О работах П.И. Бехтерава по анабиозу насекомых и млекопитающих
Л.А. Фролова
(Опубликовано в журнале “Историко-биологические исследования”, выпуск 6, изд-во “Наука”, Москва, 1978, cтр.167-174)
Явление анабиоза широко распространено в живой природе. Под анабиозом обычно понимается такое состояние организма, при котором жизненные процессы настолько замедлены, что отсутствуют все проявления жизни; при наступлении благоприятных условий нормальная интенсивность жизненных процессов восстанавливается. Впервые состояние анабиоза у представителей животного мира было открыто Левенгуком в 1701 г. у коловраток. Однако до сих пор анабиоз продолжает оставаться одним из наиболее невыясненных проявлений жизни.
Само слово “анабиоз” было предложено Прейером (1873) и в буквальном переводе означает “оживление” (от греческого ана — вновь, биоз — жизнь). Фактически в это время организм переходит в состояние скрытой жизни и более правильно было бы называть его “криптобиозом” (от греческого “криптос”) (Д. Кейлин, 1959).
В XVIII в. анабиоз изучали преимущественно при высыхании (Нидхем, Спалланцани). В XIX в. стали интересоваться также анабиозом при действии отрицательных температур. Оба эти направления исследований развивались в значительной мере независимо друг от друга, лишь временами совмещаясь. В изучении периода покоя у растений обособился специальный вопрос об их морозоустойчивости.
Большой вклад в развитие представлений об анабиозе внес известный русский физик и биолог-экспериментатор Порфирий Иванович Бахметьев.
П.И. Бахметьев родился в 1860 г. в крестьянской семье. Суровый режим в тогдашней школе, училище в Сызрани, полуголодная студенческая жизнь в Цюрихском университете (1879-1885), постоянная нужда — в таких условиях прошли молодые годы будущего ученого. И при этом ненасытная жажда знаний, большое трудолюбие, стремление к научному творчеству. Свою педагогическую и научную деятельность Бахметьев начал в Софийском университете в 1890 г., где он состоял профессором физики до 1907 г.. Профессию физика он совмещал с любовью к этимологии. Он хорошо знал насекомых и особенно интересовался бабочками Болгарии.
В 1897 г., готовясь к лекциям о теплоте у животных, Бахметьев обратил внимание на недостаточность в научной литературе точных данных о температуре тела насекомых. Это случайное обстоятельство, как он рассказывал, и побудило его обратиться к изучению температуры у насекомых[1]. Вскоре Бахметьев изготовил электрический термометр для измерения температуры тела насекомых и приступил к экспериментам. Позднее они привели его к серии работ по анабиозу у насекомых и млекопитающих[2].
Основным препятствием в работах Бахметьева было то, что они велись в областях природы, недосягаемых в то время для обычного экспериментатора; только изобретательность и замечательное техническое умение давали ученому смелость приступить к исследованиям и увенчали успехом разрешение задачи, которую он перед собой поставил.
Бахметьеву приходилось работать в убогой лаборатории. Большинство приборов было изготовлено им самим. “Я шестнадцать лет труда потратил на то, — писал Бахметьев, — что я мог бы сделать при мало-мальски благоприятных условиях в полтора года”[3].
Опыты, проведенные Бахметьевым на насекомых (первоначально на бабочках), состояли в следующем. Прежде всего измерялась температура тела насекомых в обычных условиях. Было установлено, что в спокойном состоянии температура их тела лишь на несколько десятых градуса превышает температуру окружающей среды. При возбуждении насекомого она сильно поднимается. Максимальная температура, которой могла достичь бабочка за счет собственной двигательной активности, не превышала 40,4oC; но часто уже при температуре 36oC она переставала трепетать крыльями — наступал как временный паралич, который через некоторое время проходил. При температуре 46o бабочка погибала. Причину смерти Бахметьев объяснял замедлением движения протоплазмы, а затем её разрушением.
Для определения влияния низких температур Бахметьев помещал испытуемое насекомое с введенной в его тело иглой термопары в воздушную ванну с температурой -20oC. В первых же опытах он наткнулся на явление так называемого температурного скачка, состоящего в том, что при снижении температуры тела насекомого на определенном уровне наблюдается внезапное повышение его температуры. Аналогичное явление было описано Г. Мюллером-Тургау в 1880 г. при изучении замораживания растений[4]. Температуру, при которой происходит скачок (в его опытах -9,3o), Бахметьев называл критической точкой. Значение, до которого при скачке поднимается температура (-1,7o), названо им точкой “нормального замерзания соков”.
