Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,858

Гипобиология это наука, изучающая гипобиоз у живых организмов, возникающего под действием холода и других неблагоприятных факторов среды, которые, так или иначе, вызывают обезвоживание организма.

Теоретической предпосылкой создания нового направления в науке - Гипобиолгии, явилось установление основного механизма возникновения явления гипобиоза, заключающегося в обезвоживании организма, в результате которого у них происходит резкое замедление процессов жизнедеятельности.

Обезвоживание может быть, во-первых, истинным, то есть, когда организм 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, в частности, анестетиков. Основным фактором вызывающим гипобиоз у большинства живых организмов является холод, когда они испытывают физиологическое обезвоживание. Понятия тепло, холод и мороз, применявшиеся, в начале, на бытовом уровне, позже нашли теоретическое обоснование и стали использоваться как биологические понятия. Дело в том, что для неживой материи нет разделения температурной шкалы на тепло, холод, так как для неживого характерна высокая устойчивость к значительным колебаниям температуры, как в сторону высокой, так и в сторону низкой. Для многих химических элементов и веществ, при достижении определенных температур, происходят фазовые переходы, которые обратимы, то есть не влияют на их сущность, а живая материя разрушается при сравнительно невысоких и небольших низких температурах.

Под понятием тепло, мы понимаем благоприятные условия для существования живых организмов, а под понятием холод и мороз - неблагоприятные.

Нашими исследованиями была установлена температурная граница между теплом и холодом - она находится при температуре +4 °С, ниже которой нормальное функционирование живых систем практически прекращается (Угаров, 2001; Ugarov, 2012). 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. 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. Причиной неблагоприятности холода для живых организмов является резкое изменение структуры воды, которое наступает при охлаждении воды ниже +4 °С, т.е. в условиях холода, когда она приобретает квазикристаллическую (льдоподобную) структуру, или практически превращается в «жидкий лед».

Две структуры в воде - льдоподобная и 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, льдоподорбная и деструктурированной формы воды, очевидно, обладают и различной физиологической активностью. Экспериментальные исследования показывают, что льдоподобная вода замедляет физиологические процессы, а плотноупакованная, наоборот, ускоряет их. Ассоциированные в льдоподобную структуры молекулы воды, имея крупные размеры и невысокую подвижность, обладают меньшей проникающей способностью через мембрану, чем деструктурированная. К тому же при понижении температуры липиды мембраны загустевают, аквопоры сужаются или закупориваются. В результате этого происходит нарушение водообмена между отдельными органоидами клетки, затем между клетками и тканями. Эти нарушения характеризуются физиологической недоступностью имеющейся воды, вследствие чего, наступает физиологическое обезвоживание организма. 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 почва оказалась физиологически сухой, в результате которой, в опытах Шимпера, растения погибали от недостатка воды. В надземных частях растений, в условиях холода, возникает «физиологическая засуха», с подобным же механизмом, только в данном случае, вода становится недоступной для клеток и тканей растений при полном тургоре листьев, и растение переходит в состояние вынужденного покоя или гипобиоза (Угаров, 1997). При естественном обезвоживании, например, в период засухи, когда в кормах недостаточно влаги, суслики впадают в летнюю спячку, после плодоношения семена растений быстро теряют воду и переходят в состояние гипобиоза, а по мере дальнейшего обезвоживания впадают в анабиоз. При искусственном обезвоживании, в частности, путем погружения в гипертонический раствор нейтрального вещества, в результате экзоосмоса воды, простейшие сперва переходят в состояние гипобиоза, а затем и анабиоза (Голдовский, 1981). Таким образом, любое обезвоживание - истинное или физиологическое, всегда приводит к резкому замедлению процессов жизнедеятельности в организмах, в результате которого, у них наступает гипобиоз.

Теперь коротко остановимся на медицинских аспектах гипобиологии. Для медицинской практики важное значение имеют: гипотермия, хранение биологических и медицинских препаратов в холоде, профилактика людей от переохлаждения, вопросы анестезии и др.

Гипотермия - это состояние, при котором температура тела не превышает 35 °С вследствие преобладания теплоотдачи над теплопродукцией. Она может быть легкой (32-35 °С), умеренной (28-32 °С) или тяжелой (менее 28 °С).

