Органические вещества и заключенная в них энергия, образовавшаяся в клетках любого организма в процессе ассимиляции, претерпевают обратный процесс – диссимиляцию. При диссимиляции освобождается химическая энергия, которая в организме же превращается в различные формы энергии – механическую, тепловую и т. д. Освобожденная при диссимиляции энергия является той самой материальной основой, которая осуществляет все жизненные процессы – синтез органических веществ, саморегулирование организма, рост, развитие, размножение, реакции организма на внешние воздействия и другие проявления жизни.
Диссимиляция, или окисление, у живых организмов осуществляется двумя способами. У большинства растений, животных, человека и простейших организмов окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. Этот процесс получил название «дыхание», или аэробный (от лат. аэр – воздух) процесс. У некоторых групп растений, которые способны существовать без воздуха, окисление происходит без кислорода, то есть анаэробным путем, и называется брожением. Рассмотрим каждый из этих процессов в отдельности.
Понятие «дыхание» первоначально означало лишь вдыхание и выдыхание воздуха легкими. Затем «дыханием» стали называть обмен газами между клеткой и окружающей ее средой – потребление кислорода и выделение углекислоты. Дальнейшие углубленные исследования показали, что дыхание является очень сложным многоступенчатым процессом, который совершается в каждой клетке живого организма с обязательным участием биологических катализаторов – ферментов.
Органические вещества, прежде чем превратиться в «топливо», дающее энергию клетке и организму в целом, должны быть соответствующим образом обработаны с помощью ферментов. Эта обработка заключается в расщеплении крупных молекул биополимеров – белков, жиров, полисахаридов (крахмала и гликогена) – в мономеры. Тем самым достигается определенная универсализация питательного материала.
Таким образом, вместо многих сотен различных полимеров, например пищи, в кишечнике животных образуется несколько десятков мономеров – аминокислот, жирных кислот, глицерина и глюкозы, которые затем доставляются клеткам тканей животных и человека по кровеносным и лимфатическим путям. В клетках происходит дальнейшая универсализация этих веществ. Все мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот с углеродной цепочкой, содержащей от двух до шести атомов. Если мономеров насчитывается несколько десятков, из них двадцать аминокислот, то карбоновых кислот всего десять. Так окончательно утрачивается специфика питательных веществ.
Но и карбоновые кислоты являются лишь предшественниками материала, который можно назвать «биологическим горючим». Они непосредственно еще не могут быть использованы в энергетических процессах клетки. Следующий этап универсализации – отщепление от карбоновых кислот водорода. При этом образуется углекислый газ (СО2), который организм выдыхает. Атом водорода содержит электрон и протон. Для энергетики клетки и организма в целом (биоэнергетики) роль этих составных частей атома далеко не равноценна. Энергия, заключенная в атомном ядре, недоступна для клетки. Превращение же электрона в атоме водорода сопровождается выделением энергии, которая используется в процессах жизнедеятельности клетки. Поэтому освобождением электрона заканчивается последний этап универсализации биологического топлива. В этот период специфика органических веществ, их составных частей и карбоновых кислот не имеет значения, ибо все они в конечном счете приводят к образованию носителя энергии – электрона.
Возбужденный электрон соединяется с кислородом. Приняв два электрона, кислород заряжается отрицательно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания.
Окисление органических веществ в клетках происходит в митохондриях, которые, как уже было отмечено в предыдущей брошюре, играют роль динамомашины, преобразующей энергию сгорания углеводов и жиров в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Окислению в организме подвергаются в первую очередь углеводы. Начальные и конечные процессы окисления углеводов можно выразить такой суммарной формулой: C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + энергия.
В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энергии каждой клеткой в результате окисления органических веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулятором восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.
