Keajaiban Biologis - Wood Frog

 (nps.gov)
1 poin oleh GN⁺ 2024-11-16 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Wood frog menghabiskan musim dingin yang keras di hutan Alaska dan Kanada utara dalam keadaan tubuh membeku, lalu mulai bergerak lagi saat musim semi tiba
  • Sementara katak utara lain menjaga suhu tubuhnya di atas titik beku di dalam air, wood frog bersembunyi di lapisan daun gugur di lantai hutan dan terpapar udara di bawah nol
  • Saat musim dingin dimulai, es terbentuk di sekitar organ serta di antara kulit dan otot, tetapi glukosa dalam jumlah besar yang dibuat oleh hati mencegah pembekuan di dalam sel dan dehidrasi
  • Selama hibernasi, gerakan otot, detak jantung, dan pernapasan semuanya berhenti; pada musim semi, tubuh mencair dari bagian dalam, dan fungsi kembali berurutan: jantung, otak, lalu kaki
  • Toleransi terhadap gula darah tinggi, pembekuan dan pencairan, serta kemampuan pulih setelah sirkulasi darah berhenti dapat terkait dengan riset diabetes, pengawetan organ transplantasi, serta pengobatan serangan jantung dan stroke

Strategi hibernasi yang disesuaikan dengan musim dingin Lingkar Arktik

  • Ciri paling menakjubkan dari wood frog bukan terlihat pada musim panas saat berubah dari berudu menjadi katak, melainkan pada hibernasi musim dingin
  • Hutan Alaska dan Kanada utara mengalami perubahan suhu yang ekstrem
    • Pada musim panas, siang hari berlangsung 24 jam dan suhu bisa naik hingga kisaran 90°F
    • Pada musim dingin, -50°F bukan hal yang langka
    • Di Prospect Creek, selatan Brooks Range, tercatat suhu terendah Alaska, yaitu -80°F
  • Katak adalah hewan berdarah dingin, sehingga suhu tubuhnya hampir sama dengan udara di sekitarnya
  • Wood frog adalah amfibi kecil yang harus bertahan melewati musim dingin subarktik yang panjang ini

Katak yang memilih lantai hutan alih-alih di dalam air

  • Sebagian besar katak utara berhibernasi di bagian dalam air kolam, danau, atau sungai
    • Mereka menjadi dingin dan hampir tidak bergerak, tetapi suhu tubuhnya tidak turun di bawah titik beku
  • Wood frog mengubur tubuhnya di antara daun gugur dan humus di lantai hutan untuk melewati musim dingin
    • Daun gugur, humus, dan salju memang memberi sedikit isolasi, tetapi tidak melindungi sepenuhnya dari suhu di bawah nol seperti hibernasi di dalam air
  • Karena strategi ini, wood frog bertahan hidup selama musim dingin dalam keadaan membeku

Peluang berkembang biak dari daratan yang cepat mencair

  • Salju dan tanah di daratan mencair dan menghangat lebih cepat daripada danau yang tertutup es, sehingga wood frog dapat aktif sangat awal pada musim semi
  • Wood frog yang bangun lebih awal kawin dan bertelur bahkan di kolam kecil atau genangan air lelehan salju yang mungkin mengering sebelum pertengahan musim panas
  • Katak yang berhibernasi di dalam air mulai aktif lebih lambat, sehingga reproduksinya juga lebih terlambat
  • Katak yang berkembang biak terlambat membutuhkan perairan permanen yang tidak mengering

Mengapa es mematikan bagi hewan biasa

  • Sebagian besar hewan harus menghindari kondisi yang membuat dagingnya membeku agar dapat bertahan hidup
  • Ketika kristal es terbentuk di dalam tubuh, berbagai kerusakan akan terjadi
    • Kristal es dapat menusuk pembuluh darah
    • Jika darah membeku, oksigen dan nutrisi tidak dapat dikirim ke organ, sehingga terjadi kerusakan metabolik yang serius
    • Es menarik air keluar dari sel, menyebabkan dehidrasi, mengacaukan struktur internal sel, dan merusak dinding sel
  • Kerusakan seperti ini berujung pada kerusakan internal yang luas dan mematikan

