Cryogénisation (Cryobiologie des grenouiles)

Cryogénisation des grenouilles

Introduction

Plutôt que d'hiberner certains batraciens utilisent une autre technique pour survivre aux températures froides de l'hiver : la cryogénisation. Il existe quatre espèces de grenouilles vivant sur le continent nord-américain qui peuvent passer l’hiver congelées au point de se briser comme du verre sous l’effet d’un choc :

La grenouille des bois (rana sylvatica)
Les rainettes crucifères (hyla crucifer), versicolores (hyla versicolor), et à trois bandes (pseudacris triseriata)

Ces batraciens peuvent tenir des semaines a -8°C ou plus encore, avec 65% de leur eau corporelle sous forme de glace. Dans ces conditions leur cœur ne bat même plus. D'autres espèces utilisent aussi cette technique de cryogénisation pour passer l'hiver.

Grenouille cryogénisée

Rainette à trois bandes (Pseudacris triseriata)

Rainette versicolore (Hyla versicolor)

Rainette crucifère (Hyla crucifer)

Grenouille des bois (Rana sylvatica)

La cryogénisation ou cryonie, est un procédé qui permet de conserver une personne ou un animal décédé à très basse température, en l’occurrence -196°C, la température de l’azote liquide. Ce procédé chimque de conservation intrigue de nombreux chercheurs et s'est inspiré de certains animaux qui le faisaient naturellement.

Autres espèces qui se cryogénisent

En plus des grenouilles d'autres espèces se cryogénisent. Il y a la salamandre de Sibérie mais aussi les chenilles du Groenland. La salamandre de Sibérie survie a des températures de -35°C tandis que les chenilles du Groenland peuvent rester plus de 10 mois à -50°C. Divers autres êtres vivants se cryogénisent. Il y a certaines espèces de tortues, le serpent jarretière, de nombreuses espèces d'invertébrés marins comme les moules ou les bigorneaux ou encore de nombreuses espèces d'insectes. Enfin, de très nombreux micro-organismes et organismes unicellulaires peuvent même supporter la température de l’azote liquide (-196°C).

Ci-dessous à gauche une image de la salamandre de Sibérie et à droite une image de la chenille du Groenland.

La stratégie de la grenouille

En lisant tous ces noms d’espèces qui vivent dans ces milieux extrêmes, une des premières questions qui nous vient à l'esprit est:

Comment les organes et les cellules de ces animaux peuvent il survivre au froid?

Cette prouesse est rendue possible grâce à des mécanismes biologiques qui consistent à expulser l’eau des organes vitaux et à multiplier par 100 voir 500 la concentration de glucose (sucre) dans le sang grâce au glycogène présent dans leur foie qui s’active quand la peau de la grenouille se met à geler. Le glycogène joue danc le rôle d’antigel. Deux heures après le début de la cryogénisation, le glucose circule dans les principaux organes ce qui empêche la formation de cristaux de glaces dans ces organes. Le glucose circule dans les organes grâce au coeur qui fait circuler le sang dans tout le corps. D'autre part, le froid assure dans la conservation des fonctions vitales (activités biologiques des cellules et des tissus).

Au bout d’environ 24 heures après le début de la congélation, la glace envahit les cavités corporelles et les espaces extracellulaires. Au printemps, le glucose est rapidement transformé en glycogène, ce qui évite à la grenouille les effets néfastes qu’un excès de glucose pourrait présenter à des températures plus élevées.

Prenons maintenant l'exemple de la grenouille de bois. Cette grenouille vit aux Etats-Unis et au Canada. Elle mesure entre 5 et 7 centimètres. Avant la cryogénisation, cette grenouille s'enterre avant la cryogénisation. Sa cryogénisation suspend toutes ses fonctions vitales (dont la respiration et la ciculation sanguine). Le glycogène de son foie est transforné en grande quantité de glucose dans le but de réduire la quantité de glace qui se forme et donc de réduire la mort des cellules. Commes les grenouilles stockent énormément de glycogène dans leur foie, celui ci peut grossir jusqu'à être 1.5 fois plus gros qu'à l'origine et contenir de 45 à 90 fois plus de glycérol que l'Homme. Dans leur corps, on peut trouver jusqu'à 45g/litre de sucre dans le sang dans leur corps. Le foie permet donc de convertir le glycogène en glucose qui sera distribué à toutes les cellules lorsque la température baissera pendant l'hiver. Les grenouilles peuvent supporter une température de -16°C et peuvent survivre à plusieurs phases de gel et de dégel seulement si au moins 65% de la quantité totale d'eau présente dans leur corps est gelée.

