КАК ЗИМУЮТ РЫБЫ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ ВОДОЁМАХ Иванов И.В.,Китикова Ю.С.

Российский государственный аграрный университет


Номер: 10-1
Год: 2016
Страницы: 28-32
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

морозоустойчивость, замораживание, размораживание, frost-hardy, freezing, defrosting

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассмотрены возможные причины морозоустойчивости рыб и других живых организмов, выдерживающих длительные низкотемпературные периоды.

Текст научной статьи

В северных районах России многие мелкие непроточные озёра и пруды в суровые зимние месяцы промерзают до дна. Да и в средней полосе это не редкость. Поздней осенью рыбы, населяющие такие водоёмы, обычно зарываются в ил и благополучно переносят зиму. Однако иногда возникают экстремальные ситуации, когда возможности зарыться нет или промерзание настолько глубокое, что затрагивает придонные слои ила. Рыбы оказываются вмёрзшими в лёд. И, что удивительно, находясь в ледяном плену, рыбы остаются живыми. Весной они постепенно оттаивают и восстанавливают нормальную физиологическую активность. Конечно, такая поразительная выносливость свойственна лишь немногим видам рыб. Они, скорее, исключение из общего правила: при замораживании практически все рыбы погибают. В статье рассмотрены возможные причины морозоустойчивости рыб и других живых организмов, выдерживающих длительные низкотемпературные периоды. Ни для кого не секрет, что в тридцатиградусные морозы почки деревьев и кустарников остаются живыми. Каждую весну мы получаем убедительное тому доказательство. А ведь температура внутри почки равна температуре окружающей среды, - никаких «обогревательных устройств» у дерева нет. Тоже самое происходит с яйцами, личинками и куколками некоторых насекомых, зимующими под корой деревьев и в стеблях растений, и даже с самими насекомыми. Их температура совпадает с температурой окружающей среды, и, тем не менее, жидкости в их теле не замерзают. И, что самое удивительное, некоторые рыбы, тоже могут зимовать в толще льда и оставаться живыми. В чём здесь дело? В теории растворов выводится формула для температуры замерзания раствора в зависимости от его концентрации: , где Tр - температура замерзания раствора в кельвинах, T - температура замерзания растворителя, r и q - плотность и удельная теплота плавления растворителя, c - молярная концентрация раствора, R - газовая постоянная. Таким образом, температура замерзания раствора зависит только от его молярной концентрации, но не зависит от химической природы растворённого вещества. Поэтому формулу можно использовать и в случае, когда в одном объёме растворено несколько различных веществ. Тогда в качестве c берётся суммарная молярная концентрация всех компонентов раствора. Из формулы следует, что с ростом концентрации температура замерзания раствора понижается. Например, если растворить 30 г поваренной соли в 100 г воды, то рассчитанная по формуле температура замерзания такого раствора примерно -18 °С, что неплохо согласуется с экспериментальными данными. При дальнейшем понижении температуры весь раствор не промёрзнет. Часть воды превратится в лёд в виде объединения огромного количества небольших кристаллов, а другая часть останется в растворе, концентрация которого уже будет больше исходной, и температура замерзания соответственно понизится. На вид получится масса мокрого рыхлого льда. Живой организм можно условно считать водным раствором: внутри- и внеклеточные жидкости - это сложные многокомпонентные растворы солей, углеводов, белков и других соединений. Чем выше общая концентрация тканевых растворов c, тем ниже температура их замерзания. Если зимой в сильный мороз разрезать почку дерева, то внутри мы увидим влажную рыхлую массу, состоящую из микроскопических кристалликов льда во внеклеточном растворе. Ситуация очень похожа на эксперимент с замораживанием раствора соли. Только в отличие от чашки с раствором почка более тонкая структура, состоящая из большого количества клеток. К зиме суммарная концентрация тканевых растворов увеличивается, что приводит к понижению температуры замерзания почки. Кроме того, в клетках синтезируются белки-антифризы «контролирующие» процесс образования льда. При умеренных морозах кристалликов льда в почках нет. При сильном морозе во внеклеточных растворах (как менее концентрированных) образуются микроскопические кристаллы льда, не повреждающие клеточных стенок. Концентрация внеклеточного раствора автоматически увеличивается, и температура его замерзания соответственно падает. Так клетки переносят зиму. И не только клетки почек деревьев, но и клетки некоторых животных. В засохших стеблях полыни, репейника, пижмы, тысячелистника зимуют личинки различных насекомых, например, жука-долгоносика - фрачника перевязанного (Lixus