Гипотермия может быть естественной, когда организм переохлаждается в холодной среде, который может привести к простудным заболеваниям, а при сильном переохлаждении - к смертельному исходу. Широкое использование в быту биологического термометра со шкалой Угарова позволит существенно сократить количество простудных заболеваний среди населения, связанных с переохлаждением организма человека в условиях холода (Угаров, 2011, 2012). Искусственная гипотермия применяется в медицинской практике. При гипотермии скорость обмена веществ в организме снижается, что приводит к уменьшению потребности в кислороде. Это обстоятельство используется в медицинской практике, когда применяют искусственную местную или общую гипотермию. К местной гипотермии прибегают для лечения кровотечений, травм и воспалений. Общую гипотермию организма применяют при операциях на сердце, при лечении черепно-мозговой травмы, внутричерепных кровоизлияниях и др. Снижение обмена веществ и уменьшение потребления кислорода при гипотермии можно объяснить двумя причинами. Первое - непосредственное действия температуры на скорость биохимических реакций, которое идет согласно принципу Ван-Гоффа. Второе - увеличением физиологически менее активной льдоподобной доли воды из ее общего количества, содержащегося в клетках и тканях. Это вызывает более или менее выраженное физиологическое обезвоживание организма, в зависимости от степени охлаждения.

Холодовой наркоз основан на явлении потери чувствительности болевых рецепторов и торможения работы нервных волокон при гипотермии. Его механизм такой же, как и при общей гипотермии.

Медикаментозный наркоз вызывается введением лекарственных веществ в организм человека. К числу веществ, применяемых при наркозе, относятся: хлороформ, диэтиловый эфир, закись азота (Dinitrogen oxide), фторотан, кетамин, изофлюран, севофлюран, ксенон и др. Под действием этих веществ, в основном, усиливается льдоподобность воды, которая ведет к физиологическому обезвоживанию клеток и тканей, со всеми вытекающими из этого следствиями. Некоторые из них, в частности, закись азота и ксенон являются инертными в химическом отношении газами, которые могут только вызывать структуризацию молекул воды, что подтверждает вышесказанное предположение. L. Pauling (1961) полагал, что состояние животных и человека при наркозе во многом похоже на состояние их во время гипотермии. Он установил, что такие анестезирующие вещества, как хлороформ и эфир вызывают в тканях мозга стабилизацию структуры воды, т.е. их действие практически идентично действию холода, и это позволило ему создать общую молекулярную теорию анестезии.

Все местные анестетики, используемые в настоящее время, имеют сходную химическую структуру и в зависимости от того, какая связь (эфирная или амидная) присутствует в соединительной цепи, местные анестетики принято делить на две группы - сложные эфиры (кокаин, прокаин, хлорпрокаин и др.) и амиды (лидокаин, тримекаин, бумекаин, прилокаин, артикаин и др.). Интересно отметить, что эти анестетики имеют гидрофобные свойства, поэтому хорошо растворяются в липидах мембраны, существенно меняя их конформацию. Кроме того, гидрофобные вещества стабилизируют структуру воды, делая ее более льдоподобной. При определенной концентрации анестетиков основная масса клеточной и тканевой воды может превратиться в «жидкий лед» и вызвать физиологическое обезвоживание. Нейромодуляторы, в частности, ацетилхолин, плохо растворяется в «жидком льду» и выход его через пресинаптическую мембрану, с измененной конформацией, сильно затруднен и передача нервного сигнала нарушается или останавливается.

Биологические препараты, например, цельную кровь, плазму и форменные элементы крови, трансплантанты, а также медикаменты в растворах хранят при температуре +2-4 °С. Срок их хранения сравнительно небольшой. При бесперфузионной консервации с использованием препарата Custodiol при условии хранении донорских органов при температуре 2-4 °С срок консервации составляет: почечный трансплантат - до 48 часов, печёночный трансплантат - до 15 часов, трансплантат поджелудочной железы - до 15 часов, сердечный трансплантат - до 4 часов. Как мы уже писали выше, при температурах +4 °С и ниже клеточная и тканевая вода превращается в «жидкий лед», вызывая физиологическое обезвоживание, в результате которой обмен веществ замедляется, потребление кислорода снижается, что позволяет более или менее длительному сохранению биологических и медицинских препаратов в холоде.

Приведенные выше рассуждения позволяют сделать заключение о том, что все формы гипобиоза имеют общий механизм возникновения. Это - истинное и физиологическое обезвоживание организма. Установление общности механизма всех видов гипобиоза, ставшего основой для создания нового направления в науке - Гипобиологии, может иметь большое значение в теоретической и практической медицине.

Список литературы

  1. Голдовский А.М. Анабиоз. - Л.: Наука,1981. - 136 с.
  2. Угаров Г.С. Биологическая температурная шкала. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2001. - 28 с.
  3. Угаров Г.С. Возможности использования Биологической температурной шкалы в биологии и медицине // Межд. журн. экспер. образования. - 2010. - №11. - С. 77-79.
  4. Угаров Г.С. Биологическая температурная шкала и качество жизни человека // Успехи современного естествознания. - 2011. - №10. - С. 8-10.
  5. Pauling L. A molecular theory of general anesthesia // Science - 1961. - №3471. - Р. 15-21.
  6. Ugarov G.S. Temperatute on the border between heat and cold. // 49 th Annual Meetiтg of the Society for Cryobiolo- gy. - Rosario Argentina, 2012. - Р. 36.