11 Мар Влияние действия низких температур на устойчивость биологических объектов
Влияние действия низких температур на устойчивость биологических объектов
Уже в конце прошлого века было установлено, что устойчивость биологических объектов (растений, животных) к действию низких температур в значительной степени обусловлена повышением устойчивости к ним самих клеток и зависит от реакции нуклеиновых кислот, белков и белковых компонентов, а также от физиологических особенностей каждого этапа жизненного цикла организма и изменяющегося при этом физико-химического состояния протоплазмы клеток и содержащегося в них количества воды.
Способность растений в естественных условиях переносить замораживание достигается в результате сложной и длительной подготовки к зимнему периоду, которую схематически можно разделить на три последовательных этапа: период покоя, первую и вторую фазу закаливания.
В период покоя наблюдается остановка роста организма, значительно снижается интенсивность физиологических процессов и происходит отложение питательных веществ в форме крахмала, жиров, липопротеидов и белков.
Первая фаза закаливания характеризуется накоплением низкомолекулярных сахаров в результате гидролиза крахмала, что приводит к повышению осмотического давления клеточного сока. У озимых растений, не имеющих запасов крахмала, накопление сахаров происходит путем фотосинтеза. В течение этой фазы наблюдается увеличение гидрофильности коллоидов протоплазмы, что приводит к изменению соотношения свободной и связанной воды, а именно к увеличению адсорбционно и осмотически связанной воды протоплазмы. У многих устойчивых к низким температурам форм растений значительная часть воды остается невымерзающей. В результате гидратации коллоидов значительно повышается вязкость протоплазмы. Одним из важнейших изменений протоплазмы при закаливании является увеличение ее проницаемости для воды, что исключает возможность губительного внутриклеточного льдообразования.
Вторая фаза закаливания характеризуется медленным понижением температуры, длительной выдержкой при температурах –2 … –5 °С. При этом происходит внеклеточное вымораживание большей части воды. В результате медленного понижения температуры повышается устойчивость к механическим деформациям и значительному обезвоживанию, вредные биохимические последствия которого подавляются низкими температурами и защитным действием сахаров. После такого постепенного замораживания до –30 °С внутриклеточный лед не образуется даже при сверхнизких температурах, и растительный организм может стать практически невымерзающим.
Некоторые вещества могут защищать биологические объекты от губительного действия замораживания. К таким веществам, получившим название защитных, относят различные сахара, многоатомные спирты и прежде всего глицерин.
В состоянии высокой морозоустойчивости наблюдается повышение осмотического давления клеточного сока, и это повышение происходит в основном вследствие накопления в клеточном соке редуцирующих сахаров (сахарозы, глюкозы, фруктозы, рафинозы и др.). В естественных условиях этот процесс протекает во время первой фазы закаливания. Искусственное обогащение биологических объектов сахарами в лабораторных условиях также показало их эффективное защитное действие.
Фундаментальные исследования механизма действия защитных веществ были проведены Н. А. Максимовым. Установлено, что способностью оказывать защитное действие при замораживании обладают не только сахара, но и спирты различной атомности, а также соли минеральных и органических кислот. Это защитное действие, естественно, ослабляется, если применяемое вещество само по себе является ядовитым для протоплазмы. Из всех испытанных защитных веществ наиболее эффективными при замораживании растительных организмов являются сахара.
Наиболее важным в механизме защитного действия рассматриваемых веществ является низкое значение их эвтектической точки, оказывающей влияние на уменьшение количества воды, которая способна кристаллизоваться при замораживании и тем самым предохранять протоплазму от губительной степени обезвоживания. Защитные вещества препятствуют образованию неестественных межмолекулярных связей. Накапливаясь в протоплазме, сахара осмотически удерживают воду и противодействуют дегидратирующему эффекту замораживания, вследствие чего сульфгидрильные группы соседних молекул белка удерживаются на расстоянии, достаточном для предотвращения реакции между ними. В этом случае для достижения степени дегидратации, приводящей к сближению молекул белка с образованием дисульфидной связи, требуется уже более низкая температура замораживания.
Предохраняя клетки от опасного обезвоживания, защитные вещества ослабляют также механическое воздействие льдообразования, образуя перед фронтом льда концентрированный незамерзающий слой, исключающий прямой контакт льда с наиболее чувствительным поверхностным слоем протоплазмы. В присутствии защитных веществ при прочих равных условиях процесса замораживания снижается скорость кристаллизации и уменьшаются размеры образующихся кристаллов льда. Кроме того, защитные вещества положительно влияют на процесс оводнения растительной клетки при оттаивании.
