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¿Cómo sobreviven los insectos al invierno?

¿Cómo sobreviven los insectos al invierno?


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Hoy tuve una discusión interesante en la que surgió la pregunta de cómo sobreviven los insectos en el invierno. Dado que necesitan una temperatura externa lo suficientemente alta para estar activos, esto parece un poco difícil en el invierno. Con las heladas deberían congelarse por completo y no creo que sobrevivan a esto. ¿Dependen de los huevos puestos en el otoño (que también tienen que sobrevivir a temperaturas bajo cero) o emplean otras técnicas para eso?


Como hay muchos insectos, también hay varias estrategias diferentes. Como ya dijiste, los insectos dependen de la temperatura del medio ambiente y no pueden producir suficiente calor con su metabolismo. Las principales estrategias son:

  • Migración,
  • Vida comunitaria
  • Tolerancia al frío (mediante proteínas anticongelantes)

Solo algunos de los insectos pueden optar por " Migración", aquellos que son lo suficientemente grandes para viajar largas distancias. Un buen ejemplo de esta migración de insectos es la mariposa monarca que migra desde el hábitat de verano en el noreste de los Estados Unidos y el sur de Canadá hacia México en el otoño. Con esta estrategia, los insectos evitan vivir temperaturas amenazadoras.

"Vida comunitariaAyuda a los insectos a superar el invierno, ya que la colonia produce suficiente calor para sobrevivir. Un ejemplo destacado son las abejas, que mantienen temperaturas relativamente altas en sus colmenas, otro serían las hormigas.

"Proteínas anticongelantes"También son empleados por unos pocos. Algunos insectos contienen proteínas especiales o glicerol en su hemolinfa (el equivalente a la sangre) que evita que se congele y / o previene la formación de cristales de hielo que destruyen las células. Un ejemplo para un animal de este tipo sería el Weta de piedra de montaña de Nueva Zelanda, que puede permanecer congelado durante un mes hasta que la temperatura sea lo suficientemente alta para volver a vivir. Algunos insectos entran en una especie de sueño invernal, en el que sobreviven a las bajas temperaturas. Su ciclo de vida está sincronizado con las estaciones del año.

La respuesta se basa en este y en este artículo, busque más información y referencias.


La respuesta anterior es perfectamente correcta ... excepto que se trata principalmente de insectos ectotérmicos ... ahora también hay algunos insectos endotérmicos ... y muchos de ellos adoptan esta siguiente técnica curiosa para elevar su temperatura corporal ...

Aquí, la capacidad de la hawkmoth para elevar su temperatura corporal depende de sus poderosos músculos de vuelo que generan una gran cantidad de calor durante el funcionamiento. Los insectos utilizan los escalofríos para calentarse antes de emprender el vuelo ... contraen sus músculos de vuelo en sincronía antes de volar, de modo que sólo se producen leves movimientos de las alas pero se produce un calor considerable. Las reacciones químicas y, por lo tanto, la respiración celular aceleran sus motores de vuelo calentados. permitiéndoles volar durante los días fríos e incluso durante la noche ...

Además, algunas polillas endotérmicas necesitan la ayuda del intercambiador de calor a contracorriente 'confiable en el tiempo', que ayuda a mantener una temperatura alta en el tórax ... donde se encuentran la mayoría de los músculos de vuelo ... manteniendo así una temperatura constante. de aproximadamente 30 grados centígrados en el núcleo del cuerpo cuando la temperatura exterior es, a veces, incluso cerca de bajo cero

Además ... este mecanismo particular es aplicado por insectos y animales ... ectotermos y endotermos por igual ... Introducción de colesterol en la membrana celular por lo tanto obstaculizar la solidificación a baja temperatura interrumpiendo el empaquetamiento regular de fosfolípidos ...


Los insectos sobreviven al invierno con un truco de ciencia ficción

En el verano, cuando el aire es pegajoso y caluroso, los insectos están por todas partes: dando vueltas en su frutero, marchando a través de su picnic, zumbando en su oído y, a veces, en el peor de los casos, volando directamente a su boca.

Pero cuando las temperaturas bajan, se forman carámbanos y las parkas se agotan, los insectos parecen desaparecer por completo de los rincones más fríos del mundo, hasta meses después, como una especie de truco de magia. reaparecen, como si hubieran estado allí todo el tiempo.

Para averiguarlo, hablamos con alguien que ha pasado gran parte de su carrera investigadora reflexionando sobre esta misma pregunta: Brent Sinclair, director del Laboratorio de Biología de Insectos a Baja Temperatura de la Universidad de Western Ontario en Canadá, donde también es profesor asociado.

Una de las razones por las que la mayoría de la gente está desconcertada por el destino de los insectos en el invierno es porque no hay una respuesta simple. Algunos sobreviven como huevos, larvas o pupas, mientras que otros pasan el invierno como adultos completamente desarrollados.

Sin embargo, en general, hay tres estrategias de supervivencia distintas que atrapan a los insectos, y criaturas relacionadas, como las arañas, durante el invierno. Uno de ellos (¡el último de nuestra lista!) Parece lo suficientemente extraño como para ser ciencia ficción.


¿Cómo sobreviven los insectos al invierno?

¡En este momento, tengo cinco insectos diferentes caminando por mi oficina! Por supuesto, son invasores accidentales junto con muchas otras plagas molestas activas en este momento. También es una señal de la calidad del edificio en el que trabajo [suspiro]. Me han preguntado varias veces "¿Qué frío tiene que hacer para matar insectos?? " Quizás sea importante comprender por qué las temperaturas frías matan a los insectos. Los insectos se diferencian de los mamíferos y las aves porque deben generar su propio calor (llamados ectotermos). Los insectos mueren cuando se exponen a temperaturas por debajo del punto de fusión de sus fluidos corporales. Si quieren sobrevivir a nuestros fríos inviernos de Iowa, deben evitar la congelación o tolerar la congelación. Con el tiempo, los insectos han desarrollado varias estrategias para sobrevivir a las bajas temperaturas y ninguna de ellas implica el uso de vellón.