В процессе дыхания растения совершенно так же, как и животные, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Как у животных, так и у растений дыхание идет непрерывно днем и ночью. Прекращение дыхания, например путем прекращения доступа кислорода, неминуемо приводит к смерти, так как жизнедеятельность клеток не может поддерживаться без непрерывного использования энергии. У всех животных, за исключением микроскопически малых, кислород не может проникнуть в достаточном количестве непосредственно в клетки и ткани из воздуха. В этих случаях газообмен со средой осуществляется при помощи специальных органов (трахей, жабр и легких). У позвоночных снабжение кислородом каждой отдельной клетки происходит через кровь и обеспечивается работой сердца и всей кровеносной системы. Сложность газообмена у животных долгое время мешала выяснить истинную сущность и значение тканевого дыхания. Ученым нашего столетия потребовалось много усилий для доказательства того, что окисление совершается не в легких и не в крови, а в каждой живой клетке.
В растительном организме механизмы газообмена значительно проще, чем у животных. Кислород воздуха проникает в каждый лист растений через особые отверстия – устьица. Газообмен у растений осуществляется всей поверхностью тела и связан с передвижением воды по сосудистым пучкам.
Организмы, у которых окисление происходит за счет свободного кислорода (атмосферного или растворенного в воде), называются, как уже было отмечено выше, аэробными. Этот тип обмена свойствен подавляющему большинству растений и животных.
Все живые существа на Земле в процессе дыхания ежегодно окисляют миллиарды тонн органических веществ. При этом освобождается огромное количество энергии, которая используется во всех проявлениях жизни.
Французским ученым Л. Пастером еще в прошлом столетии была показана возможность развития некоторых микроорганизмов в бескислородной среде, то есть «жизнь без воздуха». Окисление органических веществ без участия кислорода называется брожением, а организмы, способные к активной жизни в лишенной кислорода среде, называются анаэробными. Таким образом, брожение – это форма диссимиляции при анаэробном типе обмена.
При брожении в отличие от дыхания органические вещества окисляются не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а образуются промежуточные соединения. Энергия, заключенная в органических веществах, освобождается не вся, часть ее остается в промежуточных сбраживающих веществах.
Брожение так же, как и дыхание, осуществляется через ряд сложных химических реакций. Например, конечные результаты спиртового брожения изображаются следующей формулой: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 ккал/г • моль.
В результате спиртового брожения из сахара (глюкозы) образуется продукт неполного окисления – этиловый спирт – и освобождается только небольшая часть энергии, содержащейся в углеводах.
Примером анаэробных организмов могут служить дрожжевые грибки, которые получают энергию для жизнедеятельности, ассимилируя углеводы и подвергая их спиртовому брожению в процессе диссимиляции. Многие анаэробные микроорганизмы расщепляют углеводы до молочной, масляной, уксусной кислот и других продуктов неполного окисления. Некоторые виды бактерий могут использовать в качестве источника энергии не только сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения животных, как, например, мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Даже пенициллин, убивающий многие бактерии, используется одним из видов бактерий как питательное вещество.
Анаэробный обмен встречается в основном в мире микроорганизмов. Из многоклеточных в значительной мере за счет анаэробного обмена живут кишечные паразиты (круглые и ленточные глисты и др.), обитающие в среде с очень малым содержанием свободного кислорода. Среди микроорганизмов есть много аэробных, а также форм, способных к обоим типам обмена.
Таким образом, в процессе синтеза органических соединений в них как бы «консервируется» или запасается затраченная на их синтез энергия химических связей. Она снова освобождается при обратном процессе разложения органических веществ. В энергетическом отношении живые существа являются, как уже говорилось, открытыми системами. Это значит, что они нуждаются в поступлении энергии извне в форме, которая позволяет использовать ее для выполнения работы, неразрывно связанной с жизненными проявлениями, и выделяют в окружающую среду эту же энергию, но уже в обесцененной форме, например в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде. Благодаря непрерывным процессам синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции в живых существах идет постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Какое количество энергии было поглощено, столько же ее выделяется при диссимиляции. Энергия, освободившаяся при диссимиляции, осуществляет процессы, которые характеризуют сущность жизни и все ее проявления.
