Esempi di adattamenti di organismi vegetali e animali a cambiamenti ambientali di temperatura per raffreddamento Implicazioni relative a crioscopia, pressione osmotica, congelamento, sovraraffredamento, permeabilità, metabolismo

Osservazioni sperimentali su acqua in un recipiente Congelamento completo 0°C Scuotimento, inserimento corpo estraneo polvere, goccia di acqua.. congelamento Acqua pura 5°C temperatura 5 °C congelamento 0°C Acqua pura a – 3°C : sopraffusa - 3°C Osservazioni sperimentali su acqua in un recipiente sopraffusa tempo

Acqua pura (solo H2O ) sottoposta a raffreddamento ,a pressione normale, passa dallo stato liquido allo stato solido (congelamento) quando la temperatura risulta 0°C e mantiene tale temperatura fino a completo congelamento: con ulteriore raffreddamento mantiene lo stato solido e abbassa la temperatura del ghiaccio ottenuto temperatura congelamento 0°C tempo Liquido+solido liquido solido

In particolari condizioni (lento raffreddamento, mancanza di movimento, assenza completa di corpi estranei) , può mantenere lo stato liquido anche sotto la temperatura normale di congelamento: stato di sopraffusione o sovraraffreddamento:metastabile perturbata da lieve movimento o introduzione di corpo estraneo; passa rapidamente allo stato solido, stabile, congelamento, e la temperatura si porta a quella normale di congelamento temperatura congelamento 0°C liquido tempo Liquido+solido solido

0°C Acqua pura congela a O °C - 2°C Soluzione salina congela a temperatura inferiore a 0°C in funzione della concentrazione del soluto (crioscopia) - 2.1 °C Se parte di soluzione congela, si forma ghiaccio d’acqua privo di soluto: il liquido residuo aumenta di concentrazione e la sua temperatura di congelamento si abbassa ulteriormente - 3°C

Variazione di temperatura su acqua oceanica a elevate latitudini zone polari artica e antartica:raffreddamento alla superficie La salinità media elevata dell’acqua di mare 35 g di sali su 1000 g di acqua rende possibile il suo permanere allo stato liquido fino alla temperatura di – 1.9 °C L’acqua con tale salinità ha il massimo di densità a – 3.5 °C : congela(-1.9°C), quindi prima di aver raggiunto la massima densità La formazione del ghiaccio sotto forma di placche (spessore medio di 2-3 metri e diametro 1 m) che si uniscono genera la banchisa L’acqua con salinità aumentata e con maggior densità sprofonda lentamente senza subire ulteriori raffreddamenti e origina correnti verticali termoaline -1.9 °C

Il congelamento danneggia l’organismo in vario modo Se il plasma circolante si congela il ghiaccio tagliente incide le membrane cellulari ; la struttura tridimensionale delle proteine dalla quale dipende anche la corretta funzione viene modificata; la soluzione plasmatica residua aumenta la propria concentrazione e richiama per osmosi acqua dalle cellule verso l’esterno Possibile evitare il congelamento aumentando la concentrazione del fluido oppure creando uno stato metastabile di sovrafusione

Aumentare la concentrazione del fluido per evitarne il congelamento In certi insetti vengono sintetizzati dei composti (crioprotettori:fruttosio, glicerolo, glicole etilenico..) quando inizia l’abbassamento di temperatura e accumulati: in primavera verranno eliminati. Un ulteriore vantaggio per gli insetti risiede nella piccola mole, e quindi nella ridotta quantità di liquido presente che riduce la probabilità della possibile nucleazione e congelamento; la possibilità che si inneschi il congelamento per contatto con ghiaccio esterno viene ridotta dalla pellicola cerosa che ricopre la cute dell’insetto; anche lo svuotamento e ripulitura del tratto digerente e il digiuno riducono il pericolo di formazione di ghiaccio su frammenti di cibo presenti ancora nel tubo digerente. Ibernazione in luogo riparato e asciutto permettono di evitare il grave danno del congelamento.

