УДК 595.7:591.54 Н.Г. ЛИ Экофизиологические особенности холодовой адаптации жуков ceramboides, обитающих в Центральной Якутии

UDC 595.7:591.54 N.G. LI Ecophysiological Peculiarities of Cold Adaptation of Upis ceramboides 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 as well as presence in its hemolymph of ice nucleators testify to a cold-tolerance of this species. Research results have shown a high activity of ice nucleators, capable of initiating ice formation even at –7°C. For the 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.

Насекомые, обитающие в регионах с холодным Insects whose habitat is cold climate regions should климатом, должны быть морозотолерантными be either cold-tolerant or avoiding freezing [4, 9, 13]. либо избегающими замерзания [4, 9, 13]. In cold-tolerant insects hemolymph there are ice У морозотолерантных насекомых в гемолимфе nucleators providing the controlled ice formation with присутствуют нуклеаторы льда, что обеспечивает no destructive processes in cells. It has been shown контролируемое льдообразование без деструктив- that cold-tolerant insects in Canada and Alaska are ных процессов в клетках. Показано, что морозо- found more frequently than in Scandinavia where толерантные насекомые в Канаде и на Аляске warmer climate is characteristic [4, 18]. встречаются значительно чаще, чем в Сканди- According to Lundheim’s classification adaptive навии, для которой характерен более теплый and incidental ice nucleators are distinguished [6]: климат [4, 18]. substances initiating ice formation in an organism В соответствии с классификацией Lundheim provide a distinct advantage in preventing severe различают адаптивные и случайные нуклеаторы climate conditions and accomplish adaptive functions; льда [6]: вещества, инициирующие льдообразо- if the function of nucleators is not related to cold- вание в организме, обеспечивают реальное resistant mechanism, they are incidental and likely преимущество в преодолении суровых климати- participating in other physiological processes of an ческих условий и выполняют адаптивную функ- organism.

Институт биологических проблем криолитозоны Institute of Biological Problems of Cryolitozone of Siberian Branch СО РАН, Якутск of Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russian Federation

* Адрес для корреспонденции:, Ленинский просп., 41, * Address for correspondence: 41, Leninskiy Ave., Yakutsk, Rus- Якутск,Российская Федерация 677980; электронная почта: sian Federation 677980, e-mail: [email protected] [email protected]

