A52 Hypothermie et engelures

Topique

Les insectes confrontés à des températures négatives ne réagissent pas au froid de manière unique. Ils emploient deux stratégies totalement distinctes pour lutter contre l'hypothermie et le gel : les insectes tolérants au gel laissent une partie de leur eau extracellulaire geler, tandis que les insectes intolérants au gel font exactement l'inverse, empêchant à tout prix la formation de glace à l'intérieur de leur corps et maintenant leur eau à l'état liquide même en dessous de zéro – un état appelé surfusion. Ces deux stratégies reposent en fin de compte sur le même phénomène physique : la nucléation de la glace, c'est-à-dire le moment où le premier cristal de glace se forme dans l'eau de l'insecte. Cette nucléation obéit à une cinétique fortement non linéaire : la vitesse d'apparition des nouveaux cristaux dépend exponentiellement d'une barrière énergétique critique qu'il faut franchir pour qu'un cristal se forme. Cette barrière dépend elle-même fortement de la tension interfaciale de l'eau – plus la tension est élevée, plus la barrière est importante – et diminue significativement lorsque l'eau se refroidit en dessous de son point de congélation, la réduction étant d'autant plus importante que le refroidissement en dessous de zéro est profond.

Cette barrière énergétique qui empêche la nucléation peut toutefois être considérablement réduite si l'eau de l'insecte contient de petites particules nucléantes, telles que des bactéries ou de la poussière, qui offrent à la glace une surface propice à sa formation. Ce processus, appelé nucléation hétérogène, représente précisément le risque le plus important pour l'insecte sensible au gel, qui dépend du maintien d'une barrière énergétique élevée pour poursuivre son état de surfusion.

Une fois la nucléation de la glace amorcée, la fraction d'eau de l'insecte qui gèle n'augmente pas de façon constante, mais suit une courbe sigmoïde, comme le décrit l'équation d'Avrami pour la transformation de phase : elle progresse d'abord lentement, puis s'accélère, et enfin ralentit à nouveau lorsque la quasi-totalité de l'eau disponible a gelé.

Les insectes, qu'ils soient sensibles ou non au gel, possèdent également leurs propres défenses moléculaires : des protéines antigel et des cryoprotecteurs, tels que le glycérol et le tréhalose, abaissent le point de congélation de l'eau de l'insecte, élargissant ainsi la plage de températures dans laquelle l'insecte peut rester en surfusion sans nucléation de la glace. Parallèlement, ces mêmes molécules modifient la vitesse de croissance des cristaux de glace une fois la congélation amorcée, offrant ainsi aux insectes résistants au gel un meilleur contrôle sur la formation de glace à l'intérieur de leur organisme.

La nocivité de la congélation pour l'insecte – qu'il s'agisse d'une stratégie choisie ou d'un échec de sa surfusion – dépend principalement de la vitesse de formation des cristaux de glace dans son corps : si la congélation est lente, de gros cristaux se forment à l'extérieur des cellules, déshydratant ces dernières par osmose mais permettant à l'insecte de survivre ; en revanche, si la congélation est rapide, des cristaux se forment à l'intérieur même des cellules, et ces cristaux intracellulaires sont mortels.

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