową taflą życie zwalnia jednak tempo. Strategia ryb na przetrwanie zimy opiera się na kilku kluczowych zachowaniach:

• Grupowanie się: ryby takie jak płocie czy leszcze tworzą ogromne ławice w najgłębszych miejscach zbiornika.
• Stan odrętwienia: maksymalne spowolnienie metabolizmu i pracy serca w celu oszczędzania energii.
• Sen zimowy: u niektórych gatunków całkowite zaprzestanie aktywności aż do wiosny.

(Nie)mrożące krew w żyłach warunki

Skoro poznaliśmy już sekret anomalnej rozszerzalności termicznej, to wszystkie ryby mogą już spać spokojnie, prawda? Nie do końca. W trudniejszej sytuacji znajdują się ryby żyjące w wodach polarnych, gdzie temperatura wody morskiej może spaść nawet do -1,9°C. W takich warunkach krew większości zwierząt powinna zamarznąć. Ryby zamieszkujące Antarktykę wykształciły jednak wyjątkowy mechanizm służący przetrwaniu – białka przeciw zamarzaniu, czyli AFPs – Antifreeze Proteins.

Białka te krążą we krwi ryb i mają zdolność rozpoznawania mikroskopijnych kryształków lodu dostających się do organizmu. Kiedy pojawiają się one w organizmie, białka te natychmiast je lokalizują i aktywnie osadzają się na ich powierzchni, tworząc wokół lodu szczelną barierę i zapobiegając krystalizacji.  Dzięki temu krew pozostaje nadal płynna.

Gdzie ta hemoglobina?

Niezwykłym przykładem adaptacji do lodowych warunków są ryby z rodziny bielankowatych (jednym z ich przedstawicieli jest dobrze znana Polakom kergulena). Podobnie jak inne ryby, ich organizm produkuje AFPs, lecz w tej kwestii bielankowate są prawdziwymi rekordzistami – liczba genów kodujących białka przeciw zamarzaniu jest u nich zdecydowanie większa niż u pozostałych gatunków. 

Jednak nie jest to koniec bielankowatej osobliwości. Ewolucja poszła o jeszcze jeden krok dalej. Ryby te niemal całkowicie zrezygnowały z hemoglobiny i czerwonych krwinek. Ich krew jest bezbarwna i rzadsza, co ułatwia sercu jej pompowanie w tak niskich temperaturach.

Źródła:
Davies P.L., Baardsnes J., Kuiper M.J., Walker V.K., Structure and function of antifreeze proteins, „Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences”, 2002.
National Science Foundation (NSF), Fish 'chock-full’ of antifreeze protein found in iceberg habitats off Greenland, nsf.gov, 2022
Buczek W., Co się dzieje teraz pod wodą, czyli zimowanie ryb, Transgraniczny Ośrodek Edukacji Ekologicznej (toee.pl).
Naukowiec50, Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody i jej znaczenie w przyrodzie, Laboratorium Możliwości (laboratorium-mozliwosci.pl).
Czerwiński M., Czy można żyć bez hemoglobiny?, eksperymentmyslowy.pl, 2023.
W.W. de Jong, J. Bolt, G.J. Gerwig, Hemoglobin α in the blood vessel wall, „Nature”, 1994.
S. Zhang, X. Zhang, Q. Zhao, X. Ji, J. Zhu, Regulation of winter wheat-originated antifreeze glycoprotein on rooster spermatozoa freezability, „Poultry Science”, 2024.