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 303 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 цию. Если функция нуклеаторов не связана с The presence of adaptive ice nucleators in холодоустойчивым механизмом, они являются hemolymph of cold-resistant insects was established случайными и, вероятно, участвуют в других for the first time by Zachariassen and Hammel [17]. физиологических процессах организма. The ice nucleators have been shown as the compounds Наличие адаптивных нуклеаторов льда в гемо- of protein origin, initiating freezing of extracellular лимфе холодоустойчивых насекомых впервые liquid of insects under relative high temperatures for установили Zachariassen и Hammel [17]. Было по- this process (–7÷–12°C). казано, что нуклеаторы – это соединения белковой Adaptive ice nucleators being in hemolymph природы, инициирующие замерзание внекле- initiate the formation of ice crystals that causes liquid точной жидкости насекомых при относительно out-flux from cells into extracellular medium. высоких для данного процесса температурах Herewith intracellular content is concentrated and (–7 ÷–12°С). overcooling temperature reduces. In some insects cell Адаптивные нуклеаторы льда, находясь в dehydration is accompanied by glycerol synthesis that гемолимфе, инициируют образование кристаллов in addition decreases overcooling temperature and in льда, что вызывает отток жидкости из клеток во a whole increases cold-resistance. Thus ice nucleators внеклеточную среду. При этом внутриклеточное act as intracellular antifreezes [4]. содержимое концентрируется, а температура For ice nucleators ice-nucleating activity is переохлаждения понижается. У некоторых насеко- characteristic (ice nucleation temperature), depending мых дегидратация клеток сопровождается синте- on concentration of dissolved substances in the зом глицерола, что дополнительно понижает medium where the nucleation occurs [11-14]. The температуру переохлаждения и в целом повышает parameters are important for understanding the холодоустойчивость. Таким образом, нуклеаторы mechanism of cold-tolerance and assessment of cold льда выступают в качестве внутриклеточных resistance in cold-hardy insects. антифризов [4]. According to the data [7, 18] cold-tolerant insects Для нуклеаторов льда характерна льдонуклеи- have less effective water-preserving mechanism in рующая активность (температура нуклеации льда), comparison with the species avoiding freezing that is зависящая от концентрации растворенных веществ related to physical state of their hemolymph in winter в среде, в которой происходит процесс нуклеации period. Dry climate of Yakutiya in its turn may affect [11-14]. Эти характеристики важны для понимания water balance of cold-tolerant insects. механизма морозотолерантности и оценки холодо- The research aim was to study the strategy of cold устойчивого эффекта у морозотолерантных насе- adaptation and associated with it state of water balance комых. of Upis ceramboides beetles habitant in Central Согласно данным [7, 18] морозотолерантные Yakutia. насекомые обладают менее эффективным водосох- раняющим механизмом, чем виды, избегающие Materials and methods замерзания, что связано с физическим состоянием U. ceramboides beetles are referred to the их гемолимфы в зимнее время. Сухой климат Tenebrionidae (Coleoptera) family. The insects Якутии может влиять на водный баланс морозо- overwinter under the rind of dead trees ( tree, толерантных насекомых. pine) sometimes higher than snow mantle and in winter Цель работы – изучить стратегию холодовой period are subjected the effect of extreme low адаптации и связанное с ней состояние водного temperatures (–45÷–55°C). баланса жуков Upis ceramboides, обитающих в Insects (imago) were gathered in the vicinity of Центральной Якутии. the city of Yakutsk in September 2004 and were kept within the winter under conditions close to natural Материалы и методы ones. For the experiments only living individuals were Жуки U. ceramboides относятся к семейству chosen. Tenebrionidae (Coleoptera). Насекомые зимуют под Overcooling temperature for the insects was корой погибших деревьев (береза, сосна), иногда measured with a traditional method [5]. In this case выше уровня снежного покрова и в зимнее время freezing temperature was recorded with sensitive подвергаются воздействию экстремально низких thermocouple adjusted to ventral side of the insects температур (–45÷–55°С). and fixed with scotch tape and then connected to a Насекомых (имаго) собирали в окрестностях recorder. The insects were cooled in a fridge with the г. Якутска в сентябре 2003 г. и выдерживали в rate approximately 1°C/min up to spontaneous течение зимы в условиях, приближенных к freezing. Overcooling temperature was recorded at the природным. Для экспериментов отбирали только moment of the liberation of heat, released during the живые экземпляры. transition of body’s liquid into a solid state.