Cara membekukan bagian luar sel sambil melindungi bagian dalamnya

  • Wood frog dapat bertahan hingga 8 bulan setiap tahun dalam keadaan tubuh membeku keras
  • Saat musim dingin dimulai, es dengan cepat mengisi rongga perut dan menyelimuti organ dalam
  • Kristal es juga terbentuk di antara kulit dan otot, dan lensa mata membeku sehingga mata berubah putih
  • Pada saat yang sama, hati menghasilkan glukosa dalam jumlah besar dan mengalirkannya ke semua sel tubuh
    • Larutan gula yang kental mencegah sel membeku
    • Larutan ini berikatan dengan molekul air di dalam sel dan mengurangi dehidrasi
  • Tubuh wood frog membiarkan es terbentuk di bagian luar sel dan organ, tetapi mencegah pembekuan di bagian dalam sel sehingga menghindari kerusakan fatal

Urutan tubuh yang berhenti lalu terbangun kembali

  • Wood frog yang sedang hibernasi tidak memiliki gerakan otot, tidak ada detak jantung, dan tidak bernapas
  • Sepanjang musim dingin, ia tampak seperti bongkahan es dingin dan keras berbentuk katak, tetapi sebenarnya tetap hidup dalam keadaan terhenti
  • Saat musim semi tiba, wood frog mencair dari bagian dalam tubuh ke arah luar
    • Pertama, jantung mulai berdetak
    • Berikutnya, otak aktif kembali
    • Terakhir, kaki bergerak
  • Apa yang membuat jantung yang telah membeku dan tidak aktif sepanjang musim dingin di utara itu mulai berdetak lagi masih belum diketahui
  • Setelah sepenuhnya mencair, wood frog bergerak melewati hutan untuk mencari kolam atau perairan yang cocok untuk berkembang biak
  • Dalam kondisi yang mematikan bagi hampir semua hewan lain, wood frog tetap bertahan tanpa kerusakan

Kemungkinan berlanjut ke riset kedokteran manusia

  • Glukosa dalam darah wood frog adalah faktor kunci yang mencegah kerusakan jaringan pada suhu musim dingin Arktik yang ekstrem
  • Glukosa ini adalah zat yang sama dengan gula darah pada semua vertebrata, termasuk manusia
  • Wood frog yang sedang hibernasi dapat menoleransi gula darah 100 kali lebih tinggi dari normal
    • Pasien diabetes manusia dapat mengalami kerusakan meski gula darahnya hanya 2–10 kali lebih tinggi dari normal
    • Memahami cara wood frog menoleransinya dapat membantu pengelolaan gula darah tinggi pada pasien diabetes
  • Kemampuan wood frog menahan pembekuan dapat dimanfaatkan untuk menemukan cara membekukan dan mencairkan organ manusia untuk transplantasi tanpa kerusakan
    • Waktu yang diperbolehkan sejak organ diambil dari donor hingga ditransplantasikan ke penerima dapat diperpanjang
    • Lebih banyak transplantasi dapat dimungkinkan
  • Prinsip bagaimana sirkulasi darah berhenti lalu dimulai kembali beberapa bulan kemudian tanpa menimbulkan bekuan darah atau kerusakan lain juga menjadi objek penelitian
    • Memahami mekanisme ini dapat bernilai untuk merawat orang yang aliran darahnya berhenti sementara akibat serangan jantung atau stroke

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2024-11-16
Komentar Hacker News

