Что означают термины анабиоз, гипобиоз, диапауза, покой, гипотермия, гибернация, эстивация, летаргия, криобиология и криомедицина?
Что означают термины анабиоз, гипобиоз, диапауза, покой, гипотермия, гибернация, эстивация, летаргия, криобиология и криомедицина?
В своем эволюционном развитии многие растительные и животные организмы приобрели своеобразные механизмы приспособления, чтобы иметь возможность пережить неблагоприятные сезоны года. В эти периоды условия их жизни резко ухудшаются в связи с нехваткой пищи, исключительно низкими или высокими температурами, высокой влажностью или засухой и пр. Многие организмы погибли бы, если не обладали бы совершенными физиологическими механизмами приспособления. Речь идет о возможности впадать в состояние продолжительного бездействия и покоя, наблюдаемого у многих животных и растительных организмов. У различных видов это состояние осуществляется своеобразно, разными способами, в зависимости от степени эволюционного развития животного или растительного организма и обозначается разными наименованиями. Чтобы многие научные понятия стали ясными, остановимся на часто используемых в научной литературе терминах и соответствующих им синонимах в популярном изложении.
Как уже говорилось, первые исследователи этого загадочного для прошлых времен явления (Левенгук, Спалланцани и др.) использовали понятие «скрытая жизнь», «мнимая смерть», «вита минима» (минимальная жизнь), «оцепенение», «бессознательное состояние», «безжизненность», «асфиксия» и другие и они рассматривали состояние возвращения к жизни как воскрешение.
Позже, в 1873 г., немецкий ученый Прайер, изучая явления возвращения к жизни после высушивания коловраток, тихоходок и нематод, пришел к выводу, что все представления, трактующие явления оживления этих организмов и их состояние при высушивании, Не соответствовали действительности. Состояние высушивания этих микроорганизмов и их способность возвращаться к жизни Прайер предложил назвать анабиотическим, а само явление — анабиозом (от греческого ana — обратно и bios — жизнь), т. е. возвращение к жизни, оживание.
Прайер, однако, различал два противоположных состояния при отсутствии признаков жизни. Первое, когда живое существо хоть и находится в безжизненном состоянии, но способно вернуться к жизни (т. е. анабиотическое состояние): второе, когда живое существо в безжизненном состоянии не способно вернуться к жизни (т. е. мертвое состояние). Это разграничение является важным дополнением к понятию анабиоза, так как указывает, что речь идет не об оживлении после предшествовавшей смерти, а о временной приостановке процессов жизнедеятельности, т. е. о скрытых формах жизни.
Серьезную попытку систематизировать явления остановки и возвращения к жизни сделал в 1934 г. итальянский исследователь Монтероссо. Он сохранил название «анабиоз» только для явления высыхания организмов, в то время как для всех остальных явлений угнетения жизни он предложил новый термин — гипобиоз (hypobiosis — от греч. hypo — под, низко и bios — жизнь). К этой категории явлений, по его мнению, следовало отнести: 1) осмотический анабиоз; 2) замораживание; 3) зимнюю спячку; 4) инцистирование, 5) сон; 6) высушивание тканей; 7) оживление изолированных органов.
По мнению известного советского исследователя П. Ю. Шмидта, из перечисленных состояний следует исключить как совершенно неравнозначные остальным состояниям высушивание тканей и оживление изолированных органов, в связи с тем что первое является лишь частным случаем анабиоза при высушивании, доказывающим широкое распространение этого явления, а второе — вовсе не относится к явлению подавления жизнедеятельности, и можно считать, что это пример физиологической самостоятельности органов. Кроме того, П. Ю. Шмидт считал, что связь между остальными явлениями подавления жизнедеятельности и сном, как и его патологическими формами — гипнозом и каталепсией, является слабой. Как чисто биологическое приспособление к смене дня и ночи сон сопровождается торможением только высшей нервной деятельности. При этом отсутствуют моменты торможения и остановки процессов, связанных с обменом веществ, что характерно для других явлений анабиоза.