Организм и среда
Процессы ассимиляции и диссимиляции, характеризующие жизнь и различные ее проявления, могут осуществляться только с участием внешней, окружающей организм среды. Среда эта очень сложна и изменчива, поэтому организм, чтобы существовать, должен постоянно ощущать все, что в ней происходит. Разумно оценивать обстановку животные, а тем более растения и простейшие организмы, у которых вообще отсутствует нервная система, конечно, не могут. Зато все живые существа, начиная от одноклеточной амебы и водоросли и кончая человеком, обладают замечательным свойством отвечать (реагировать) на внешние воздействия. Это свойство живых организмов называется раздражимостью.
Долгое время считали, что свойствами раздражимости обладают только животные, имеющие нервную систему. В настоящее время доказано, что раздражимость – всеобщее и важнейшее свойство живых организмов. Ею обладают простейшие одноклеточные существа, животные, растения и человек.
Перемена условий среды, которая вызывает реакцию со стороны организма, называется раздражителем. Живые организмы в процессе эволюции приобрели свойства реагировать только на определенные условия внешней среды и их изменения. Именно эта способность позволяет организмам избирать требуемые для их жизни и развития условия.
Итак, значение раздражимости состоит в том, что она позволяет живым существам находиться в постоянной связи с окружающим миром, дает возможность приспособляться к нему, уравновешивать его влияние, благодаря чему и возможны защита и сохранность жизни.
Животные и растения по‑разному реагируют на воздействие внешней среды вследствие неодинакового уровня их развития и различного характера приспособления к условиям жизни.
У простейших и у растений раздражимость проявляется в относительно элементарных формах. Простейшие, как и некоторые подвижные отдельные клетки многоклеточных организмов (сперматозоиды, лейкоциты, подвижные споры), обнаруживают раздражимость в форме таксисов, то есть движений в сторону раздражителя или от него. Если организм уходит от раздражителя, это называется отрицательным таксисом, если же организм движется к раздражителю, значит, таксис его положителен. Название того или иного вида таксиса определяется характером раздражителя. Так, фототаксисом именуют движение, возникшее под действием света, хемотаксисом – вызванное химическим веществом, термотаксисом – изменением температуры и т. д.
Приведем несколько примеров. Стремление к свету характерно не только для целых растений, но и для каждой живой зеленой клетки. На слабом свету хлоропласты «подплывают» к стенкам клеток, обращенным к свету, и располагаются перпендикулярно к лучам света. Это явление положительного фототаксиса позволяет улавливать максимум солнечных лучей. А на очень ярком свету в клетках растений осуществляются противоположные реакции: хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету, разбегаются в стороны и прячутся от солнечных лучей, тесно прижимаясь к боковым стенкам клеток (отрицательный фототаксис). Под микроскопом это явление легко наблюдать, но объяснить его пока что полностью не удается. Ясно одно, что под действием освещения в протоплазме клеток зеленых растений разыгрываются какие‑то сложные физиолого‑биохимические реакции, которые управляют поведением хлоропластов. Зеленые одноклеточные водоросли под действием света ведут себя аналогично хлоропластам клеток растений. Если стеклянный сосуд с водой, содержащий подвижные клетки зеленых водорослей (например, эвглену), освещать с одной стороны, зеленые организмы соберутся к свету. Значит, зеленые водоросли проявляют положительный фототаксис. Инфузории туфельки находятся обычно в самом верхнем слое воды, потому что они нуждаются в кислороде и собираются там, где его больше, то есть проявляют положительный хемотаксис по отношению к кислороду.
Большое биологическое значение имеют таксисы и у подвижных клеток многоклеточных животных и растений. В основе процесса оплодотворения, то есть слияния гамет, лежат хемотаксические реакции. Особенно отчетливо они проявляются при слиянии гамет у водных животных. Яйцеклетки вырабатывают особые вещества, которые оказывают мощное положительное хемотаксическое действие на сперматозоиды своего вида. Эти же вещества хемотаксически отрицательно влияют на «чужие» сперматозоиды. Высокая специфичность этих реакций и исключительная чувствительность сперматозоидов поразительны – они реагируют на ничтожно малые концентрации «привлекающих» веществ, выделяемых яйцеклеткой.
