A52 Hipotermia e congelamento

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Os insetos que enfrentam temperaturas abaixo de zero não reagem ao frio de uma única maneira. Em vez disso, empregam uma de duas estratégias completamente distintas para combater a hipotermia e o congelamento: os insetos tolerantes ao congelamento permitem que parte de sua água extracelular congele, enquanto os insetos intolerantes ao congelamento fazem exatamente o oposto, impedindo a formação de gelo dentro de seus corpos a todo custo e mantendo sua água líquida mesmo abaixo do ponto de congelamento — um estado conhecido como superresfriamento. Ambas as estratégias dos insetos dependem, em última análise, do mesmo fenômeno físico: a nucleação do gelo, o momento em que o primeiro cristal de gelo se forma na água do inseto. Essa nucleação segue uma cinética altamente não linear: a taxa na qual novos cristais aparecem depende exponencialmente de uma barreira de energia crítica que deve ser superada para que um cristal se forme. Essa barreira, por sua vez, depende fortemente da tensão interfacial da água — quanto maior a tensão, maior a barreira — e diminui significativamente à medida que a água esfria abaixo de seu ponto de congelamento, com a redução aumentando conforme o resfriamento abaixo do ponto de congelamento aumenta.

Essa barreira de energia que impede a nucleação pode, no entanto, ser drasticamente reduzida se a água do inseto contiver pequenas partículas nucleadoras, como bactérias ou poeira, que fornecem ao gelo uma superfície na qual ele pode se formar mais facilmente. Esse processo, conhecido como nucleação heterogênea, é precisamente o risco que mais ameaça o inseto intolerante ao gelo, que depende da manutenção dessa barreira elevada para continuar o superresfriamento.

Uma vez ocorrida a nucleação do gelo, a fração da água do inseto que congela não cresce constantemente ao longo do tempo, mas segue uma curva sigmoidal, conforme descrito pela equação de Avrami para transformação de fase: primeiro progride lentamente, depois acelera e, finalmente, desacelera novamente quando quase toda a água disponível já congelou.

Tanto os insetos tolerantes quanto os intolerantes ao gelo também possuem suas próprias defesas moleculares: proteínas anticongelantes e crioprotetores, como glicerol e trealose, reduzem o ponto de congelamento da água do inseto, ampliando a faixa de temperatura na qual o inseto pode permanecer superresfriado sem que ocorra a nucleação do gelo. Ao mesmo tempo, essas mesmas moléculas modificam a velocidade com que os cristais de gelo crescem após o início do congelamento, dando aos insetos tolerantes à geada mais controle sobre a formação de gelo em seus corpos.

O quão prejudicial o congelamento é para o inseto — seja por escolha própria ou por falha no superresfriamento — depende principalmente da velocidade com que os cristais de gelo se formam dentro de seu corpo: se o congelamento progride lentamente, grandes cristais se formam fora das células do inseto, desidratando-as por osmose, mas permitindo que o inseto sobreviva; por outro lado, se o congelamento progride rapidamente, os cristais se formam dentro das próprias células do inseto, e esses cristais intracelulares são letais.

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