Многие организмы в течение жизни периодически испытывают влияние факторов, сильно удаляющихся от оптимума. Им приходится переносить и сильную жару, и сильные морозы, и летние засухи, и пересыхание водоемов, и нехватку пищи. Как приспосабливаются они к таким экстремальным ситуациям, когда нормальная жизнь сильно затруднена?
При ухудшении условий среды многие виды способны приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние скрытой жизни. Это явление было обнаружено в начале XVIII столетия Антони ван Ле-венгуком, который впервые наблюдал в сделанный им микроскоп мир мелких организмов. Он заметил и описал, что некоторые из них могут полностью высыхать на воздухе, а затем «оживать» в воде. В высушенном состоянии они кажутся полностью безжизненными. Позднее такое состояние мнимой смерти было названо анабиозом (ана - нет, биос - жизнь).
Глубокий анабиоз - это практически полная остановка обмена веществ. В отличие от смерти организмы могут при этом возвращаться к активной жизни. Переход в состояние анабиоза чрезвычайно расширяет возможности выживания организмов в самых суровых условиях. В опытах высушенные семена и споры растений, некоторые мелкие животные - коловратки, нематоды выдерживают длительное время температуры жидкого воздуха (-190°С) или жидкого водорода (-259,14° С).
Состояние анабиоза возможно лишь при полном обезвоживании организмов. При этом важно, чтобы потеря воды клетками тела не сопровождалась нарушением внутриклеточных структур. Большинство видов к этому не способно. Например, в клетках высших растений имеется обычно большая центральная вакуоль с запасом влаги. При высыхании она исчезает, клетка меняет форму, сжимается, и ее внутреннее строение нарушается. Поэтому глубокий анабиоз в природе встречается редко. Однако замедление жизнедеятельности в неблагоприятных условиях - явление широко распространенное. Клетки тела при этом частично обезвоживаются, происходит также и другая перестройка их состава. Состояние организмов, близкое к анабиозу, называют скрытой жизнью. В состоянии пониженного обмена веществ организмы резко повышают свою устойчивость и очень экономно тратят энергию.
К явлениям скрытой жизни относятся оцепенение насекомых, зимний покои растении, спячка позвоночных животных, сохранение семян и спор в почве, а мелких обитателей - в пересыхающих водоемах. В неактивном состоянии часто находятся в природе многие виды бактерий, пока не возникнут благоприятные условия для их размножения.
Скрытая жизнь - очень важное экологическое приспособление. Это способ переживать неблагоприятные изменения среды обитания. При восстановлении необходимых условий организмы вновь переходят к активной жизни.
Переходя в состояние оцепенения или покоя, растения и животные как бы подчиняются воздействиям среды, экономя при этом затраты на свое существование.
Другой, прямо противоположный способ выживания организмов связан с поддержанием постоянства внутренней среды, несмотря на колебания воздействий внешних факторов. Обитая в условиях изменчивой температуры, теплокровные животные - птицы и млекопитающие - поддерживают внутри себя постоянную температуру, оптимальную для биохимических процессов в клетках тела. В вакуолях клеток наземных растений содержатся запасы влаги, что позволяет им жить на суше. Многие растения способны переносить сильные засухи и расти даже в жарких пустынях.
Такое сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии и специальных приспособлений во внешнем и внутреннем строении организмов.
Каждый из двух описанных способов выживания имеет свои преимущества и недостатки. При возможности тормозить обмен веществ и переходить к скрытой жизни организмы экономят энергию и повышают устойчивость, но не способны к активности при ухудшении условий. При регуляции температуры и запасов влаги в теле представители различных видов могут поддерживать нормальную жизнедеятельность в очень широком диапазоне внешних условии, но тратят при этом много энергии, которую им необходимо постоянно восполнять. Кроме того, такие организмы очень неустойчивы к отклонениям режима их внутренней среды. Например, у человека повышение температуры тела всего на 1°С свидетельствует о нездоровье.
Кроме подчинения и сопротивления воздействию внешней среды, возможен и третий способ выживания - избегание неблагоприятных условий и активный поиск других, более благоприятных местообитаний. Этот путь приспособлений доступен только подвижным животным, которые могут перемещаться в пространстве.