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 304 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 Температуру переохлаждения насекомых The insects were referred to cold-tolerant if after измеряли в соответствии с общепринятым методом freezing and following thawing they preserve the [5]. При этом температуру замерзания регистриро- ability of coordinated movement and respiration. вали с помощью чувствительной термопары, кото- Hemolymph samples were obtained by pinning of рую прикрепляли к вентральной стороне насеко- U. ceramboides imago in belly site with a glass мых, фиксировали с помощью скотча и соединяли capillary. To prevent evaporation and oxidation of с регистрирующим самописцем. Насекомых hemolymph the samples were isolated inside a охлаждали в холодильнике со скоростью примерно capillary with the mineral oil drops. To examine 1°С/мин до спонтанного замерзания. Температуру osmolality the hemolymph (5 nl) was removed from a переохлаждения регистрировали в момент выделе- capillary with specially designed micro-syringe. ния тепла, освобождаемого при переходе жидкости Hemolymph osmolality of insects was examined тела насекомого в твердое состояние. on the value of melting temperature with osmometer Насекомых относили к морозотолерантным, (Otago, New Zealand) [12]. Hemolymph was layered если после замерзания и последующего отогрева on a surface of measuring cell pores, preliminarily они сохраняли способность к координированному filled with mineral oil. The cell was cooled down to a движению и дыханию. sample freezing then it was slowly thawed. The Образцы гемолимфы получали путем прокалы- temperature under which an ice completely disappea- вания имаго U. ceramboides в области брюшка red was considered as melting one. тонким стеклянным капилляром. Чтобы пред- To determine hysteresis the melted samples was отвратить испарение и окисление гемолимфы, repeatedly frozen and then slowly thawed and main- образцы изолировали внутри капилляра с по- tained for 1 min at the temperature lower the melting мощью капель минерального масла. Для опреде- one, herewith in a sample some crystals remained. ления осмоляльности гемолимфу (5 нл) отбирали Afterwards the sample with hemolymph was once из капилляра специально изготовленным микро- again slowly cooled with an average rate until a rapid шприцом. growth of crystals starts. Temperature under which Осмоляльность гемолимфы насекомых опреде- the growth of crystals starts was assumed as hysteresis ляли по значению температуры плавления с freezing temperature [12]. помощью осмометра (Otago, Новая Зеландия) [12]. To test the presence of ice nucleators the hemo- Гемолимфу наносили на поверхность пор измери- lymph sample was centrifuged at 3,000g for 5 min to тельной ячейки, которые предварительно запол- remove hemocytes affecting ice-nucleating activity of няли минеральным маслом. Ячейку охлаждали до hemolymph. замерзания образца, затем его медленно отогре- The presence of ice nucleators in hemolymph was вали. Температурой плавления считали темпе- revealed with the method [15]. Each sample was prepa- ратуру, при которой лед полностью исчезал. red in a thin glass capillaries on “sandwich” principle: Для определения гистерезиса растаявший NaCl solution (5 µl) was between the layers of mineral образец вновь замораживали, затем медленно oil, hemolymph (5 nl) was introduced into NaCl отогревали и выдерживали 1 мин при температуре solution by means of micro-syringe. ниже температуры плавления, при этом в образце For the measurement three similar capillaries were оставалось несколько кристаллов. После этого prepared, they were fixed with scotch tape and образец с гемолимфой вновь медленно охлаждали introduced the end of measuring thermocouple со средней скоростью 0,1°С до тех пор, пока не between them. Obtained sample was slowly cooled начинался быстрый рост кристаллов. Температуру, with the rate of 1°C/min until freezing temperature of при которой начинается рост кристаллов, приняли samples was recorded as the heat released at solution за гистерезисную температуру замерзания [12]. crystallization. In the experiment there were used the Для проведения теста на наличие нуклеаторов following NaCl concentrations: 0.509, 0.998, 1.500 льда образец гемолимфы центрифугировали при and 1.991 mOsm. 3000 g в течение 5 мин для удаления гемоцитов, Aqueous balance was estimated on the rate of влияющих на льдонуклеирующую активность weight loss for U. ceramboides species during гемолимфы. respiration process. The weight loss was found by Присутствие нуклеаторов льда в гемолимфе weighing of the insects before and after keeping them выявляли с помощью метода [15]. Каждый образец in closed boxes at 20°C where with silica gel 5% готовили в тонких стеклянных капиллярах по humidity was maintained. During the experiment the принципу “сэндвича”: раствор NaCl (5 мкл) insects were not fed therefore the weight loss because находился между слоями минерального масла, of excrements was excluded. гемолимфу (5 нл) вводили в раствор NaCl с помо- Oxygen consumption rate was measured with glass щью микрошприца. respirometer at 20°C with the methods [1].

