Pourquoi la grenouille gelée revient-elle à la vie ?
― Elle ne gèle qu'à l'extérieur de ses cellules et freine le gel grâce au sucre
Dans les forêts d'Amérique du Nord, la grenouille des bois voit tout son corps durcir en hiver. Son cœur et sa respiration s'arrêtent. Pourtant, au printemps, elle dégèle et se remet à bondir comme si rien ne s'était passé. Ce tour de force, impossible pour le corps humain ou pour une fraise congelée, repose sur deux choses : où se forme la glace, et jusqu'où on laisse geler.
Vous mettez au congélateur des fraises achetées en été, puis vous les faites décongeler plus tard. Une flaque rouge se forme dans l'assiette, et les fruits sont en réalité devenus tout flasques. Ils ne retrouvent jamais la fermeté qu'ils avaient avant la congélation.
De l'autre côté, dans les forêts du Canada ou de l'Alaska, des grenouilles passent l'hiver sous les feuilles mortes. Au toucher, elles sont dures comme de la pierre, et leur cœur ne bat plus. Pourtant, au printemps, une fois dégelées, elles se remettraient à bouger en quelques heures à une journée.
Dans les deux cas, le corps d'un être vivant gèle. Pourquoi l'un se détruit-il, et l'autre revient-il intact ?
Deux raisons pour lesquelles la grenouille ne se détruit pas
Quand la glace se forme à l'intérieur d'une cellule, ses cristaux pointus percent la membrane. La grenouille commence à geler tôt et lentement depuis la surface du corps, et laisse la glace grandir uniquement dans les espaces entre les cellules.
Dès que le gel commence, le foie fabrique d'un coup une grande quantité de sucre et la distribue dans tout le corps. L'eau où le sucre est dissous gèle moins facilement, ce qui empêche toute l'eau du corps de se transformer en glace.
Aucune des deux n'est une magie particulière. Comme une route salée qui gèle moins facilement, le corps exploite une propriété simple : « dissoudre quelque chose dans l'eau la rend plus difficile à geler ».
C'est l'endroit où se forme la glace qui décide de la vie ou de la mort
Le corps d'un être vivant est un assemblage de petites cellules. Chaque cellule est un sac entouré d'une fine membrane, avec de l'eau à l'intérieur comme à l'extérieur. Regardez la figure 1.
À gauche, comme pour la fraise, le gel est lent et la glace se forme jusqu'à l'intérieur des cellules. Les cristaux de glace sont pointus comme des aiguilles, et en grandissant, ils percent la membrane ou la paroi depuis l'intérieur. Au dégel, le contenu s'échappe par le sac déchiré. C'est exactement le liquide qui s'accumule dans l'assiette.
À droite, c'est le cas de la grenouille. On pense que la surface du corps et le sang de la grenouille contiennent des substances qui déclenchent la formation de glace. Ainsi, dès un froid encore léger, vers -1 à -2°C, le gel commence d'abord à l'extérieur des cellules. Quand l'eau extérieure devient glace, le sel et les autres substances dissoutes dans l'eau restante se concentrent. L'eau à l'intérieur de la cellule est alors attirée vers cette concentration plus forte et s'échappe vers l'extérieur. La cellule se ratatine en perdant de l'eau, et son intérieur reste sans geler.
Le sucre n'empêche pas le gel, il empêche un gel excessif
Dès que le gel commence, le foie de la grenouille transforme en urgence une substance proche de l'amidon qu'il avait stockée, en sucre. La concentration de sucre dans le sang monterait alors à plusieurs dizaines de fois, voire plus de 100 fois, le niveau habituel.
Voici un fait surprenant. Même avec tout ce sucre accumulé, la température à laquelle le gel commence ne baisse que d'environ 0,5°C. La grenouille finit donc bien par geler. Alors, à quoi sert le sucre ?
Plus l'eau extérieure gèle, plus l'eau restante se concentre. Et cette eau restante s'arrête de geler au point où « à cette concentration, elle commence justement à geler ». Plus il y a de particules dissoutes au départ, plus vite on atteint cette concentration. En d'autres termes, ajouter du sucre réduit la proportion d'eau qui devient glace, même pour le même froid.
Regardez la figure 2. En baissant la température avec le curseur, sans sucre, plus de 80% de l'eau du corps devient glace presque immédiatement. La grenouille qui a accumulé du sucre peut limiter la glace à environ 60% même vers -3°C. On estime que la grenouille des bois d'Amérique du Nord peut supporter que jusqu'à environ 65% de l'eau de son corps gèle. Le sucre agit comme un « frein » pour ne pas dépasser cette limite.
Les cellules humaines ne possèdent ni le mécanisme permettant de ne geler qu'à l'extérieur, ni celui permettant d'accumuler rapidement du sucre. Quand les tissus des membres gèlent, ils ne reviennent pas à leur état d'origine. Parmi les autres animaux connus pour revenir à la vie après avoir gelé, on trouve certains insectes et les jeunes tortues d'Amérique du Nord. On pense qu'il s'agit, dans tous les cas, de capacités développées sur un temps long par des espèces vivant dans des régions au froid rigoureux.