Ces animaux se laissent congeler entièrement et se réveillent au moment du dégel au printemps. Leur corps peut contenir plus de 60% de glace et résister à des températures dépassant les -45°C. Il est alors parfaitement conservé.

Cependant un problème subsiste : le procédé de cryogénisation créé des cristaux de glaces qui endommage la structure des cellules. En effet, dans le cas de la congélation lente, lorsque la température chute lentement, des cristaux de glace se forment à l'extérieur des cellules. De ce fait les sels, sucres et les autres substances qui s'y trouvaient sont dissous dans un volume d'eau de plus en plus réduit. La conséquence est la suivante : l'eau s'échappe de la cellule pour rétablir des concentrations semblables de produits dissous à l'intérieur et à l'extérieur. La cellule est alors vidée de son eau, se ratatine (comme un fruit sec) et meurt.

Dans le cas de la congélation rapide, la température chute donc brutalement et l'eau de la cellule n'a pas le temps de s'en échapper. Elle forme petit à petit des cristaux de glace aux arrêtes tranchantes qui viennent lacérer les membranes de la cellule au point de la détruire.

Grenouille en fin de cryogénisation

L'antigel

Que sont les cryoprotecteurs (antigels)?

Chez les grenouilles, une grande partie de leur corps est transformé en glace. Elles peuvent faire cela car leur foie produit une grande quantité de glucose lors du gel. Le glucose est un antigel qui réduit la formation de glace. Une substance antigel comme le glucose est appelée cryoprotectant.

Schématisation montrant l'importance des cryoprotecteurs (antigels)

1) Sans antigel

Observation : A l'état liquide les molécules d'eau sont désordonées. Lorsque celles-ci se refroidissent puis passe à l'état solide, les molécules d'eau s'organisent en cristaux jusqu'à être parfaitement ordoné. Ci-dessus vous pouvez donc observer à gauche des molécules d'eau à température ambiante dans l'état liquide et à droite des molécule d'eau à basse température, à l'état solide.

2) Avec antigel

Observation : Les molécules cryoprotectantes s'intercalent entre les molécules d'eau, ce qui les empêchent de les relier. Quand elles sont mélangées à l'eau elles abaissent le point de solidification de celle-ci. Cela empêche donc la destruction des cellules et maintient ensuite les organes vitaux.

La vitrification

La vitrification est un processus qui permet de solidifier les molécules sans passer par l'état de cristallisation. La cristallisation est un phénomène qui inclue la formation de cristaux avant que le liquide étudié ne devienne solide.

La vitrification et les cryoprotecteurs permettent de remplacer l'eau du corps sans inclure l'étape de cristallisation. Ainsi elle pêrmet d'éviter les dégâts créés par la congélation.

En effet, tous les liquides peuvent devenir des solides amorphas avec un taux de refroidissement élevé. Un solide amorphas est un solide à l'état non organisé. Le refroidissement réduit la mobilité des molécules. Si la température de refroidissement est plus élevée que la température à laquelle les molécules peuvent s'organiser en un état cristallin, un solide amorphas sera créé.

Tolérance au gel

On classe les êtres vivants supportant le gel dans deux catégories : les tolérants et les intolérants au gel.

Dire qu'un être vivant est tolérant au gel signifie qu'il tolère un certain niveau de formation de cristaux de glaces. Il contrôle la formation de glace dans leur corps, soit en modifiant l’équilibre des fluides corporels, soit en produisant une protéine antigel. Il synthétise aussi des composés qui empêchent la déshydratation des cellules (vitrification).

Dire qu'un être vivant ou un organisme est intolérant au gel signifie que celui-ci utilise le phénomène de surfusion. Ce phénomène consiste en la sécrétion de composés abaissant le point de fusion des antigels naturels. Si le point de fusion est atteint, l’organisme sécrétera alors un sel ou un autre type d’antigel qui ralentira le développement des cristaux.