  • Ada buku bagus karya Bernd Heinrich, Winter World, yang membahas bagaimana hewan bertahan menghadapi musim dingin yang ekstrem.
    Bernd adalah biolog yang sangat menarik, jadi ia menggali persoalannya secara mendalam. Bahkan saat menjelaskan bagaimana tupai melewati musim dingin, ia masuk ke prinsip-prinsip pertama dan mengembangkan perhitungan berdasarkan luas permukaan tubuh, mempertahankan suhu tubuh, suhu luar -40˚C, kebutuhan panas per jam, kalori dalam sebutir kacang pinus, dan sebagainya.
    Bahkan ia memasukkan kacang pinus ke mulut tupai mati untuk mengukur berapa banyak yang bisa masuk—hasilnya 17 butir—lalu melanjutkan perhitungan berdasarkan itu, jadi cukup menarik.

    • Bagian “saya memasukkan kacang pinus ke mulut tupai mati sampai tidak bisa dimasukkan lagi, dan ternyata muat 17 butir” terasa agak aneh. Selain sebagai lelucon menyeramkan, saya tidak tahu apa maknanya.
      Tupai tidak menyimpan makanan di mulutnya, melainkan di tempat penyimpanan; mereka bangun, pergi ke tempat penyimpanan, makan, lalu tidur lagi. Mereka juga tidak keluar pada suhu -40°C untuk mengumpulkan kacang pinus baru, dan pada musim dingin tidak banyak kacang pinus yang tersisa di pohon.
      Mungkin inti perhitungannya adalah menunjukkan bahwa strategi seperti itu tidak bagus, tetapi perhitungan di atas juga tidak memasukkan insulasi dari bulu dan tempat tidur.

  • Bagian “belum ada yang tahu apa yang membuat jantung wood frog yang membeku dan tidak aktif sepanjang musim dingin utara mulai berdetak lagi” adalah bagian paling memikat dari cerita ini.
    Kataknya benar-benar beku, dan sejauh yang kita tahu tidak ada detak jantung maupun aktivitas otak. Namun ketika mencair, sesuatu mulai bekerja lagi.
    Sulit membayangkan seperti apa mekanismenya. Saya penasaran apakah ada area kecil di otak yang melacak apakah ia pernah membeku, atau ada sinyal kimia tertentu yang muncul dari dalam rongga tubuh.

    • Saya sempat melihat sekilas https://en.wikipedia.org/wiki/Sinoatrial_node#Function, dan mungkin kira-kira seperti ini.
      Pada manusia dan banyak hewan, yang mengendalikan detak jantung adalah struktur di dalam jantung yang disebut nodus sinoatrial. Setiap sel di nodus sinoatrial dapat menghasilkan sinyal listrik berirama sendiri.
      Pada wood frog, begitu salah satu dari sel-sel ini mencair, ia mungkin langsung mulai menghasilkan pulsa berirama, dan agar jantung berdetak dengan benar, ia harus tersinkronisasi dengan sel-sel nodus sinoatrial lainnya. Sepertinya tiap sel sedikit menyesuaikan diri ke arah fase rata-rata sel-sel tetangganya pada setiap siklus, hingga tercapai konsensus.
    • Bisa juga terjadi semacam bit flip pada pelat neuron di otak katak akibat pengaruh seperti radiasi matahari.
      Atau mungkin karena elastisitas jantung dan otot.
    • Ada kemungkinan itu adalah reaksi kimia yang sensitif terhadap suhu.
    • Dari sudut pandang orang yang kurang pengetahuan biologi, jawaban “ketika bagian tubuh yang cukup sudah mencair sehingga jantung bisa berdetak, maka jantung berdetak” terdengar seperti jawaban yang kurang memuaskan.
      Kecuali kalau pada katak jantung bergantung pada otak.
    • Yang membingungkan bukan hanya jantung, tetapi seluruh sistem peredaran darah harus kembali berjalan.
      Mungkin urutan pencairannya berlangsung dari anggota gerak ke arah sebaliknya, dan jantung mencair terakhir setelah sisa sistem peredaran darah mencair. Dalam kasus ini, posisi jantung di tengah mungkin menguntungkan secara biologis.