fasciculatus), жука-усача (Phytoecia pustulata), жука-горбатки (Mordellistena weisei) и др. В пятнадцатиградусный мороз они даже шевелятся. Никаких кристалликов льда в их тканях нет. Более сложные животные, например, некоторые рыбы, тоже бывают морозоустойчивыми, о чём свидетельствуют ряд авторов, а также собственные наблюдения. Вот что пишет кандидат биологических наук Е. Цепкин, старший научный сотрудник кафедры ихтиологии МГУ [1,128]. «Труднее всего приходится рыбам, постоянно живущим в мелких непроточных озёрах арктической области, - обыкновенному карасю (Carassius carassius), рис. 2 а), и чёрной рыбе - даллии (Dallia pectoralis), рис. 2 б). С наступлением зимы они зарываются в ил. Но в крайне суровых условиях севера такие водоемы промерзают до самого дна, и рыбы часто оказываются вмёрзшими в лёд. Их выносливость к низким температурам просто поражает. Даже находясь в ледяном плену, рыбы остаются живыми, разумеется, при условии, что их полостные жидкости и кровь в сосудах не перейдут в твёрдое состояние. Известен случай, когда голодная собака проглотила покрытую ледяным панцирем даллию, а потом отрыгнула её. Оттаявшая в собачьем желудке рыбка оказалась живой». Рис. 2 Л.П. Сабанеев, автор широко известной книги «Рыбы России», рассказывает о необыкновенной живучести речного угря (Anguilla anguilla), рис. 3, который содержался в небольшом бассейне диаметром меньше самой рыбы и прожил около 37 лет [2,151]. «С октября по апрель угорь этот лежал почти неподвижно и не принимал никакого корму; ещё менее двигался он в мае, но вскоре вслед за этим вторичным оцепенением приходил в сильное волнение и даже выскакивал из посудины на землю, так что его раза два находили полуживым и почти обсохшим. Несмотря на это, он оживал очень скоро; точно также совершенное замерзание воды бассейна не имело на него никакого значения». Рис. 3 Не столь длительные, но в целом похожие эксперименты проходят у нас с 2004 года с серебряными карасями (Carassius auratus gibelio) и ротанами-головешками (Perccottus glenii), рис. 4. В последнем эксперименте, который длится уже около 5 лет подряд, бассейном служит миниатюрный водоём, уложенный по дну полиэтиленовой пленкой. Его длина 3 м, ширина 1 м, а глубина не превышает 60 см. Каждую зиму водоём полностью промерзает. Весной, когда снег исчезает, а лёд в водоёме подтаивает, на поверхность воды всплывает кусок льда в форме дна самого глубокого места в бассейне с вмёрзшим песком, листьями и пр. Это свидетельствует о том, что вся вода действительно промерзает. На протяжении всего эксперимента рыбы кормились тем, что попадало в воду снаружи, образовывалось в толще воды или на дне (никакой подкормки не было). Обычно в воду падали кусочки земли с клумбы, листья винограда и случайные насекомые, в толще воды появлялась тина, а на дно изредка попадали дождевые черви. Что интересно, после первой зимовки караси прекратили расти. Возможно, вся энергия, полученная рыбами от предельно скудной пищи идёт только на поддержание жизни и подготовку к замерзанию. А после второй зимовки из-за неправильного размораживания у ротана произошла деформация позвоночника. Но ротан живёт в таком положении уже около трёх лет. Рис. 4. Первые опыты проводились с ротаном в более жёстких условиях. Рыба жила в обычной чугунной ванне, слегка вкопанной в землю и закрытой пробкой, примерно 2,5 года (2004-2006 г.), перезимовав два раза. Зимовки оказались очень суровыми. В первую зиму температура опускалась ниже тридцати и держалась около недели. Промерзание воды в ванне полное, зарыться некуда; в такой мороз температура льда на дне с учётом теплового потока от земли не выше -20 °С. Однако, в конце марта ротан постепенно оттаял, вышел из оцепенения, а к середине мая восстановил физиологическую активность и с большим аппетитом ел дождевых червей. Вторая зимовка тоже прошла удачно, но осенью рыба, по-видимому, проглотила ядовитое или слишком жёсткое насекомое, и начались проблемы с пищеварением, несовместимые с жизнью, о чём свидетельствовали слизистые выделения из пищеварительного тракта. Эксперимент с другим ротаном прошёл неудачно. Новая рыбка не перенесла и первой достаточно мягкой зимы. Во время длительной оттепели произошло размораживание рыбы, а затем подморозило, и вторичного замерзания организм не выдержал. Повторного замораживания за один сезон даже морозоустойчивые рыбы не переносят. Устойчивость многих организмов к температурам ниже 0 °С сильно изменяется в течение жизненного цикла, связанного с сезонами года. Так, у насекомых и растений холодоустойчивость и морозоустойчивость сильно повышаются при переходе к состоянию покоя ещё до наступления морозов. В начале периода покоя при температурах немного выше 0 °С происходят значительные перестройки в обмене веществ и физико-химическом состоянии клеток, повышающие устойчивость организмов. Накапливаются жиры, гликоген, сахара, образуются защитные вещества, изменяется состояние воды и белков в клетках. Насекомые приобретают способность сильно переохлаждаться иногда до -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 [3,42-55]. Научные основы криобиологии - науки, изучающей действие низких и сверхнизких температур на живые системы - заложены в конце XIX века русским учёным П.