Далее Бахметьев приступил к опытам, выясняющим непостоянство критической точки. Оказалось, что критическая точка тем выше, а точка замерзания тем ниже, чем скорость охлаждения больше[5]. Однако, как отмечает сам Бахметьев, соотношения здесь очень сложны или могут быть выражены кривой с одним или двумя максимумами. Большое влияние на положение этих точек оказывают возраст и пол насекомого, состояние сытости или голодания, а также относительное содержание воды в его теле.
Особое значение Бахметьев придает относительному количеству соков, которое он выражает соковым коэффициентом, представляющим собой отношение массы воды, содержащейся в теле насекомого, к живой массе тела. Соковый коэффициент находится в зависимости от питания насекомого: чем голоднее насекомое, тем гуще его соки и тем меньшей дробью выражается его соковый коэффициент. У самок он убывает при голодании сильнее, чем у самцов. Чем меньше соковый коэффициент, тем ниже точка замерзания. Положение критической точки, по-видимому, не зависит от сокового коэффициента, так как регулируется скоростью охлаждения.
Кроме того, Бахметьев проделал несколько опытов двух- и трехкратного замораживания: при повторном замораживании критическая точка значительно понижается, а при замораживании в третий раз переохлаждения не наблюдается вовсе. Возникает вопрос, что же происходит в этих опытах с организмом.
В первый период охлаждения до критической точки никаких существенных изменений в организме не происходит. Насекомое окоченевает, перестает двигаться, но, будучи разморожено, продолжает свою нормальную жизнедеятельность. Замерзание соков начинается после температурного скачка; с этого момента жизнь насекомого подвергается некоторой опасности. Однако при постепенном охлаждении до “точки смерти”, как называл Бахметьев летальную температуру, возврат насекомого к жизни еще возможен. Лишь достигнув этой точки, соответствующей критической, насекомое погибает.
Из 153 опытов, проведенных Бахметьевым, оказалось всего 24, которые представляли исключение из этого правила. В этих опытах насекомые либо погибали, не достигнув точки смерти, либо, достигнув её, возвращались к жизни после размораживания. Бахметьев заинтересовался истинной причиной гибели: от того ли, что по достижении данной точки замерзают все его соки.
Пользуясь калориметрическим методом, иначе говоря, определяя удельную теплоту таяния соков, Бахметьев предпринял ряд исследований для выяснения температуры, при которой происходит полное замерзание соков насекомого[6]. В качестве объекта были взяты куколки двух крупных бабочек - молочайного бражника (Deilephila euphorbiae) и ночного павлиньего глаза (Saturnia spini). После кропотливых предварительных исследований Бахметьев определил прежде всего удельную теплоту живых куколок, их сухого вещества и содержащихся в них соков. Получив соответствующие данные, он перешел к определению скрытой теплоты таяния (плавления) замороженных соков куколки. Оказалось, что у куколки молочайного бражника скрытая теплота таяния соков составляет 57 кал, а у павлиньего глаза она колеблется между 60,1 и 67 кал в зависимости от возраста куколок. При какой же температуре все соки куколки переходят в твердое состояние? Подойти к этому вопросу Бахметьев мог только косвенным путем: он определил количество калорий, выделяемых куколкой павлиньего глаза, охлажденной до той или иной температуры, при нагревании её до нуля, и вычислил, какое количество калорий при этом приходится на 1 г массы ее соков.
Бахметьев выяснил, что начиная от -1,2o число калорий, выделяемых на 1 г массы куколки, сначала быстро возрастает, а затем, около -4,5o, замедляется и соответствующая кривая обнаруживает очень плавный подъем. Бахметьев установил процентное отношение замерзших соков, находящихся в твердом состоянии, к общему количеству соков. Он привел также целый ряд косвенных доводов, подтверждающих, что при -4,5o замерзание соков прекращается, поскольку при этой температуре они все переходят в твердое состояние. Насекомое же погибает лишь при критической температуре -10o.
Естественно возникает вопрос, в каком же состоянии находится насекомое между -4,5o и -10o. Все жизненные процессы в нем остановились, но смерть ещё не наступила; насекомое может выжить, если его вернуть в благоприятные жизненные условия. Это и есть состояние анабиоза. “Итак, условия анабиоза у насекомых были найдены, — пишет Бахметьев. — Однако я не оставлял мечты найти условия анабиоза и у млекопитающих”[7].