Хемотаксические реакции лежат в основе питания простейших животных. Простейшие проявляют положительный хемотаксис по отношению к веществам, пригодным к пище, и отрицательный к веществам, бесполезным и ядовитым.
Выдающийся русский ученый И. И. Мечников открыл замечательную особенность особых структурных телец крови – фагоцитов находить и уничтожать возбудителей заболеваний (различных бактерий), проникающих в организм. Эта особенность фагоцитов бороться с вредными бактериями организма связана с положительной хемотаксической реакцией.
Растения не располагают специальными, воспринимающими раздражение органами. Раздражимость растений проявляется в форме тропизмов и настий. Тропизмами называют направленные ростовые движения (изгибы) растений под влиянием односторонних воздействий внешней среды. Тропизмы можно наблюдать у молодых растений, когда в их верхушках под действием особых химических веществ (гормонов роста растений, или ауксинов) происходит изгиб.
Механизм изгибания стеблей растений в сторону света заключается в том, что на освещенной стороне стебля ауксин частично разрушается, а частично переходит в затененную сторону. Создавшийся там избыток этого гормона усиливает рост, в результате чего стебель изгибается в направлении источника света. Внешне это явление выглядит так, будто бы растение «тянется» к раздражителю или, наоборот, отстраняется от него. Характерной чертой тропизмов является их четкая направленность. Как и таксисы, тропизмы могут быть положительными или отрицательными.
Раздражители, вызывающие тропизмы, различны по своему характеру. Например, широко известен, как уже было отмечено, фототропизм.
Явление геотропизма проявляется у растений по отношению к действию силы тяжести. Стебли всегда растут вверх, в сторону, противоположную действию силы тяжести. Корни же, наоборот, тянутся вниз, то есть они обладают положительным геотропизмом, а стебли – отрицательным. Известны также хемотропизмы – реакции на действие химических веществ, и тигмотропизмы, то есть ответное действие на прикосновение. Тигмотропизмом обладают многие стелющиеся растения (виноград, хмель, плющ): для роста они нуждаются в соприкосновении с какой‑либо опорой (деревом, стеной и т. п.).
Особым видом двигательных реакций растений являются настии. Так называют реакции, которые возникают в ответ на раздражение, действующее на растение не односторонне (как при тропизмах), а со всех сторон. Настии возникают в ответ на действие тех же факторов среды – света, температуры, влажности и т. д. К явлениям настий относятся поднятие и поникание листьев, раскрытие и поворачивание цветов. Движение этих органов происходит благодаря изменению давления протоплазмы клеток, возможно, при этом известную роль играет и их рост. Примером фотонастий может служить явление световой мозаики, то есть такое расположение листьев, при котором они не затеняют друг друга. Очень чувствительны к изменению температуры цветы. На основании этого свойства К. Линней устроил у себя в саду «цветочные часы».
Он подобрал почти на каждый час суток открывающиеся или закрывающиеся цветы. Кроме фото‑ и термонастий, известны также никтинастии, то есть сужение листьев ночью, и ряд других.
Очень сложные автоматические движения типа настий проявляются у упомянутого нами миксотрофного растения мухоловки. Если на ее лист сядет насекомое, в ответ на раздражение лист захлопывается, и жертва оказывается в западне. Когда насекомое начинает биться, чтобы выбраться, усиливается раздражение секреторных клеток листа, они выделяют сок, содержащий ядовитые вещества, и протеолитический (растворяющий белки) фермент. Насекомое погибает, переваривается и всасывается. После этого лист раскрывается и вновь готов к «охоте».
В эволюции многоклеточных животных большое значение имела их подвижность как свойство, необходимое при добывании пищи. В связи с подвижностью у многоклеточных животных возникли приспособления, обеспечивающие ориентацию в окружающей среде – специальные нервные окончания, так называемые рецепторы, служащие для восприятия определенных изменений среды. В дальнейшем развитии организмов они усложнялись и превращались в специальные органы чувств. В ходе эволюции рецепторы приобретали способность тонко реагировать на ничтожно малые изменения среды, что связано с развитием у них возбудимости.