Errores de Boxelder. Foto de Joseph Berger, www.ipmimages.org.


Algunos insectos simplemente se mueven hacia las estructuras humanas en el otoño y se mantienen calientes hasta la primavera. Un ejemplo común son las mariquitas asiáticas multicolores que se acumulan en las casas cada año. Incluso si están protegidos por dentro, es probable que mueran antes de la primavera si no obtienen comida y agua. Algunos insectos también migran a climas más cálidos para evitar la congelación. Un ejemplo clásico son las mariposas monarca que se trasladan de Canadá a México todos los años. ¡Suena bastante bien ahora!



Las mariquitas asiáticas multicolores se acumulan en las estructuras cada otoño. Foto de Robert Koch, Universidad de Minnesota.


La mayoría de nuestros insectos persistentes en Iowa tienen que pasar el invierno al aire libre, y se han desarrollado dos estrategias para sobrevivir a condiciones extremas: evitar la congelación y tolerancia a la congelación. Los insectos que evitan la congelación mantienen líquidos los fluidos corporales y los insectos tolerantes a la congelación pueden manejar la formación de hielo interno. Espera un minuto, ¿qué? Lo sé ... cualquiera de las estrategias parece fantástica.

La principal estrategia para los insectos que viven en el hemisferio norte, donde tenemos temperaturas frías durante un largo período de tiempo, es evitar las heladas. La evitación de la congelación se puede lograr de varias maneras. A veces, los insectos entran en una hibernación “seca” al deshacerse de toda la comida y el agua de su cuerpo. De esa manera, el hielo no puede formarse dentro del cuerpo y matarlos. El agua necesita comida o partículas de polvo para cristalizar el agua puede enfriarse a -42 ° C sin congelarse si las partículas están ausentes. Otros insectos tienen una capa súper cerosa en el exoesqueleto que protege contra la formación de hielo en el cuerpo. Sorprendentemente, algunos insectos que evitan la congelación también producen crioprotectores, como glicerol y azúcar, para reducir la letal temperatura de congelación del cuerpo. Entonces, sí, los crioprotectores actúan como el anticongelante en su automóvil. ¡No puedo inventarme estas cosas!

La mayoría de los insectos que viven en el hemisferio sur, donde el clima es más variable, emplean tolerancia a la congelación. Estos insectos pueden soportar la formación de hielo en el cuerpo. Algunos realmente iniciarán la congelación de su cuerpo a temperaturas relativamente altas para prepararse para una hibernación más prolongada. Un ejemplo de insecto tolerante a las heladas es el oso lanudo. [Nota al margen: varios festivales de invierno celebran a los osos lanudos como el Día de la Marmota].



Los osos lanudos hibernan como orugas resistentes al frío. Foto de IronChris, Wiki.


No importa la estrategia de hibernación, todos los insectos eventualmente morirán si hace suficiente frío. Sin embargo, la temperatura letal más baja es diferente para cada especie. Los insectos pueden pasar el invierno en cualquier etapa de la vida, algunos están bajo tierra y otros en la superficie. Se complica rápidamente, así que lo guardaré para otro momento. Obtenga más información sobre cómo los insectos sobreviven al invierno en esta página Wiki.


Resistencia al frío de los insectos y el impacto de las temperaturas fluctuantes

La temperatura a menudo limita la distribución de una especie de insecto, pero también puede influir en su éxito en el rango ocupado. Esto se debe a que los insectos son ectotermos, lo que significa que su temperatura corporal interna cambia con su entorno porque no generan calor. Por tanto, los insectos se ven directamente afectados por microclimas provocados por las fluctuaciones de temperatura diarias o estacionales en sus hábitats.

¿Cómo se adaptan los insectos a las duras condiciones ambientales?

Al igual que la hibernación en otros animales, los insectos pueden permanecer inactivos en respuesta a condiciones adversas. Inactividad es un estado inactivo caracterizado por una actividad metabólica deprimida y un desarrollo detenido. Esto puede tomar muchas formas dependiendo de la intensidad y duración de la latencia. Quietud es un período corto de inactividad que es directamente inducido por condiciones adversas y puede ser rápidamente reversible cuando regresan las condiciones favorables. Diapausa es un proceso regulado por hormonas que está determinado genéticamente para que ocurra durante una determinada etapa de la vida. Al igual que la inactividad, la diapausa es una respuesta a las señales ambientales, pero se activa antes de que ocurran las condiciones adversas para dar tiempo a que se produzcan cambios fisiológicos profundos. Iniciar y terminar la diapausa es una respuesta gradual a estímulos simbólicos, como fotoperiodo, temperatura, calidad o disponibilidad de alimentos, factores maternos (dieta, edad, etc.), humedad y otros. Los indicadores confiables de la diapausa invernal en climas templados incluyen el fotoperíodo y la temperatura. La diapausa suele durar meses, pero puede ocurrir durante semanas o más de un año, dependiendo de la especie.

Sobrevivir al invierno

Por lo general, los insectos acumulan reservas de energía y se trasladan a un lugar protegido. hibernando sitio (climas más cálidos, suelo, basura / escombros, estructuras como capullos y agallas) en preparación para la diapausa. Entrar en diapausa no asegura la supervivencia. Los insectos adoptan rápidamente una temperatura cercana a la de su entorno, dejando el agua de su cuerpo vulnerable a la congelación. La diapausa y la resistencia al frío no siempre están vinculadas. La resistencia al frío a veces se logra después del inicio de la diapausa. Los mecanismos fisiológicos implicados en la invernación exitosa varían según la especie de insecto y no se comprenden completamente. A continuación, proporcionamos ejemplos de algunos mecanismos primarios que se han descrito para diferentes estrategias, pero esta no es una lista exhaustiva.