  • Wood frog hanya hidup 3–5 tahun, jadi mereka paling banyak mengalami sekitar 5 siklus pembekuan/pencairan seperti ini. Saya penasaran apakah umur yang pendek membuat mereka mampu menoleransi sampai batas tertentu kerusakan sel yang terakumulasi selama siklus ini.
    Jumlah neuronnya juga sekitar 10.000 kali lebih sedikit daripada mamalia.
    Bahkan jika biokimia seperti ini bisa diwujudkan, berapa kali organisme yang lebih tinggi dapat menanggung siklus semacam ini? Makhluk hidup yang kompleks tampaknya telah mengorbankan sebagian kemampuan pemulihan, seperti kemampuan meregenerasi anggota tubuh. Amfibi memang pada dasarnya sangat mahir dalam regenerasi.

    • “Katak tidak membeku sekali lalu tetap beku, melainkan selama 1–2 minggu sebelum suhu terus berada di bawah titik beku, mereka berulang kali membeku pada malam hari dan mencair pada siang hari.”
      https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
    • Saya tidak tahu mengapa kita tidak lagi bisa menumbuhkan kembali anggota tubuh. Sebagai gantinya, ruang untuk apa yang muncul di DNA?

  • Sekarang saya jadi penasaran akan segala hal tentang otak mereka. Apakah mereka bisa membentuk ingatan, dan apakah ingatan itu tetap ada setelah siklus pembekuan/pencairan?
    Saat membeku, mereka pada dasarnya dalam keadaan mati, dan kita cenderung menganggap tidak ada aktivitas otak. Kalau begitu, saat mencair mereka dipulihkan kembali ke kehidupan. Saya penasaran apakah hewan lain juga mengalami hal seperti ini.

    • Setelah mencari, tampaknya mereka bermigrasi pada musim dingin. Mereka naik ke bukit sekitar 0,5 mil, tetapi katak dewasa dikatakan selalu kembali ke kolam berkembang biak yang sama setiap musim semi, jadi informasi itu tersimpan di suatu tempat.
    • Seperti perangkat penyimpanan komputer yang tetap utuh setelah restart, mungkin otak katak ini juga mempertahankan struktur internal dan koneksi sinapsis setelah siklus pembekuan/pencairan.
    • Rasanya seperti melanjutkan kembali setelah mode hibernasi.

  • Saya penasaran berapa lama struktur yang membeku bisa “bertahan hidup”. Entah apakah ide bagus membekukan katak seperti ini lalu mencairkannya berabad-abad kemudian. Seperti penjelajah waktu amfibi

  • Secara evolusioner, amfibi sampai batas tertentu lebih sederhana daripada mamalia, lebih kecil daripada banyak mamalia, dan juga tidak berumur panjang, jadi menurut saya sebagian dari hal ini mungkin berkat “hal-hal yang tidak ada”
    Karena suhunya sangat rendah, masalah produk akhir glikasi lanjut mungkin juga tidak terlalu besar. Strategi lain untuk bertahan di es adalah protein antibeku. Pohon fir dan beberapa ikan Arktik memiliki protein semacam ini: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
    Meski begitu, saya masih tidak tahu bagaimana potensial membran dipertahankan atau direkonstruksi pada tahap pencairan. Adakah referensi yang layak dibaca?