Правильность описанной выше схемы процесса закаливания в естественных условиях доказывается целым рядом экспериментальных данных. Так, искусственное закаливание позволило повысить морозоустойчивость озимой пшеницы до –36 °С, виноградной лозы до –40 °С, абрикоса до –60 °С. Ветви таких растений, как черная смородина, ива и береза, после закаливания при последующем постепенном оттаивании выдерживали воздействие температур жидкого азота, водорода и гелия. Во всех случаях происходили сложные адаптационные изменения клеток, главнейшими из которых являются повышение проницаемости протоплазмы для воды, накопление защитных веществ и специфические изменения физико-химических свойств белков протоплазмы. Эти изменения, происходящие в условиях постепенного понижения температуры, защищают клетки растительного организма от температурного шока и внутриклеточного льдообразования, обезвоживания в результате вымораживания воды и до минимума сводят механические повреждения при льдообразовании. Следует подчеркнуть, что в незакаленных клетках, в которых не прошла адаптационная перестройка к низким температурам, даже при медленном замораживании, — как правило, легко происходит внутриклеточное льдообразование, всегда приводящее к гибели клетки растительного организма.
Сочетание закаливания с искусственным обогащением клеток защитными веществами позволяет достичь высокой морозоустойчивости. Так, прошедшие закаливание клетки кормовой капусты сохраняли жизнеспособность после замораживания в растворах глицерина и сахарозы до –250 °С.
Большой практический интерес представляет устойчивость биологических объектов животного происхождения к низким температурам. Принято различать теплокровных (гомойотермных) животных, у которых температура тела постоянна, и холоднокровных (пойкилотермных), у которых температура тела непостоянна и приближается к температуре окружающей среды. Устойчивость организмов к низким температурам в естественных условиях обеспечивается очень сложными физиологическими процессами адаптационного характера, протекающими во всех органах, тканях и клетках. Это помогает большинству животных приспособиться к различным температурам среды и переносить их значительные колебания. Однако способность живого организма к температурной адаптации небезгранична, и поэтому каждому климатическому поясу соответствует свой, характерный для него животный мир.
В зависимости от специфических видовых особенностей различные организмы переносят низкие температуры, или избегая льдообразования, т. е. в переохлажденном состоянии, либо перенося частичное или почти полное кристаллообразование в меж- и внутриклеточной жидкости, либо поддерживая температуру своего тела на достаточно высоком постоянном уровне.
У теплокровных животных, за исключением тех, которые зимой впадают в спячку, в течение всего года поддерживается температура тела 37 – 40 °С независимо от места их обитания.
Особо следует подчеркнуть совершенство механизмов терморегуляции у арктических млекопитающих и птиц, способных поддерживать внутреннюю температуру тела в течение многих недель почти на 100 °С выше температуры окружающей среды. Во многом такая устойчивость к низким температурам определяется малой теплопроводностью меха и подкожной жировой прослойки, а также повышенным уровнем обмена веществ. Например, песец спит на снегу при температуре воздуха около –50 °С и ниже, не подвергаясь обморожению. Однако защитный покров и повышенный уровень обмена веществ не являются в данном случае единственными причинами устойчивости. Так, ткани конечностей полярных уток и чаек не повреждаются при температурах, которые оказались бы смертельными при воздействии на весь организм птицы. Открытые участки кожи и периферические части тела арктических млекопитающих также не повреждаются при действии температур, смертельных для внутренних органов и тканей. Так, температура под кожей морды и лап у северных ездовых собак часто оказывается около 10 °С при температуре окружающего воздуха –30 … –45 °С, а температура копыт и голеней оленя при таких внешних условиях еще ниже.
