Անսովոր ցրտի բուժում

Թոմ Մաքքեյգի կողմից

Երբ Arthur DeVries- ը ժամանել է McMurdo Station 1961, նա թարմ էր Ստենֆորդի համալսարանից, որտեղ նա գրանցվել էր 13 ամիս ժամկետով ՝ Անտարկտիդայի Մաքմուրդո Սունդ քաղաքում հայտնաբերված էնդեմիկ Notothenioid ձկների շնչառական նյութափոխանակությունը ուսումնասիրելու համար: Notothenioids– ը Անտարկտիկական սառցե ձկնաբուծարան է, պերսիֆորների պատվերի ենթաբաժին: Այս կարգը ողնաշարավորների ամենաբազմաթիվ կարգն է աշխարհում և ներառում է մագաղաթ, ցիչլիդներ և ծովային բաս: Նոտոտենիոիդ ձկների հինգ ընտանիք գերակշռում է Հարավային օվկիանոսում, որը կազմում է տարածաշրջանի ձկների կենսազանգվածի ավելի քան 90 տոկոսը: Դրանք մի ամբողջ էկոհամակարգի առանցքային մասն են, բայց այդ էկոհամակարգը գոյություն չէր ունենա իր ուժեղ ձևով, եթե չլինեին այս բևեռային ջրերի ծայրահեղ ցրտերը ծեծելու միջոց: DeVries- ը, ի վերջո, կպարզի, թե ինչպես:

McMurdo կայանը գտնվում է Ռոսի կղզի հարավային ծայրում, Անտարկտիդայում ԱՄՆ-ի երեք գիտական ​​կայանքներից ամենամեծը: Հիմնադրվել է 1958 թ.-ին, McMurdo- ն ուներ հումքի բնության եզրին գտնվող ցանկացած աշխատանքային ճամբարի բոլոր հատկանիշները, գեներատորներից այն կողմ մի քանի զարդարանքներով, մատակարարման պալետներ և Quonset խրճիթներ: Այնտեղ հետազոտական ​​համայնքը գոյություն ուներ կլիմայի անբավարարության պատճառով, քան դրա պատճառով. Արձանագրված ջերմաստիճանի ծայրահեղությունները նույնքան ցածր են, որքան մինուս 50 աստիճան ջերմաստիճան, իսկ տարեկան միջին ջերմաստիճանը բնակվում է մինուս 18 աստիճան ջերմաստիճանում:

Սառցաբեկորները Անտարկտիդայի ափերից դուրս ՝ Wikimedia Commons- ի կողմից

Չնայած պայմաններին, Դե Վրիզը ծաղկեց սերտ գիտական ​​մթնոլորտում և ձկների որսալու, պաշարների և վերլուծության կոշտ դաշտային աշխատանքները: Այնուամենայնիվ, այնտեղ գտնվող նրա ժամանակավոր աշխատանքի մարտահրավերները նրան անսպասելիորեն կհանգեցնեին գետնի վրա հայտնաբերման և բևեռագիտության ողջ կյանքի ընթացքում: Ձկների մի մասը, որը նա բռնում և պահում էր տանկերի մեջ, մահանում էին, իսկ մյուսները ՝ ոչ: Նրա խնդիրը լուծելու նրա եռանդը և պատճառները գտնելու հետաքրքրասիրությունը հանգեցնում էին հետազոտությունների մի ամբողջ ճյուղի: Ինչպես նա հայտնել է Scientia Publishing- ին,