Tolerancia al congelamiento:

Los insectos tolerantes a la congelación pueden sobrevivir a la congelación produciendo proteínas nucleantes de hielo y de choque térmico, aumentando la abundancia de acuaporinas y acumulando crioprotectores. La mayoría de los insectos tolerantes a la congelación se congelan a temperaturas relativamente altas para evitar la rápida formación de cristales de hielo que pueden causar lesiones. En especies tolerantes a la congelación, no existe correlación entre el punto de sobreenfriamiento (SCP el punto en el que el agua se congela) y temperaturas invernales. Sin embargo, la congelación repetida puede reducir el SCP y aumentar las concentraciones de crioprotectores. Los SCP típicos para insectos tolerantes a la congelación están por debajo de -40 ° F (Figura 1).

Evitación de congelación:

Evitar las heladas es la adaptación más común a las bajas temperaturas. Los insectos susceptibles a la congelación reducen su SCP al producir proteínas anticongelantes y de choque térmico y acumulan crioprotectores para evitar la congelación. No producen agentes nucleantes de hielo, sino que eliminan de sus cuerpos los nucleadores de hielo, como partículas de alimentos o microbios en el tracto digestivo. En las especies susceptibles a la congelación, las SCP más bajas se correlacionan con temperaturas invernales más severas. La mortalidad aún puede ocurrir en insectos susceptibles a la congelación si las temperaturas descienden por debajo del SCP. Los SCP típicos para insectos susceptibles a la congelación están entre -4 ° F y -40 ° F (Figura 1).

Endurecimiento rápido en frío:

La diapausa requiere una respuesta más prolongada a las bajas temperaturas, pero los insectos también pueden adaptarse en escalas de tiempo muy cortas. El endurecimiento rápido en frío (RCH) permite una tolerancia al frío casi instantánea para exposiciones breves (minutos a horas) a temperaturas no letales, particularmente cuando el insecto aún no se encuentra en un estado resistente al frío. La supervivencia de RCH mejora la tolerancia a temperaturas más severas más adelante.

Lesión por frío:

Debido a que el SCP de la mayoría de los insectos que hibernan está muy por debajo de la temperatura más baja del invierno, la mayor amenaza para la supervivencia es el impacto acumulativo del daño por frío no congelante, que es una función de la temperatura y la duración de la exposición. Este tipo de lesión ocurre por encima del punto de congelación pero por debajo de los umbrales de desarrollo normales cuando los insectos suelen estar en coma frío. La mayoría de los insectos entran en coma frío reversible a 50 ° F o menos. La lesión puede reducirse o revertirse si un período frío se interrumpe por breves temperaturas cálidas (tan solo 5 minutos). Esta reducción de la mortalidad no se debe necesariamente a una menor lesión por frío, sino más bien a una reparación de la lesión por frío durante los períodos cálidos.

Cuando no ocurre la mortalidad, la exposición a temperaturas frías tiene efectos subletales como un crecimiento, desarrollo y potencial reproductivo reducidos. Las temperaturas fluctuantes pueden permitir el desarrollo fuera de los límites críticos normales; sin embargo, el desarrollo generalmente se retrasa debido a que las lesiones por frío directo deben repararse. Si la temperatura más baja no causa lesiones, el desarrollo puede acelerarse. Las temperaturas fluctuantes pueden reducir la fecundidad si se experimentan temperaturas estresantes. Las exposiciones repetidas al frío pueden aumentar la supervivencia y reducir los puntos de sobreenfriamiento en relación con las temperaturas cálidas o frías sostenidas. Los ciclos repetidos de congelación-descongelación tienen más resultados mixtos, la supervivencia generalmente disminuye, pero depende de la especie y aumenta al aumentar el tiempo de recuperación.


Figura 1. Esquema de las diferencias bioquímicas entre la tolerancia a la congelación y las estrategias de hibernación de los insectos para evitar la congelación. De Bale y Hayward 2010. (doi: 10.1242 / jeb.037911).

Términos importantes:

Invierno - para sobrevivir los meses de invierno en un estado de desarrollo detenido, generalmente en un lugar que protege al insecto del clima frío del invierno. Ejemplos: migración, dentro de edificios, debajo de rocas o corteza de árbol, en hojarasca o suelo.

Inactividad - la suspensión temporal del desarrollo, el crecimiento y la actividad física durante una parte del ciclo de vida de un insecto.

Quietud - un breve período de inactividad inducido directamente por condiciones adversas que puede ser rápidamente reversible cuando regresan las condiciones favorables.

Diapausa - un estado de actividad metabólica regulado por hormonas que se determina genéticamente que se produce durante una determinada etapa. El crecimiento y el desarrollo se reducen y los insectos tienen una mayor resistencia a las condiciones extremas y una actividad reducida o un comportamiento alterado. Diapausa facultativa ocurre en respuesta a señales ambientales, mientras que diapausa obligatoria ocurre durante cada generación independientemente de las señales ambientales.

Tolerancia a la congelación - la capacidad de tolerar el tejido congelado limitando la presencia o ubicación de hielo en el cuerpo.

Evitación de congelación - la evasión de la congelación al reducir el punto en el que el agua se congela en el cuerpo.

Sobreenfriamiento - cuando el agua se enfría por debajo del punto de congelación sin cambiar a hielo. Si no hay partículas presentes que permitan la cristalización, el agua puede enfriarse a -36.5 ° F sin congelarse.

Punto de sobreenfriamiento - el punto en el que se congela una solución superenfriada.

Relajado - enfriar sin congelar, generalmente por encima de 32 ° F.

Endurecimiento rápido en frío - una respuesta a la temperatura fría que permite a los insectos sobrevivir a exposiciones breves al disminuir rápidamente su temperatura letal.

Crioprotectores - los ejemplos incluyen alcoholes de azúcar como glicerol, sorbitol e inositol, trehalosa, prolina y glucosa.

Referencias:

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Colinet y col. 2015. Insectos en ambientes térmicos fluctuantes. Annu. Rev. Entomol. 60: 123-140.


