Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
В борьбе с холодом у морозоустойчивых организмов имеется два основных способа. Одни понижают температуру, при которой начинают формироваться кристаллы льда, синтезируя естественные антифризы, другие же просто промерзают насквозь.
В крови многих насекомых и рыб содержатся естественные вещества, препятствующие замерзанию жидкостей организма при минусовых температурах (происходит так называемое переохлаждение ниже температуры затвердевания). Например, зимняя камбала Pseudopleuronectes americanus при падении температуры до 4° С синтезирует по меньшей мере семь различных белков-антифризов. Большой мучной хрущак Tenebrio molitor, которого рыболовы используют в качестве наживки, обладает еще более мощным антифризом. Белки-антифризы снижают точку замерзания воды, привязываясь к поверхности формирующихся кристаллов льда и препятствуя их росту. На температуру таяния уже сформировавшегося льда они никакого влияния не оказывают. Некоторые насекомые, переохлаждающиеся и до более низких температур, используют в качестве антифризов спирты с более низким молекулярным весом – например, глицерин. Они действуют по тому же принципу, что и этиленгликоль, который в Северной Европе добавляют зимой в автомобильные радиаторы, чтобы уберечь от замерзания охлаждающую воду. В организме галлообразующей бабочки Epiblema scudderiana глицерин составляет примерно пятую часть от всех жидкостей, что позволяет насекомому переохлаждаться даже до –38° С, не промерзая.
Однако переохлаждение тоже опасно. Если температура упадет ниже пределов переохлаждения, ткани промерзнут моментально, и тогда возможен смертельный исход. Мгновенному замерзанию способствуют кристаллы льда, распространяющиеся по покрову, или контакт с льдообразующим агентом, вокруг которого, как вокруг ядра, формируется кристалл льда (так бывает при наличии повреждений на покрове). Некоторые мотыльки и бабочки заворачиваются в шелковый кокон, защищающий их покровы от непосредственного соприкосновения со льдом.
Другие животные придерживаются прямо противоположной стратегии и на зиму промерзают насквозь. Волосатая гусеница Cynaephora groenlandica, обитающая в высоких арктических широтах, проводит большую часть года (около десяти месяцев) в ледяных тисках при температуре –50° С или ниже. Не менее интересно поведение сибирского углозуба Salamandrella keyserligii. Эта амфибия водится за Северным полярным кругом, в условиях вечной мерзлоты, где в теплое время года оттаивают лишь несколько верхних метров почвы. Во время короткого полярного лета взрослые углозубы ведут активный образ жизни и откладывают икру в мелких озерцах и болотцах, разбросанных по тундре. Зимуют они в моховых подушках по берегам, где температура может опускаться до –35° С. Вмерзших в лед углозубов находили на глубине 14 м под землей. Когда же приходит весна и тундра оттаивает, углозубы просто размораживаются, просыпаются и выбегают наружу. Свежевылупившиеся расписные черепахи, подвязочные змеи и многие виды лягушек тоже вмерзают на зиму в лед. Зоологи, исследующие, как им это удается, вынуждены хранить свои образцы в морозилке.
Для того чтобы клетка пережила заморозку, кристаллы льда должны быть как можно меньше, тогда они не повреждают мембрану. Достигается их минимизация с помощью особых белков, которые служат льдообразующими агентами. Эти белки синтезируются в клетках в период осеннего понижения температуры. Льдообразующий агент начинает образование льда, создавая тысячи мельчайших кристалликов в межклеточной жидкости. Со временем мелкие кристаллы срастаются, образуя более крупные, как легко увидеть в домашних условиях на примере мороженого, которое долгое время пролежало в морозилке. Чтобы этого не произошло, в игру вступает другой белок, антифриз, стабилизирующий мелкие и безобидные кристаллики льда, предотвращая их разрастание. Таким образом, промерзание идет медленно и контролируемо, позволяя клетке постепенно приспосабливаться.
Вторая трудность, которую приходится преодолевать животным, промерзающим целиком, – это обезвоживание и съеживание клеток при замерзании межклеточной жидкости. Оно чревато денатурацией клеточной мембраны и повреждением клеточного белка, а замерзание более 65 % жидкости организма ведет к летальному исходу. Изменений в клеточном объеме морозостойкие животные избегают, повышая уровень сахара или аминокислот в клетках. Эти криопротекторы снижают образование льда и потерю клеточной жидкости, а также стабилизируют мембрану, позволяя ей выдерживать большую степень съеживания без повреждений. В число криопротекторов входит и глицерин, и сахар – например, трегалоза (у насекомых) или глюкоза (у лягушек).