«Այս փորձերի ընթացքում ես նկատեցի, որ խորը ջուրը Notothenioid ձուկը սառեցնում է մահը, եթե մեր սառեցված աղի ջրի մեջ որևէ սառույց առկա լիներ, իսկ մակերեսային ջրի մեջ ընկածները գոյատևում էին սառույցի առկայության պայմաններում: Ես որոշեցի հետաքննել, թե ինչու է տարբերություն այդ տեսակներում, որոնք ապրում են նույն ջերմաստիճանի ջրում (-1.9 ° C) ջրի մեջ `Ստանֆորդում իմ թեկնածուական թեզի հետազոտության համար: Ես ուսումնասիրեցի, թե որ միացումներն են իրենց միջավայրում սառեցումից խուսափելու համար պատասխանատու իրենց ունակությունների համար, մինչդեռ բարեխառն ջրերում ձկները սառեցնում են մահվան մինչև -0.8 ° C ջերմաստիճանում: Իմ ուսումնասիրությունը հանգեցրեց հակասառեցուցիչ գլիկոպրոտեինների հայտնաբերմանը, դրանց մի ծայրահեղ սառեցումից խուսափելու համար պատասխանատու միացություններին »:

Անտարկտիկայի սառցե սառցե դևերը, որն ուսումնասիրում էր, գտնվում են օրգանիզմների հատուկ ակումբում `ցածր ջերմաստիճանի ծայրահեղություններում ապրելու ունակությամբ: Այս օրգանիզմներից ոմանք, ինչպես հյուսիսամերիկյան փայտի գորտը, կարողանում են վերականգնել սառեցումից, իսկ ոմանք, ինչպես սառցե ձկնատեսակը, գոյատևում են `խուսափելով սառեցումից: Այս խմբում են նաև միջատներից մինչև դիատոմները մինչև սնկերը և բակտերիաները պարունակող մեծ շարք, որոնք գոյատևելու համար օգտագործում են, այսպես կոչված, սառույցով կապող սպիտակուցներ (IBP): Դրա համար նրանք օգտագործում են հինգ գլխավոր մեխանիզմներից մեկը ՝ հակասառեցում; սառույցի կառուցում, որտեղ, օրինակ, ջրիմուռը սառույցի մեջ կստեղծի ավելի չափավոր հեղուկ գրպան. սառույցին հավատարիմ մնալը, ինչպիսիք են որոշ մանրէներ. միջուկային սառույց; և խանգարում է սառույցի վերափոխմանը: Վերափոխումը վերածվում է սառցե բյուրեղների փոքր խոշորացման խոշորացման, քանի որ դրանք ներգրավվում են ջրածնային կապով կասկադի ազդեցությամբ:

McMurdo Sound ծովային սառույցը ՝ Բրյուս ՄակՔինլեյի կողմից, Flickr cc

Սառցաբեկորները զարգացրել են իրենց սեփական հակասառեցման ստեղծման առաջին ռազմավարությունը: Հակասառեցման սպիտակուցները (AFP) կարող են սահմանվել որպես ցանկացած սառցե կապող սպիտակուցներ, որոնք ընկճում են հիստերիայի սառեցման կետը հիպերեզի հալման կետից ներքև ՝ դրանով իսկ ստեղծելով «ջերմային հիստերիայի բացը»: Դրանք, որպես կանոն, ալֆա խխունջ գլիկոպրոտեիններ են, որոնք նաև հայտնի են որպես հակասառեցուցիչ գլիկոպրոտեիններ (AFGP) կամ ջերմային հիստերիայի սպիտակուցներ (THP): Երմային հիստերեզը սառեցման և հալման ջերմաստիճանների տարանջատումն է: Ձկները ի վիճակի են իջեցնել այն կետը, որի տակ սառեցնում է նրանց ներսում ջուրը, մինչդեռ այն հալման կետը մնում է նույնը (ավելի ուշ `զարմանալի զարգացումների մասին ավելի ուշ): Հասկանալու համար, թե ինչպես է այս գործը պահանջում ջրի համառոտ քննարկում:

Waterուրը երկրագնդի համընդհանուր միջոց է, իր ուրույն հատկություններով էական է կենսունակ պայմանների լայն տեսականի և ինքնին կենդանի էակների կարևոր մասն է: Ոչ մի այլ ընդհանուր նյութ, բնականաբար, գոյություն չունի մեր մոլորակի վրա բոլոր երեք փուլերում ՝ հեղուկ, պինդ և գազ: Ուժեղ կովալենտ պարտատոմսերը թթվածնի և ջրածնի ատոմները միասին պահում են մեկ մոլեկուլում, բայց ջրածնի ավելի թույլ պարտատոմսերը ջրի մոլեկուլները միացնում են միմյանց: Մոլեկուլի բևեռային բնույթը, թթվածնի բացասական և ջրածնի դրականությամբ, թույլ է տալիս այն հեշտությամբ կապել այլ մոլեկուլների հետ ՝ դառնալով գերազանց և ունիվերսալ լուծիչ: Hasուրը ունի բարձր ջերմային հզորություն, ինչը կարող է բնութագրվել որպես ջերմություն փոխելու հուսալիություն `չնայած շրջապատին: Սա ստեղծում է կլիմայի վրա մեծ չափավոր ազդեցություն շատ կշեռքների վրա: Հաշվարկվել է, որ մեր օվկիանոսները կարող են կլանել հազար անգամ ավելի ջերմություն, քան մեր մթնոլորտը ՝ առանց էապես փոփոխվող ջերմաստիճանի: Օրինակ, գլոբալ կլիմայի փոփոխության աճող ջերմության մեծ մասը, օրինակ, կլանված է երկրի օվկիանոսներով:

Երբ ջուրը սառն է դառնում, դրա խտությունը հետևում է կանխատեսելի նյութական տենդենցին, աճում է ավելի խիտ ջերմաստիճանի յուրաքանչյուր անկումով, մինչև 4 աստիճան C. Երբ ջուրը դառնում է սառույց, այն դառնում է ավելի թեթև, պակաս խիտ (մոտավորապես 9%), քանի որ ջրածնի ատոմները միանում են բյուրեղյա վանդակավոր կառուցվածքը: Այս բնութագիրը թույլ է տալիս, որ սառույցը լողանա իր խիտ հեղուկ փուլի գագաթին ՝ հնարավոր դարձնելով ջրագնդակի գերծանրքաշային կյանքը ամբողջ աշխարհում, ներառյալ Անտարկտիկական օվկիանոսը: Liquidրի ընդլայնումը հեղուկից պինդ փուլում փոփոխության արդյունքում կարող է նաև լինել ուժեղ խանգարող ուժ; ի վիճակի է պառակտել գրանիտը:

Այս ուժը կարող է հավասարապես լարվել ներբջջային և բջջային մակարդակում: Բջիջների ներսում պինդ ջրի ընդլայնումը կարող է դրանց պայթյունի պատճառ դառնալ, իսկ միջբջջային տարածքների սառեցումը առաջացնում է ջրի կորուստ և իոն և մետաբոլիտների ստեղծում, ինչպես սառույցը: Այս ջրի անհավասարակշռությունը հուշում է հեղուկի հոսք բջիջներից և դրանց միջև ընկած տարածությունների միջև: Սա կարող է հանգեցնել բջիջների ներսում իոնների թունավոր կոնցենտրացիայի կամ ճնշման դիմադրության զգալի կորստի և բջիջների փլուզման:

Թագավորությունների մի շարք օրգանիզմներ հարմարվել են ջերմաստիճանը, որը սառեցնում է ջուրը. Բույսերը, խմորիչները, մանրէները և կենդանիները, ինչպիսիք են ձուկն ու միջատները: Նրանք օգտագործում են տարբեր շերտեր, բայց բոլորը պետք է ապրեն իրենց միջավայրերի ֆիզիկական կանոններով, հատկապես ջրի բնութագրերով:

Երբ աղը լուծվում է ջրի մեջ, այն իջեցնում է իր սառեցման կետը: Ծովային ջուրը, հետևաբար, ունի մի փոքր տարբեր հատկություններ, քան թարմը, քանի որ լուծարված աղերը (3,5% բնորոշ ծովային ջրի համար) սառեցման կետը իջնում ​​են մինուս 1.9 աստիճանի C. Սա կոչվում է սառեցման կետի դեպրեսիա և հանդիսանում է տարածված զարգացած շերտավորում `շատ ցուրտ կլիմայի բնակիչների կամ հոգեֆիլների համար: . Դե Վրիեսը գիտակցեց, որ սառեցման կետի դեպրեսիան, որը դրսևորվում է իր գոյատևած մակերեսային ջրի ձկներում, չի կարելի բացատրել միայն ձկների շիճուկում սովորական մարմնի աղերով: Նա հորինեց մի շարք փորձեր ՝ տարբերելու իր երկու տեսակի ձկների քիմիական դիմահարդարումը և մեկուսացրեց գլիկոպրոտեինները, որոնք կարևոր էին նրա հայտնագործության համար: Սպիտակուցները իրենց կցվում էին սառցե բյուրեղներին ձկների արյան մեջ և կանխում նրանց աճը: Սա, համատեղելով մարմնի աղերի հետ, թույլ տվեց, որ ձկները պահեն հեղուկ արյունը մինուս 2.5 աստիճան C- ով:

McMurdo Station by Bruce McKinlay, Flickr cc

Վերջիվերջո նա և իր գործընկերները պարզեցին, որ այս գլիկոպրոտեինները պարտադիր էին սառցե բյուրեղներին անդառնալիորեն մի գործընթացում, որը նրանք անվանում էին adsorption-inhibition (DeVries and Raymond, 1977): Սա, այսպես կոչված, «քայլի պինդինգ» գործընթաց է, որի ընթացքում սառեցման համար անհրաժեշտ ֆիզիկական հաջորդականությունները ընդհատվում են կամ սահմանափակվում: Այս դեպքում AFP- ները կապում էին սառցե սառցե բյուրեղների փոքր բծախնդրություններին և ստիպելով սառույցի ձևավորումը դեպի կլանման տեղանքների միջև ընկած փոքր տարածքներ `դրանով իսկ սառցե վանդակապատի աճի ճակատը կորի վերածելով: Սա ստեղծեց ավելի բարձր մակերևույթի ազատ էներգիա և արդյունավետորեն իջեցրեց սառեցման կետը մի երևույթի մեջ, որը կոչվում է Գիբս-Թոմսոն էֆեկտ:

AFP– ները, որպես կանոն, փոքր բարդ սպիտակուցներ են ՝ ամինաթթու տրեոնինի էքսցենտրիկ բեռով: Threonine- ն ունի հիդրոֆիլային մակերես, որը ջրի մոլեկուլները թույլ են տալիս: Այս adsorption- ը խանգարում է միկրոկրիստալների համատեղմանը ավելի մեծ բյուրեղների մեջ և ջուրը պահպանում է հեղուկ վիճակում:

Թվում է, որ այս փոքր սառցե բյուրեղները մնում են ձկների մեջ իրենց կյանքի ընթացքում, բայց դա դեռ ուսումնասիրվում է: Թեև չկա որևէ ապացույց այն մասին, որ ձկները բացասաբար են ազդում բյուրեղների ամբողջ տարվա ներկայության վրա, Դեվրիսը կարծում է, որ նրանք պետք է ունենան մեխանիզմ `դրանք չեղյալ հայտարարելու համար: Վերջերս վերջերս զարմանալի մի բացահայտումն այն էր, որ AFP- ի առկայությունը բյուրեղները ստիպում են դիմակայել հալվելուն. դրանք հալելու համար անհրաժեշտ են ավելի բարձր ջերմաստիճաններ, ինչպես նաև դրանք կազմելու համար ավելի ցածր ջերմաստիճաններ:

Այն, ինչ հայտնի չէ, ըստ DeVries- ի, հենց այն է, թե ինչպես են այդ սպիտակուցները կարողանում հեղուկ միջավայրում պինդ փուլի ջրի մոլեկուլները ճանաչել և գերադասելիորեն կապել դրանց հետ: Դրանք, թե ինչպես կանխարգելում են աճը, դեռևս ուսումնասիրվում են, իսկ կլանման արգելքի մոդելը դեռ բաց է քննարկման և կատարելագործման համար: Այնուամենայնիվ, դա չի կարող հերքել դա որպես հաջող գոյատևման ռազմավարություն: Իսկապես, դա կոնվերգենցիայի օրինակ է, որը հաճախ բնույթ է կրում բնության արդյունավետ և ամուր լուծումների ցուցիչ, եթե ոչ երաշխիք: Ձկների երկու գենետիկորեն հստակ պոպուլյացիան ՝ մեկը Արկտիկայում (Արկտիկական կոդ) և մեկը ՝ Անտարկտիդայում (Notothenioids), մշակել են այդ տեխնիկան:

Հակասառեցման այս սպիտակուցների հայտնաբերումը գուցե մի ամբողջ հետազոտական ​​արդյունաբերության մեջ շոշափեցրել է իրենց ունակությունները, բայց արդյո՞ք դրանք կատարում են ինչպես առևտրային անուններ: Թվում է, որ դրանք, ըստ էության, շատ ավելի լավն են մեծության պատվերով: Պատճառն այն սելեկտիվությունն է, որը նրանք ցուցաբերում են սառույցի փոքր բյուրեղներին կցելու մեջ: Էթիլեն գլիկոլը, որը սովորաբար օգտագործվում է մեքենայի ռադիատորներում օգտագործվող կանաչ հեղուկը, աշխատում է զանգվածային գործողությունների ազդեցությամբ ՝ խաթարելով ջրածնի կապը գորգերի ռմբակոծության քիմիական համարժեքի միջոցով: Չնայած այն կայուն չէ, քիմիական նյութը չափավոր թունավոր թույն է: Կուլ տալու դեպքում այն ​​էթանոլի ջրածնի միջոցով վերածվում է օքսիդաթթվի: Oxalic թթուը ​​շատ թունավոր է, ազդում է կենտրոնական նյարդային համակարգի, սրտի, թոքերի և երիկամների վրա: Այն պատասխանատու է ամեն տարի տասնյակ հազարավոր կենդանիների թունավորումների և մարդկային հազարավոր թունավորումների համար: Էթիլեն գլիկոլը ցուցադրվել է որպես առնետների ավելի մեծ չափաբաժիններով զարգացող թունավոր:

Լաքեն, Xanthoria elegans- ը կարող է շարունակել ֆոտոսինթեզել -24 ° C ջերմաստիճանում: Լուսանկարը ՝ Jեյսոն Հոլինգեր

Մետաղական նան մասնիկներով պրոպիլեն գլիկոլը մշակվել է որպես էթիլեն գլիկոլի ավելի անվտանգ այլընտրանք, բայց պակասում է AFP- ի արդյունավետությունը: Այնուամենայնիվ, այն ավելի էժան է, մատչելի է և օգտագործում է սննդի արդյունաբերության մեջ արդեն իսկ օգտագործված և հաստատված FDA կողմից հաստատված նյութ:

Չնայած այս սպիտակուցների մեխանիզմի վերաբերյալ տասնամյակների հետազոտություններին, արդյունաբերության կիրառությունները մնում են քչերը, իսկ պաղպաղակում օգտագործված Արկտիկական ձկնաբուծական ձկներից սպիտակուցները վերականգնելը վերականգնելը կանխելու համար, իսկ AFP- ի և աճի հորմոնները, որոնք ներմուծվել են տրանսգենետիկ ֆերմերային սաղմոնի մեջ, ցուրտ եղանակի կարծրության և աճի աճի համար: Այն գտնվում է կենսաբժշկական ոլորտում, սակայն, որտեղ այդ սպիտակուցների օգտագործումը խոստանում է առավելագույն պարգևներ և մարտահրավերներ:

Օրգանիզմների տեղափոխումն ու փոխպատվաստումը, մարդու մարմինների պահպանումը բժշկության ապագա հրաշքների համար (կրիոնիկա) և վիրահատություն կատարելը բոլոր ջանքերն են, որտեղ AFP- ն կարող էր հեղափոխական դեր խաղալ: Միայնակ բջիջները, ինչպես սերմնահեղուկը և ձվերը, սովորաբար սառեցվում և պահվում են, բայց ավելի մեծ հյուսվածքն ավելի դժվար է պահպանել: AFP- ները հաջողությամբ օգտագործվել են առնետի և խոզերի սրտերը պահպանելու համար սառեցման ցածր ջերմաստիճանում: Մեկ փորձի արդյունքում հետազոտողները հանեցին առնետի սիրտը, այն պահեցին ստերիլ ջրի մեջ և AFP- ն մինուս 1.3 աստիճան C- ով 24 ժամվա ընթացքում, այնուհետև տաքացրած (ոչ պոմպային) սիրտը փոխադրեցին նոր առնետի:

Չնայած այս վաղ հաջողություններին և AFP- ի մեծ խոստմանը, մարդու օրգանների պահպանման տեխնոլոգիան դեռևս հետ է մնում բժշկական պահանջարկից: ԱՄՆ-ի Առողջապահության և Մարդկային ծառայությունների նախարարությունը գնահատում է, որ օրական մոտ 21 հիվանդ մահանում է սպասելու օրգանի համար, որը մատչելի չէ: Թոքերը մնում են օգտագործման համար ընդամենը տասներկու ժամվա ընթացքում և սրտերը միայն չորս կամ հինգ, օգտագործելով ներկայիս տեխնիկան: Cryoprotectants- ի թունավորումը և հալեցման խանգարող հետևանքները երկուսից առավել դժվարին խնդիրներ են: Չնայած ապակենտրոնացումը օրգանների արագ սառեցման արդյունավետ տեխնիկա է ապակե վիճակի վրա, տեխնիկայի մեծ մասը ապավինում է թունավոր քիմիական նյութերով լի բջիջները պոմպելուն, և այն գտնվում է հալեցման մեջ, որտեղ վնասը առավել ծանր է: Դիֆերենցիալ տաքացումը առաջացնում է հակառակորդ ուժերին ենթակա նյութի պառակտում և կոտրում: Մինեսոտայի համալսարանի մի թիմ, այնուամենայնիվ, աշխատում է նանոմասնիկների օգտագործման մեթոդի վրա `օրգանիզմները նրբորեն և միանվագ տաքացնելու համար, վերադառնալու կենդանի ջերմաստիճանին: Մագնիսական նանոմասնիկները հուզված են ռադիոալիքներով ակտիվության (և ջերմության) վրա, որը թիմը անվանում է «նանհոսող», և տեխնիկան հաջողությամբ օգտագործվել է բջիջների կլաստերի վրա:

Ուսումնասիրության մյուս թիմերը բնության այլ վայրերում փնտրում են նույնիսկ ավելի արդյունավետ հակասառեցման միացություններ: Մեկն այն գլիկոլիպիդն է, որը հայտնաբերվել է սառցող-հանդուրժող Ալասկանի բզեզի մեջ, Upis- ի կերամիկական բոյլերով, որը թույլ է տալիս միջատներին դիմանալ մինուս 60 աստիճանի ջերմաստիճանի և դեռ վերականգնել: Ընկերությունից հայտնում են, որ Հարավային Կարոլինայի բջջային և հյուսվածքային համակարգերը այն հաջողությամբ օգտագործում են հյուսվածքների պահպանում օրեր զրոյական ցածր ջերմաստիճանում ՝ առանց վատթարացման: Ըստ երևույթին, գլիկոլիպինը ծածկում է բջիջի մեմբրանը, զինելով այն արտաքին սառույցի դեմ և կնքելով այն բջիջից հեղուկի օսմոտիկ գծագրի դեմ:

Անկախ նրանից, որ սպիտակուց կամ գլիկոլիպիդ օգտագործելը, սառեցման ջերմաստիճանը իջեցնելը կամ դիմանալը սառեցվելուն պես, իրենք պոմպակայացնելով կրիոպրոտեկտենտներով լիցքաթափվելով, ինքնուրույն կնքելով կամ չորացնելով, բոլոր ոլորտների բնության օրգանիզմները եկել են ապրելու հազվագյուտ ցրտից: Դեռևս մարդկային հետազոտողներին մնում է բացել այս գաղտնիքները և օգտագործել դրանք կյանքի ավելի լավ պահպանման համար:

Սկզբնապես հրատարակվել է Zygote եռամսյակում: