КРИОБИОЛОГИЯ
(от крио...
и
биология),
раздел
биологии, изучающий действие на живые системы низких и сверхнизких температур
(от О °С до близких к абсолютному нулю).
Осн. задачи К. - изучение
жизни в условиях холода, выяснение причин устойчивости организмов к переохлаждению
и замерзанию, исследование повреждающего действия отри-цат. темп-р и способов
защиты клеток и тканей при замораживании. Проблемы К. имеют большое теоретич.
значение, т. к. связаны с выяснением нижних температурных границ жизни,
механизмов адаптации в естеств. условиях к холоду (см. Морозоустойчивость,
Холодостойкость), сущности анабиоза
и т. п. Практич. аспекты
К. связаны с методами хранения и накопления биол. объектов, лечением с
помощью холода (см. Криотерапия), выведением морозоустойчивых сортов
растений, изучением зимовки вредителей с. х-ва, с деятельностью человека
в полярных условиях и космич. биологией.
Науч. основы К. заложены в кон. 19
в. рус. учёным П. И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения
у насекомых и анабиоз у летучих мышей. П. Бек-керель (1904-36) и австр.
учёный Г. Рам (1919-24) установили способность различных организмов (микроорганизмы,
беспозвоночные - тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян
переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до -269 и -271 °С,
т. е. до температур, близких к абсолютному нулю). В дальнейшем было показано,
что нек-рые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в
них воды. Напр., такие высокоорганизованные существа, как гусеницы нек-рых
бабочек, предварительно закалённые, т. е. адаптированные к холоду, "оживали"
после длит. замораживания при -78, -196 и даже -269 °С, когда вода в их
теле превращалась в кристаллический лёд. Одна из осн. проблем К. - выяснение
процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым
повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании,
много. Большое значение имеет скорость охлаждения и ото-гревания. При медленном
охлаждении сначала переходит в лёд вода окружающей клетку жидкости. Это
приводит к потере клеткой воды, нарушению солевого равновесия между вне-
и внутриклеточной жидкостью, повышению концентрации электролитов в клетке.
Нек-рые клетки вследствие этого погибают. Для того чтобы сохранить живыми
клетки растений и нек-рые ткани животных, требуется очень медленное охлаждение,
при к-ром не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке.
Для неадаптированных к холоду клеток
особенно опасно обезвоживание, т. к. возникают контакты внутриклеточных
компонентов, к-рые при нормальных условиях разобщены; при этом происходят
разрывы одних межмолекулярных связей и образование других, повреждения
клеточных мембран и т. д. Подобные явления могут возникать и в случае образования
кристаллов льда внутри клетки. Последние образуются обычно при быстром
охлаждении (свыше 10 градусов в 1 мин). После окончания процесса
охлаждения, при темп-pax выше - 120 оС, начинается рост кристаллов
(перекристаллизация, рекристаллизация). Увеличение их размеров особенно
значительно при отогревании. Считают, что во время ото-гревания и оттаивания
происходят основные повреждения в клетках. Как правило, при образовании
внутри клетки кристаллов льда она погибает; однако клетки нек-рых закалённых
насекомых и злокачеств. опухолей переносят внутриклеточную кристаллизацию
воды.
При сверхбыстром охлаждении со скоростью
нескольких сот градусов в 1 сек (такое охлаждение возможно лишь
у живых объектов, имеющих микроскопич. размеры) большая часть воды превращается
в аморфный лёд, структура к-рого мало отличается от структуры воды. Благодаря
этому клетки не повреждаются и выживают независимо от своего происхождения.
Но после сверхбыстрого глубокого охлаждения клетки сохраняют жизнеспособность
лишь при очень быстром отогревании (за 3-10 сек), при к-ром можно
избежать рекристаллизации. На практике этот метод сохранения клеток почти
не применим ввиду невозможности сверхбыстрого охлаждения и отогрева-ния
более или менее крупных объектов. Для сохранения живых систем в условиях
низких темп-р применяют защитные вещества - криопротек-т о р ы. Среди них
наиболее известны глицерин, диметилсульфоксид, сахара, гликоли, к-рые способны
проникать в клетку, и нек-рые полимерные соединения (поливинилпирролидон,
поли-этиленоксид и др.), не проникающие в неё. Криопротекторы ослабляют
эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации
макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Криопротекторы
получили широкое применение в медицине и животноводстве для длит. хранения
при низких темп-рах крови, тканей, органов, а также спермы домашних животных,
используемой для искусственного осеменения.
Устойчивость мн. наземных организмов
к темп-рам ниже О °С сильно изменяется в течение жизненного цикла, связанного
с сезонами года. Так, у насекомых и растений сильно повышаются холодоустойчивость
и морозоустойчивость при переходе к состоянию покоя (диапау-зы у насекомых
и клещей) ещё до наступления морозов. В начале периода покоя при темп-pax
немного выше О °С происходят значит. перестройки в обмене веществ и физико-химич,
состоянии клеток, повышающие устойчивость организмов (см. Закаливание
растений). Накапливаются жиры, гликоген, сахара, образуются защитные
вещества, изменяется состояние воды и белков в клетках. Насекомые в зависимости
от их экологии приобретают способность сильно переохлаждаться иногда до
минус 40 °С или ещё ниже. Нек-рые виды насекомых и растений перезимовывают
в замёрзшем состоянии. Хорошо переносят низкие и даже сверхнизкие темп-ры
мн. микроорганизмы (бактерии, дрожжи), мхи, лишайники и др. Обычно их холодоустойчивость
связана с быстрым обезвоживанием, повышенной вязкостью цитоплазмы, наличием
оболочки, препятствующей проникновению кристаллов в клетку, и др. Жизнедеятельность
организмов (исключая теплокровных животных) прекращается обычно при темп-pax
неск. ниже О °С, но нек-рые процессы обмена веществ могут протекать при
темп-рах ок. -20 :°С (напр., дыхание, фотосинтез) и даже ниже. В связи
с этим представляет интерес малоизученная биология морских организмов,
обитающих на подводных льдах Антарктики.
Проблемам К. посвящены спец. журналы;
ежегодно организуются междунар. симпозиумы и конференции криобиологов.
Лит. Рэ Л., Консервация жизни
холодом, пер. с франц., М.. 1962; Смит О., Биологическое действие замораживания
и переохлаждения, пер. с англ., М., 1963; Клетка и температура среды, М.
- Л., 1964; Лозина-Лозинский Л. К., Очерки по криобиологии, Л., 1972; Cellular
injury and resistance in freezing organisms, Sapporo, 1967 (Proceedings
of the International conference on low temperature science. Aug. 14 - 19,
1966. Sapporo, Japan, v. 2); Cryo-biology, ed. H. T. Meryman, L. - N. Y.,
1966; The frozen cell, L.. 1970; Mazur P., Cryobiology. The freezing of
biological systems, "Science", 1970, v. 168, № 3934, p. 939. Л.К.Лозина-Лозинский.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я