Криобиолог

Материал из Letopisi.Ru — «Время вернуться домой»
Перейти к: навигация, поиск

Криобиолог - Материал команды id083 STRIX - творческий тур ДОО по Биологии 2007 "Незнакомая биология"


Криобиология (от греч. «крио»-холод и «биос» - жизнь), раздел биологии, изучающий действие на живые системы низких и сверхнизких температур (от 0°С до близких к абсолютному нулю). Основные задачи криобиологии - изучение жизни в условиях холода, выяснение причин устойчивости организмов к переохлаждению и замерзанию, исследование повреждающего действия отрицательных температур и способов защиты клеток и тканей при замораживании. Проблемы криобиологии имеют большое теоретическое значение, т.к. связаны с выяснением нижних температурных границ жизни, механизмов адаптации в естественных условиях к холоду, сущности анабиоза и т. п. Практические аспекты криобиологии связаны с методами хранения и накопления биологических объектов, лечением с помощью холода (криотерапия), выведением морозоустойчивых сортов растений, изучением зимовки вредителей сельского хозяйства, с деятельностью человека в полярных условиях и космической биологией.


Содержание

История науки

Научные основы криобиологии заложены в конце 19 в. русским учёным П. И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения у насекомых и анабиоз у летучих мышей. П. Беккерель (1904-36) и австрийский учёный Г. Рам (1919-24) установили способность различных организмов (микроорганизмы, беспозвоночные - тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до -269 и -271°С, т. е. до температур, близких к абсолютному нулю). В дальнейшем было показано, что некоторые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в них воды. Например, такие высокоорганизованные существа, как гусеницы некоторых бабочек, предварительно закалённые, т. е. адаптированные к холоду, "оживали" после длительного замораживания при -78,-196 и даже -269°С, когда вода в их теле превращалась в кристаллический лёд. Одна из основных проблем К. - выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании, много. Большое значение имеет скорость охлаждения и отогревания. При медленном охлаждении сначала переходит в лёд вода окружающей клетку жидкости. Это приводит к потере клеткой воды, нарушению солевого равновесия между вне- и внутриклеточной жидкостью, повышению концентрации электролитов в клетке. Некоторые клетки вследствие этого погибают. Для того чтобы сохранить живыми клетки растений и некоторые ткани животных, требуется очень медленное охлаждение, при котором не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке.

Для неадаптированных к холоду клеток особенно опасно обезвоживание, т.к. возникают контакты внутриклеточных компонентов, которые при нормальных условиях разобщены; при этом происходят разрывы одних межмолекулярных связей и образование других, повреждения клеточных мембран и т. д. Подобные явления могут возникать и в случае образования кристаллов льда внутри клетки. Последние образуются обычно при быстром охлаждении (свыше 10 градусов в 1 мин). После окончания процесса охлаждения, при температурах выше - 120°С, начинается рост кристаллов (перекристаллизация, рекристаллизация). Увеличение их размеров особенно значительно при отогревании. Считают, что во время отогревания и оттаивания происходят основные повреждения в клетках. Как правило, при образовании внутри клетки кристаллов льда она погибает; однако клетки некоторых закалённых насекомых и злокачественных опухолей переносят внутриклеточную кристаллизацию воды.

При сверхбыстром охлаждении со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек (такое охлаждение возможно лишь у живых объектов, имеющих микроскопические размеры) большая часть воды превращается в аморфный лёд, структура которого мало отличается от структуры воды. Благодаря этому клетки не повреждаются и выживают независимо от своего происхождения. Но после сверхбыстрого глубокого охлаждения клетки сохраняют жизнеспособность лишь при очень быстром отогревании (за 3-10 сек), при котором можно избежать рекристаллизации. На практике этот метод сохранения клеток почти не применим ввиду невозможности сверхбыстрого охлаждения и отогревания более или менее крупных объектов. Для сохранения живых систем в условиях низких температур применяют защитные вещества - криопротекторы. Среди них наиболее известны глицерин, диметилсульфоксид, сахара, гликоли, которые способны проникать в клетку, и некоторые полимерные соединения (поливинилпирролидон, полиэтиленоксид и др.), не проникающие в неё. Криопротекторы ослабляют эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Криопротекторы получили широкое применение в медицине и животноводстве для длительного хранения при низких температурах крови, тканей, органов, а также спермы домашних животных, используемой для искусственного осеменения.

