Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ГИПОБИОЛОГИЯ

Угаров Гавриил Спиридонович,

4.3. Роль льдоподобной воды в биологических процессах в условиях холода. Физиологическая ангидрия

Как было показано в предыдущей главе все изученные нами ключевые физиологические процессы, такие как дыхание, фотосинтез, водообмен, поглощение элементов минерального питания и другие существенно меняют ход в области температур от +4 °С до 0 °С.

Попытаемся разобраться в причине столь нетипичных реакций организмов, выражающихся в резком скачке или, наоборот, в глубоком шоке, которые проявляются в довольно узком интервале околонулевых низких положительных температур. Прежде всего следует отметить, что если это было результатом непосредственного действия температуры на физиологические процессы, то они подчинялись бы правилу Вант-Гоффа, которая как раз, в данном случае, существенно нарушается.

Как показывают результаты наших экспериментов и литературные данные, все аномальные процессы начинаются с температуры близкой к +4 °С. Это приводит к мысли о том, что причиной указанных явлений может быть высокая плотность воды, наблюдаемая именно при температуре +4 °С [3, 242]. Не умаляя вклад наибольшей плотности воды на ход физиологических процессов, все же следует отметить, что, по видимому, причина здесь кроется не только в наибольшей плотности, но и в тех изменениях структуры воды, которые начинаются с температуры +4 °С. Дело в том, что между кривой кинетики многих физиологических процессов и кривой изменения плотности воды имеется положительная корреляционная связь.

При температурах ниже +4 °С вода приобретает жидкокристаллическое состояние или превращается в «жидкий лед», что затрудняет внутриклеточный, межклеточный водообмен и обмен воды между тканями, органами и, если это растение, то и с окружающей средой. Наступает так называемая криозасуха – имеющаяся в клетках и тканях в достаточном количестве вода превращается в «жидкий лед», становится недоступной для протекания физиологических процессов [301, 302], совершенно по такому же типу, когда холодная почва, содержащая даже избыточную влагу, становится физиологически сухой для растений, то есть происходит физиологическая ангидрия организма.

4_3_1.wmf

Рис. 4.3.1. Принциальная схема структурного состояния воды при различных температурах

Как видно на рис. 4.3.1 структура воды при различных температурах существенно меняется. Так, при положительных температурах до +4 °С она состоит из смеси свободной (плотноупакованной) и льдоподобной структур. С понижением температуры в воде начинает преобладать льдоподобная структура и при температуре +4 °С свободная вода практически исчезает и вода состоит уже из смеси льдоподобной и ледяной структур, таким образом, превращается в «жидкий лед». С дальнейшим понижением температуры количество воды с гексагональной структурой, характерной для твердого льда, увеличивается и при 0 °С целиком превращается в твердый лед. Мембранные оболочки клетки и ее органоидов фильтруют льдоподобную воду, пропуская через себя только мелкие и подвижные молекулы свободной воды (рис. 4.3.2). В результате этого нарушается общий водообмен организма.

4_3_2.tif

Рис. 4.3.2. Задержка транспорта льдоподобной воды биологической мембраной

Физиологическое обезвоживание, переходящее к физиологической ангидрии, приводит к гипобиометаболизму в организме, в результате этого гетеротермные и пойкилотермные организмы переходят в состояние гипобиоза – спячке, оцепенению животных и покою у растений. При более или менее длительном действии такой температуры организмы, не устойчивые к холоду, в частности, теплолюбивые растения погибают, а гомойотермные организмы для поддержания температурного гомеостаза генерируют дополнительное тепло, что связано с большой затратой энергии.

Выше была упомянута регуляторная роль воды при метаболических процессах. Как видно из приводимого соотношения различных структур воды, при температурах ниже +4 °С физиологически активная свободная вода, способствующая синтетическим процессам, практически исчезает и вся вода становится дьдоподобной. В клетках, в основном идут процессы гидролиза, начальные и конечные продукты которых имеют сродство к льдоподобной воде.

_2.wmf

На табл. 4.3.2. в обобщенном виде показана зависимость состояния живых организмов от структуры, содержащейся в них воды.

Таблица 4.3.2

Зависимость состояния живых организмов от структуры воды

Температура в °С

–273...–70

0 до +4

5/16 – 37

Мороз

Холод

Тепло

космический

планетарный

Состояние воды

Лед

Лед

Льдопод + Лед = жидкий лед

Свободная / Льдоподобная

Общая ангидрия

Физиологическое обезвоживание или физиологическая ангидрия

Нормальный водообмен

Состояние живых организмов

Анабиоз

Гипобиоз

Актибиоз

Необратимый

Обратимый

Видимые признаки жизни отсутствуют

Гипобиометаболизм.

Спячка, оцепенение, диапауза, покой. Усиленный термогенез у гомойотермных

Активная жизнь

Рост, развитие, размножение

В результате анализа обобщенного материала по рассматриваемому вопросу можно прийти к заключению, что аномальное поведение физиологических процессов в области +4 °С является ответной реакцией организма на переход структуры воды, содержащейся в клетках и тканях, в состояние «жидкого льда», который является стрессором. Это связано с тем, что вода со структурой жидкого льда становится физиологически инертной и наступает очень интересное биологическое явление – физиологическое обезвоживание, при длительном действии холода приводящее к физиологической ангидрии.

При этих температурах пойкилотермные и гетеротермные организмы впадают в состояние гипобиоза, как сказано выше, из-за физиологической ангидрии организма Анабиоз, в отличие от гипобиоза, наступает в результате общей ангидрии организма.

Таким образом, теоретически обосновывается объективное существование границы между благоприятными или положительными и неблагоприятными или отрицательными температурами, то есть между теплом и холодом. Эта граница находится при температуре +4 °С [398].

Причиной неблагоприятного действия холода на живые организмы является физиологическая ангидрия, наступающая в клетках и тканях, обусловленная образованием жидкого льда при температурах ниже +4 °С.

 


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074