Наивысшего развития способность отвечать на раздражения достигла у подвижных многоклеточных животных. Это объясняется возникновением и развитием у них специализированных возбудимых тканей, в первую очередь нервной и мышечной.
Возбуждение представляет собой активный ответ данной клетки или ткани на раздражение. Оно сопровождается повышением жизнедеятельности и соответствующими изменениями обмена веществ и выражается в специфической для каждой ткани форме (например, железистая клетка при возбуждении выделяет секрет, мышца сокращается и т. д.). Нервные волокна обладают способностью с большой скоростью проводить возбуждение в виде так называемых нервных импульсов, с помощью которых осуществляется координация деятельности всех частей тела многоклеточных животных и взаимодействие животных с условиями внешней среды. Установлено, что возбуждение у высших животных распространяется со скоростью более чем 100 метров в секунду.
Основной формой раздражимости животных, имеющих центральную нервную систему, служит рефлекс – определенная реакция организма, наступающая в ответ на раздражение органов чувств и других рецепторов. Термин рефлекс (отражение) введен в науку французским философом Р. Декартом в XVII веке. Он впервые сформулировал понятие рефлекса как универсального механизма деятельности человека и животных. Впоследствии рефлекторные реакции исследовались многими физиологами и представления о физиологической сущности рефлекса углублялись и совершенствовались. Много нового в учении о рефлекторной деятельности нервной системы внес основоположник русской физиологической школы И. М. Сеченов. Классический труд И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863 г.) имел огромное значение для формирования естественнонаучного материалистического мировоззрения передовой революционной интеллигенции 60‑х годов прошлого века.
Рефлекторный акт имеет большое приспособительное значение. Животные, обладающие рефлекторной функцией, могут быстро реагировать на различные изменения внешней или внутренней среды.
По мере повышения организации животных усложняется и рефлекторная раздражимость. При развитии сложных центральных систем появляется новая форма рефлекторной раздражимости – образование связи между отдельными рефлексами. В результате возникают сложные цепные рефлексы – инстинкты (от лат. инстинктус – побуждение), то есть врожденная форма поведения животного, типичного для данного вида. Эта форма рефлекторной раздражимости характеризуется тем, что один рефлекс может непосредственно вызвать другой, а этот – следующий и т. д. Таким образом создается сложная цепь рефлексов, строго закрепленные формы поведения, характерные для инстинктов. Возникновение сложных форм инстинктивного поведения было важным этапом эволюции форм раздражимости, скачком в приспособленности животных к условиям среды.
Простые и сложные рефлексы наследуются от родителей. Они проявляются в ответ на соответствующие раздражители независимо от обучения. Создатель материалистического учения о высшей нервной деятельности И. П. Павлов назвал их безусловными рефлексами. В отличие от них условные рефлексы приобретаются в процессе индивидуальной жизни и лежат в основе обучения.
Условный рефлекс возникает при сочетании безусловного рефлекса с каким‑либо раздражителем, первоначально не связанным с данным рефлексом. Например, если каждый раз, когда собака получает корм, звенит звонок, то после известного числа повторений устанавливается новая связь, или условный рефлекс. В результате у собаки в ответ на звук звонка слюнные железы выделяют слюну. Если же собаке с выработанным условным рефлексом на звонок давать корм, не сопровождая его звонком, то условный рефлекс исчезнет. Таким образом, как говорил И. П. Павлов, «постоянную связь внешнего агента с ответной на него деятельностью организма законно называть безусловным рефлексом, а временную – условным рефлексом».
Павлов считал, что деятельность насекомых базируется в основном на сложных цепных безусловных рефлексах – инстинктах. Однако отсюда не следует, что насекомые совершенно лишены способности к приобретению условных рефлексов. В настоящее время хорошо известно, что в ограниченной мере они способны к обучению. Эта способность нашла себе применение в пчеловодстве. Путем так называемой «дрессировки» пчел можно приучить к определенным запахам и к посещению определенных видов растений.