Cómo sobreviven los insectos al frío del invierno

Hace tres meses, nuestros campos y bosques zumbaban y gorjeaban con vida de seis patas: cigarras arriba, grillos bajo los pies. Ahora la nieve ha cubierto el paisaje, y ellos y la mayoría de los otros insectos se han ido y no volverán a aparecer hasta la primavera.

¿Cómo sobreviven a este clima? ¿Qué les impide morir congelados?

El riesgo de congelación es, de hecho, un desafío mayor para los insectos que para muchas otras criaturas del mundo natural, y eso es debido a su tamaño. Cuanto más pequeño es un animal, más área de superficie tiene en relación con su masa y, en consecuencia, más rápido pierde calor de esa interfaz superficie / aire. Incluso un abejorro especialmente robusto tiene una superficie mucho más proporcional que, digamos, un elefante.

El principal problema que plantea la congelación es el siguiente: cuando el agua se congela en cristales, se expande. Si esto sucede dentro de las células vivas, los cristales pueden apretar las membranas celulares y triturarlas, destruyendo los tejidos de adentro hacia afuera.

En climas fríos, la mayoría de los insectos entran en un estado de diapausa similar a & # 8211 pero fisiológicamente distinto de & # 8211 la hibernación de los mamíferos. En diapausa utilizan poca o ninguna energía. Sin embargo, los insectos, mientras se encuentran en ese estado, deben evitar la muerte por congelación.

Encontrar refugio es la respuesta para algunos. Las mariquitas, las moscas de racimo y las crisopas verdes se cuelan en nuestros cálidos hogares a través de las grietas de las paredes. Las hembras de las avispas ichneumon parásitas se entierran en tocones de árboles o grupos de musgo para evitar fuertes ráfagas invernales. Una reina abejorro encontrará refugio en un muñón podrido, donde sobrevive mucho después de que todos los demás miembros de su colmena hayan sucumbido al frío.

Algunos insectos generan altas concentraciones de productos químicos anticongelantes, conocidos colectivamente como crioprotectores, que evitan que los tejidos se congelen o que limitan la cantidad de daño causado por la congelación. Un crioprotector, el glicerol, evita que se formen cristales de hielo dentro de las células de ciertos insectos. Las larvas de los escarabajos de cuernos largos son un ejemplo. Sobreviven llenándose de glicerol y luego enterrándose en madera muerta.

Otras especies o los huevos de especies, como los de las mantis, se congelarán pero solo después de producir otras sustancias químicas que extraerán la humedad de sus células, de modo que cuando se formen cristales de hielo, se formen en los espacios entre las células. Esto mitiga el daño.

Los lepidópteros & # 8212mariposas y polillas & # 8212 son un grupo diverso que utiliza una variedad de estrategias para sobrevivir al invierno. El oso lanudo, la oruga de la polilla tigre, se prepara para el invierno y se arrastra debajo de la hojarasca o entre los troncos de su pila de leña. La polilla oruga de la tienda del este pone huevos cargados de glicerol en ramitas de cerezo o manzana, donde permanecen durante todo el invierno. La gran polilla cecropia de colores llamativos pasa el invierno en un acogedor capullo de seda y hojas envueltas. Algunos lepidópteros, como los archivos de mantequilla de capa de luto, sobreviven como adultos, pasando el invierno entre la corteza de los árboles peludos o en árboles ahuecados.

Un tipo de lepidópteros, las mariposas monarca, lo tiene todo resuelto. Simplemente van al sur. Las mariposas monarcas de nuestra región vuelan cada otoño 3,000 millas hasta las montañas volcánicas del este de Michoacán en el centro de México, donde se unen a decenas de millones de otras monarcas del este de las Montañas Rocosas. Las monarcas viven solo varios meses, por lo que los que regresan a New Hampshire o Vermont pertenecen a una segunda o tercera generación.

Algunos insectos mantienen una vida bastante activa durante el invierno. Un grupo de polillas nocturnas mantiene la temperatura corporal temblando. Pueden elevar la temperatura de su cuerpo en más de 50 grados F. Esté atento a que vuelen cada vez que la temperatura alcance los 32 grados o más. Para tener una perspectiva, considere esto: las fluctuaciones de temperatura de incluso alrededor de 5 grados representan un peligro para los humanos.

Una de las estrategias de supervivencia más elaboradas es la empleada por la mosca de la vara de oro. Su ciclo de vida está perfectamente en sintonía con el de su planta homónima. En primavera, los adultos ponen huevos en la planta y brotes verdes frescos. Los productos químicos, ya sea entregados con el huevo o producidos por la larva, cooptan el crecimiento de la planta y provocan la formación de una esfera similar a un tumor, llamada hiel, alrededor de la mosca bebé. La larva mastica un túnel de escape en el otoño, pero no lo usa en su lugar, se retira al centro protector de la hiel y espera la primavera y su metamorfosis final. Es fácil recolectar los crecimientos de cualquier grupo de vara de oro en el otoño, diseccionarlos es un elemento básico de las clases de biología de campo.

La mayoría de los insectos permanecen fuera de la vista en invierno, pero en los días templados, es posible que vea mariquitas que se han deslizado desde la carpintería para tomar el sol, o en un paseo con raquetas de nieve por el bosque, puede ver montones de nieve salpicados de diminutas pulgas de nieve. .

Para las pulgas de la nieve, la nieve no es algo de lo que huir, más bien es una mesa de banquete de bienvenida en la que cenar golosinas como el polen y las células de algas. Comen mientras otros insectos duermen.

Kenrick Vezina es un escritor y profesor independiente que vive en Lowell, MA.

& copia por el autor este artículo no puede ser copiado o reproducido sin el consentimiento del autor.