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 305 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 Для измерения готовили три одинаковых The results are represented as means of the капилляра, скрепляли их скотчем и вводили между measurements and their standard deviations using ними конец измерительной термопары. Получен- Statistica 2.0 softaware. ный образец медленно охлаждали со скоростью ° 1 С/мин до тех пор, пока температура замерзания Results and discussion образцов не была зарегистрирована в виде тепла, Cold resisitance strategies (avoiding freezing and высвобождаемого при кристаллизации раствора. freeze-tolerance) are characterized with overcooling В эксперименте использовали следующие концен- temperature, the value of osmolality, melting трации NaCl: 0,509; 0,998; 1,500 и 1,991 мОсмоль. temperature, hysteresis activity of insect’s hemolymph, Водный баланс оценивали по скорости потери presence of ice nucleators and anti-freezes [4, 9, 10, веса особей U. ceramboides в процессе дыхания. 12]. Потерю веса определяли путем взвешивания Monthly measurements of cooling temperature for насекомых до и после выдерживания их в закры- U. ceramboides imago within 2003-2004 years have тых бюксах при 20°С, где с помощью силикагеля shown that they freeze under relatively high negative поддерживали 5%-ю влажность. В ходе экспери- temperatures remaining alive herewith (Fig 1). Fig 1. ментов насекомые не питались, поэтому потеря demonstrates that overcooling temperature decreases веса за счет экскрементов была исключена. within the coldest months but does not reduce lower Скорость поглощения кислорода измеряли при than –12°C. Gradual reduction of overcooling помощи стеклянного респирометра при 20°С по temperature is stipulated by a partial loss of water by методике [1]. an organism and rise in osmolality of extracellular Результаты представлены в виде средних зна- liquid as well as accumulation of polyols. Quite a high чений измерений и их стандартных отклонений с temperature of insect overcooling testifies to the помощью статистического пакета Statistica 6.0. presence of ice nucleators in hemolymph. Using the method [15] we have demonstrated the Результаты и обсуждение presence of nucleating agents in hemolymph of winter Cтратегии холодоустойчивости (избегание individuals of U. ceramboides. замерзания и толерантность к замерзанию) After insect hemolymph introduction into NaCl характеризуются температурой переохлаждения, solutions of various osmolalities a rise in freezing величиной осмоляльности, температурой плавле- temperature was observed an increase in freezing ния, гистерезисной активностью гемолимфы насекомых, наличием нуклеаторов льда и анти- фризов [4, 9, 10, 12]. 0 С Ежемесячные измерения температуры переох- ° ,

С -2 лаждения имаго U. ceramboides в течение 2003- ° 2004 гг. показали, что они замерзают при отно- -4 сительно высоких отрицательных температурах, оставаясь при этом живыми. Из рис. 1 видно, что -6 температура переохлаждения понижается в

переохлаждения -8

наиболее холодные месяцы, но не опускается ниже –12°С. Постепенное понижение температуры -10 переохлаждения обусловлено частичной потерей * воды организмом и повышением осмоляльности * внеклеточной жидкости, а также накоплением Overcooling temperature, -12 Температура полиолов. Довольно высокая температура пере- -14 охлаждения насекомого свидетельствует о нали- Август Октябрь Декабрь Февраль Апрель чии нуклеаторов льда в гемолимфе. Aug Oct Dec Feb Apr Используя метод [15], мы показали присутствие Месяцы Months нуклеирующих агентов в гемолимфе зимних Рис. 1. Температура переохлаждения U. ceramboides по особей U. ceramboides. месяцам (2003-2004 гг). Каждая точка кривой представ- ляет среднее значение ежемесячных измерений тем- После внесения гемолимфы насекомых в пературы переохлаждения жука (n=4) ± стандартное растворы NaCl различной осмоляльности наблю- отклонение. * – достоверные различия по сравнению с дали повышение температуры замерзания раство- периодом весна-осень, p<0,05. ра, что свидетельствует о наличии в гемолимфе Fig. 1. Overcooling temperature for U. ceramboides by нуклеаторов льда (рис. 2). months (2003-2004 years). Each point of the curve reprsents a mean value of monthly measurements of beetle overcoo- Из рис. 2 видно, что осмоляльность среды ling temperature (n=4) ± SD. * – statistically significant оказывает большое влияние на проявление нуклеи- differences comparing to spring-autumn months, p<0.05.