В 1902 г. Бахметьев опубликовал в “Известиях Императорской академии наук” “План исследования анабиоза у теплокровных животных”. В популярной форме он развил свою идею в статье “Рецепт дожить до XXI в.”.
В 1912 г. Общество содействия успехам опытных наук и их практических применений имени Х.С. Леденцова в Москве заинтересовалось работами Бахметьева и выдало ему субсидию для исследования анабиотического состояния у летучих мышей. С большим энтузиазмом взялся Бахметьев за осуществление своей давней мечты. Ход опытов, если не считать некоторых изменений, связанных с более крупными размерами объекта исследования, оставался тем же, что и в случае работы с насекомыми.
Через полчаса после начала опыта Бахметьев наблюдал понижение температуры тела у летучих мышей с 26,4o до 0o; еще через полчаса она понизилась до -2o, затем падение температуры пошло быстрее, достигнув через 5 мин. -4o. Очень небольшой температурный скачок отмечался при -2,1o. Вынутая из охладительного аппарата с температурой тела -4o летучая мышь была твердой на ощупь и не подавала признаков жизни. Вскоре она, однако, отогрелась и возвратилась к жизни.
К сожалению, исследования Бахметьева на летучих мышах не были закончены. Была опубликована лишь их результативная часть без точных протоколов, цифр и графиков. Этими работами не было установлено, что у замороженных летучих мышей происходит полная остановка всех жизненных процессов, однако Бахметьев считал доказанной возможность анабиоза у млекопитающих, впадающих в спячку, и смотрел оптимистически на возможность приведения в анабиотическое состояние других млекопитающих.
Первым шагом к осуществлению этой идеи были опыты с кроликами. Основываясь на экспериментах немецкого физиолога Э. Дюбуа-Реймона, нашедшего способ превращать до известной степени любое теплокровное животное в животное с переменной температурой крови, а также исходя из того, что в крови животных, впадающих в спячку, содержится большое количество углекислоты, Бахметьев заставил кроликов дышать смесью углекислоты с кислородом и наблюдал, что при этом они впадают в летаргический сон. Эти опыты также не были закончены.
Бахметьев предсказал анабиозу большое будущее. Говоря о возможностях использования анабиотического состояния в практических целях, он привел несколько конкретных примеров приложения анабиоза к сельскому хозяйству[8]:
1. Разные виды гусениц бабочек приносят громадный вред лесоводству и земледелию. Они имеют своих паразитов (наездников и пр.). Но бывают годы, когда паразитов появляется мало, и тогда гусеницы приносят большой урон сельскому хозяйству. Бахметьев предлагает в годы, когда наездников появляется много, часть их подвергнуть анабиозу и хранить в жестяных ящиках до тех пор, пока в них появится нужда, и тогда перевозить их к местам большого скопления гусениц-вредителей.
2. Пчелиное семейство зимой съедает много меда. Бахметьев предлагает подвергнуть их анабиозу, что сэкономило бы много средств.
3. Ещё в то время было известно, что туберкулезные бактерии в агар-агаре, желатине и бульоне погибают при температуре -6o через несколько недель, а при -10o через несколько дней. Бахметьев предполагал заразить летучую мышь туберкулезом, затем подвергнуть её анабиозу при -8o на 1-4 недели. В случае удачи бактерии погибли бы, а мышь выздоровела. Этими опытами он хотел положить начало лечению туберкулеза у крупного рогатого скота и даже человека и настолько был уверен в успехе, что считал решение этой проблемы только вопросом времени[9]. Таким образом, Бахметьевым была намечена широкая программа по практическому применению анабиоза. Преждевременная смерть (1913) помешала её осуществлению.
Дальнейшие исследования подтвердили жизненность идей Бахметьева по использованию холода в борьбе с насекомыми-вредителями. многие работы[10], выполненные на конкретных биологических видах как в нашей стране, так и за рубежом, уже принесли ощутимые практические результаты. В то же время выяснилось, что предложение Бахметьева относительно анабиоза у пчел пока неосуществимо. Ещё в 30-х годах возможность замораживания на зиму пчел была опровергнута опытами Н.И. Калабухова[11].
