Жизнь в морозильной камере

Любой садовод знает, как губителен для растений холод. От весенних заморозков гибнут побитые морозом бутоны и почки, а осенние превращают пышные клумбы в пожухшие коричневые кучи. Большинству животных мороз тоже не по нраву.

Исследовать воздействие мороза на живые организмы начали достаточно давно. Еще в 1663 г. Генри Пауэр обнаружил, что в банке уксуса с «крошечными червями», помещенной в смесь льда и соли, жидкость замерзает, а черви «кристаллизуются». Однако после размораживания «черви снова плясали и носились как ни в чем не бывало». Роберт Бойль, также пораженный чудесами заморозки, пробовал замораживать рыб и лягушек – без особого успеха. Первые эксперименты на насекомых проводил Реомюр, французский ученый, работавший над созданием термометра и поэтому обладавший возможностью выражать свои наблюдения количественно. Он выяснил, что обычные гусеницы переносят морозы до –20° С, тогда как другой вид (неназванный) выдерживал только –11° С. Кроме того, он обнаружил, что их кровь замерзает при разной температуре, и сравнил их с бренди различной крепости, поскольку крепкий алкоголь замерзает хуже, чем слабый. Так впервые возникло предположение, что устойчивость к морозу может определяться физико-химическими особенностями крови насекомого. В наши дни это предположение подтвердилось исследованиями, выявившими наличие в крови естественных антифризов.

Золотой век горных и полярных экспедиций принес множество историй о чудесном спасении из смертельных объятий льда и снега. Одну из самых невероятных поведал в 1886 г. Тернер, рассказывая, как собаки, поедая замороженную черную даллию, вырубленную из ледяных глыб, отрыгивали съеденную рыбу живой некоторое время спустя. В тепле собачьих желудков рыба размораживалась и оживала. Верится в такое, конечно, с трудом, а вот слова другого полярника и мореплавателя, британца Джона Франклина, вряд ли кто-то возьмется оспаривать. Во время путешествия к северным полярным морям он писал о карпе, который, пролежав 36 часов замороженным, после размораживания принялся биться и трепыхаться. И тем не менее, несмотря на свидетельства этих путешественников, для большинства живых клеток заморозка смертельна.

Мороз губителен тем, что в клетках и межклеточном пространстве образуются ледяные кристаллы. Острые, словно бритва, ледяные иглы прокалывают тонкие мембраны, окружающие каждую клетку, и содержимое просачивается наружу. Внутриклеточные мембраны, разделяющие клетки на отделы, тоже разрываются, содержимое органелл перемешивается, приводя к нарушению биохимических реакций. В отличие от льда, состоящего из чистой воды, биорастворы содержат различные соли. Поэтому при формировании кристалла льда во внутриклеточном растворе концентрация соли в оставшейся части этого раствора повышается. Тем самым создается осмотическое давление, вытягивающее воду из клеток, заставляя их съеживаться и еще больше увеличивая содержание соли внутри. Образование льда внутри клетки повышает соленость внутриклеточного раствора напрямую. Из-за обезвоживания, наступающего в результате, разрушаются клеточная мембрана и клеточный белок. Кроме того, при замораживании могут разорваться связи между клетками, а повреждение питающих их капилляров ведет к нехватке кислорода и питательных веществ. Из главы 4 мы уже знаем, какими трагическими последствиями чревато обморожение для человека. Однако некоторые растения и животные переносят мороз совершенно безболезненно.

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.