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 306 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 рующей активности. Величина осмоляльности 0 С гемолимфы отражает уровень содержания осмо- ° , С

тически активных веществ, многие из которых ° -2 обладают криопротекторными свойствами (гли- церол, сахара и др.), и является одним из основных -4 параметров механизма холодоустойчивости -6 насекомых. y = -1,9329x - 7,1282

В работе [12] при изучении скандинавских и переохлаждения

-8 африканских жуков показано, что осмоляльность гемолимфы летних насекомых составляет -10 400-600 мОсмоль/кг. При накоплении полиолов осмоляльность гемолимфы в зимний период может Overcooling temperature, -12 возрастать до 3000 мОсмоль/кг и более. Поскольку Температура повышение осмоляльности является результатом -14 аккумулирования осмотически активных веществ, 0 0,5 1 1,5 2 2,5 главным образом полиолов, то ее величина может Осмоляльность (Осмоль) быть индикатором наличия полиолов. Osmolality (Osmol) Рис. 2. Температура переохлаждения 5 мкл раствора Измеренные физиологические параметры NaCl, содержащего 5% (об/об) гемолимфы U. ceramboi- обитающих в Якутии жуков U. ceramboides, des, представленная как функция концентрации характеризующие их морозотолерантность, раствора NaCl, выраженной в единицах осмоляльности. таковы: температура переохлаждения –7,0±0,65°С; Fig. 2. Overcooling temperature of 5 ml NaCl solution, con- величина осмоляльности гемолимфы 930,0±5,5 taining 5 % (w/w) hemolymph of U. ceramboides, presented ± ° as the function of NaCl solution concentration, represented мОсмоль; температура плавления –2,0 0,35 С; in osmolality units. содержание воды 52,0±2,3°С (n=4; измерения были проведены в январе 2005 г). Наши исследования temperature of the solution, testifying to the presence биохимического состава гемолимфы U. ceram- of ice nucleators in hemolymph (Fig. 2). boides не выявили наличия в ней глицерола, что Fig 2. shows that medium osmolality affects greatly согласуется с данными [3], согласно которым в the manifestation of nucleating activity. The value of гемолимфе U. ceramboides отсутствует глицерол, osmolality of hemolymph reflects the content level и вместо него синтезируются треитол и сорбитол. for osmotically active substances, many of those have Гемолимфа U. ceramboides не обладает гисте- cryoprotective properties (glycerol, sugars etc.) and резисной активностью, что свидетельствует об is one of the main parameters of insect cold resistance отсутствии в ней антифризных белков. Переохлаж- mechanism. денное жидкое состояние насекомых является In the paper [12] when studying Scandinavian and метастабильным – при понижении температуры в African beetles it has been shown that osmolality of такой системе может происходить внезапный и hemolymph of summer insects makes 400-600 спонтанный рост кристаллов. Антифризные белки, mOsm/kg. During accumulation of polyols the обладающие гистерезисной активностью, стаби- hemolymph osmolality in winter period may increase лизируют переохлажденное жидкое состояние, up to 3,000 mOsm/kg and higher. Since a rise in понижая температуру спонтанного роста кристал- osmolality is the result of accumulation of osmotically лов. Поэтому синтез антифризных белков является active substances mainly polyols then its value may важнейшей характеристикой прежде всего насеко- indicate their presence. мых, избегающих замерзания [12, 18]. Measured physiological parameters of habitant in Стратегия морозотолерантности обеспечивает Yakutia U. ceramboides beetles, characterizing their определенные преимущества насекомым в отно- freeze-tolerance are as follows: overcooling temperature шении водного баланса [7] по сравнению с видами, is 7.0±0.65°C; the value of hemolymph osmolality is избегающими замерзания. Эти различия в водном 930.0±5.5 mOsm; melting temperature is 2.0±0.35°C, балансе указанных категорий насекомых прояв- water content is 52.0±2.3°C (n=4; measured in January ляются в том, что для кутикулы морозотолерант- 2005). Our researches of biochemical composition of ных насекомых, как правило, характерна хорошая hemolymph U. ceramboides did not reveal the pre- водная проницаемость, а для кутикулы насекомых, sence of glycerol in it, that corresponded to the data избегающих замерзания, – очень низкая водо- [3] stating about the absence of glycerol in hemolymph проницаемость, сравнимая с таковой у пустынных of U. ceramboides and synthesizing of treitol and жуков [7]. sorbitol instead of it. Сравнительное изучение водного баланса U. ceramboides hemolymph does not possess летних и зимних особей жука U. ceramboides (с hysteresis activity that testifies to the absence of

