Комментирует биолог

комментирует биологВысказать мнение по всем во­просам, затронутым в статье Ру­косуева, — весьма трудная задача. Проблемы выживаемости живот­ных при низких температурах и анабиоза связаны со сложнейши­ми проблемами биохимии клетки в целом и ее структур, с физико­-химическими свойствами коллоид­ных растворов и воды и т. д.

Мог ли выжить в крайне суро­вых якутских условиях плезио­завр или другой доисторический ящер? Лично я считаю это маловероятным. Географическая об­ласть обитания пресмыкающих­ся — ареал, как говорят зооло­ги, — ограничена в основном южными и средними широтами. (Правда, несколько видов яще­риц и змей живет за полярным кругом, проводя в спячке более восьми месяцев в году.) Повто­ряю — это маловероятно.

Я думаю, что если в Песцо­вом озере и обитает крупное жи­вотное, то скорее всего это мле­копитающее — быть может, неиз­вестного науке вида.

Несколько слов об анабиозе. Различают анабиоз при замерза­нии, анабиоз при высыхании и осмотический анабиоз. До сих пор среди ученых нет единодушия по вопросу о том, что считать анабиозом. Одни обозначают этим словом состояние организ­ма, при котором полностью пре­кращаются все жизненные про­цессы, которые, однако, возоб­новляются в благоприятных усло­виях. Это, так сказать, «классиче­ский» анабиоз. Другие ученые распространяют этот термин на любую форму существенного уг­нетения жизнедеятельности, свя­занную с приспособлением орга­низма к неблагоприятным усло­виям внешней среды — такую, на­пример, как зимняя спячка.

«Классический» анабиоз свойствен спорам, бактериям, коловрат­кам, тихоходкам, нематодам (дру­гое их имя — угрицы), семенам некоторых растений, мхам и ли­шайникам, и некоторым другим биологическим объектам. Воз­можно, дальнейшие исследования пополнят этот список. Однако многочисленные эксперименты по­казали, что к позвоночным и к высокоорганизованным беспозвоночным животным такая форма анабиоза с полной остановкой жизни и возможностью после­дующего оживления непримени­ма (хотя отдельные их ткани при соблюдении определенных усло­вий хорошо переносят глубокое охлаждение В течение длительно­го времени). Поэтому, в частно­сти, вызывает сомнение возраст найденных в слое вечной мерзло­ты и оживших на время после оттаивания тритонов, о которых упоминается в статье Г. Н. Руко­суева и в других публикациях. Мне могут возразить: а как же рыбка даллия, вмерзающая на много месяцев в лёд? Дело в том, что, находясь, так сказать, в «ледовом плену», даллия не промерзает — клеточная прото­плазма сохраняется в жидком состоянии. Точка замерзания про­топлазмы, представляющей собой, грубо говоря, коллоидный рас­твор белков в воде и содержа­щей к тому же, соли, ниже точки замерзания воды, а лёд, которым окружена даллия— хороший теплоизолятор. Кроме того, прото­плазма может находиться в пере­охлажденном состоянии. (Пример такого состояния — капельки воды в облаке. Немецкому ученому Кистлеру удавалось переохлаж­дать капли чистой воды до -72°С, и они оставались жидкими.)

свинья-кит«Свинья-кит»

Мы говорили об испытаниях, которые выпадают, так сказать, на долю даллии в естественных условиях. Но вот в 1932 году биолог Н. А. Бородин провел ряд экспериментов с пятнадцатью до­ставленными с Аляски даллиями, при этом рыбки продемонстри­ровали феноменальную для хо­лоднокровных животных жизне­способность. Н. А. Бородин вы­держивал их в холодильнике 40 ми­нут при температуре -20° С, при этом они становились твердыми. В подобных условиях другие виды рыб погибали, и лишь даллии после оттаивания оживали. В этих опытах, однако, не было выясне­но главное: промерзают ли ткани даллии в условиях эксперимента. На первый взгляд, при длитель­ном воздействии столь низкой температуры протоплазма клеток тела небольшой рыбки должна замерзнуть, но Н. И. Калабухов показал в дальнейшем, что этого не происходит. Если же в клетках образуется лед, погибают и даллии. (У того же Н. А. Бородина эти рыбки погибали, если их вы­держивали при -20° С в течение часа.)