Наибольшего развития условные рефлексы достигают у позвоночных животных, имеющих центральную нервную систему, которая состоит из спинного и головного мозга. При высших формах условнорефлекторной деятельности временные связи устанавливаются в коре головного мозга. Если у собаки или другого какого‑либо млекопитающего удалить большие полушария головного мозга, то оперированные животные бывают не способны образовывать условные рефлексы.
Явления раздражимости лежат в основе не только взаимодействия организма и среды, но также служат для согласования функций всех частей организма, существования и развития его как целого. И. П. Павлов различал высшую нервную деятельность, обеспечивающую нормальные сложные взаимоотношения организма с внешним миром, и низшую нервную деятельность. Последняя обеспечивает целостность организма, согласованность всех его функций и органов. Четкое согласование и взаимосвязь работы органов необходимы для осуществления основных процессов: пищеварения, кровообращения, дыхания и т. д. В организме деятельность всех органов представляет собой единое целое. Без такой согласованности и четкого ритма работы органов жизнь организма невозможна. Спинной мозг и подкорковые центры головного мозга управляют работой органов внутри организма, а кора головного мозга осуществляет связь организма со средой.
Единство высшей и низшей нервной деятельности обусловливает приспособленность организма к условиям внешней среды, сохраняет жизнь особи. «Живой организм представляет крайне сложную систему, составленную из почти бесконечного ряда частей, связанных как друг с другом, так и в виде единого комплекса с окружающей средой», – утверждает И. П. Павлов[3].
Границы жизни
Живые существа находятся в определенных условиях, или среде обитания, которая воздействует на них и в то же время сама изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Этот сложный и грандиозный процесс в природе раскрыл и изучил советский ученый В. И. Вернадский (1863–1945 гг.). Область жизни живых организмов он назвал биосферой, которая имеет весьма обширные границы на земле и в атмосфере. Под действием живых организмов происходят круговорот химических элементов и существенные изменения в биосфере.
Взаимоотношения организмов со средой их обитания изучает наука экология. В среде обитания могут быть различные факторы: абиотические (а – отрицание не, биос – жизнь, то есть неживые) – это физикохимические условия и биотические – взаимоотношения между организмами.
Рассмотрим важнейшие абиотические условия жизни. Все биохимические и физиологические процессы в любом организме могут осуществляться только при определенных температурных условиях. У большинства организмов жизнедеятельность протоплазмы возможна в пределах от –4 до +40–45°. При более высоких температурах начинается разложение ферментов и других белковых соединений, вызывающее смерть. Однако в природе существуют исключительно устойчивые организмы. Некоторые животные и водоросли живут в горячих источниках при +90°. В горячих источниках при +81° найдены круглые черви – нематоды, личинки мух – при +69° и др.
В Анатолии (Турция) австрийский зоолог Швейгер обнаружил свободно плавающих рыб в горячих серных источниках, температура которых доходит до +41°.
Другие организмы, напротив, приспособились к очень низким температурам, к жизни в наиболее холодных районах нашей планеты. Так, в районе полюса холода северного полушария – в Верхоянске насчитывают до двухсот видов растений. Антарктический материк почти совершенно безжизнен: здесь не хватает тепла, нет почвы и сплошные массы вечного льда покрывают материк. Но на участках, обнаженных ото льда (оазисах), найдено несколько десятков видов беспозвоночных животных и низших растений. Они живут здесь, несмотря на то, что минимальные температуры достигают –80° и ниже.
Устойчивость организмов к очень высоким или низким температурам повышается при снижении воды в их протоплазме, что приводит к снижению активности обмена веществ. Длительный и глубокий покой у организмов наступает при снижении содержания воды в клетках протоплазмы. В таком состоянии организмы бывают очень устойчивы к резким изменениям температуры. Так, колорадские жуки во время диапаузы (период покоя, остановки развития у насекомых) выносят в течение часа температуру +58°.