Esempio con Rana sylvatica Alcuni organismi manifestano la capacità di tolleranza al congelamento evitandone i danni, attivando il processo di abbassamento crioscopico e evitando il processo di sovrafusione favorendo in modo controllato la formazione di ghiaccio con una particolare caratteristica di morbidità Sintetizzano particolari proteine che immesse nel fluidi extracellulari, quando la temperatura è appena sotto il punto di congelamento,inducono la rapida formazione di minuscoli cristalli di ghiaccio evitando il pericolo dell’effetto tagliente collegato a cristalli di grandi dimensioni, con un meccanismo non ancora ben chiarito :sovrafusione evitata Per evitare la disidratazione per effetto osmotico, in modo che l’acqua intracellulare non venga richiamata all’esterno per l’aumentata concentrazione conseguente al congelamento, vengono sintetizzati dei crioprotettori che all’interno della cellula abbassano il punto di congelamento e all’esterno legandosi alle molecole di acqua limitano la quantità di acqua che può congelare. Esempio con Rana sylvatica

Esempio con rane ibernanti nascoste nel suolo congelato (fattori negativi: grande mole, pelle permeabile all’acqua che penetrando potrà congelare) Quando l’acqua internamente all’organismo comincia a congelare molto rapidamente ha luogo la sintesi in grande quantità di glucosio crioprotettivo che viene inviato a tutto il corpo mediante una aumentata frequenza cardiaca:il fluido cellulare aumenta la sua densità e il punto di congelamento si abbassa:tale elevata concentrazione intracellulare evita la disidratazione che sarebbe conseguente alla pressione osmotica generata come effetto del congelamento del fluido extracellulare: a congelamento completato, circa il 65% del fluido totale (fluido extracellulare) risulta ghiaccio, il rimanente, intracellulare fluido e molto denso: il cuore cessa di pulsare riattivandosi in poche ore al momento del disgelo. H2O Congelamento extracellulare

Pesci, con temperatura interna dipendente da quella ambientale (acqua) Pesci viventi in acque oceaniche antartiche con – 1.9 °C Temperatura di congelamento (fatale per il pesce) - 0.8°C Possibilità di migrazione (superficiale o verticale) Possibilità di realizzare uno stato metastabile al proprio interno, in modo da impedire il congelamento Si evita la formazione di ghiaccio nel fluido circolante sintetizzando glicoproteine che , con meccanismo non ancora completamente chiaro, interferiscono con la nucleazione del ghiaccio; mantenendo il fluido in stato di sovrafusione.

Le piante che sono presenti in ambienti soggetti a variazioni di temperatura anche notevoli durante l’anno (alta montagna, regioni a elevata latitudine..) mostrano di poter resistere al raffreddamento anche fino a -30*C (abeti , pini sulle alpi) , -70°C (larici siberiani), - 80°C (abeti, pini , larici americani) Piante di zone temperate, soggette a improvvisi , rilevanti, raffreddamenti nel periodo solitamente più caldo, possono subire gravi danneggiamenti; possono invece resistere ai forti raffreddamenti durante l’inverno:segno che il meccanismo (non del tutto chiarito) che lo permette esige un certo periodo temporale per essere attivato in modo efficace. In parte può essere collegato alla perdita delle foglie in autunno, con limitazione di traspirazione e assorbimento, aumento della concentrazione nel fluido linfatico e abbassamento crioscopico del punto di congelamento (entro limiti piuttosto ridotti) Il solo ricorso all’aumento di concentrazione non è sufficiente nel caso di temperature molto negative:deve essere attivabile un meccanismo di tolleranza al congelamento: produzione di acido abscissico che rallenta la crescita e aumenta la permeabilità cellulare al passaggio dell’acqua intracellulare (con aumento della concentrazione interna) verso l’ambiente extracellulare ove avviene il congelamento.