Известно, что некоторые организмы переживают неблагоприятные условия окружающей среды в состоянии гипобиоза, например, гетеротермные животные впадают в спячку, пойкилотермные – в оцепенение, холодоустойчивые растения – в состояние покоя и т.д. [2, 3, 5, 6]. К легкой форме гипобиоза можно отнести также естественную и искусственную гипотермию. Теоретическая и практическая значимость проблемы, обширность проводимых исследований потребовали проведения анализа массива данных по гипобиозу, который позволил сделать обобщение, приведшее к созданию науки о гипобиозе и мы назвали ее гипобиологией. Ниже дается ее определение.
Гипобиология – это наука, изучающая особое состояние у живых организмов, известное под названием гипобиоз, наступающее под действием холода и других неблагоприятных факторов среды, так или иначе вызывающих снижение функциональной активности на фоне общего обезвоживания организма [11].
Теоретической предпосылкой создания нового направления в науке – гипобиологии явилось установление основного механизма наступления явления гипобиоза, заключающегося в обезвоживании организма, в результате которого в нем происходит резкое замедление процессов жизнедеятельности.
Обезвоживание может быть, во-первых, реальным, то есть, когда организм недостаточно обеспечивается водой или теряет воду, например, при засухе, а также при экзогенном осмосе и, во-вторых, физиологическим. Физиологическое обезвоживание наблюдается в условиях холода и может наступить под воздействием некоторых химических агентов и газов, в частности, анестетиков, а также т.н. криопротекторов [1,12].
Основным фактором, вызывающим гипобиоз у большинства живых организмов, является холод, который начинается с +4 °С или с 0 °U по биологической температурной шкале Угарова, когда у них наступает физиологическое обезвоживание. При физиологическом обезвоживании вода, находящаяся в клетках и тканях живых организмов, становится недоступной для обменных процессов. Причиной тому является снижение кинетической энергии молекул воды и их проникающей и растворяющей способности в результате превращения структуры воды в состояние жидкого кристалла или «жидкого льда», а также связывание молекул воды, растворимыми гидрофильными соединеиями, в частности, сахарами, глицерином и др., которые образуются в условиях холода и выполняют функцию криопротекторов.
Механизм действия обоих факторов, холода и засухи, практически одинаковый – это обезвоживание организма. Если обезвоживание организма в условиях засухи является само собой разумеющимся, то механизм обезвоживания, вызываемого холодом, требует специального объяснения.
К сожалению, до настоящего времени исследователи не имеют ясного представления о холоде. Например, у физиологов растений наряду с понятием «Морозоустойчивость» есть понятие «холодоустойчивость» или «холодостойкость» растений. Однако в последнем случае понятие «холод» в прямом смысле не используется, и оно заменено понятием «низкие положительные температуры» (см. журналы «Физиология растений» или РЖ «Биология», а также многочисленные статьи и монографии, посвященные к этому вопросу). Это связано с тем, что до настоящего времени разделения температурной шкалы на зоны холода и мороза не существовало.
Нашими исследованиями установлена температурная граница между теплом и холодом – она находится при температуре +4 °С, ниже которой нормальное функционирование живых систем практически прекращается [7, 13], и у них начинается состояние, известное под названием гипобиоз. Основываясь на этих фактах, была создана биологическая температурная шкала, названная по традиции шкалой Угарова, где за 0 точку отсчета (0 °U по шкале Угарова) была принята +4 °С [8]. Таким образом, по биологической температурной шкале отрицательные температуры начинаются с + 4 °С или с 0 °U и делятся на холодные – с 0 °U до –4 °U (с + 4 до 0 °С) и на морозные – с –4 °U (0 °С) и ниже [9,10].
Если неблагоприятное действие мороза связано с образованием льда внутри организма, то в условиях холода происходит т.н. «физиологическое обезвоживание», что является основной причиной наступления явления гипобиоза у большинства живых организмов.
Коротко рассмотрим механизм возникновения физиологического обезвоживания.
На основе проведенного анализа фазово-агрегатных превращений воды с учетом ее термодинамических параметров (значений теплот плавления и испарения, энергий ковалентной и водородной связей) установлено, что в жидкой воде наряду с несвязанными деструктурированными («газоподобными») молекулами воды (Н2О) содержатся образованные водородными связями гексагональные фрагменты структуры льда (Н2О)6. Из этих структур формируются кластеры, причем концентрации газоподобной и льдоподобной фракций в жидкой фазе воды в ее равновесном состоянии приблизительно равны. Таким образом, при комнатной температуре жидкая фаза воды является смесью молекулярной структуры льда и свободных молекул воды [4]. Однако, с охлаждением воды это равновесие нарушается, в воде постепенно увеличивается количество льдоподобной воды и при охлаждении ниже +4 °С, т.е. в условиях холода, вода приобретает квазикристаллическую (льдоподобную) структуру, состоящую из кластеров с пентагонально-гексогональной структурой (Н2О)5–6, или практически превращается в «жидкий лед».
Две структуры в воде – льдоподобная и свободная (деструктурированная) резко отличаются по структурным и энергетическим параметрам. Так, для льдоподобной структуры энергия, энтропия, плотность, межмолекулярное расстояние и координационное число меньше, чем для деструктурированной. Отличаясь практически по всем параметрам, льдоподобная и свободная формы воды, очевидно, обладают и различной физиологической активностью.
