Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Пристли крайне дальновидно оценил большую роль кислорода в жизнеобеспечении. Он утверждал, что кислород можно использовать «для улучшения спертого воздуха в помещении, где скапливается много людей ‹…›, дабы из неприятного и нездорового он моментально стал здоровым и свежим». Кроме того, он пришел к выводу, что кислород «может пойти на пользу легким в особо тяжких случаях, когда простого воздуха недостаточно». В старину ученые часто экспериментировали на себе, и Пристли не был исключением. Обнаружив, что дыхание кислородом не приносит вреда, он высказал предположение, что «чистый воздух может стать модным предметом роскоши». В наши дни на улицах Токио продают баночный кислород – для надышавшихся городским смогом жителей пригородов, которым необходимо срочно взбодриться.
Однако дышать чистым кислородом в больших количествах опасно. В 1950-х гг. недоношенных младенцев откачивали чистым кислородом, в надежде, что это поможет им выжить. К сожалению, высокая концентрация кислорода в кювезе вызывала сокращение капиллярных сосудов в сетчатке глаза. В результате у малышей разрасталась соединительная ткань под хрусталиком, и они слепли. Этого можно избежать, если содержание кислорода будет поддерживаться в пределах 40 %. Чистый кислород и сейчас используется ныряльщиками и астронавтами, однако им необходимо соблюдать меры предосторожности, описанные в главах 2 и 6.
Закаленный характер
Сильный холод, в отличие от жары, многие животные, в том числе и человек, переносят нормально. Адаптационные возможности, позволяющие им это делать, описаны в главе 4. Здесь же мы остановим внимание на экстремофилах – организмах, обитающих практически в морозилке и способных переживать замерзание.
Холод как таковой белку не вредит, он просто замедляет скорость биохимических реакций. Соответственно, многие организмы перестают размножаться или даже расти (в самом строгом понимании слова) уже при температурах на несколько градусов ниже нуля. Метаболическая активность продолжается, хотя и менее интенсивно – в антарктических лишайниках она была отмечена даже при –27° С. При –80° С она, скорее всего, останавливается совсем, и тогда организм впадает в анабиоз. Многие клетки, в том числе и человеческие, можно в течение длительного времени хранить при температуре жидкого азота (–196° С). Нижний предел температуры, которую способны пережить охлажденные и затем отогретые клетки, неизвестен, однако, судя по всему, он лежит еще ниже. Тем не менее подвергать животных и отдельные клетки воздействию минусовых температур следует крайне осторожно, поскольку промерзание, в отличие от безобидного холода, может оказаться опасным.
Холодолюбивые организмы, обитающие в ледяной воде, называются психрофилами. Их находят в океанских глубинах, где температура держится на более или менее постоянной отметке 1–3° С, а также внутри ледяных полярных куполов и под ними. Даже в домашних холодильниках они устраиваются вполне вольготно. Целые колонии психрофилов населяют арктические льды, обитая в тонких прослойках незамерзшей воды в толще льда. Среди них насчитывается множество бактерий, архей, водорослей и диатомей – например, снежная водоросль Chlamydomonas nivalis, окрашивающая снег в нежно-розовый и ярко-зеленый, или бактерия Polaromonas vacuolata, отличающаяся пристрастием к температуре в 4° С и прекращающая размножение, если температура повышается до 12° С. Многоклеточные формы жизни в таких условиях тоже встречаются. Погрузившись на глубину 550 м в подводном аппарате, Чарльз Фишер обнаружил непонятное разноцветное грибовидное образование под два метра в диаметре, растущее со дна. Оно кишело червями примерно в два-три сантиметра длиной. При ближайшем рассмотрении непонятная конструкция оказалась застывшей метаново-ледяной глыбой (метан выделялся из расщелин в океанском дне), которая стала кормушкой для бактерий и архей, питающихся метаном, а те, в свою очередь, послужили пищей червям.
Глубоко под антарктическим куполом находится множество пресных озер, замерзанию которых препятствует геотермальный подогрев. Самое большое из них – озеро Восток, расположенное на глубине четырех километров от поверхности льда. Длина его, предположительно, около 200 км, ширина – 50 км, глубина – 500 м, то есть по площади это озеро сопоставимо с озером Онтарио, но в два раза превышает его по глубине. Ледяной панцирь над Антарктидой начал формироваться около 40 млн лет назад, поэтому любые формы жизни, обитающие в озере Восток, скорее всего, уже несколько миллионов лет отрезаны от мира. А значит, озеро – это своего рода капсула времени, сохранившая уникальные микроорганизмы, которые многое могут поведать об истории нашей планеты. Однако, несмотря на живейший интерес ученых к этим подледным озерам, все упирается в невозможность взять образцы воды, не привнеся в них чуждые формы жизни с поверхности. Именно из этих опасений программа по бурению ледяного купола в 1966 г. была остановлена, когда буру оставалось 150 м до проникновения в озеро Восток. Пути решения этой проблемы ищут до сих пор.