Устойчивость многих наземных организмов к температурам ниже 0°С сильно изменяется в течение жизненного цикла, связанного с сезонами года. Так, у насекомых и растений сильно повышаются холодоустойчивость и морозоустойчивость при переходе к состоянию покоя (диапаузы у насекомых и клещей) ещё до наступления морозов. В начале периода покоя при температурах немного выше 0°С происходят значительные перестройки в обмене веществ и физико-химического состоянии клеток, повышающие устойчивость организмов. Накапливаются жиры, гликоген, сахара, образуются защитные вещества, изменяется состояние воды и белков в клетках. Насекомые в зависимости от их экологии приобретают способность сильно переохлаждаться иногда до минус 40°С или ещё ниже. Некоторые виды насекомых и растений перезимовывают в замёрзшем состоянии. Хорошо переносят низкие и даже сверхнизкие температуры многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи), мхи, лишайники и др. Обычно их холодоустойчивость связана с быстрым обезвоживанием, повышенной вязкостью цитоплазмы, наличием оболочки, препятствующей проникновению кристаллов в клетку, и др. Жизнедеятельность организмов (исключая теплокровных животных) прекращается обычно при температурах несколько ниже 0°С, но некоторые процессы обмена веществ могут протекать при температурах около -20°С (например, дыхание, фотосинтез) и даже ниже. В связи с этим представляет интерес малоизученная биология морских организмов, обитающих на подводных льдах Антарктики. Проблемам криобиологии посвящены специальные журналы; ежегодно организуются международные симпозиумы и конференции криобиологов.


Достижения криобиологии и криомедицины

Криобиология и криомедицина - сравнительно молодая отрасль биологии, оформившаяся в качестве самостоятельной науки всего несколько десятков лет тому, предметом изучения которой является действие низких температур на живые биообъекты животного и растительного происхождения. Научные разработки, выполненные в последние годы, посвящены фундаментальным проблемам механизмов криоповреждения и криозащиты биологических объектов различного уровня организации, изучения устойчивости и адаптации к холоду - созданию криозащитных сред и технологий, обеспечивающих возможность обратимой остановки жизни после замораживания и хранения в условиях глубокого холода, сохранению генофонда людей, редких и исчезающих видов животных и растений. Особый интерес представляют исследования стволовых клеток, направленные на выяснение механизмов действия низких температур на их самовоспроизводство, регуляцию дифференцировки, пластичность, выработку стадиоспецифических регуляторов, их востребованности как биологического объекта для решения широчайшего спектра проблем медико-биологического профиля.

Развитие криогенных технологий в последние годы значительно повысило интерес практической медицины к терапевтическому использованию низких экстремальных температур. Анализируя фрагментарные экспериментальные данные и клинические результаты в этой области, можно с известной долей осторожности говорить как об эффективности метода в комплексном лечении больных при ряде заболеваний, так и насущной необходимости проведения фундаментальных исследований действия низких температур на функциональные системы организма с целью разработки новых, высокоэффективных методов экстремальной криотерапии.