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 307 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 -2 antifreeze proteins in it. Overcooled liquid state of U.ceramboides , insects is metastable at temperature decrease in such -2,5 Швеция, зима/ ч a system an abrupt and spontaneous growth of crystals /

г Sweden, winter , U. ceramboides , may occur. Antifreeze proteins having hysteresis -3 зима/winter activity stabilizes an overcooled liquid state by воды

U. ceramboides , -3,5 reducing the temperature of crystal spontaneous лето/summer growth. Therefore the synthesis of antifreeze proteins

потери is the most important parameter of insects avoiding

-4 freezing [12, 18]. -4,5 Strategy of cold tolerance provides certain Water loss rate, g/hr Water advantages to the insects in respect of aqueous balance Скорость -5 жуки африканских пустынь african desert beetles [7] if compared with the species avoiding freezing. These differences in aqueous balance of the mentioned -5,5 categories of insects manifest in the fact that for cuticle -2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 of freeze-tolerant insects as a rule good water

Скорость дыхания, мкл О2/мин penetrability is characteristic and very low penetration

Oxygen consumption rate, ml O2/min ability compared with those in desert beetles for the Рис. 3. Двойной логарифмический график скорости cuticle of those avoiding freezing. дыхания и скорости потери веса у зимних и летних Comparative study of aqueous balance of winter особей жуков U. ceramboides, построенный относи- species of U. ceramboides beetles (using regression тельно регрессионной линии для пустынных жуков dependence obtained in [7] for desert beetles of Africa) Африки [4]. Для сравнения приведены данные для U.ceramboides шведской популяции [4]. has shown that the beetles possess a higher ability to preserve water in its organism in summer than in winter Fig. 3. Double logarithm graph of respiration rate and weight loss rate in winter and summer species of U. ceramboides due to a decrease in respiration rate (Fig. 3). Summer beetles, plotted in respect of regression line for African in Yakutia as a rule is dry and hot, microclimate in desert beetles [4]. To compare there are presented the data U. ceramboides habitat (under rind of dead trees) is for Swedish population of U. ceramboides [4]. similar to one of African savannas (personal data). Therefore these beetles with a high penetrability of использованием регрессионной зависимости, cuticle adapt to hot and dry conditions of summer полученной в [7] для пустынных жуков Африки) period in Yakutia due to reduction in the respiration показало, что жуки обладают большей способ- rate, resulting in a decrease in water loss in their ностью сохранять воду в своем организме летом, organism. This may probably explain higher ability чем зимой за счет снижения скорости дыхания to keep water by summer individuals if compared with (рис. 3). Лето в Якутии, как правило, сухое и winter insects. To reveal adaptive mechanisms directed жаркое, микроклимат в местах обитания U. ceram- to maintenance of optimal water leveling an organism boides (под корой умерших деревьев) сходен с with no harm for cold resistance it is necessary to микроклиматом африканских саванн (персо- investigate in details the water balance in beetles of нальные данные). Поэтому эти жуки, имеющие Yakut population of U. ceramboides under described высокую проницаемость кутикулы, приспосаб- climate conditions. ливаются к жарким и сухим условиям летнего The research [8] depicts that U. ceramboides have периода в Якутии за счет снижения скорости some interesting aspects of cold resistance. They are дыхания, что приводит к уменьшению потери воды quite sensitive to a cooling rate. To achieve maximum в их организме. Вероятно, этим можно объяснить freeze-tolerance at –50°C the rate lower than более высокую способность удерживать воду 0.3°C/min is essential, and increase in the rate down летними особями, по сравнению с зимними to 0.35°C/min sharply enhances death rate. Drastic насекомыми. Для выяснения адаптивных меха- cooling of beetles during early autumn (quite common низмов, направленных на поддержание оптималь- phenomenon in regions with seasonal inland climate) ного уровня воды в организме без ущерба для results in high death rate of beetles at –50°C. холодоустойчивости, необходимо провести более детальные исследования водного баланса жуков Conclusions якутской популяции U. ceramboides в описанных Thus using the data on freezing temperature as well климатических условиях. as test for presence of nucleating agents in hemolymph В работе [8] показано, что U. ceramboides имеет of U. ceramboides may be referred to freeze-tolerant несколько интересных аспектов холодоустой- insects. Obtained results testify to a high activity of чивости. Они чрезвычайно чувствительны к nucleating components in hemolymph of insects скорости охлаждения. Для достижения макси- capable of initiating ice formation even at –7°C.