По мнению П. Ю. Шмидта, в своей основе явление анабиоза охватывает два основных состояния:
1) анабиоз при высушивании — непосредственное высыхание живых организмов. Тесно связан с этим явлением и осмотический анабиоз — этот своеобразный процесс обезвоживания животных организмов, обитающих в морской воде. В известной степени связана с анабиозом при высушивании и летняя спячка животных вследствие уменьшения количества воды в теле из-за усиленного испарения и недостатка воды в жарких пустынных областях;
2) анабиоз при замерзании — извлечение воды из живого организма вследствие его замерзания, сопровождающееся различными неблагоприятными изменениями при образовании льда.
К такому состоянию принадлежит явление зимней спячки у млекопитающих. При их высокой организации и постоянной температуре тела подавление жизнедеятельности у них более сложное, но все же его трудно резко разграничить с анабиозом при замерзании. По существу, по мнению П. Ю. Шмидта, между зимней спячкой и анабиозом разница скорее количественная, чем качественная.
С общебиологической точки зрения анабиоз представляет собой приобретенное в ходе эволюции физиологическое приспособление организма к неблагоприятным внешним условиям.
По мнению П. Ю. Шмидта, смерть данного организма не есть просто прекращение процессов жизнедеятельности. Смерть обусловливается разрушением механизмов жизнедеятельности с необратимыми изменениями живого вещества, переходящими в его распад и разложение. Если не наступили такие нарушения, если механизм жизни цел и невредим, возможно полное прекращение жизнедеятельности, которое вовсе не равнозначно смерти, и вполне возможно возвращение к жизни, если улучшатся условия.
Подтверждением этой его точки зрения является определение, которое всемирно известный советский академик Опарин дал в своем известном труде «Происхождение жизни»: «…во всех этих случаях, когда мы путем внешнего воздействия затрудняем деятельность ферментов (например, при высушивании семян или при глубоком охлаждении организмов), процессы жизнедеятельности исключительно сильно замедляются, и организм впадает в анабиотическое состояние или даже эти процессы полностью останавливаются и тогда наступает смерть».
Придерживаясь некоторых уже принятых в биологии понятий, П. Ю. Шмидт объединяет все явления более или менее значительного торможения и приостановления жизни (кроме сна и зимней спячки), сопровождающихся потерей воды, под общим названием анабиоз. Это наименование подчеркивает общую, самую существенную особенность всех явлений — способность сохранить жизнь, выходить из состояния заторможенности, оживать. По существу, к этой категории явлений относится и «скрытая смерть» семян, спор, цист и других живых объектов. В данном случае различие заключается в том, что при анабиозе торможение жизнедеятельности и ее почти полное прекращение входят в нормальный цикл жизни, прочно установленный и закрепленный эволюцией. Без них невозможно существование многих живых растительных и животных организмов.
Анабиоз — широко распространенное явление в животном мире. Например, у насекомых при отрицательных температурах весьма замедляется или практически останавливается все их развитие. Подобное анабиотическое состояние известно как диапауза, которая, по мнению Бей-Биенко (1980 г.), представляет собой состояние временного физиологического покоя и возникает в жизненном цикле насекомых как специальное приспособление, обеспечивающее возможность пережить неблагоприятные условия в областях с сезонным климатом.
Позже в биологической науке возникло понятие «гибернация» (от лат. hybernus — зима и hybernar — перезимовать), которое точно соответствует наименованию «зимняя спячка» у животных. С физиологической точки зрения так называется состояние оцепенения, сопровождающееся значительной заторможенностью ряда физиологических процессов в организме (частоты сердечных сокращений, ритма дыхания, обмена веществ, понижения температуры тела), но при продолжающемся контроле со стороны центров терморегуляции. Способность впадать в состояние оцепенения свойственна млекопитающим, например, однопроходным, сумчатым, насекомоядным, летучим мышам, неполнозубым, хищникам, грызунам, некоторым птицам и пресмыкающимся. Ученые различают
дневное оцепенение, в которое впадают, например, летучие мыши и колибри, и сезонное оцепенение, отличающееся от зимней (например, у грызунов, насекомоядных и др.) и летней спячки (например, у некоторых млекопитающих и рыб, обитающих в степях и пустынях), а также и непериодическое оцепенение — при резком наступлении неблагоприятных условий (например, у сусликов, енотовидных собак, некоторых видов ласточек). Но термин «гибернация», естественно, не может распространяться на состояние животных, впадающих в состояние летней спячки при неблагоприятных условиях жизни во время летней засухи.
