Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ГИПОБИОЛОГИЯ

Угаров Гавриил Спиридонович,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установление явления физиологического обезвоживания и физиологической ангидрии у организмов при важнейших неблагоприятных уловиях существования (в холоде и засухе) позволило выделить особую область биологических наук, исследующую состояние организмов при гипобиозе. Эту науку мы назвали Гипобиологией.

Оказалось, что гипобиоз, наступающий при действии, на первый взгляд, совсем не похожих друг на друга неблагоприятных факторов среды, таких как холод и засуха (обезвоживание), а также некоторые химические агенты и газы, вызывается одинаковым механизмом. Дело в том, что вода, которая является средой, растворителем и участником многих ключевых биологических процессов, в указанных условиях перестает выполнять свои функции из-за изменения своего структурного состояния. Как полагает большинство исследователей, вода является двухструктурной жидкостью, состоящей из льдоподобной и плотноупакованной (свободной или деструктурированной) форм. Плотноупакованная структура обладает физиологической активностью и способствует ассимиляционным (синтетическим) процессам в организме. В отличие от плотноупакованной, льдоподобная вода, ввиду ассоциированности ее молекул, малоподвижна, обладает низкой растворяющей способностью и слабой пороникающей активностью через биологическую мембрану. Льдоподобная вода комплементарна с неполярными веществами, которые по принципу Ле Шателье избирательно растворяются в ней, и ответственна за диссимиляционные (гидролитические) процессы. При благоприятных условиях существования в клетках устанавливается оптимальное соотношение плотноупакованной / льдоподобной воды, что является необходимым условием нормальной жизнедеятельности организмов.

В условиях холода, когда температура опускается ниже +4 °С до 0 °С структура воды становится сплошь льдоподобной или переходит в состояние «жидкого льда». Прекращается поступление воды в организм из внешней среды (явление физиологической сухости холодных почв), прекращается внутриклеточный, межклеточный и межтканевой водообмен (например, физиологическая засуха у растений). Другими словами – вода выключается из обменных процессов, то есть происходит физиологическая ангидрия. Сущность физиологической ангидрии заключается в том, что имеющаяся в организме в достаточном, может даже в избыточном количестве вода, становится для него физиологически недоступной, в результате которой наступает гипобиоз. Во время гипобиоза в организме наблюдается гипобиометаболизм, поддерживающий его жизнедеятельность, но ростовые процессы полностью приостановлены. Предполагается, что системы, участвующие при гипобиометаболизме, имеют сродство к льдоподобной воде и являются изоформой архесистемы жизнедеятельности (АСЖД), имеющей сродство к плотноупакованной структуре воды и обеспечивающей активную жизнедеятельность при нормальных условиях существования. Эта эволюционно молодая система нами названа системой гипобиометаболизма или кратко СГБМ.

В эволюционном плане засухоустойчивые организмы могли появиться раньше холодоустойчивых или одновременно с ними. Природа экономна и однажды найденное удачное решение используется в различных процессах и явлениях. Так СГБМ успешно используется и в условиях холода и во время засухи. Так система гипобиометаблизма подключается также во время гипобиоза, наступающего под действием иссушающих факторов. При испарении или удалении воды из организма каким-либо другим фактором, в нем увеличивается количество льдоподобной структуры, вследствие появления неполярных веществ гидролитического происхождения, так называемых стрессопротекторов, уменьшения, а потом прекращения механохимических процессов, разрушающе действующих на льдоподобную структуру воды, изменения конформации белков и других высокомолекулярных соединений и т. д. При этом, архекомплекс систем жизнедеятельности (АСЖД), имеющий сродство к плотноупакованной воде, инактивируется, а взамен активизируется система гипобиометаболизма (СГБМ) и организм вступает в состояние гипобиоза.

Система гипобиометаболизма (СГБМ) также подключается при медикаментозном гипобиозе – наркозе и анестезии, а также при глубокой гипотермии.

В настоящее время среди специалистов существует путаница при определении понятий гипобиоза и анабиоза. Нами, как говорится, возможно, поставлена точка в споре специалистов по этому вопросу.