Следует упомянуть и о замеча­тельных опытах Л. К. Лозина- Лозинского, произведенных им в 1937—1938 годах с гусеницами кукурузного мотылька. В естест­венных условиях эта гусеница, на­ходясь в состоянии так называемой диапаузы (своего рода «спячки» членистоногих), зимует в стеб­лях кукурузы, перенося длитель­ные морозы, порой достигающие -40° С. (Подобной же устойчи­востью к холоду отличается и ряд лесных насекомых, зимующих не в земле, а под корой деревь­ев — например, древесные жуки Сибири и Канады.) В одной из серий опытов после выдержива­ния гусениц кукурузного мотыль­ка до восьми суток при темпера­туре -30° С они почти все ожи­вали. В другой серии пробирка с гусеницами помещалась в твер­дую углекислоту, при этом тем­пература внутри тела гусениц достигала -78,5° С, они совер­шенно затвердевали — при паде­нии в фарфоровую чашку звене­ли, как стеклянные, и трескались. Тем не менее 50% из них ожили (правда, после оттаивания они жили около месяца).

Казалось бы, в данном случае не может быть места сомнениям в факте замерзания внутрикле­точных жидкостей. Однако это не так.

Здесь мы подходим к очень важному вопросу, на котором следует остановиться: что считать замерзанием и всегда ли затвер­дение воды в организме губи­тельно для него. Вопрос этот тес­но связан с физико-химическими свойствами воды.

Известно, что жидкость отли­чается от твердых тел (а точнее, от истинно твердых — кристалли­ческих тел) текучестью, относи­тельно небольшой силой сцепле­ния частиц и хаотической ориен­тацией молекул, иными слова­ми — отсутствием пространственной решетки. Очевидно, для то­го, чтобы молекулы образовали кристаллическую решетку, необ­ходимо некоторое время — как, скажем, нужно время, чтобы уста­новить в строй солдат. Но пред­ставьте себе, что солдатам необходимо выстроиться в колонну, находясь по грудь в воде —ясно, что это займет очень много времени. Так же и в жидко­сти — чтобы она кристаллизова­лась, её вязкость не должна быть настолько большой, чтобы это препятствовало перемещению мо­лекул. Как происходит сам про­цесс кристаллизации? Когда жид­кость охлаждают в ней возника­ют случайные скопления молекул с маленькой кинетической энер­гией. Это — центры кристаллиза­ции. Чтобы они сохранились не­которое время, не «рассыпались», вязкость жидкости не должна быть и чрезмерно маленькой. Та­ким образом, существует некото­рая оптимальная для кристалли­зации данной жидкости вязкость. Давно известно, что если жид­кость охлаждать медленно, она затвердевает с образованием не­большого числа крупных кристал­лов, если быстро — образуется много мелких кристаллов.

Именно процесс кристаллиза­ции губительно действует на клет­ки живой ткани при ее замерза­нии, причем кристаллизация с образованием крупных кристаллов действует, по-видимому, губитель­нее, чем кристаллизация с обра­зованием мелких — это сейчас, кажется, единодушно признают все ученые.

Правда, у биологов, занимаю­щихся исследованием влияния низких температур на живые ор­ганизмы, до сих пор нет полной ясности в понимании механизма действия кристаллов на клетку, в том, что, в конечном счете, приводит организм к смерти, но это уже другой вопрос и мы его сейчас касаться не будем.

Что же произойдет, если жид­кость подвергнуть быстрому И глу­бокому охлаждению? Её вязкость сразу станет настолько большой, что это воспрепятствует образо­ванию пространственной кристал­лической решетки. Жидкость за­твердеет, не успев кристаллизо­ваться. Если этой жидкостью яв­ляется вода, то она перейдет в то ­стеклообразное состояние, о ко­тором пишет Г. Н. Рукосуев. И тогда ее уже нельзя считать замерзшей в обычном понимании этого слова. Процесс перехода в стеклообразное состояние, минуя кристаллизацию, называют витрификацией, а обратный переход к жидкому состоянию — стеклоплав- лением (он возможен лишь при быстром нагревании «застекловавшейся» жидкости, в противном случае она «по пути» проходит стадию кристаллизации). Верифицированную жидкость иногда называют также аморфной твер­дой жидкостью.

