Процес анабіозу в біології та його особливості
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Січень 1967 року, США, санаторій поблизу Лос-Анджелеса. Безнадійно хворий – рак легенів – семидесятилітній Джеймс Бедфорд, колишній професор психології, дає згоду піддатися заморожуванню. Його підключили до апарату «серце – легені», щоб, насичуючи організм поживними речовинами і киснем, врятувати мозок від руйнування. У тканину ввели гепарин – препарат, що перешкоджає згортанню крові. Тіло обклали сухим льодом. Викачали кров з судин, замінивши її гліцерином і диметилсульфоксидом і поступово стали знижувати температуру тіла, довівши її до позначки мінус 75 градусів за Цельсієм. Потім в палату внесли двометрову «криогенну капсулу зберігання» – виконану з полірованої нержавійки, вона мала подвійні стінки, як термос, щоб холод краще зберігався. Замороженого загорнули в алюмінієву фольгу, помістили в капсулу і загвинтили люк, потім наповнили камеру рідким азотом (його температура мінус 196 градусів за Цельсієм) і в лічені секунди тканини Бедфорда стали крихкими як скло. Кілька днів по тому капсула з тілом була доставлена на літаку в спеціальне сховище в Арізоні…
Бедфорд, мабуть, сподівався, що коли-небудь наука зможе лікувати рак і відшукає способи відновлювати життєздатність замороженої людини. І тоді він – через десятки, сотні років? – Встане з футляра, де буде зберігатися його плоть, живим і здоровим. Так чи інакше, але в той зимовий вечір була зроблена спроба матеріалізувати давню мрію про ідеальний анабіоз.
Анабіоз (буквально «пожвавлення», «воскресіння») відкрив в 1701 році голландець Антоні ван Левенгук. Коли він розглядав за допомогою саморобного мікроскопа сухий пісок, то не помічав ніяких ознак життя. Але варто було пісок зволожити, як в ньому починали копошитися крихітні істоти – коловертки.
«Життя можна зупиняти, як годинник, – здогадався Левенгук. – Волога – це маятник. Качни його і стрілка життя знову прийде в рух… » Вчений вирішив підкріпити свою думку експериментом. Він запечатав прожарений сонячними променями пісок в конверт і зберігав його двадцять один місяць. І знову переконався: при додаванні води відбувалася реанімація коловерток. У листі в Лондонське королівське товариство Левенгук поспішив повідомити про своє дивовижне відкриття.
Дивовижне? Але в природі анабіоз – природне явище. Вміло використовують його безхребетні, рослини, комахи, мікроорганізми, спори, віруси. Як вижити при посусі або міцних морозах? Земля була б завалена трупами рослин, якби кліматичні зигзаги губили колонії мікробів, здатних переробляти целюлозу. В порах ґрунту, у воді, повітрі, на сухих плодах зберегтися мікроорганізмам допомагає анабіоз. Живе навчилося при несприятливих умовах помітно наполовину або навіть на три чверті – зменшувати в клітинах кількість води: вона або випаровується, або замерзає, перетворюючись на лід.
І відбувається диво: живе стає невразливим. Набуває в тимчасовому небутті вражаючу стійкість до дії згубних факторів. Йому не страшні ні холод абсолютного нуля, ні спека в сотні градусів, воно витримує опромінення рентгенівськими променями, легко переносить великі тиски і глибокий вакуум, заміну звичного для нього середовища (повітря, вода) на агресивне, вороже («атмосферу» з водню або азоту, чистий стовідсотковий спирт). Є навіть такі мікроби, що з комфортом мешкають в утробі … ядерного реактора!
Але саме вражаюче, що, стійко перенісши екстремальні впливи, живе за сприятливих умов, як би прокидаючись від довгого сну, здатне відродитися для нового життя. Анабіоз кидає виклик філософам. Він ніби ставить знак рівності між життям і смертю. Ось той же Бедфорд – чоловік відмовлявся бути живим і в той же час не хотів вмирати!