    • Di antara riset Michael Levin, sepertinya ada alur yang menyiratkan bahwa potensial membran dapat “dikodekan” dalam struktur mikrotubulus lalu kemudian diubah kembali menjadi potensial
      Ini belum mapan atau cukup dipahami, tetapi tampak seperti bidang riset yang menjanjikan
    • Bisa jadi karena es yang terbentuk di luar sel mengunci ion pada tempatnya
      Bahkan jika wilayah yang sangat kecil di sekitar kanal ion tetap cair dan menyeimbangkan sel maupun konsentrasi ion, ketika cairan ekstraseluler mencair, konsentrasi aslinya tampaknya akan hampir pulih

  • Kura-kura akuatik punya strategi brumation lain. Mereka bernapas dengan udara, tetapi bisa terjebak di bawah es selama berbulan-bulan, sehingga menggunakan adaptasi untuk menurunkan metabolisme dan memperoleh sedikit oksigen dari air melalui jaringan kloaka, serta aktivitas kimia terkait glukosa dan kalsium
    https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
    https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
    Saya punya seekor kura-kura di rumah yang selalu hidup di air hangat, tetapi mungkin karena bisa melihat langit, setiap sekitar waktu ini tiap tahun ia memutuskan sendiri untuk melakukan brumation dan mulai tidur siang berhari-hari atau berminggu-minggu di tempat persembunyiannya di bawah air

    • Itu juga kata yang tidak saya ketahui, dan Anda pun sebenarnya tidak tahu persis. Kata yang diciptakan pada 1965 adalah brumation
      https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
      Sepertinya kata kerjanya seharusnya brumate. Namun tampaknya ada dorongan kuat untuk menyelaraskannya dengan hibernation, dan hal semacam ini terjadi pada banyak kata. Atau mungkinkah pengaruh rumination?
    • Kura-kura di rumah kami juga berusaha menggali lubang untuk melakukan hal yang sama setiap tahun, meskipun kandangnya di dalam ruangan dengan suhu terkontrol yang sangat nyaman
      Tidak terlalu pintar, tetapi rajin

  • Bagi orang yang berpikir pembekuan bisa menjadi opsi, masalahnya bukan sekadar menghindari kristal es
    Hipotermia medis pada manusia hanya menurunkan suhu beberapa derajat, tetapi batasannya bukan pada lamanya waktu yang dihabiskan dalam keadaan dingin, melainkan pada pemulihan suhu tubuh normal yang terlalu cepat
    Mitokondria menghasilkan banyak spesies oksigen reaktif dalam kondisi hipoksia, dan jika oksigen dipulihkan dengan cepat, terjadi kerusakan kimia yang menjadi penyebab kematian sebenarnya. Karena itu suhu dikembalikan ke normal selama beberapa jam. Sepertinya bukan hanya siklus metabolik ini saja yang rusak akibat superpendinginan

    • Tidak bisakah ATP liposom disuntikkan ke aliran darah sebelum proses pendinginan? Dengan begitu sepertinya mitokondria bisa dibiarkan mati saja. Kata “dibiarkan” di sini bukan berarti itu mudah

  • Artikel ini tidak memuat foto katak. Foto katak yang sudah mencair dan katak yang membeku bisa dilihat di sini: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/

  • Sulit juga menyebut ini sebagai hibernasi. Membeku sepenuhnya punya manfaat sampingan lain, misalnya dapat memperlambat aktivitas atau membunuh banyak mikroorganisme infeksius. Mungkin juga ada semacam efek memperpanjang umur
    Adaptasi perilaku juga hampir tidak diperlukan. Saat katak mulai kedinginan, ia menggali masuk ke bawah daun, membeku sepenuhnya, lalu 8 bulan kemudian mencair dan bangun dalam keadaan lapar serta penuh dorongan untuk berkembang biak. Tidak buruk

    • Saya tidak akan terlalu berharap bahwa ini membunuh mikroorganisme infeksius
      Krioprotektan di dalam tubuh katak tidak membeda-bedakan, jadi bakteri dari luar pun kemungkinan akan terlindungi sama baiknya seperti sel katak
    • Kalau ternyata tidak ada efek memperpanjang umur, justru itu rasanya akan lebih menarik
      Bagi saya, itu akan menjadi hasil yang cukup berlawanan dengan intuisi