У микроорганизмов в состоянии покоя (цисты, споры) количество воды уменьшается очень резко, протоплазма становится вязкой, она не свертывается и не погибает при температурах кипения воды, а иногда и при +130–150° (под давлением).
Долгое время думали, что многие животные, в том числе и позвоночные (рыбы, лягушки), зимой промерзают, а весной вновь оживают. Впоследствии выяснилось, что это не так: кристаллы льда в протоплазме клеток высокоорганизованного животного нарушают структуру клетки и организм погибает. Но если клетка теряет воду, устойчивость ее к холоду повышается. Без воды клетки и ткани не замерзают. Например, некоторые относительно примитивные животные (коло‑воротки, тихоходки, нематоды) в высушенном состоянии способны выносить охлаждение вплоть до температур, близких к абсолютному нулю. Такой же выносливостью обладают споры и семена растений.
Глубокое снижение всех процессов жизнедеятельности у живых организмов называется анабиозом, или скрытой жизнью. Организмы в состоянии анабиоза внешне не проявляют никаких признаков жизни. При этом дыхание и другие обменные процессы настолько снижены, что их не удается уловить с помощью специальных чувствительных приборов. Переход живого организма в состояние анабиоза связан прежде всего с потерей воды. Простейшие в таком состоянии сохраняют способность возвращаться к активной жизни даже после шестилетнего периода покоя.
Феноменальными свойствами анабиоза обладают тихоходки (мелкие многоклеточные животные). Длина их тела обычно не превышает 0,5 мм. Они очень просто устроены, не имеют кровеносной системы. В 1948 году итальянка Францеччи провела следующий опыт: намочила мох, засушенный в 1828 году и сохранившийся в гербарии Ботанического института в городе Турине; и вот в этом стодвадцатилетнем мху обнаружили… ожившую тихоходку. Засушенные тихоходки способны переносить в течение нескольких минут высокие температуры (+ 110–120°). Могут просуществовать в анабиозе в течение нескольких месяцев в запаянных стеклянных трубках, наполненных чистым водородом, неоном, аргоном, азотом, сероводородом и другими ядовитыми газами. Эти насекомые, высушенные в безвоздушном пространстве, способны переносить температуры, близкие к абсолютному нулю, и другие крайне неблагоприятные условия.
Длительное состояние анабиоза способны переносить семена и споры растений. Например, плодики лотоса, хранившиеся в музее в сухом месте более ста лет, при посеве дали почти стопроцентную всхожесть.
Немногим более двадцати лет назад учеными было обнаружено весьма интересное явление. При быстром погружении живой ткани или микроорганизмов в жидкий воздух (около –190°) они мгновенно замерзают, но после оттаивания остаются живыми. Оказалось, что при очень быстром охлаждении вода не кристаллизуется и застывает, как стекло. Переход воды протоплазмы клеток в стеклообразное, а не кристаллическое твердое состояние называется витрификацией. Этот процесс удается осуществить только с микроскопически малыми биологическими объектами.
Многочисленные опыты с насекомыми и другими беспозвоночными, а также с холоднокровными позвоночными (рыбы, амфибии) показали, что и эти животные оказались способными возвращаться к жизни после пребывания при температуре ниже нуля, например при –10, –14° и более низких температурах. Гусеницы кукурузного мотылька, зимующие в стеблях травянистых растений, при –30° нередко замерзают настолько, что становятся совершенно твердыми и сохраняются в течение многих лет; после оттаивания они продолжают жить. В специально поставленных опытах эти гусеницы «оживали» после суточного пребывания в температуре –78° в замерзшем, твердом, как стекло, состоянии. Однако возвращение этих животных к жизни после пребывания в отрицательных температурах возможно лишь в тех случаях, когда во время охлаждения их тканевые жидкости в жизненно важных органах находились в жидком переохлажденном состоянии. Когда же тканевые жидкости замерзают и кристаллики льда нарушают внутриклеточные структуры, при оттаивании неизбежно наступает смерть.