«Уявна смерть», «прихована», «потенційне» життя, «смертожиття» – якими тільки епітетами не нагороджували анабіоз! Перш вважали, що тут мова може йти навіть про воскресіння після смерті. Ось що писав в 1771 році класик вчення про анабіоз італієць Л. Спаланцані: «Тваринний організм, який воскресає після своєї смерті і у відомих межах воскресає навіть скільки завгодно разів поспіль, – явище нечуване, позірне спершу неймовірним парадоксом. Воно порушує всі наші найбільш встановлені ідеї про живу природу, воно збуджує абсолютно нові думки і є предметом, настільки ж цікавим для вишукувань натураліста, як і для роздумів метафізика…»
Але ні, при анабіозі фінішна стрічка смерті ніде не перетинається. Вивчаючи це незвичайне «тліюче» життя, спостерігаючи, як спалахують його слабкі іскорки, наука з подивом виявила: життя і смерть відокремлені не геометрично тонкою демаркаційною лінією, а розлогою територією, цілою областю, керованою незвичайними законами. І вкрай важливо в інтересах життя всіляко розширювати кордони країни Анабіоз, всіляко витісняючи смерть.
Встановлено: пригальмувати життя, знизити його темп можна багатьма способами. При всиханні невеликих водойм з морською водою ступінь солоності в них збільшується. І ряд мешкаючих тут істот, наприклад, весільні рачки, тимчасово впадають в неживий стан. Це – осмотичний анабіоз, або осмобіоз. Ще одна форма – аноксібіоз. Його викликає зниження концентрації кисню в повітрі нижче певного рівня. Нещодавно московські мікробіологи В. Дуда та Г. Ель Регістан відкрили ще один тип анабіозу – хімічний. Виявилося, що багато бактерій, дріжджі, гриби в процесі свого розвитку виділяють в навколишнє середовище особливі речовини, що сприяють переходу мікроорганізмів у своєрідний анабіотичний стан. Ймовірно, будуть відкриті й інші прояви анабіозу.
Управляти темпом життя, у всякому разі, найпростіших біооб’єктів, бути може, вдасться за допомогою лазерного опромінення. Експерименти професора М. Гамалії і його колег в Інституті проблем онкології показали, що будь-які клітини ссавців, будь то клітини крові, печінки або шкіри, чутливі до дуже слабких світлових потоків. Особливо, якщо це червоні, зелені або фіолетові промені. Швидше за все, в клітинах тварини і людини є спеціальна система фоторегуляціі, подібна тим, що відомі в рослин і у бактерій.
Лазерний вплив малої потужності (всього кілька десятків мілліватт) здатний змінювати швидкість ділення клітин. Ця швидкість може і прискорюватися – посилений клітинний розподіл прискорює загоєння ран і трофічних виразок, і сповільнюватися – так вдається гальмувати ріст пухлин.
До анабіозу в тій чи іншій мірі примикає безліч вражаючих явищ. Петербуржець А. Голдовський розробив класифікацію станів організмів, в ній окрім «анабіозу» фігурують такі слова, як «мезабіоз», «кіобіоз», «біоз», «гіпсорбіоз». Один з подібних станів – гібернація: зимова та літня сплячка деяких видів ссавців. У тварин, які впадають у сплячку, вона супроводжується зниженням температури до нуля плюс чотирьох градусів Цельсія. При цьому активність нервової системи спадає: схоже, що кора мозку при низьких температурах не здатна до електричної активності.
Сплячка може бути і нерегулярною – у білок, єнотів, стрижів, ластівок цей стан виникає при різкому настанні несприятливих умов: нестача їжі, вологи, надто низька або висока температура. Це просто спосіб «запроторити» живу істоту «для збереження» у важкі моменти її життя.
Чудова властивість сплячки – вона дуже схожа на сон. Адже і там і тут серце б’ється повільніше, кров’яний тиск падає, обмін речовин знижується. Під час сну злегка – приблизно на пів градуса – знижується температура тіла. Цікаво, що після рясної їжі тягне до сну: кров приливає до шлунку, щоб допомогти травленню, і, таким чином, менша кількість її надходить у мозок. Взагалі, схоже, якщо усунути певне число збуджуючих зовнішніх і внутрішніх впливів на мозок, повинен настати сон – ця якби ослаблена форма сплячки.
Ось одна напівфантастична пропозиція, яку зробили фахівці, що досліджують гібернацію і сон. Вони вважають, що люди могли б проводити ночі не у сні, а, подібно летючим мишам, в сплячці. При зниженні температури нижче нормальної, стверджують вчені, сон, можливо, стане більш глибоким, а зниження температури всього на кілька градусів може виявитися достатнім, щоб призупинити старіння – продовжити наше життя на ту його третину, що ми проводимо уві сні. Розгадка таємниць сну (і, звичайно, розуміння принципів роботи мозку), сплячки, анабіозу – чи не тут ключ до розробки методів зберігання, «консервації» організмів при їх охолодженні?