В идеальном случае нитрифи­цированное вещество (например, стекло) является, строго говоря, не твердым телом, а жидко­стью — от последней оно отли­чается лишь значительно большей вязкостью. Однако в реальных условиях идеально «застеклованной» жидкости не бывает, как не бывает идеальных кристаллов. Но если кристалл является стабиль­ной системой, то верифицирован­ная жидкость — система не совсем стабильная, а метастабильная, как говорят ученые; она проявляет «склонность» к кри­сталлизации, и за длительные про­межутки времени в ней образу­ются мелкие кристаллики. Имен­но поэтому постепенно — за сот­ни и тысячи лет — мутнеет стекло.

Но вернемся к воде. Оказа­лось, что чистую воду очень трудно получить в аморфном твердом виде — этому препятствует очень высокая скорость её кристаллизации. Каплю «застекловавшейся» воды удалось полу­чить в 1929 году ученому Л. Хо­уксу. Через шесть лет Е. Бартон и В. Оливер добились витрификации небольшого количества воды, быстро охлаждая её пары.

Однако, как выяснилось, неко­торые органические вещества, бу­дучи растворены в воде, резко снижают скорость ее кристаллизации. Так, 3% желатина умень­шают скорость кристаллизации воды в 350 раз. Более того, боль­шое количество желатина может вообще воспрепятствовать замер­занию воды — например, желати­новый студень, в котором 54% воды, не замерзает даже в жид­ком воздухе. Таким же свойст­вом — затруднять кристаллизацию воды — обладают глицерин, глю­коза, сахароза, декстрин, яичный белок и ряд других веществ.

Но ведь и вода в клетках на­ходится не в чистом виде — про­топлазма представляет собой кол­лоидный раствор белков в воде. Не создает ли это условий для «застекловывания» клеточной про­топлазмы?

В 1937 году и в последующие годы в выходящем в Сент-Луисе (США) журнале «Биодинамика», а затем и в некоторых других журналах был опубликован ряд статей американского биолога профессора Б. Лайта. Он погру­жал в жидкий воздух бактерии, дрожжевые грибки, эпидермис лука, кусочки мха с населяющи­ми его коловратками и тихоходка­ми, и ряд других биологических объектов. Все эти организмы, под­вергнутые действию столь низкой температуры, ожили после быст­рого оттаивания. Рентгенострук­турный анализ клеток, погружен­ных в жидкий воздух, показал, что протоплазма в них находится в некристаллическом состоянии, следовательно, она витрифицировалась.

Отсюда можно было сделать тот вывод, что, во-первых, при достаточно быстром охлаждении клеточная протоплазма может затвердевать без кристаллизации, а во-вторых, витрификация внут­риклеточной жидкости безвредна для клетки, не разрушает её, а погружает в «классический» анабиоз. Это вполне объясни­мо — ведь в отличие от кристал­лизации, нитрифицированное затвердевание протоплазмы не сопровождается перемещением молекул воды — они остаются, мож­но сказать, «все на своих местах», там, где их застала низкая тем­пература.

Опыты Лайта были нами по­вторены и полностью подтверди­лись. В дальнейшем оказалось, что жизнеспособность сохраняют и погруженные в жидкий воздух сперматозоиды лягушки. А в 1949 году И. В. Смирнов впервые искусственно оплодотворил кроль­чиху спермой кролика, выдержи­вавшейся в жидком воздухе. Крольчиха родила здоровых крольчат.

Долгое время ученые считали, что добиться некристаллического затвердения протоплазмы можно лишь при двух непременных условиях: резкое, «внезапное» охлаждение и маленькие размеры биологического объекта. (Послед­нее связывали с тем, что протоплазму необходимо быстро охладить во всем ее объеме.)

Однако исследования послед­них лет показали, что избежать кристаллизации внутриклеточной жидкости и таким образом воспрепятствовать гибели биологиче­ских объектов даже значительно больших размеров и при медлен­ном их охлаждении можно и иным путем. Оказалось, что до­бавление к различным животным и растительным тканям глицери­на, диметилсульфоксида и некоторых других химических соеди­нений в высоких концентрациях предотвращает гибель тканей.

Эти факты позволяют надеять­ся, что в конечном итоге удастся глубоко охлаждать организм без вреда для них.

Следует подчеркнуть, однако, что условия, необходимые для достижения истинного анабиоза под влиянием холода, могут быть созданы на Земле только в лабо­ратории. В природной обстановке оживание охлажденных организ­мов через очень длительные сро­ки мне представляется едва ли возможным.­

 Руководитель лаборатории радиобиологии Института морфологии животных им. А. Н. Северцова доктор биологических наук Эммануил Яковлевич Граевский, известный своими работами по исследованию действия низких температур на живые организмы

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>