Вот почему в науку было введено и понятие «эстивация» (от лат. aestas — лето), которое полностью соответствует названию «летняя спячка». Эстивацией можно назвать сонное, неактивное состояние некоторых животных при наступлении засухи, когда становится невозможным добывать пищу и воду. Так поступают улитки во время засухи, а также некоторые виды сусликов, которые в самые жаркие месяцы прячутся в свои подземные убежища, оставаясь там вялыми и неподвижными. Своеобразным рекордсменом продолжительности летней и зимней спячки является колумбийский суслик, впадающий в летнюю спячку в августе и остающийся неактивным на протяжении всей осени и зимы (гибернация); выходит он из норы только в мае следующего года. Что же это такое — зимняя или летняя спячка? И при каких обстоятельствах одно состояние переходит в другое? По существу, между ними нет резкого физиологического различия. Кроме того, многие зимоспящие животные (например, летучие мыши) могут впадать в торпидное состояние (о нем ниже) ежедневно, если при этом у них понижается температура тела и интенсивность обмена веществ. Таким образом, это физиологическое состояние вполне сходно с гибернацией, хотя продолжается не месяцами, а всего лишь несколько часов.
В связи с тем что нет точного определения этих состояний, их трудно разграничивать, и многие физиологи рассматривают гибернацию и оцепенение как единое физиологическое явление.
Следует считать ошибкой, когда в общедоступном изложении часто употребляется термин «летаргический сон» и это понятие распространяют на животных, впадающих в зимнюю и летнюю спячку. В медицинской литературе летаргией (от греч. lethargia — глубокий сон) и соответственно летаргическим сном называют состояние патологического (болезненного) сна у человека, неподдающегося насильственному прекращению. Вот почему этот термин вовсе не подходит для определения физиологических явлений в мире животных.
Продолжительное пребывание птиц при низких температурах ученые обозначают термином «гипотермия» (от греч. hypo — под, низкое и thermos — тепло, теплота), т. е. охлаждение. Тот же термин медики используют при искусственном охлаждении всего или части организма человека при сложных операциях (см. главу «Находит ли применение искусственное охлаждение в медицине?»). Состояние кратковременного оцепенения у птиц ученые называют торпидностью. Она наблюдается у только что вылупившихся птенцов некоторых видов, когда родители покидают их на несколько дней при неблагоприятных условиях (например, у черных стрижей). Под торпидным состоянием ученые подразумевают состояние временного оцепенения организма, при котором он слабо реагирует на внешние раздражители (например, шум или прикосновение).
Для растительных организмов используются понятия анабиоза и зимнего покоя; первое — в случаях, когда некоторые растения после высыхания при благоприятных условиях могут снова развиваться, а второе — при особом физиологическом состоянии растительных. организмов, при котором семена, почки (зародыши) предохраняются от преждевременного развития и гибели.
В последнее время возникло и бурно развивается новое направление в биологической науке — криобиология (от греч. kryos — холод, мороз, bios — жизнь и logos — наука), т. е. наука о жизни при охлаждении. Криобиология занимается исследованиями механизмов анабиоза при низких температурах и морозоустойчивостью различных видов растений и животных; генетическим и иммуногенетическим влиянием низких температур; повреждением и защитой клеток организма под действием холода; глубоким замораживанием мужских половых клеток (спермы) для сохранения их продолжительное время с целью последующего искусственного осеменения животных; глубоким замораживанием с учетом продолжительного сохранения тканей и органов для последующей пересадки (трансплантации).
В связи с этим возникло и новое направление криобиологии, названное криомедициной, объектом медицинского приложения которой является не только консервирование тканей и органов при низких температурах, но и искусственное охлаждение (гипотермия) организма человека при сложных операциях на сердце и кровеносных сосудах, в мозге и глазах, при котором резко понижается обмен веществ, движение крови значительно замедляется, а чувствительность исчезает.
Используя патенты живой природы и созданные ею на протяжении многовековой эволюции приспособления, помогающие организмам пережить неблагоприятные условия, человек все чаще начинает их применять в различных областях жизни. Криобиология и криомедицина — науки будущего, о них будут все чаще говорить и писать.