Dans les usines de produits surgelés, on congèle les aliments le plus vite possible. En gelant rapidement, les cristaux de glace restent petits et endommagent moins les cellules. Dans un congélateur domestique, le gel est lent, ce qui laisse les cristaux grandir.
En résumé
Si la grenouille peut geler et revenir à la vie, c'est parce qu'elle protège ses cellules en ne formant de la glace qu'à leur extérieur, et parce que le sucre limite la proportion d'eau du corps qui gèle, en restant sous la limite tolérable. Elle n'empêche pas le gel lui-même. Elle contrôle où, et jusqu'où, il a lieu.
Ce n'est pas qu'elle ne gèle pas, c'est qu'elle choisit comment geler.
L'hivernation de la grenouille est une technique de « cohabitation » avec la glace.
Le mystère de l'eau qui ne gèle pas même sous 0°C est expliqué dans l'article sur l'eau qui ne gèle pas même à -20°C, et le mécanisme des pattes d'oiseaux qui résistent au froid de la même façon est expliqué dans l'article sur la raison pour laquelle les pattes du canard ne gèlent pas.
- Préparez deux verres de même taille. Mettez de l'eau pure dans l'un, et dans l'autre la même quantité d'eau dans laquelle vous aurez dissous environ 3 cuillères à soupe de sucre.
- Placez-les au congélateur et comparez, toutes les heures, en les piquant avec une cuillère, à quel point ils ont gelé.
- Le verre d'eau sucrée devrait rester longtemps un mélange de glace et de liquide sirupeux non gelé. Si vous goûtez ce liquide restant, il sera plus sucré qu'au départ.
Seule l'eau gèle ; le sucre est repoussé dans le liquide restant et s'y concentre. C'est une petite reproduction, dans votre cuisine, de ce qui se passe dans le corps de la grenouille.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, équations et liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque explication est précisé
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des matières « chimie » et « biologie » au lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (physiologie animale, biologie du froid)
- RechercheSujet qui n'est même pas enseigné comme « établi » à l'université, et que les chercheurs étudient encore activement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Tolérance au gel : capacité à survivre même lorsqu'une partie de l'eau du corps gèle. La grenouille des bois en est l'exemple type.
- Abaissement du point de congélation : phénomène par lequel, quand quelque chose est dissous dans l'eau, la température à laquelle elle commence à geler descend sous 0°C. Il est proportionnel au nombre de particules dissoutes.
- Gel extracellulaire : type de gel où la glace se forme non pas à l'intérieur des cellules, mais seulement dans les espaces entre elles. La cellule expulse son eau et se ratatine.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à -3°C, quelle proportion de l'eau du corps gèle-t-elle ?
Quand la glace extérieure et l'eau restante non gelée sont en équilibre, le point de congélation de l'eau restante correspond exactement à la température du moment. À partir de cette relation, on estime la proportion d'eau qui reste non gelée.
| En notation symbolique | ΔT = Kf × c , f = c0 ÷ c = ( c0 × Kf ) ÷ ΔT |
| En mots | Abaissement de la température de début de gel = constante de proportionnalité × concentration des particules dissoutes. Proportion d'eau restant non gelée = concentration initiale ÷ concentration à laquelle le gel commence à cette température |
| Origine de l'équation | Elle vient de la loi de l'abaissement du point de congélation (pour une solution diluée, l'abaissement est proportionnel au nombre de particules dissoutes) et de la conservation de la quantité : « les particules dissoutes ne rentrent pas dans la glace et restent entièrement dans l'eau restante » |
| ΔT | De combien la température de début de gel descend sous 0°C (en °C). Ici, c'est la même chose que le nombre de « degrés sous zéro » de la température actuelle |
| Kf | Constante cryoscopique molale de l'eau. Quand 1 mol de particules est dissoute dans 1 kg d'eau, la température descend d'environ 1,86°C (unité : °C·kg/mol) |
| c0 | Concentration des particules dissoutes dans le liquide corporel avant le gel (unité : mol/kg) |
| f | Proportion d'eau restant liquide, non gelée (de 0 à 1). La proportion gelée est 1 − f |
| Constante cryoscopique molale de l'eau | 1,86 °C·kg/mol |
| Concentration du liquide corporel avant accumulation de sucre (estimation) | environ 0,3 mol/kg |
| Augmentation de la concentration en sucre lors du gel (estimation) | environ 0,25 mol/kg, selon les estimations |
| Température | moins 3°C |
| Concentration à laquelle le gel commence à -3°C | 3 ÷ 1,86 ≒ 1,61 mol/kg |
| Sans sucre : proportion restant non gelée | 0,3 ÷ 1,61 ≒ 0,19 |
| Sans sucre : proportion gelée | 1 − 0,19 = 0,81 |
| Concentration du liquide corporel avec sucre | 0,3 + 0,25 = 0,55 mol/kg |
| Avec sucre : proportion restant non gelée | 0,55 ÷ 1,61 ≒ 0,34 |
| Avec sucre : proportion gelée | 1 − 0,34 = 0,66 |
| Bonus : baisse du point de congélation due au sucre seul | 0,25 × 1,86 ≒ 0,47 °C |
Sans sucre, environ 81% de l'eau du corps gèle, dépassant largement la limite estimée de 65%. Avec sucre, c'est environ 66%, juste au-dessus de la limite. En revanche, l'abaissement de la température de début de gel dû au sucre lui-même n'est que d'environ 0,5°C. Ces chiffres confirment que le vrai rôle du sucre n'est pas « d'empêcher le gel », mais de « réduire la quantité qui gèle ».