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 308 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 мальной морозотолерантности при –50°С необхо- Values of water-keeping ability of U. ceramboides дима скорость менее 0,3°С/мин, а повышение beetles of Yakut and Scandinavian populations are скорости до 0,35°С/мин резко увеличивает их similar however in summer period the insects of Yakut смертность. Резкое охлаждение жуков ранней population have more effective water-keeping ability осенью (практически обычное явление в регионах due to reduction of respiration rate. с резко континентальным климатом) приводит к U. ceramboides sensitivity to cooling rate gives высокой смертности жуков при –50°С. an evidence to the presence of freeze-tolerance mechanism peculiarities demanding a detailed study. Выводы Таким образом, на основании данных о темпе- The investigations were supported by the grant RFFI ратуре замерзания, а также теста на наличие Arctica 06-04-96048 (2006-2008) and the Norwegian нуклеирующих агентов в гемолимфе U. ceram- University of Science and Technology (Trondheim). The boides можно отнести к морозотолерантным author expresses the acknowledgements to Prof. Zacha- насекомым. Полученные результаты свиде- riassen K.E. for the methodical assistance in performing тельствуют о высокой активности нуклеирующих the experiments. компонентов в гемолимфе насекомых, способных инициировать льдообразование уже при темпера- туре –7°С. References Значения водоудерживающей способности 1. Green N., Stout W., Taylor D. Biology.– Moscow: Mir, 1990.– жуков U. ceramboides якутской и скандинавской 75 p. популяций сходны, однако в летний период 2. Block W. Cold tolerance of insects and other // насекомые якутской популяции имеют более Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 1990.– Vol. 326, N1237.– P. 613-633. эффективную водоудерживающую способность 3. Block W. Cold hardiness in invertebrate poikilotherms // Comp. благодаря снижению скорости дыхания. Biochem. Physiol. A. – 1982. – Vol. 73, N4. – P. 581-595. Чувствительность U. ceramboides к скорости 4. Duman J.G., Wu D.W., Xu L., et al. Adaptations of insects to охлаждения свидетельствует о наличии особен- subzero temperature // Quart. Rev. Biol.– 1991.– Vol. 66, N4.– ностей механизма морозотолерантности, требую- P. 407. щих более детального изучения. 5. Laak van der S. Physiological adaptations to low temperature in freezing-tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp. Исследования были проведены при поддержке Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P.613-621. 6. Lundheim R. Adaptive and incidental biological ice nucleator.: гранта РФФИ Арктика 06-04-96048 (2006-2008 гг.) и Dr. scient. thesis.– Trondheim, 1996.– P. 11. Норвежского университета наук и технологий 7. Lundheim R., Zachariassen K.E. Water balance of over- (г.Трондхейм). Автор выражает благодарность wintering beetles in relation to strategies for cold tolerance // профессору Zachariassen K.E. за методическую помощь J. Comp. Physiol. B.– 1993.– Vol. 163, N1.– P. 1-4. в проведении экспериментов. 8. 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. 9. Salt R.W. Principles of insect cold hardiness // Annu. Rev. Литература Entomol.– 1961.– Vol. 6.– P. 55-74. 1. Грин Н., Стаут У., Тэйлор Д. Биология.– М.:Мир, 1990.– 10. Somme L. Effect of glycerol on cold-hardiness in insects // 75 с. Can. J. Zool.– 1964.– Vol. 42, N1– P. 89-100. 2. Block W. Cold tolerance of insects and other arthropods // 11. Zachariassen K.E., Kristiansen E., Pedersen S.A., Ham- Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.– 1990.– Vol. 326, N1237.– mel H.T. Ice nucleation in solutions and freeze-avoiding P. 613-633. insects – homogeneous or heterogeneous? // Cryobiology.– 3. Block W. Cold hardiness in invertebrate poikilotherms // Comp. 2004.– Vol. 48, N3 – P. 309-321. Biochem. Physiol. A. – 1982. – Vol. 73, N4. – P. 581-595. 12. Zachariassen K.E. Physiology of cold tolerance in insects // 4. Duman J.G., Wu D.W., Xu L., et al. Adaptations of insects to Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– 832 p. subzero temperature // Quart. Rev. Biol.– 1991.– Vol. 66, N4.– 13. Zachariassen K.E. Ice nucleating agents in cold-hardy P. 407. insects / In: Water and Life. Eds: Somero et al.– Berlin, 5. Laak van der S. Physiological adaptations to low temperature Heidelberg: Springer Verlag, 1992.– P. 261-281. in freezing-tolerant Phyllodecta laticollis beetles // Comp. 14. Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects // Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P.613-621. Comp. Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P. 557-562. 6. Lundheim R. Adaptive and incidental biological ice nucleator.: 15. Zachariassen K.E., Baust J.G., Lee R.J. A method for Dr. scient. thesis.– Trondheim, 1996.– P. 11. quantitative determination of ice nucleating agents in insect 7. Lundheim R., Zachariassen K.E. Water balance of over- hemolymph // Cryobiology.– 1982.– Vol. 19, N2.– P. 180-184. wintering beetles in relation to strategies for cold tolerance // 16. Zachariassen K.E., Hammel H.T. The effect of ice-nucleating J. Comp. Physiol. B.– 1993.– Vol. 163, N1.– P. 1-4. agents on ice-nucleating activity // Cryobiology.– 1988.– Vol. 25, N2.– P. 143-147.

