Высказать 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»
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