Бахметьев планировал также эксперименты на рыбах. Опыты по транспортировке рыбы в состоянии окоченения были проведены П.Ю. Шмидтом и Г.П. Платоновы в 1936-1937 гг. Они показали, что в состоянии окоченения при охлаждении до 0o у рыб сильно подавляются процессы жизнедеятельности. Это, по их мнению, позволяет транспортировать охлажденную рыбу на дальние расстояния[12]. В последнее время исследователи занялись вопросом глубокого охлаждения спермы домашних животных с практическими целями, так как перед животноводством и рыбоводством задача длительного хранения спермы в состоянии скрытой жизни является очень важной. Сейчас в основном она решена[13].
Значение научного наследия Бахметьева неоспоримо. Ему принадлежит честь открытия явления переохлаждения и температурного скачка в организме насекомого, а также вывод о зависимости обеих точек, характеризующих состояние анабиоза, от количества воды в теле насекомого (“соковый коэффициент”). Бахметьев справедливо придавал большое значение скорости охлаждения организма.
Серьезному научному анализу работы Бахметьева подверглись уже после его смерти. Так, в 1923 г. П.Ю. Шмидт подверг сомнению вывод Бахметьева, что “точка смерти” насекомых при замерзании соответствует критической точке и отличается от неё лишь своим положением на температурной кривой после скачка. Второй вопрос, возбуждавший сомнения, — существует ли вообще анабиоз у насекомых в той форме, в какой он представлялся Бахметьеву, — был поставлен в 20-е годы. Н. Пейн[14] и Н.А. Сахаров[15] несколько изменили те положения, на которые опирались представления Бахметьева об анабиозе. “Критическая точка” и “точка полного замерзания соков” оказались в их опытах непостоянными. Положения этих точек на температурной кривой зависит не столько от окружающей температуры и быстроты охлаждения, сколько от содержания воды в теле насекомого. Находясь в зависимости от общих условий, обе точки связаны между собой, но эта связь сложнее, чем у Бахметьева. Во всяком случае точка смерти редко, а может быть, даже никогда не совпадает с критической точкой.
Бахметьев считал, что “критическая точка” тем выше, а “точка замерзания” тем ниже, чем скорость охлаждения больше, в то время как Х. Фойхтлендер[16] в исследовании, посвященном явлению переохлаждения в связи с замерзанием в растительных клетках, не обнаружил никакого влияния скорости охлаждения. Мнение Фойхтлендера разделял Н.А. Максимов, изучавший причины повреждения и гибели растительных объектов от отрицательных температур[17].
Максимов также отрицал наличие определенной смертельной точки. Он показал, что гибель растительных клеток происходит вследствие образования льда, причем чем больше льда образовалось в растении, тем скорее повреждение и гибель клеток. Расходясь с Бахметьевым в вопросе о моменте полного промерзания организма, Максимов тем не менее подтверждает его наблюдение, согласно которому частичное, нередко значительное образование льда не всегда влечет за собой отмирание организма. Между точкой замерзания и температурой, при которой происходит гибель организма, всегда имеется некоторый температурный интервал. Его величина зависит от видимой принадлежности и состояния объекта и всегда поддается измерению.
Как выяснилось в дальнейшем, вопрос о повреждении и гибели клеток оказался сложнее. И.И. Тумановым было установлено, что растения подготавливаются к зиме и проходят процесс закаливания под влиянием не очень низких температур, в результате которого они приобретают способность противостоять сильному снижению температуры[18].
Значение скорости охлаждения особенно ярко выявилось в явлении витрификации протоплазмы, открытом Лойетом в 1935 г. При очень больших скоростях охлаждения организма в протоплазме клеток не успевают сформироваться кристаллы льда, о образуется аморфный лед, который не повреждает протоплазму (в последнее время говорят также об очень мелких кристаллах льда). Благодаря процессу витрификации организм выносит температуры, близкие к абсолютному нулю (-259oC и ниже).
Недавно опубликованное исследование Ю.А. Самыгина[19] о влиянии разных условий замораживания и оттаивания на гибель клеток подтверждает смелые и оригинальные взгляды Бахметьева, высказанные на заре исследований по анабиозу. Опираясь на собственные опыты и многочисленные исследования о влиянии скорости охлаждения на повреждение и гибель клеток растительных организмов, Самыгин, также как и Бахметьев, придает важное значение скорости охлаждения клеток. В его работе показано, что для выживания клеток необходимы очень большие скорости охлаждения (более 100000o в мин.); при меньших скоростях (100-50000o в мин.) клетки погибают. Таким образом, новые исследования по проблеме анабиоза обнаружили очень сложную картину, показав, что решение этой проблемы зависит от многих условий.