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 309 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3 8. Miller K. Cold hardiness strategies of some adult and immature 17. Zachariassen K.E., Hammel H.T. Nucleating agents in the insects overwintering in interior Alaska // Comp. Biochem. haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.– Physiol. A.– 1993.– Vol. 73, N4.– P. 595-605. Vol. 262, N5566.– P. 285-287. 9. Salt R.W. Principles of insect cold hardiness // Annu. Rev. 18. Zachariassen K.E., Kristiansen E. What determines the Entomol.– 1961.– Vol. 6.– P. 55-74. strategy of cold-hardiness? // Acta. Soc. Zool. Biochem.– 10. Somme L. Effect of glycerol on cold-hardiness in insects // 2003.–Vol. 67, N1. – P. 51-58. Can. J. Zool.– 1964.– Vol. 42, N1– P. 89-100. 11. Zachariassen K.E., Kristiansen E., Pedersen S.A., Ham- Accepted in 01.02.2006 mel H.T. Ice nucleation in solutions and freeze-avoiding insects – homogeneous or heterogeneous? // Cryobiology.– 2004.– Vol. 48, N3 – P. 309-321. 12. Zachariassen K.E. Physiology of cold tolerance in insects // Physiol. Rev.– 1985.– Vol. 65, N4.– 832 p. 13. 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. 14. Zachariassen K.E. Nucleating agents in cold-hardy insects // Comp. Biochem. Physiol. A.– 1982.– Vol. 73, N4.– P. 557-562. 15. 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. 16. Zachariassen K.E., Hammel H.T. The effect of ice-nucleating agents on ice-nucleating activity // Cryobiology.– 1988.– Vol. 25, N2.– P. 143-147. 17. Zachariassen K.E., Hammel H.T. Nucleating agents in the haemolymph of insects tolerant to freezing // Nature.– 1976.– Vol. 262, N5566.– P. 285-287. 18. 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

ПРОБЛЕМЫ PROBLEMS КРИОБИОЛОГИИ 310 OF CRYOBIOLOGY Т. 16, 2006, №3 Vol. 16, 2006, №3