Многочисленные наблюдения над холоднокровными животными показали, что, например, рыбы неизбежно погибают после промораживания всего тела. Если происходит частичное льдообразование, охватывающее только поверхностные участки организма, то в некоторых случаях наблюдается его временное выживание, но затем все же наступает гибель. В то же время рыбы арктического бассейна обитают в морской воде, температура которой на глубине держится круглый год –1,7 … –1,8 °С, а в поверхностных слоях изменяется от –1,7 (зимой под плавающим льдом) до +7 °С (после весеннего таяния льдов). Температура замерзания плазмы и глазной жидкости глубоководных рыб составляет –0,8 … –1,0 °С. Таким образом, кровь и тканевые жидкости рыб в естественных условиях находятся все время в переохлажденном состоянии, причем переохлаждение довольно значительное и составляет 0,75 – 0,85 °С. Если таких рыб поместить в морскую воду температурой –1,7 °С, в которой плавает лед, то при соприкосновении с последним начинается кристаллизация тканевых жидкостей и рыбы погибают. Мелководные рыбы арктического бассейна не замерзают зимой, плавая в покрытой льдом морской воде при –1,7 °С, постоянно соприкасаются с кристаллами льда. Исследования показали, что летом, когда морская вода имеет температуру 4 – 7 °С, температура начала замерзания тканевой жидкости мелководных рыб –0,77 … –0,87 °С. Зимой температура начала замерзания тканевой жидкости указанных рыб понижается до –1,47 … –1,50 °С и они переохлаждаются на 0,25–0,30 °С в морской воде температурой около –1,7 °С. Из температур замерзания тканевой жидкости следует, что осмотическое давление плазмы почти удваивается в осенний период, в результате чего снижается опасность возникновения кристаллизации при контакте поверхности рыб с плавающим в воде льдом. Следует отметить, что осмотическое давление и, следовательно, температура начала замерзания тканевой жидкости мелководных арктических рыб в летний период примерно на 80 % обусловлена содержанием хлоридов. Повышение осмотического давления и понижение температуры зимой лишь на 50 % объясняется повышением концентрации хлоридов. Остальные вещества пока неизвестны.
Из холоднокровных животных, устойчивых к замораживанию, особо следует отметить литоральных моллюсков и ракообразных, которые зимой в северных широтах на протяжении нескольких месяцев дважды в сутки подвергаются замораживанию на воздухе во время отлива и оттаиванию в морской воде во время прилива и тем не менее остаются живыми. Температура воздуха в таких районах обычно –15 … –30 °С, что приводит к вымораживанию у этих организмов до 70 – 80 % воды. Достаточно полно механизм такой высокой устойчивости к неоднократному замораживанию и оттаиванию еще не выяснен.
Устойчивость к низким температурам насекомых достигается двумя путями. Одни виды насекомых переносят низкие температуры, находясь в переохлажденном состоянии, т. е. избегают замерзания. Другие обладают способностью переносить льдообразование. Устойчивость насекомых к низким температурам в зимний период обусловлена изменением обмена веществ в жизненном цикле, адаптивными реакциями и изменениями, возникающими под непосредственным влиянием низких температур. Обычно в зимний период насекомые находятся в состоянии диапаузы, во время которой приостанавливаются формообразовательные процессы и снижается общий уровень обмена веществ. Сезонное усиление устойчивости насекомых к низким температурам обусловлено такими процессами и изменениями, как повышение осмотического давления вследствие накопления растворимых Сахаров и аминокислот, упрочнение макромолекул белка в результате стимулируемого пониженными температурами образования водородных связей, увеличение количества связанной воды и др.
Наконец, очень важным обстоятельством является недавно установленный факт накопления в клетках устойчивых к холоду насекомых свободного глицерина, который образуется из гликогена или при ферментативном гидролизе глицерофосфатов в процессе подготовки к зимнему периоду. Концентрация глицерина в тканях организма в периоды наибольшей холодоустойчивости часто достигает 20 – 27 %. В результате указанных адаптивных изменений и особенно благодаря специфическим свойствам глицерина насекомые приобретают очень высокую устойчивость к переохлаждению.
Если насекомые переносят низкие температуры в замерзшем состоянии, то после адаптации к ним уменьшаются количество вымораживаемой воды, а следовательно, и степень дегидратации белков. В этом случае важную роль играет глицерин, который действует и как эффективный противосолевой буфер, и как фактор, существенно смягчающий механическое воздействие льдообразования. Лабораторные эксперименты показали, что некоторые насекомые в стадии диапаузы после предварительного закаливания при 0 °С выдерживают замораживание до температур жидких газов. В результате научных исследований было установлено, что некоторые насекомые могут переносить и внутриклеточное льдообразование при замораживании до сверхнизких температур.