Экспериментальными исследованиями было показано, что льдоподобная вода замедляет физиологические процессы, а свободная, наоборот, ускоряет их. Ассоциированные в льдоподобную структуру молекулы воды, имея крупные размеры и невысокую подвижность, обладают меньшей проникающей способностью через мембрану, чем свободная (деструктурированная). К тому же, при понижении температуры липиды мембраны загустевают, аквапоры сужаются или закупориваются. В результате этого происходит нарушение водообмена между отдельными органоидами клетки, большинство из которых имеют мембранное строение, затем между клетками и тканями. Эти процессы характеризуются физиологической недоступностью имеющейся в организме воды, вследствие чего в нем наступает физиологическое обезвоживание [7]. Подобное явление было зафиксировано у растений еще в XIX веке немецким физиологом Шимпером и получило название «физиологической сухости холодных почв», которое стало хрестоматийным и приводится во всех учебниках по физиологии растений. Сущность этого явления заключается в физической недоступности воды из холодной почвы, и влажная холодная почва оказалась физиологически сухой, в результате в опытах Шимпера растения погибали от недостатка воды.
В надземных частях растений в условиях холода возникает «физиологическая засуха» с подобным же механизмом, и в данном случае вода становится недоступной для клеток и тканей растений при полном тургоре листьев, и растение переходит в состояние вынужденного покоя, или гипобиоза [7, 8].
Физиологическое обезвоживание в зависимости от степени охлаждения или другого обезвоживающего фактора на организм может быть частичным (средним), например, большинство случаев гипотермии, или абсолютным (глубоким), например, гетеротермные животные во время зимней спячки, пойкилотермные – в торпидном состоянии, растения и их семена – в период вынужденного покоя и др. [3, 5, 6].
Как известно, оцепенение и спячка у животных возможны и при реальном обезвоживании организма, например, при недостатке влаги в пище. Так, степная черепаха Tostubo horsfildi обычно теряет активность в конце мая – начале июня. Она зарывается в песок на глубину до одного метра и находится в торпидном состоянии до апреля следующего года. Сезонным фактором подготовки и погружения черепах в торпидное состояние является резкое снижение содержания растительной влаги [2]. Типичные зимоспящие суслики также впадают в спячку в летнее время, в период засухи, когда трава, их основной корм, засыхает. Эти примеры указывают на то, что главным механизмом гипобиоза является обезвоживание организма – как реальное, так и физиологическое.
Гипобиология как наука имеет свои объекты изучения, цели, задачи и методы исследования.
Объекты исследования. Гипобиология является общебиологической наукой, и к объектам ее исследования относятся представители всех пяти царств живого мира: бактерий, сине-зеленых водорослей, животных, грибов и растений, которые находятся в состоянии гипобиоза.
Основной целью гипобиологии является исследование теоретических вопросов возникновения и наступления явления гипобиоза у живых организмов.
Задачи гипобиологии. Гипобиология решает следующие задачи:
Ø изучение эволюции гипобиоза как приспособительного механизма
Ø выживание живых организмов в экстремальных экологических условиях существования;
Ø выявление общих механизмов наступления состояния гипобиоза при действии различных неблагоприятных факторов внешней среды;
Ø изучение физиолого-биохимических (гипобиологических) процессов, протекающих в живых организмах во время гипобиоза;
Ø исследование возможностей прикладного использования явления гипобиоза в биологии, медицине и сельском хозяйстве.
Разделы гипобиологии. Гипобиология имеет следующие разделы:
Общая гипобиология – изучает общетеоретические вопросы гипобиоза.
Медицинская гипобиология занимается изучением искусственной и естественной гипотермии, медикаментозного и холодового наркоза, общей и местной анестезии, вопросами хранения трансплантантов, биологических, медицинских и лекарственных препаратов в холоде, а также в обезвоженном состоянии и т.д.
Сельскохозяйственная гипобиология изучает влияние холода и засухи на сельскохозяйственные растения и домашних животных, а также вопросы хранения продуктов полеводства и садоводства в холоде, при сушке; холодовое закаливание растений, стратификацию семян, яровизацию растений и др.
Экологическая гипобиология занимается исследованиями формирования морозоустойчивости путем естественного холодового закаливания растений в осенний и раззакаливания в весенний периоды, состояние рыб, водных насекомых, земноводных и растений в пресноводных водоемах в зимний период, спячку гетеротермных животных и др.
Методы гипобиологии. Гипобиология является экспериментально-описательной наукой и использует все методы, применяемые в морфологии, цитологии, гистологии, физиологии, биохимии, биофизике, микробиологии и др. биологических и смежных науках. Физиолого-биохимические процессы, протекающие в живых организмах в состоянии гипобиоза, называются гипобиологическими, или гипобиотическими процессами.
Автор надеется, что гипобиология объединит усилия разрозненных в настоящее время по различным ведомствам биологов, медиков, исследователей в области сельскохозяйственных наук и других специалистов, занимающихся изучением всех проявлений гипобиоза у живых организмов в решении теоретических и прикладных задач, стоящих перед этой наукой. В связи с этим планируется создание электронного журнала «Гипобиология», который будет издаваться на издательской платформе RAE Editorial System http://esrae.ru.
Рецензенты:
Петров К.А., д.б.н, старший научный сотрудник ИБПК СО РАН, г. Якутск;
Иванов Б.И., д.с.-х.н., профессор, главный научный сотрудник ИБПК СО РАН, г. Якутск;
Рахимов И.И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой биоэкологии, профессор Татарский государственный гуманитарно-педагогический университет, г. Казань;
Хисматуллина З.Р. д.б.н., доцент, зав. кафедрой морфологии и физиологии человека и животных биологического факультета, профессор, ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет», г. Уфа.
Работа поступила в редакцию 26.09.2013.