И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения у насекомых и анабиоз у летучих мышей. В дальнейшем выяснилась способность различных организмов (микроорганизмы, беспозвоночные - тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до -271 °С, то есть до температур, близких к абсолютному нулю). Одна из основных проблем криобиологии - выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании, много. Большое значение имеет скорость замораживания и размораживания. При охлаждении лёд сначала образуется в окружающей клетку жидкости как в менее концентрированной. Концентрация внеклеточного раствора постепенно увеличивается. Когда эта концентрация превысит концентрацию внутриклеточного раствора, вследствие осмоса клетка начнёт терять воду. Обезвоживание вызовет повышение концентрации электролитов в клетке. Некоторые клетки из-за этого погибают. Чтобы сохранить живыми клетки растений и животных, требуется очень медленное охлаждение (в природе, как правило, так и происходит), при котором не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке. Кроме того, быстрое охлаждение может привести к температурному шоку и гибели клеток [4,20]. Каждый фермент имеет свой температурный оптимум, то есть температуру, при которой он работает с максимальной скоростью. При быстром изменении температуры происходит быстрое изменение скоростей работы всех ферментов, и биохимические реакции становятся несогласованными. Это и есть температурный шок. Клетка не успевает адаптироваться к таким изменениям и гибнет. Скорость размораживания и нагревания живых систем тоже очень важный фактор, поскольку считается, что во время этих процессов происходят основные повреждения в клетках. Причина этих повреждений - перекристаллизация, сопровождающаяся значительным увеличением размеров кристаллов льда. Не вдаваясь в детали, приведем примерную последовательность процессов технологии замораживания и размораживания живых клеток, а также некоторых тканей и органов [4,19-21]. Подготовка среды к замораживанию. При понижении температуры кислород выходит из-под контроля ферментативных систем и усиливает свободнорадикальное окисление всех активных биомолекул: нуклеиновых кислот, белков и др. Поэтому в среду вводят ингибиторы свободнорадикального окисления - биоантиокислители или антиоксиданты, (токоферол, глютатион, цистеин, витамин K, аскорбиновую кислоту и др.). Для понижения температуры замерзания и сохранения живых систем в условиях низких температур применяют защитные вещества - криопротекторы (глицерин, сахарозу, этиленгликоль и др.). Криопротекторы ослабляют эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Замораживание. 1) Медленное охлаждение при -20 °С. Быстрое охлаждение не допускается по причинам, указанным выше. 2) Быстрое замораживание охлажденной среды в жидком азоте. Например, пробирка с охлажденной суспензией клеток на короткое время опускается в жидкий азот при температуре -196 °С. Медленное замораживание на этой стадии недопустимо, так как немногие возникшие в межклеточном пространстве центры кристаллизации растут, присоединяя воду из внутренних областей клеток. Клетки обезвоживаются, концентрация электролитов растет, что приводит к денатурации белков и гибели клетки. Кроме того, крупные кристаллы льда разрывают мембраны клеток и другие биологические структуры. При быстром замораживании по всему объему клетки образуется множество мелких кристаллов, и вода и электролиты фиксируются по месту их начального положения, не повреждая клеточных структур. Размораживание. 3) Быстрое размораживание в теплой воде для исключения перекристаллизации и перераспределения электролитов. 4) Медленное нагревание, чтобы клетка могла адаптироваться и избежать температурного шока. Технология замораживания живых клеток и тканей для хранения и последующей пересадки называется криоконсервированием. Эта многоступенчатая сложная технология замораживания и размораживания широко применяется в животноводстве и медицине для длительного хранения при низких температурах крови, тканей, органов и даже зародышей, а также спермиев и яйцеклеток человека и домашних животных, используемых для искусственного оплодотворения. В природе происходит естественное криоконсервирование (без жидкого азота), когда при сезонном понижении температуры организм сам синтезирует необходимые для замораживания вещества.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.