Гипобиоз наступает при засухе и в условиях холода. Анабиоз наступает при высушивании и при замораживании. Механизм в обоих случаях похожий – происходит физиологическая и физическая ангидрия. При замерзании, например, зимующих растений Севера, при котором у них происходит анабиоз, внутриклеточная вода выходит в межклетники, протопласт клетки обезвоживается и обособляется от стенок. Поэтому внутри клетки лед не образуется и целостность ее структуры сохраняется. Выход воды из клетки в межклетники и образование внеклеточного льда наблюдается также у животных организмов.

При анабиозе, наступающем при замерзании, лед в организме полностью отчуждается от биологической структуры и он для них становится инородным телом. Таким образом, происходит глубокая физиологическая ангидрия на фоне физического обезвоживания. При сухом анабиозе свободная вода из организма удаляется, что также приводит к физической ангидрии.

При физиологической ангидрии во время гипобиоза вода в организме инактивируется (физиологичесая ангидрия), однако, какая-то часть используется для поддержания жизнедеятельности. Так, крио- и ксерорезистентная структура, формирующаяся при участии системы гипобиометаболизма, имеет сродство к льдоподобной воде, поэтому отчуждение льдоподобной воды, как в случае анабиоза, не происходит. Организмы в состоянии гипобиоза, в отличие от анабиоза, не выдерживают замораживание и глубокое обезвоживание.

Таким образом, Гипобиоз вызывается физиологической ангидрией, а Анабиоз – физической и физиологической ангидрией. Поскольку механизм наступления явлений гипобиоза и анабиоза одинаковый, то анабиоз вполне можно назвать наиболее глубокой формой гипобиоза.

Теория физиологической ангидрии позволила установить температурную границу между теплом и холодом, которая до настоящего времени оставалась неизвестной, не только для простых людей, но и для ученых – биологов, медиков и специалистов сельского хозяйства, имеющих дело с живыми организмами и, естественно, преподавателей, ведущих биологические дисциплины в школах и вузах.

Здесь следует отметить, что тепло и холод в науке являются биологическими понятиями, так как кроме живых организмов другие неживые объекты природы тепло и холод не чувствуют, для них при отрицательных и положительных температурах только меняется скорость движения или кинетическаяч энергия молекул, входящих в тело, не меняя их сущность.

Как было экспериментально доказано и теоретически обосновано, объективное существование границы между теплом и холодом, которая расположена при температуре +4 °С. Это обусловлено физиологической ангидрией организмов, наступающей при падении температуры ниже +4 °С, в связи с переходом воды в инертное льдоподобное состояние. Таким образом, отрицательная температура начинается с +4 °С, а не с 0 °С, как это принято считать в настоящее время. В свою очередь отрицательная температура делится на холодные (от +4 °С до 0 °С) и морозные (ниже 0 °С).

Дальше, в связи установлением температурной границы между теплом и холодом, возникла необходимость в создании новой температурной шкалы, нулевая точка которой находилась бы на границе между отрицательными и положительными температурами, то есть при температуре +4 °С, имеющей большое практическое значение в жизни людей. В скором времени такая, так называемая Биологической температурная шкала была разработана и, по сложившейся традиции, она названа Биологической температурной шкалой Угарова, которая обозначается символом °U.

Затем нами, в соавторстве с В.Г. Угаровым, был изобретен Первый в мире бытовой градусник, где была использована биологическая температурная шкала Угарова. Мировая новизна бытового термометра была подтверждена Германским патентом.

Среди известных температурных шкал, шкала Фаренгейта в какой-то степени имеет отношение к температуре тела человека, так как одна из 3-х фиксированных точек соответствовала температуре тела здорового человека, измеренного под мышкой или во рту, и принята равной 96 градусам (38 °С).

Хотя шкала Фаренгейта популярна в США, Канаде и в некоторых англоязычных странах, она весьма неудобна для практического применения, поэтому более широкое распространение получила шкала Цельсия. Однако шкала Цельсия является условной и не увязана с физиологической реакцией организма на температурный фактор, поэтому термометры с этой шкалой используются в быту не по назначению из-за отсутствия специального биологического термометра. Как известно, любой инструмент, как и любое лекарство, используемое не по назначению, вреден и может быть даже опасен для человека. Так, термометры со шкалой Цельсия, показывая холодные температуры как положительные, оказывают людям медвежью услугу и большинство осенних и весенних заболеваний – ОРЗ, ОРВИ связаны с переохлаждением организма холодом, из-за незнания людей начало отрицательных температур.

Можно констатировать, что в настоящее время люди страдают от холода больше, чем от мороза, так как начало наступления мороза знают все и, вооруженные этим знанием, предпринимают профилактические меры защиты. Как было сказано выше, а о начале холода никто не знает и, естественно, защитные меры люди не предпринимают.

С другой стороны, как показывают наблюдения, в настоящее время у нас нет одежды, предназначенной для ношения в прохладное время года. Это, прежде всего, объясняется тем, что люди до сих пор не знали холода и его вредное действие на здоровье человека. Имеющаяся демисезонная одежда излишне тепла в прохладную погоду и человек может потеть и, наоборот, простудиться. Поэтому для ношения в такую погоду может потребоваться специальная одежда, его массовое производство, соответствующая просветительская работа и усиленная реклама среди населения и т. д.

По шкале Угарова холод на 4 градуса больше, а тепло, соответственно будет на 4 градуса ниже, чем у Цельсия. По шкале Угарова –36 °С будет равен к –40 °U мороза и тот, у кого есть бытовой биологический термометр, будет одеваться теплее, чем сосед, который пользуется обычным термометром со шкалой Цельсия. Можно предполагать, что вероятность простудиться и заболеть у соседа намного больше, чем у обладателя нового термометра. Жара 33 °С по шкале Угарова будет соответствовать всего 29 °U, а это психологически успокоит человека, и он легче перенесет жару в летнее время. Последняя весьма актуальна, в связи с глобальным потеплением климата, когда летняя изнуряющая жара почти везде становится обыденным явлением.

Сказанное позволяет утверждать, что биологический термометр со шкалой Угарова может быть востребован не только в регионах с умеренным и холодным климатом, но также и в более южных жарких странах мира.

Выпущенные небольшими партиями Первый в мире бытовой термометр или, как окрестили его в народе, Биологический термометр Угарова, пользуется спросом у населения Якутии.

Температура 4 °С весьма интересна с биологической точки зрения и дальнейшие поиски привели к созданию теории биологического нуля. Согласно этой теории, низкая пороговая температура конца и начала активизации процессов ассимиляции в клетках живых организмов называется биологическим нулем. Такой температурой является +4 °С Цельсия или 0 °U по биологической температурной шкале Угарова.

Биологический нуль расположен на границе между теплом и холодом или между положительными и отрицательными температурами, а также инактивации архесистемы жизнедеятельности (АСЖ) и начало функционирования системы гипобиометаболизма (СГБМ).

Биологический нуль играет огромную роль в живой природе. Естественный биологический нуль в зимнее время поддерживается на дне пресноводного водоема, где прекрасно перезимовывает большое количество рыб, земневодных, представителей высших и низших растений и т. д. Гетеротермные организмы для спячки ищут место с температурой «дна озера», а в период гибернации поддерживают среднюю температуру, близкую к биологическоу нулю. Начало и конец активизации живых организмов связано с переходом температуры через биологический нуль и т. д.

В процессах гипобиометаболизма в условиях холода потеря активности воды или физиологическая ангидрия имеет важнейшее значение в гипобиозе, а также, наряду с физическим иссушением (ангидрия), и в анабиозе. Таким образом, в явлениях гипобиоза и анабиоза вода выступает в новом качестве. Установление новой роли воды в явлениях гипобиоза и анабиоза позволяет несколько иначе подойти к проблеме возникновения и существования живых организмов на Земле.