Например, зимующие тетерева и рябчики на большую часть суток зарываются в снег, где гораздо теплее. Многие животные строят норы и гнезда, где возникает более благоприятный микроклимат. Ярким примером избегания зимней бескормицы и холодов являются дальние перелеты птиц.
Все три способа выживания могут сочетаться у представителей одного и того же вида.
Увеличение устойчивости организмов в состоянии скрытой жизни находит широкое применение в хозяйственной практике. В специальных хранилищах создаются особые режимы для длительного хранения семян растений, культур микроорганизмов, спермы ценных сельскохозяйственных животных. В медицинской практике разработаны особые условия для сохранения донорской крови, пересаживаемых органов и тканей. Есть проекты по сохранению половых клеток исчезающих видов животных и растений, с тем, чтобы в дальнейшем иметь возможность восстановить их в природе.
АНАБИОЗ
Анабиоз (греч. anabíōsis -оживление, от ana- - вновь и bíos - жизнь), состояние организма, при котором жизненные процессы (обмен веществ и др.) временно прекращаются или настолько замедлены, что отсутствуют все видимые проявления жизни. А. наблюдается при резком ухудшении некоторых условий существования (низкая температура, отсутствие влаги и др.) у организмов, стоящих на разных ступенях развития; при наступлении благоприятных условий происходит восстановление нормального уровня жизненных процессов - «оживление». Таким образом, анабиоз - биологическое приспособление организма к неблагоприятным внешним условиям, выработанное в процессе эволюции. Вирусные частицы (вирионы) вне бактериальных, растительных или животных клеток находятся в состоянии анабиоза (вироспоры), хорошо перенося при этом охлаждение, высушивание и др. неблагоприятные воздействия. Широко распространён анабиоз и среди микроорганизмов. Наиболее стойки к высушиванию, охлаждению, нагреванию спорообразующие бактерии и микроскопические грибы. Споры сибиреязвенной палочки долгие годы не теряют жизнеспособности ни в сухой почве пустынь, ни в замёрзшей почве арктической тундры. Многие бактерии, не образующие спор, жизнеспособны даже после длительного охлаждения, что позволяет выделять их чистые культуры из трупов и др. объектов (в обычных условиях этому препятствует присутствие другой микрофлоры). У многих организмов угнетение жизнедеятельности и её почти полная остановка вошли в нормальный цикл развития (семена, споры, цисты). Типичным примером анабиоза при высушивании (ангидробиозе) служит скрытая жизнь семян многих растений, которые могут в сухом состоянии сохранять всхожесть 50 лет и долее. Беспозвоночные - гидры, черви, усоногие раки, водные и наземные моллюски, некоторые насекомые, а из позвоночных - земноводные и пресмыкающиеся, впадая в анабиоз, могут терять 1/2 и даже 3/4 заключённой в их тканях воды. С анабиозом при замерзании имеет много общего зимняя спячка млекопитающих, а с анабиозом при обезвоживании - их летняя спячка. Русский учёный П. И. Бахметьев и ряд советских исследователей установили закономерности, характеризующие анабиоз при замерзании насекомых и млекопитающих. Как показали опыты по охлаждению мелких животных до —90, —160°С, оживление животных, впавших в анабиоз, наступает только тогда, когда тканевые жидкости остаются при низкой температуре в переохлажденном, т. е. жидком, состоянии, что возможно при мгновенном переходе воды в стекловидную аморфную массу. При образовании кристаллов льда, разрушающих структуру клеток и белковых молекул, оживление невозможно.
Явлением анабиоза при высушивании и охлаждении пользуются для изготовления сухих живых вакцин, длительного сохранения культур бактерий, вирусов и клеток опухолей, консервирования различных тканей и органов (кровь, хрящ, кость, сосуды и др.), необходимых для пересадок. Явление анабиоза приобретает особый интерес в связи с успехами в области хирургических вмешательств на сердце, лёгких, мозге, что зачастую требует охлаждения организма оперируемого, а также с перспективами освоения космического пространства. Анабиоз повышает сопротивляемость организмов воздействию факторов космического полёта и достижениями в искусственном осеменении сельскохозяйственных животных (использование спермы ценных производителей, сохранённой при низких температурах).