Отметим в заключение, что некоторые закономерности, найденные Бахметьевым, оказались как бы первым приближением к реально существующим. Чтобы внести в них необходимые уточнения, нужны были более детальные исследования.
Некоторые из представлений, сложившихся у бахметьева, оказались явно ошибочными. Однако это вовсе не умаляет огромных заслуг замечательного исследователя, решительно и успешно прокладывавшего новые пути в исследовании самых скрытых явлений.
[1] П.И. Бахметьев. Как я нашел анабиоз у млекопитающих. — “Природа”, 1912, 1, №5, с. 606-622.
[2] П.И. Бахметьев. Собственная температура пчел и вообще насекомых. — “Русск. пчелов. листок”, 1899, 14, № 34, с. 612-614.
[3] П.И. Бахметьев. Как я нашел анабиоз у млекопитающих. — “Природа”, 1912, 1, № 5, с. 620.
[4] H. Mueller-Turgau. Ueber das Gefrieren und Erfrieren der Pflanzen. “Landwirtsch. Jahrb. Schweiz”, 1880, Bd. 9, S. 133-189.
[5] П.И. Бахметьев. Рецепт дожить до XXI века. — “Естествознание и география”, 1901, 1, № 8, с. 103-107.
[6] П.И. Бахметьев. Итог моих исследований об анабиозе у насекомых и план его исследования у теплокровных животных. — “Известия Акад. наук”, 1902, 17, № 4, с. 161-166.
[7] П.И. Бахметьев. Как я нашел анабиоз у млекопитающих. — “Природа”, 1912, 1, № 5, с. 622.
[8] П.И. Бахметьев. Анабиоз и его значение в сельском хозяйстве. — “Сельск. хоз. и лесов.”, 1912, т. CCXI, с. 345-354.
[9] П.И. Бахметьев. Теоретические и практические следствия из моих исследований анабиоза у животных. — “Природа”, 1912, 1, № 12, с. 1441.
[10] И.А. Рубцов. Биологический метод борьбы с вредными насекомыми. М.-Л.,“Огиз-Сельхозгиз”, 1948, с. 411; П.Ю. Шмидт. Анабиоз, 4-е изд. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1955; Л.К. Лозино-Лозинский. Явление холодоустойчивости у некоторых насекомых. — “Защита растений”, 1935, № 1, с. 15-22; Жизнеспособность и анабиоз при низких температурах у животных. - Добавление к книге П.Ю. Шмидта “Анабиоз”. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1955, с. 381-430.
[11] Н.И. Калабухов. Материалы по изучению оцепенения (спячки и анабиоза у пчел). — “Зоол. журн.”, 1933, 5, с. 163-176.
[12] П.Ю. Шмидт, Г.П. Платонов. Анабиоз и перевозка рыб без воды. — “ДАН СССР”, 1937, 15, № 5, с. 255-259.
[13] См., например: Л.К. Лозино-Лозинский. Явление холодоустойчивости у некоторых насекомых. — “Защита растений”, 1935, № 1, с. 15-22; Жизнеспособность и анабиоз при низких температурах у животных. — В кн.: Анабиоз, 1955, с. 381-430.
[14] N. Payne. Measures of insect cold hardiness. — “Biol. Bull.”, 1927, LII, № 6, p. 449-457.
[15] Н.А. Сахаров. К изучению холодостойкости насекомых. — “Журн. опыт. агр. Юго-Вост.”, Саратов, 1928, т. VI, вып. 2, с. 85-104.
[16] H. Voigtlaender. Unterkuhlung und Kaltetod der Pflantzen. — “Beitr. Biol. Pflantzen.”, 1909, 9, S. 359
[17] Н.А. Максимов. Борьба растений с холодом. — “Природа”, 1914, № 10, с. 1169-1190; Избранные работы по засухоустойчивости и зимостойкости растений, т. 2. М., Изд-во АН СССР, 1952, с. 64, 108, 157-159
[18] И.И. Туманов. Физиологические основы зимостойкости культурных растений. — М., Сельхозгиз, 1940.
[19] Ю.А. Самыгин. Причины вымерзания растений. — М., “Наука”, 1974, с. 160.