Учитывая роль воды и липидов в зарождении и организации живой материи, а также признавая клетку как элементарную структурно-функциональную и генетическую единицу жизни, мы попытались дать новое определение понятия живой материи. За его основу нами взято определение понятия жизни, данное М.В. Волькенштейном, которое, наряду с классическим определением Ф. Энгельса, часто приводится в учебниках и других публикациях.

Согласно нашему определению, живые тела, существующие на Земле представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из белков, нуклеиновых кислот и липидов, имеющие клеточную форму организации, сохраняющие свою целостность и активность в водной среде.

Данное определение понятия живой материи дает более полную характеристику живой материи, чем многие предыдущие, и представит интерес для специалистов, а также будет полезным при преподавании и изучении курсов общебиологических дисциплин в средней школе и высших учебных заведениях.

Организм, находящийся в состоянии анабиоза, обладает устойчивостью к несовместимым с жизнью разрушительным факторам, как космический холод, жесткая радиация, колоссальное давление, полное отсутствие воды и воздуха и т. д. Это обстоятельство предполагает некоторую вероятность занесения простейших форм жизни на Землю из-за пределов нашей планеты. В этом свете, прокариотические организмы, которые являются наиболее устойчивыми формами жизни, можно рассматривать как пришельцев из космического пространства. Кроме того, возникла весьма интересная идея о том, что на Землю могли поступать фрагменты космических живых организмов – органические вещества, в том числе, обезвоженные или вмерзшие во льду высокомолекулярные соединения, даже осколки молекул РНК и ДНК, которые могли ускорить процесс зарождения жизни. Однако, при любом развитии событий, многообразие видов земной нуклеиново-белково-липидно-водной жизни есть продукт эволюции и Земля для них является колыбелью.

Основным и наиболее общим критерием истинности теорий считается практика, включающая эксперименты, производственную деятельность, и применение теоретических знаний в том или ином виде деятельности людей. Теория физиологической ангидрии, на которой основана Гипобиология, имеет множество практических приложений в области медицины, сельского хозяйства, экологии и образования.

Гипобиология является теоретической основой применения наркоза, анестезии и гипотермии в медицине и ветеринарии, хранении биологических, медицинских и лекарственных препаратов, а также продуктов сельскохозяйственного производства с использованием холода и других способов, приводящих к гипобиометаболизму в организме.

О практическом значении Биологической температурной шкалы подробно сказано выше. Для использования в тепличном хозяйстве нами еще изобретен специальный прибор «Термобиометр», который показывает скорость роста растений в процентах и дает возможность регулировать этот процесс, что позволяет получать в 1,5–2 раза больше урожая, чем без такого регулирования. Принцип работы прибора основан на зависимости роста растений от температуры среды. Термобиометр можно успешно использовать при хранении картофеля и других продуктов полеводства и садоводства в зимний период, поддерживая температуру хранилища на уровне биологического нуля и ниже, тем самым, добиваясь перехода объектов хранения в состояние вынужденного покоя или гипобиоза.

Согласно теории биологического нуля, дно пресноводного водоема может консервировать опасные отходы производства, химикатов, солей тяжелых металлов и др., которые не подвергаются микробиологическому разложению. Поэтому, эти опасные вещества через пищевую цепь могут попасть в организм человека и нанести вред его здоровью. Поэтому северные озера, а их там огромное множество, нуждаются в особой охране.

Гипобиология объясняет причину накопления высокопитательных веществ в криокормах, по сравнению с кормом, заготовленным из тех же растений, но выращенных обычным способом. Дело в том, что в условиях холода на смену архесистемы (АСЖД) приходит система гипобиометаболизма (СГБМ), которая синтезирует изоформы органических веществ, криопротекторы, которые обладают существенно высокими питательными свойствами, чем исходные. Замороженные в зеленом виде растения, кроме того, содержат в большом количестве витамины и другие биологически активные вещества. Производство криокорма сравнительно малозатратно, поэтому имеет перспективу широкого применения в хозяйствах, находящихся на Северных и Арктических регионах России и Мира.