Las moscas de piedra de invierno son súper geniales

Quizás sean los veranos que pasé en la universidad contando e identificando libélulas y mariposas en vuelo. O tal vez fueron los cientos de horas que soporté en la escuela de posgrado con mi cara peligrosamente cerca de una olla llena de estiércol, sacando miles de pequeños insectos de arroyos. Creo que es sólo una vida de curiosidad por cualquier cosa de seis patas que grabe permanentemente una imagen de búsqueda de insectos en mi cerebro.

Por lo tanto, no es de extrañar que, mientras disfrutaba de una caminata de un día de invierno y rsquos a una de mis cascadas favoritas cerca de Ithaca, Nueva York, [Taughannock Falls, arriba] mis ojos se desviaron del pintoresco paisaje glaseado de hielo a las diminutas manchas oscuras que se movían ágilmente a través de la nieve: ¡las moscas de piedra de invierno estaban en movimiento! [Winter Stonefly in Hand, abajo]

Las moscas de piedra de invierno son pequeñas criaturas peculiares. En pleno invierno, las moscas de la piedra y las etapas inmaduras acuáticas, llamadas larvas o ninfas, se arrastran desde su fondo rocoso a casa a través de grietas y hendiduras en la nieve y el hielo que cubren la superficie del arroyo que habitaron durante el último año y emergen como adultos. . Aunque poseen cuatro alas que ruedan ordenadamente sobre sus abdómenes alargados, las moscas de piedra de invierno adultas permanecen cerca de la nieve y el hielo, caminando en lugar de volar, en busca de parejas.

Todo envuelto en mi sombrero, guantes, bufanda, parka y ropa interior larga (y todavía FRÍO), me pregunté acerca de la fisiología de las moscas de piedra de invierno que observé. ¿Cómo pueden ser tan activos en temperaturas invernales bajo cero, cuando la mayoría de sus hermanos de seis patas están bien escondidos de los elementos? ¿Y cómo evitan los efectos letales de la congelación en dos hábitats muy diferentes, en el agua y en la tierra?

De vuelta en la acogedora calidez de mi hogar, comencé a investigar algunas de estas preguntas. Aprendí bastante rápido que no se sabe mucho sobre la resistencia al frío de los insectos acuáticos, y mucho menos de las moscas de las piedras de invierno (un nombre que se refiere específicamente a dos familias del orden Plecoptera: Capniidae y Taeniopterygidae). De hecho, en su tratado sobre las moscas de piedra, el difunto naturalista de campo canadiense H.B. Noel Hynes ofreció una posible razón por la que este es el caso de las moscas de piedra de invierno adultas, reflexiona, son `` más abundantes al principio de la temporada antes de que el entomólogo promedio haya salido de la hibernación ''.

Para comprender cómo las moscas de las piedras de invierno lidian con las temperaturas bajo cero en el agua y en la tierra, es útil examinar primero lo que han revelado 60 años de investigación sobre cómo los insectos terrestres, un grupo más estudiado, sobreviven al invierno. Si no es lo suficientemente inteligente como para evitar el invierno por completo migrando hacia el sur (como esas inteligentes mariposas monarca) o buscando un refugio aislado como su casa (¿las mariquitas y las chinches apestosas, alguien?), Los insectos terrestres se prepararán para el frío brutal del invierno internamente por sufriendo una serie de cambios fisiológicos y bioquímicos.

Para comprender estos cambios, el criobiólogo Richard Lee, Jr. recomienda que pensemos en un insecto como una pequeña bolsa de agua. En volúmenes pequeños, del tamaño de un insecto, el agua se puede enfriar muchos grados por debajo de su punto de congelación estándar (0 ° C) y aún permanecer en forma líquida, un proceso conocido como sobreenfriamiento. Es posible que haya encontrado líquidos sobreenfriados en algún momento de este invierno en forma de lluvia helada. Sin embargo, si se introduce una partícula de polvo en un líquido sobreenfriado, los cristales de hielo comenzarán a formarse inmediatamente a su alrededor en un proceso llamado nucleación. Además, el hielo se puede formar dentro de la pequeña bolsa de agua sobreenfriada si los cristales de hielo externos se tocan y posteriormente lo invaden a través de cualquier pequeña abertura, un proceso llamado nucleación inoculativa.

Los insectos que se preparan para la exposición a temperaturas invernales bajo cero, ya sea en estado activo o en reposo, generalmente emplean una de dos estrategias para lograr la resistencia al frío: evitar la congelación o tolerarla.

Los insectos que evitan la congelación producen activamente compuestos anticongelantes y ndash, incluidos glicerol, proteínas y azúcares, que mejoran su capacidad de sobreenfriamiento, lo que permite que los fluidos corporales permanezcan descongelados a temperaturas aún más por debajo de su punto de congelación. Algunos insectos terrestres y rsquo líquidos corporales superenfriados pueden permanecer en estado líquido a temperaturas de 15 ° C a 35 ° C. debajo cero. Además, a medida que se acerca el invierno, los insectos que evitan la congelación eliminarán materiales de sus entrañas y fluidos corporales que podrían servir como una semilla alrededor de la cual se nuclean los cristales de hielo, incluidos los alimentos, las bacterias relacionadas con la digestión y el polvo.

Los insectos tolerantes a la congelación, por otro lado, no solo toleran la formación de cristales de hielo en los fluidos que bañan sus células, sino que la promueven activamente. Estos insectos producen proteínas nucleantes de hielo en su líquido extracelular que en realidad limitan la capacidad de los insectos para sobreenfriarse y promover la formación de cristales de hielo a temperaturas bajo cero más altas. Al promover el crecimiento de los cristales de hielo fuera de las células, las proteínas que nuclean el hielo ayudan a reducir la probabilidad de que el contenido dentro de las células de los insectos y rsquo se congele y explote. Pero con el agua fuera de las células unida como cristales de hielo, el agua dentro de las células querrá moverse hacia el espacio extracelular. Para prevenir la posterior deshidratación celular y estabilizar las membranas celulares, los insectos tolerantes a la congelación también producen el compuesto anticongelante glicerol.

Entonces, ¿cómo se traducen estas estrategias, si es que lo hacen, a los insectos acuáticos, en particular a las moscas de piedra de invierno?

Por desgracia, antes de abordar esa pregunta, consideremos las propiedades termodinámicas de los entornos acuáticos que consideran hogar durante la mayor parte de su ciclo de vida. El agua, como recordará de la física de la escuela secundaria, tiene un calor específico más alto que el aire; en otras palabras, se necesita más energía para calentar el agua que para calentar una masa igual de aire. En consecuencia, el agua de los arroyos y ríos no experimenta las fluctuaciones extremas de temperatura que experimenta el aire sobre ellos y, en general, permanece más caliente que los hábitats terrestres adyacentes en invierno. Cuando se forma hielo en la superficie de un cuerpo de agua, en realidad aísla el agua y el sustrato debajo de él de las temperaturas bajo cero.

El Dr. Lee y su equipo de criobiología salieron valientemente de su hibernación invernal para recolectar y comparar las capacidades de sobreenfriamiento de los insectos acuáticos y terrestres de las zonas templadas en invierno. Resulta que los insectos acuáticos se sobreenfriaron mucho menos que sus parientes terrestres, los insectos acuáticos se sobreenfriaron a aproximadamente -7 ° C, mientras que los insectos terrestres de las mismas familias se sobreenfriaron a temperaturas tan bajas como -40 ° C. A pesar de las reducidas capacidades de sobreenfriamiento, la mayoría de los insectos acuáticos que habitan en estas aguas templadas todavía se clasifican como evitadores del congelamiento, los relativamente pocos insectos acuáticos que se sabe que toleran la congelación (¡los especímenes fueron recolectados directamente del hielo!) Habitan en arroyos y estanques en el Ártico que regularmente se congelan claramente a través del fondo. El Dr. Lee y sus colegas plantean la hipótesis de que los insectos acuáticos que hibernan en la zona templada simplemente no se encuentran con las temperaturas extremas bajo cero que experimentan los insectos terrestres, lo que hace que una capacidad de superenfriamiento sea evolutivamente innecesaria.

Las ninfas de la mosca de piedra del invierno emergen como adultas en las bolsas de aire entre el agua y una capa aislante de hielo superficial, un hábitat bastante protegido que no experimenta temperaturas muy por debajo de 0 ° C. Además, el Dr. Lee y sus colegas han descubierto que las moscas de piedra de invierno adultas recolectadas en febrero tenían una capacidad significativamente mayor para sobreenfriarse (es decir, pueden enfriarse a temperaturas mucho más bajas sin congelarse) que sus etapas ninfales, lo que sugiere que los adultos pueden aumentar la cantidad de antiinflamatorios. -congelar compuestos en sus fluidos corporales.

Después de la emergencia, las moscas de piedra de invierno adultas pueden buscar protección en refugios térmicos debajo de la nieve o debajo de rocas que ofrecen temperaturas más cálidas que el aire de la superficie bajo cero. Si bien la coloración del cuerpo de los adultos y rsquo marrón-negro puede promover la absorción de la radiación solar, es probable que tales ganancias sean anuladas por una brisa fría debido a su pequeña masa corporal. Y al caminar sobre la punta de sus pies, las moscas de piedra adultas evitan los peligros de los cristales de hielo externos que potencialmente invaden sus cuerpos e inducen la congelación inoculativa.

A medida que nuestros días de invierno se alargan y se vuelven más cálidos en previsión de la primavera, pronto desaparecerán sus oportunidades de atrapar moscas de piedra de invierno en acción esta temporada. Aquí & rsquos una imagen de búsqueda para usted & ndash Guárdela en la memoria. ¡Ahora levántate de esa hibernación invernal y ve a buscar esas pequeñas bolsas de agua súper frescas!

Referencias y lecturas adicionales

Borror D.J., White R.E. Peterson. (1970) Una guía de campo de los insectos de América al norte de México. Houghton Mifflin Co., Nueva York. 404 págs.

Bouchard R.W., Schuetz B.E., Ferrington L.C., Kells S.A. (2009) Resistencia al frío en los adultos de dos especies de mosca de piedra de invierno: Allopcapnia granulata (Claassen, 1924) y A. pygmaea (Burmeister, 1839) (Plecoptera: Capniidae). Insectos acuáticos 31 (2): 145-155 doi: 10.1080 / 01650420902776690

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Lencioni V. (2004) Estrategias de supervivencia de insectos de agua dulce en ambientes fríos. Revista de Limnología 63 (Suplemento 1): 45-55.

Moore M.V., Lee R.E. (1991) Sobreviviendo al gran frío: estrategias de invernada de insectos acuáticos y terrestres. Entomólogo estadounidense 37: 111-118

Walters Jr., K.R., Sformo T., Barnes B.M., Duman J.G. (2009) Tolerancia al congelamiento en una mosca de piedra del Ártico de Alaska. Revista de biología experimental 212 (2): 305-312 doi: 10.1242 / jeb.020701

Photo credits: Taughannock Falls and Winter Stonefly in Hand, Holly Menninger, 2008 three Allocapnia sp. Winter Stonefly Closeups, Tom D. Schultz, 2001. All photos are used with permission and licensed under the Creative Commons.

About the author: Dr. Holly Menninger is a senior extension associate at Cornell University where she helps protect New York State&rsquos natural resources from the threats of invasive species, including a number of really big, bad bugs. With a Ph.D. in ecology and a fondness for insects with weird and wonderful life histories, she&rsquos determined to share her enthusiasm for the natural world by any means necessary, including podcasts, tweets (@DrHolly), and posing for pictures with 17-year cicadas on her nose.

The views expressed are those of the author and are not necessarily those of Scientific American.

The views expressed are those of the author(s) and are not necessarily those of Scientific American.


For Many Insects, Winter Survival Is In The Genes

Many insects living in northern climates don't die at the first signs of cold weather. Rather, new research suggests that they use a number of specialized proteins to survive the chilly months. These so-called &ldquoheat-shock proteins&rdquo ensure that the insects will be back to bug us come spring.

A study of flesh flies and a handful of other insects suggests that they have an arsenal of protective heat-shock proteins that are turned on almost as soon as the temperature dips. Until this new study, researchers knew of only two such proteins that were activated in flesh flies during cooler weather.

&ldquoInsects need heat-shock proteins in order to survive,&rdquo said David Denlinger, the study's lead author and a professor of entomology at Ohio State University. &ldquoWithout these proteins, insects can't bear the cold and will ultimately die.&rdquo

Denlinger and his colleagues found nearly a dozen additional heat-shock proteins that are activated during diapause, a hibernation-like state that insects enter when temperatures drop. Insects can stay in this state of arrested development for several months.

&ldquoWe certainly didn't expect to find that many proteins active during diapause,&rdquo Denlinger said. The researchers report their findings in the current online early edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences.

Insects and other animals, including humans, produce heat-shock proteins in response to extremely high temperatures. The proteins are so named because they were initially discovered in fruit flies that were exposed to high heat. Humans make these proteins when we run a high fever.

"But insects make these very same stress proteins during times of low temperature as well as during exposure to high levels of toxic chemicals, dehydration and even desiccation," Denlinger said.

He and his colleagues first figured out how many genes were turned on only during the flesh fly's dormant state. The researchers extracted and compared RNA from both dormant and non-dormant fly pupae &ndash the developmental stage between larva and adulthood. They used a laboratory technique that let them separate out genes that were turned on only in the flies in this dormant state.

The researchers found 11 previously undiscovered genes that turn on heat-shock proteins during diapause. Until this study, they had only known of two such proteins.

Denlinger and his team also examined the expression of one of those previously discovered heat-shock proteins, Hsp70, in five additional insect species that aren't related to the flesh fly. Each insect is a fairly common agricultural pest: the gypsy moth, the European corn borer, the walnut husk maggot, the apple maggot and the tobacco hornworm. Collectively, these species cause millions of dollars of damage annually.

Hsp70 was active while all of the insects were in diapause.

When Denlinger's team knocked out the Hsp70 gene that makes the heat-shock protein, the insects were unable to survive at a low temperature (in this case, insects were exposed to -15°C, or 5°F.)

&ldquoThis underscores the essential role of this gene for winter survival, suggesting that this particular heat-shock protein is a major contributor to cold tolerance in insects,&rdquo Denlinger said. &ldquoIt's highly likely that the other heat-shock proteins we found during diapause in the flesh fly are also important to an insect's ability to endure months of cold temperatures.&rdquo

Denlinger has no plans to develop a method to get rid of heat-shock proteins in insect pests, but he says that it is important to understand how insects survive through the winter.

&ldquoThere may be steps we can take to disrupt the diapause process and make an insect vulnerable to low temperatures,&rdquo Denlinger said. &ldquoAt this point, the findings broaden our palette of players that contribute to cold tolerance in insects.&rdquo

He said the next step is to figure out the unique functions of each heat-shock protein.

&ldquoWe assume it's not simply redundancy in the system, but that each protein makes a unique contribution somehow,&rdquo Denlinger said. &ldquoThis protective mechanism is much more complex than we envisioned.&rdquo

Denlinger conducted the study with colleagues from Ohio State the U.S. Department of Agriculture's Agricultural Research Station in Fargo, N.D. the Harvard School of Public Health and Liverpool University in the United Kingdom.

Funding for the work came from a USDA-National Research Initiative Grant, the National Science Foundation and the National Institutes of Health.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Ohio State University. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


Revealing the Secrets of the 'Winter World'

Revealing the Secrets of the 'Winter World'

Biologist Bernd Heinrich does much of his research from his hand-built log cabin in the snowy woods of Weld, Maine. Josh Rogosin, NPR hide caption

The imprint left by the wings of a raven landing on the snow. Heinrich attracts ravens to the woods near his cabin by leaving out carcasses for the birds. Josh Rogosin, NPR hide caption

An illustration of Golden-crowned kinglets from Winter World . Not much bigger than walnuts, these tiny birds forage from dawn to dusk and survive the winter eating insects. HarperCollins hide caption

After years of trying to figure out where kinglets went at night, Heinrich spotted these four birds, which look like one ball of fluff, huddled together on a branch. Bernd Heinrich hide caption

In his new book, Heinrich reveals the ingenious tactics animals in his local woods use to survive the harsh realities of winter. HarperCollins hide caption

University of Vermont biology professor Bernd Heinrich has always been fascinated by nature. From the age of 10 he grew up in Maine, spending his time exploring the wilderness and collecting insects, birds and other creatures.

The researcher, author and nature illustrator has written numerous books on the natural world. When he's not at work in Vermont, he spends his time in the forests of Weld, Maine. There, he has built by hand a log cabin that serves as the base camp for his research into the wildlife that populates the nearby woods.

At the moment, he's fascinated with how northern creatures survive the winter. In January, Heinrich published a book on his observations entitled Winter World: The Ingenuity of Animal Survival . Recently, NPR's Andrea de Leon spent the day with Heinrich exploring the secret lives led by animals in winter.

Trekking through the woods in temperatures well below freezing, Heinrich points out many subtle signs of wildlife activity that would go unnoticed by the untrained eye. In a thicket of tree branches, he stops at what appears to be a mass of cobwebs. Inside are tent caterpillar larvae, waiting out the winter. He explains that these creatures make their own glycerol -- otherwise known as anti-freeze -- to survive the cold climes.

Tiny stacks of pine cones and apples, he reveals, are probably the secret stash of an unseen tree squirrel. A disorderly pile of twigs turns out to be a raven's nest. Wing imprints barely visible in the snow suggest the bird's landing site. That's Heinrich's doing: he likes to leave carcasses out near his cabin to draw the ravens close.

"I like to have them around," Heinrich says. "I know the pair over there [in the nest] and so I want to make sure they have something to eat. I think right now it might be kind of hard for them."

The snow, Heinrich explains, isn't deep enough to trap the deer anywhere. That means deer aren't dying of starvation -- and therefore, no carcasses to provide food for the ravens.

It's this kind of attention to the tiniest details that makes Heinrich such a keen observer of the natural world. Among his recent discoveries: Red squirrels bite hundreds of tiny holes in maple trees, holes they remember and return to when the sap begins to flow.

One of Heinrich's favorite animals to ponder is the Golden-crowned kinglet. Kinglets, he explains, are in flagrant violation of what's known as Bergman's Rule, which states that northern animals are larger because they need big bodies to conserve heat. But kinglets are miniscule, weighing about as much as two pennies. They forage from dawn to dusk without stopping and survive the winter eating insects. And at dark, they seem to vanish.

"They're so small and their coloration blends with the foliage, so you don't really see them except through movement," Heinrich explains. "A lot of time they will hover in front of branches like a hummingbird."

A few weeks ago, after years of trying to figure out where kinglets disappeared to, Heinrich spotted four of the birds huddled together on a branch for the night. In his photograph, they look like a single ball of fluff, tiny tails protruding in different directions.

It's the kind of discovery that keeps Bernd Heinrich going back to the woods, his head full of ever more questions.

"I'm still trying to see something new all the time," Heinrich says. "So I would say that what a good day is, is seeing something that I hadn't seen before."


How Insects Spend the Winter

I consider the lack of biting insects and other invertebrates, to be a wondrous gift of the winter season. I can wander unmolested through wood and field absent the attentions of mosquitoes, deer flies, and ticks. And aside from a short list of &ldquousual suspects,&rdquo insects are a rarity to be encountered in the winter woods.

This begs the question: where do the insects go in winter? The short answer is &ldquopretty much everywhere&rdquo &ndash and in every insect life stage: as eggs, larvae/nymphs, pupae, and adults. Where and how each species makes it through the winter season depends very much on the individual species. While some insects, like the monarch butterfly, fly south for the winter, others have adapted to be able to stay here through the colder months.

Many aquatic insects go about their submerged lifestyles as they did in other seasons, just with the addition of an icy glass ceiling. Colder water holds more oxygen, which is an advantage for these insects, and at least some predatory fish slow their foraging activities in frigid water. Most aquatic insect larvae and nymphs do the bulk of their feeding and growing in winter and emerge as non-feeding adults in the other seasons.

Terrestrial insects employ diverse strategies to weather winter conditions. Mourning cloak butterflies and several other species hibernate at temperatures well below freezing. After reducing the water content of their bodies by as much as a third, they produce antifreeze compounds, such as glycerol or sorbitol, to prevent the formation of tissue-destroying ice crystals. They hunker down under tree bark or in tree cavities and wait out the deep freeze. In spring, they open their wings, and bask in the sun to get warm enough for flight. Their dark wings and bodies help with the solar heating, and dense hair helps trap the heat.

Honey bees, European immigrants like myself, team up to form a winter cluster around their queen. A bit like a three-dimensional rugby scrum, winter clusters straddle several honeycombs and in large hives can exceed basketball proportions. As temperatures fall, honey bee metabolic rates increase, keeping the bees substantially warmer than the ambient temperature. The bees on the outside of the cluster serve as an insulating layer trapping the sugar-fueled heat.

You may have also encountered some insects trying to make your home theirs to survive the winter chill. Box elder bugs and Asian ladybeetles move into structures, where we see them coming and going in fall and spring.

Many insects spend the winter as eggs that simply hatch into a new generation when the weather improves. There are examples too numerous to mention, but my personal favorite, at least in terms of their parental care, is the gypsy moth. Before the big chill arrives, female gypsy moths lay eggs in dense clusters around the bases of trees. The female pulls hair from her own body and uses silk to attach it to the egg cluster, providing some modicum of protection from the elements. The hairs are irritating to the touch and may also serve against predators. Spring hatchlings use silk of their own making to &ldquoballoon&rdquo away on the wind, Charlotte&rsquos Web estilo.

The list of winter pupating insects is also long among the more familiar are some members of the swallowtail butterfly family (Papilionidae). The familiar tiger swallowtail and the eastern black swallowtail both spend the winter secure in silken pupal cases spun by the larvae. All appears quiet in a chrysalis to the casual observer, but the stillness belies the cellular migration that transforms the caterpillar body into a butterfly. This process is driven by daylength and temperature, cues than ensure successful timing of butterfly emergence in spring.

And what about those winter wandering &ldquousual suspects&rdquo I mentioned above? I&rsquove taken a few rambles this winter to see who might be braving the snow. My December trips were a bust as far as insects went, but January has yielded dozens of non-biting midges, small winter stoneflies, a cranefly in the genus Trichocera, and an energetic snow scorpionfly backpacking his mate about the place. The cranefly even mustered a brief flight when it grew tired of me placing it on my glove for a better photograph. What brought such an abundance of mid-winter insect life? I have no idea, but I&rsquom taking it as a good omen for 2021!

Declan McCabe teaches biology at Saint Michael’s College. His work with student researchers on insect communities is funded by Vermont EPSCoR’s Grant NSF EPS Award #1556770 from the National Science Foundation.

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Mosquitoes in the Winter?

Our battle against biting insects may rest a bit during the winter months, but it is never over. Temperatures drop and ice forms &ndash but mosquitos, midges and black fly eggs are waiting beneath a protective layer of ice or carefully hidden in some other shelter. When the spring thaw arrives, these insects return.

If you have questions about protecting yourself from midges, mosquitoes or black flies, reach out to Mosquito Magnet® on Facebook. You can also see how our CO2 mosquito traps work by visiting Mosquito Magnet® on YouTube.

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