Холод – отличный консервант, поскольку значительно замедляет скорость биохимических реакций. В морозном сухом воздухе Антарктики запасы, оставленные в 1904 г. экспедицией капитана Скотта, остаются свежими и сегодня. Останки мамонтов, обнаруженные в арктических льдах, сохранились в целости, а мясо съедобно и более 30 000 лет спустя после их гибели. Эти замороженные ткани представляют собой ценнейший исторический и биологический материал. Своей сохранностью они обязаны тому, что бактерии, разлагающие мясо и продукты, попросту теряют способность расти при низких температурах из-за отсутствия воды.
Жизнь в морозильной камере
Любой садовод знает, как губителен для растений холод. От весенних заморозков гибнут побитые морозом бутоны и почки, а осенние превращают пышные клумбы в пожухшие коричневые кучи. Большинству животных мороз тоже не по нраву.
Исследовать воздействие мороза на живые организмы начали достаточно давно. Еще в 1663 г. Генри Пауэр обнаружил, что в банке уксуса с «крошечными червями», помещенной в смесь льда и соли, жидкость замерзает, а черви «кристаллизуются». Однако после размораживания «черви снова плясали и носились как ни в чем не бывало». Роберт Бойль, также пораженный чудесами заморозки, пробовал замораживать рыб и лягушек – без особого успеха. Первые эксперименты на насекомых проводил Реомюр, французский ученый, работавший над созданием термометра и поэтому обладавший возможностью выражать свои наблюдения количественно. Он выяснил, что обычные гусеницы переносят морозы до –20° С, тогда как другой вид (неназванный) выдерживал только –11° С. Кроме того, он обнаружил, что их кровь замерзает при разной температуре, и сравнил их с бренди различной крепости, поскольку крепкий алкоголь замерзает хуже, чем слабый. Так впервые возникло предположение, что устойчивость к морозу может определяться физико-химическими особенностями крови насекомого. В наши дни это предположение подтвердилось исследованиями, выявившими наличие в крови естественных антифризов.
Золотой век горных и полярных экспедиций принес множество историй о чудесном спасении из смертельных объятий льда и снега. Одну из самых невероятных поведал в 1886 г. Тернер, рассказывая, как собаки, поедая замороженную черную даллию, вырубленную из ледяных глыб, отрыгивали съеденную рыбу живой некоторое время спустя. В тепле собачьих желудков рыба размораживалась и оживала. Верится в такое, конечно, с трудом, а вот слова другого полярника и мореплавателя, британца Джона Франклина, вряд ли кто-то возьмется оспаривать. Во время путешествия к северным полярным морям он писал о карпе, который, пролежав 36 часов замороженным, после размораживания принялся биться и трепыхаться. И тем не менее, несмотря на свидетельства этих путешественников, для большинства живых клеток заморозка смертельна.
Мороз губителен тем, что в клетках и межклеточном пространстве образуются ледяные кристаллы. Острые, словно бритва, ледяные иглы прокалывают тонкие мембраны, окружающие каждую клетку, и содержимое просачивается наружу. Внутриклеточные мембраны, разделяющие клетки на отделы, тоже разрываются, содержимое органелл перемешивается, приводя к нарушению биохимических реакций. В отличие от льда, состоящего из чистой воды, биорастворы содержат различные соли. Поэтому при формировании кристалла льда во внутриклеточном растворе концентрация соли в оставшейся части этого раствора повышается. Тем самым создается осмотическое давление, вытягивающее воду из клеток, заставляя их съеживаться и еще больше увеличивая содержание соли внутри. Образование льда внутри клетки повышает соленость внутриклеточного раствора напрямую. Из-за обезвоживания, наступающего в результате, разрушаются клеточная мембрана и клеточный белок. Кроме того, при замораживании могут разорваться связи между клетками, а повреждение питающих их капилляров ведет к нехватке кислорода и питательных веществ. Из главы 4 мы уже знаем, какими трагическими последствиями чревато обморожение для человека. Однако некоторые растения и животные переносят мороз совершенно безболезненно.