Работы солидной фирмы «Ordo deus», а также Н.Н. Тимофеева по продлению жизни и даже бессмертию, путем погружения человека в состояние гипобиоза дает обнадеживающие результаты. Для погружения живого организма в состояние гипобиоза специалисты «Ordo deus» используют газ ксенон, который с водой образует клатрат – льдоподобную структуру. Как они пишут, при клатратообразовании скорость химических реакций замедляется в сто тысяч раз. Если перевести всю свободную воду в организме человека в состояние клатрата, то человек в таком состоянии при комнатной температуре может находиться в гипобиозе до года; что при понижении температуры на каждые 8 градусов скорость химических реакций снижается в два раза, а значит, если организм в состоянии гипобиоза при комнатной температуре сохраняет свою жизнеспособность в течение года, то при –50 градусов Цельсия он сохранит жизнеспособность 500 лет.

В связи с этим, известный интерес представляет идея искусственной гибернации молодняка крупного рогатого скота в зимний период. Как известно, в условиях Севера, в частности Якутии, содержание крупного рогатого скота очень трудоемко и малорентабельно. Стойловый период здесь длится в течение 270 дней и корма хватает только для поддержания жизнеспособности животного, и о получении от них высокой продукции говорить не приходится. Если бы, при наличии достаточного запаса высокопитательного корма, поставить молодняк на интенсивный откорм, а также прибавить в рацион дойных коров больше корма, то и в условиях Крайнего Севера скотоводство может быть прибыльным делом. Такая практика успешно применялась в некоторых хозяйствах Якутии в конце XX века, как внедрение передового опыта в производство. Поэтому идея искусственной гибернации молодняка крупного рогатого скота, с целью экономии корма, увеличения рентабельности скотоводства на Севере, повышения культуры труда и облегчения жизни сельского труженика, уже витает в воздухе. Примечательно, что по данному вопросу имеются многообещающие заделы серьезных исследователей и реализация этой идеи в жизнь уже в ближайшем будущем кажется не совсем уж фантастической.

Гипобиология, как наука о состоянии живых организмов на фоне физиологической ангидрии, не только объясняет существующие явления, но и обладает предсказательной силой. Так физическая и физиологическая активация или, наоборот, инактивация молекул воды внутри или вне организма различными способами может быть успешно использовано в медицине и в сельском хозяйстве. Например, разрушая льдоподобную структуру воды можно сделать ее активной и, применяя ее для полива растений можно добиться увеличения урожая. Наоборот, повышая льдоподобность воды каким-либо способом, и, используя ее для живых объектов, можно замедлить в них физиологические процессы, в частности, процесс старения организма.

Таким образом, гипобиология, объясняя механизмы возникновения гипобиометаболического состояния организмов при неблагоприятных условиях существования или иного воздействия, позволяет предсказывать, прогнозировать соответствующие явления, события, процессы и т. п., тем самым открывает новые горизонты для теоретических и прикладных исследований в области биологии, медицины и сельского хозяйства.

Учитывая важное теоретическое и большое прикладное значение Гипобиологии, о которых говорилось выше, было бы целесообразно ввести данную дисциплину в учебную программу подготовки специалистов в высших и средних специальных учебных заведениях биологического, медицинского и сельскохозяйственного профиля.

Фото 2. Обсуждение с участниками заплыва результатов измерения температуры морской воды и тела пловцов-экстремалов при помощи Биологического термометра Угарова. На фото слева направо А.С. Куляпин (г. Пермь) Г.С. Угаров (г. Якутск) и В.Н. Москвин (г. Новосибирск)

Биологический термометр Угарова был апробирован во время Первого международного межконтинентального эстафетного заплыва через Берингов пролив – от мыса Дежнева (Чукотка, Россия) до мыса Принца Уэльского (Аляска, США), с 5 по 11 августа 2013 года, проходившего под эгидой Министерства обороны РФ, который был организован Восточным военным округом России при поддержке Республики Саха )Якутия).