Размораживание, как и заморозка, тоже не пускается на самотек. Например, когда оттаивают перезимовавшие во льду лягушки, сперва размораживается сердце, что обеспечивает восстановление самых необходимых жизненных функций и ускоряет процесс размораживания, разгоняя теплую кровь по телу.
Анабиоз
Новейшие технологии позволяют сравнительно легко охлаждать клетки и ткани млекопитающих до весьма низких температур. Термин «криоконсервация» происходит от греческого kryos – ледяной холод. При низкой температуре метаболические процессы в клетках настолько замедляются, что организм впадает в состояние анабиоза, и клетки сохраняются гораздо дольше, чем позволяет их естественная продолжительность жизни. Чем ниже температура, тем медленнее метаболизм, а значит, дольше можно сохранить клетки. Для того чтобы не допустить обезвоживания или формирования кристаллов льда, скорость замерзания и размораживания должна строго контролироваться, и в раствор, в котором хранятся клетки, необходимо добавлять криопротекторы. Обычно используется глицерин, поскольку он препятствует превращению воды в лед даже при температуре жидкого азота.
В жидком азоте при температуре менее –196° С замораживают сперму для искусственного оплодотворения. Изначально технология разрабатывалась для крупного рогатого скота, однако уже в 1953 г. ее успешно применили для замораживания спермы человека. Замороженные образцы спермы сохраняют свои свойства десятилетиями, и человеческая сперма, пролежавшая в заморозке 15 лет, успешно послужила для зачатия. Многие мужчины стараются сохранить свою сперму перед вазэктомией, а также химиотерапией или лучевой терапией, которые убивают сперматозоиды. Другие сдают сперму для бесплодных пар. От прошедших заморозку образцов спермы ежегодно рождаются тысячи младенцев, и оплодотворение такой спермой, по имеющимся данным, чаще приводит к зачатию, чем оплодотворение свежей спермой.
Замораживанием при низкой температуре можно сохранять и эмбрионы. Отработанная сперва на домашних животных, сегодня эта технология входит на обычной основе в процедуру ЭКО (экстракорпорального оплодотворения) у людей. Обычно в процессе операции у женщины забирается несколько яйцеклеток, оплодотворяется in vitro, а затем два или три эмбриона подсаживаются в матку. Неиспользованные эмбрионы замораживаются, на случай если первые не приживутся. Таким образом, женщине не приходится повторно проходить процедуру взятия яйцеклеток, а кроме того (поскольку эта процедура – самая дорогостоящая часть операции), снижается стоимость последующих попыток ЭКО. «Запасные» эмбрионы могут храниться в течение нескольких лет, позволяя паре через какое-то время завести при желании и второго ребенка. Они также могут понадобиться, если женщине придется проходить медицинские процедуры, способные снизить ее фертильность, или даже для других женщин, у которых не вырабатываются собственные яйцеклетки. Первым ребенком, родившимся из замороженного эмбриона, стала Зоуи Лейленд – она появилась на свет 28 марта 1984 г. в австралийском Мельбурне. На сегодняшний день отмечено не одно успешное развитие беременности с эмбрионами, пролежавшими замороженными пять лет.
Поддаются замораживанию и другие клетки человеческого тела. Самые знаменитые – это, конечно, клетки HeLa, выделенные из раковой опухоли пациентки по имени Henrietta Lacks (отсюда и название) и немедленно замороженные в жидком азоте. Сегодня, спустя много лет после смерти пациентки, потомков изначальных клеток можно обнаружить в исследовательских лабораториях по всему миру, где они используются в качестве ценного научного материала.
Если отдельные клетки млекопитающих можно замораживать и размораживать практически без последствий, это не значит, что подобную процедуру выдержит организм целиком. В США уже сейчас существует несколько фирм, занимающихся криоконсервацией. Они замораживают тела (или головы) недавно усопших, в надежде, что когда-нибудь в будущем технологии позволят их правильно разморозить, вылечить, заменить «изношенные» части тела и их жизнь продолжится с чистого листа. Большинство таких компаний располагается в Калифорнии, где законы, касающиеся криоконсервации, наименее жесткие. К сожалению, мечты клиентов пока далеки от осуществления, поскольку ткани человеческого тела после смерти быстро повреждаются, лишившись притока крови.