Институт проблем криобиологии и криомедицины в Харькове

Более тридцати лет назад по инициативе директора ФТИНТ АН УССР академика Б. И. Веркина и при активной поддержке академика Б. Е. Патона в Харькове был создан новый институт – Институт проблем криобиологии и криомедицины – единственный в мире институт такого профиля. Он был создан на основе проблемной лаборатории Института усовершенствования врачей – и состоял вначале из нескольких сотрудников, которыми руководил один из основателей Института и его первый директор Н. С. Пушкарь (ученик Б. И. Веркина). Сейчас в Институте работает более трехсот сотрудников, он состоит из шестнадцати отделов: здесь и отделы криобиофизики и криобиохимии, криоиммунологии и криоморфологии, и еще множество крио- отделов, а также низкотемпературный банк физиологических объектов и отдел долговременного хранения биологических объектов при низких температурах.

Основные направления деятельности Института: изучение молекулярных субклеточных, клеточных, тканевых органных механизмов криоповреждения и криозащиты биологических объектов разных уровней организации. Основным направлением прикладных исследований является разработка эффективных технологий долгосрочного хранения биологических объектов, используемых при решении научных задач молекулярной биологии и генетики; создание эффективных методов криохирургии и криотерапии, разработка методов глубокой гипотермии мозга, используемых в неврологии, наркологии и в комплексной терапии алкоголизма; синтез отечественных криопротекторов, не требующих удаления из организма.


Крионика

Крионика — это область научно-практической деятельности, которая объединяет в себе криобиологию, криогенную инженерию и практику клинической медицины с целью разработки и применения криостаза. Криостазом называют сохранение в неизменном состоянии биологических объектов путем их замораживания до ультранизких (криогенных) температур.

Целью крионики является перенос только что умерших или терминальных (обреченных на смерть) пациентов в тот момент в будущем, когда станут доступны технологии репарации («ремонта») клеток и тканей и, соответственно, будет возможно восстановление всех функций организма. Такой технологией, по всей видимости, будет нанотехнология и, в частности, разработанные в ее рамках молекулярные нанороботы. Помимо реанимации крионированных пациентов, наномедицина позволит вылечить все болезни и проявления старения в организме человека.

Обычно историю крионики ведут с книги Роберта Эттингера, написанной в 1962 году (в 2003 году вышел и русский перевод). В "Перспективах бессмертия" дипломированный физик подробно рассказывал о том, почему тело можно заморозить, пытался оценить шансы на успех размораживания и рассуждал о психологических проблемах, которые могут возникнуть у размороженных в далеком будущем.

"Серьезная наука" критически относилась к крионике с самого начала ее существования. Причиной тому — здоровый скептицизм и большое количество слабых мест в аргументах крионистов. Вот стандартная цитата, которую можно услышать от криобиолога: "Концепция крионики не имеет ничего общего с наукой. То что, у крионики есть определенный технический базис, оборудование, жидкий азот и т.д., еще не делает ее наукой. Чтобы все это заработало, нужно решить три задачи: сделать из замороженного трупа живого человека, вылечить его от заболевания или ранения, которые привели к смерти, и убрать обширные повреждения, нанесенные клеткам во время заморозки. И сохранить личность. А мы не можем остановить старческую деградацию личности даже у живых людей" (Дэвид Пегг, криобиолог).


Источники

[1] - Все о криобиологии

Рэ Л., Консервация жизни холодом, пер. с франц., М., 1962;

Смит О., Биологическое действие замораживания и переохлаждения, пер. с англ., М., 1963;

Клетка и температура среды, М.- Л., 1964;

Лозина-Лозинский Л. К., Очерки по криобиологии, Л., 1972;

Cellular injury and resistance in freezing organisms, Sapporo, 1967 (Proceedings of the International conference on low temperature science. Aug. 14-19, 1966. Sapporo, Japan, v. 2);

Cryobiology, ed. Н. T. Meryman, L.- N. Y., 1966; The frozen cell, L., 1970;

Mazur P., Cryobiology. The freezing of biological systems, "Science", 1970, v, 168, № 3934, P. 939.

Персональные инструменты
Инструменты
Акция ВЫХОДИ В ИНТЕРНЕТ 2015

организаторы проекта
PH International
www.Iteach.ru
Корпорация Intel
Компания ТрансТелеКом