LycéeLycée+La pression osmotique fait sortir l'eau de la cellule
LycéeLa membrane cellulaire se comporte comme une « membrane semi-perméable » : elle laisse passer facilement l'eau, mais difficilement les substances dissoutes. Quand l'eau extérieure gèle et que l'extérieur se concentre, la différence de pression osmotique fait migrer l'eau de l'intérieur de la cellule vers l'extérieur. C'est pour cela que la cellule se ratatine.
Lycée+Cependant, si elle se ratatine trop, la cellule se détruit. On pense que la grenouille fait aussi entrer du sucre à l'intérieur des cellules pour en augmenter la concentration interne, ce qui limite la quantité d'eau qui en sort. Avoir du sucre à la fois à l'extérieur et à l'intérieur serait important pour préserver la taille des cellules.
UniversitéSubstances cryoprotectrices et formation de noyaux de glace
En biologie du froid, on appelle substances cryoprotectrices celles qui, comme le sucre, protègent les cellules du gel. Chez la grenouille des bois, le glucose joue le rôle principal, et l'urée agirait aussi en soutien. La réaction qui décompose le glycogène du foie pour libérer du glucose commencerait, selon les rapports, dans les minutes qui suivent le début du gel dans la peau. On pense aussi que des substances comme des protéines capables de déclencher la nucléation de la glace sont présentes dans le liquide corporel, afin de démarrer la formation de glace de façon fiable à une température relativement élevée. En effet, si l'eau en surfusion gèle d'un coup, la glace a plus de chances de se former jusqu'à l'intérieur des cellules.
📖 Pour la dérivation de l'équation et pour aller plus loin : Abaissement du point de congélation (Wikipédia, en japonais) / Storey & Storey (2017) Molecular Physiology of Freeze Tolerance in Vertebrates (revue)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Pourquoi le cœur arrêté se remet-il à battre ? Après le dégel, les détails de ce qui déclenche la reprise spontanée des battements du cœur ne sont pas encore connus.
- Pourquoi les grenouilles d'Alaska résistent-elles à encore plus de froid ? Dans la nature, en Alaska, des cas de grenouilles restées gelées pendant plusieurs mois dans un sol à plus de -10°C ont été rapportés. On sait qu'elles accumulent plus de sucre que les individus des régions du sud, mais on étudie encore si cela suffit à tout expliquer.
- Cela pourrait-il servir à la conservation d'organes humains par congélation ? Dans la recherche sur la conservation longue durée d'organes destinés à la transplantation, le mécanisme de la grenouille est considéré comme l'un des modèles de référence. On pense toutefois qu'une application pratique reste encore lointaine.
En somme, le contenu de cet article aussi n'est qu'« une explication dans la limite de ce qui est connu aujourd'hui ». Les proportions calculées par l'équation sont également une estimation simplifiée, basée uniquement sur la quantité de particules dissoutes ; dans un corps réel, des facteurs bien plus complexes entrent en jeu.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, changements d'état de la matière, solutions aqueuses | L'eau qui gèle, les substances dissoutes qui ne rentrent pas dans la glace |
| Lycée | Chimie, propriétés des solutions diluées (abaissement du point de congélation, pression osmotique) | Vérification par le calcul, l'eau qui sort de la cellule |
| Lycée+ | Biologie, membrane cellulaire et échanges de substances | Le sucre qui entre aussi dans la cellule |
| Université | Physiologie animale, biologie du froid | Substances cryoprotectrices, nucléation de la glace |
| Recherche | Physiologie comparée, conservation d'organes | Redémarrage du cœur, individus d'Alaska, conservation d'organes par congélation |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Surgélation rapide des produits congelés, jus des fraises décongelées |
- Storey, K. B. & Storey, J. M. (2017) Molecular Physiology of Freeze Tolerance in Vertebrates. Physiological Reviews 97.
- Larson, D. J. et al. (2014) Wood frog adaptations to overwintering in Alaska: new limits to freezing tolerance. Journal of Experimental Biology 217.
- Costanzo, J. P. & Lee, R. E. (2013) Avoidance and tolerance of freezing in ectothermic vertebrates. Journal of Experimental Biology 216.
- Wikipédia « Abaissement du point de congélation » (ウィキペディア「凝固点降下」, en japonais)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les chiffres indiqués sont des repères ou des estimations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme, et peuvent varier selon les études. Ne tentez jamais d'attraper des grenouilles sauvages pour les congeler ou mener une quelconque expérience de ce type.