Открытие явления витрификации имеет важное практическое значение. Уже в настоящее время разработаны способы хранения спермы сельскохозяйственных животных в сжиженных газах при температуре –180–190°. В витрифицированном виде сперма может находиться, сохраняя свою жизнеспособность, в течение нескольких месяцев, и после оттаивания ее можно использовать для искусственного осеменения. Высушенная при определенных условиях сперма также может храниться очень долго, не теряя своей жизнеспособности.
Различные формы применения холодного анабиоза имеют важное практическое значение для медицины. Применяя методику высушивания с помощью низких температур, готовят вакцины, которые сохраняют иммунизирующие свойства в течение ряда лет. Мгновенное замораживание крови не нарушает структуры ее элементов и дает возможность после длительного хранения использовать ее для переливания больным и раненым.
Описанные выше опыты подсказаны науке природой. Многие организмы при наступлении периодов с неблагоприятными условиями прекращают активную жизнь и впадают в различного рода пассивные состояния, связанные с резким снижением обмена веществ. В неподвижном состоянии они оказываются способными переносить значительно более широкие колебания факторов среды, чем в активном состоянии. В нашем климате таким неблагоприятным периодом являются зимние холода. В оцепенении проводят зиму все земноводные (лягушки, жабы, тритоны), наземные пресмыкающиеся (ужи, ящерицы, змеи, черепахи), насекомые и другие наземные беспозвоночные. Это в меньшей мере относится к водной жизни, так как температура воды пресных вод не может снизиться ниже нуля, а морских – ниже –2°. Поэтому многие водные животные, например холоднолюбивые лососевые рыбы, зимой ведут активную жизнь, даже развитие их икры проходит в зимнее время. Вместе с тем многие теплолюбивые пресноводные рыбы средних широт (сазан, карась, сом) зимой не питаются, находятся как бы в сонном состоянии. Черепахи, живущие в жарком пустынном климате, впадают в спячку дважды: зимой и в самые жаркие летние месяцы (июль – август), когда выгорает растительность, которой они питаются.
Резко, хотя и не столь сильно, как во время зимнего оцепенения холоднокровных, снижается обмен веществ и температура тела во время зимней спячки млекопитающих. Из млекопитающих в спячку впадают многие тушканчики, сони, мышовки, ежи, некоторые виды летучих мышей, из хищных млекопитающих – барсук, енотовидная собака, медведь.
Число видов животных, впадающих в оцепенение в период летней засухи, более ограничено: среди них некоторые насекомые (клоп‑черепашка), из позвоночных – пустынные черепахи, из млекопитающих – несколько видов сусликов. Африканская двоякодышащая рыба протоптерус при высыхании водоема зарывается в ил. Тело протоптеруса покрывается слизью, которая, подсыхая, образует вместе с прилегающим илом защитную капсулу. Рыба при очень сильно сниженном обмене дышит через отверстие в капсуле.
Особая форма пассивного состояния характерна для насекомых. Многие виды насекомых обладают способностью приостанавливать развитие и переходить на различных стадиях развития в состояние диапаузы. Различают эмбриональную, личиночную, куколочную диапаузы и диапаузу взрослой стадии. В состоянии диапаузы обмен резко снижен и изменен, легко переносятся низкие температуры и другие неблагоприятные условия среды, губительные для насекомого в активном состоянии. Например, в состоянии диапаузы насекомые нечувствительны или мало чувствительны к такому сильному яду, как цианистый калий.
В нашем климате диапауза чаще всего служит приспособлением к зимовке и наступает на той стадии, на которой данный вид зимует. Характерно, что зимующие стадии насекомых впадают в состояние диапаузы задолго до наступления холодов. Как показали исследования советского ученого А. С. Данилевского, у многих насекомых переход в состояние диапаузы вызывается укорочением продолжительности дня во второй половине лета. Бабочка‑белянка в первом поколении (в начале лета) развивается без диапаузы, а во втором поколении, гусеницы которого живут в конце лета при более коротком дне, наступает куколочная диапауза, и в этом состоянии куколки зимуют. Здесь продолжительность дня играет роль сиг