За последние годы физика низких температур достигла огромных успехов. Для создания температуры в пределах одной миллионной градуса абсолютного нуля (0°К или —273°С) использовано явление электронного парамагнетизма.
Обнаружены интересные изменения в поведении веществ при очень низких температурах, причем некоторые из них имеют большое практическое значение. Сверхпроводимость металлов при температуре ниже 4°К, вероятно, будет использована при создании малогабаритных электронных вычислительных машин с большим объемом памяти, имеющей минимальное время выборки информации. Применение таких вычислительных машин на спутниках и ракетах облегчит передачу информации на Землю и. обеспечит полную автономность управления этими летательными аппаратами. Недалеко то время, когда люди, идя по стопам. Гагарина, будут свободно путешествовать в космосе и самостоятельно управлять своими кораблями. Они окажутся, однако, в очень тяжелом положении, если предварительно не будет полностью изучено влияние на организм излучения, невесомости, низких температур и других необычных для нас условий, с которыми человек может столкнуться в космических пространствах и на далеких планетах.
Огромные достижения в области техники, физики и химии, которые сделали возможным исследование космоса с помощью ракет и обеспечили нашу планету новыми неисчерпаемыми источниками энергии, в какой-то степени «затмили» успехи, достигнутые в биологических науках. А между тем и в этой области совсем недавно были получены очень важные практические результаты. Например, современные исследования в области физиологии дыхания привели к созданию легких кислородных приборов, которые могут быть использованы в условиях низкого атмосферного давления и низких температур. Благодаря такому прибору, по крайней мере частично, стало возможно покорение Джомолунгмы. Знания о влиянии холода на человека, а также о способах борьбы с ним имели существенное значение для успешных переходов в Антарктике и для проведения там геофизических исследований. Такие знания потребовались и для открытия на Крайнем Севере областей, где хранятся еще не использованные человеком огромные природные богатства.
Много разнообразных сведений относительно физиологических и патологических явлений, возникающих при действии низких температур, собрано в одной ранней монографии Физиологического общества, принадлежащей перу Бартона и Эдхолма. В дальнейшем было опубликовано немало исследований, посвященных механизму устойчивости к холоду у арктических млекопитающих и у людей, проживающих в холодных странах. Процесс адаптации и акклиматизации к холоду изучали не только на животных, но и на людях — участниках экспедиций в Северную Норвегию, Лапландию, Гренландию, Северную Канаду, Аляску, Антарктику и т. п. Кроме того, действие холода на животных и людей исследовали в лабораторных условиях. В результате были получены существенные данные относительно отморожения и его лечения. Поскольку эти данные уже рассматривались в «Annual Reviews of Physiology», а также на ряде конференций, нет никакой надобности вновь на них останавливаться.
В последние годы медицина сильно шагнула вперед. На основе фундаментальных исследований в различных областях биологии и физиологии выявлена сущность многих заболеваний и разработаны методы их лечения. Замечательных успехов добилась и хирургия. Например, сейчас уже возможно лечить врожденные и приобретенные пороки сердца путем хирургического вмешательства, при котором вскрывают предсердия и желудочки. Прогресс в этой области зависит прежде всего от наших знаний относительно физиологического действия низких температур тела.
У млекопитающих при понижении температуры внутри тела до 20—30° потребление кислорода отдельными тканями и органами также уменьшается. У собак и у человека при температуре тела 28—30° можно выключать сердце примерно на 8 мин без какого-либо повреждения головного мозга и других жизненно важных органов в результате прекращения доступа артериальной крови. При этом хирургические операции можно осуществлять на сравнительно обескровленном сердце. Физиологию гипотермии всесторонне изучали, и результаты подробно рассмотрены на конференциях Национальной академии наук и Нью-йоркской академии наук, на двух последних Международных физиологических конгрессах и во многих обзорных работах. Поэтому нет никакой необходимости приводить их здесь. Следует только упомянуть о результатах, имеющих отношение к проблеме оживления млекопитающих, охлажденных до таких температур, которые раньше считались летальными и при которых прекращается дыхание и сердечная деятельность. Ряд хирургов, в том числе Кенион, Дрью и Льюис, уже признал, что применение гипотермии в таких условиях дает определенные преимущества. Одна из проблем, подлежащих разрешению, заключается в оживлении млекопитающих после частичного замораживания или переохлаждения до температуры внутри тела ниже нуля. Это приобретает особую важность в связи с проблемой оживления замерзших людей. Отсюда возникают принципиальные вопросы относительно природы и определения смерти.
Другое достижение современной хирургии заключается в замене обтурированных или поврежденных артерий трубками из синтетических материалов (терилена, тефлона и т. п.) или же лиофилизированными, а затем увлажненными человеческими артериями. Можно также пересаживать и кости после лиофилизации. Трансплантаты такого типа представляют собой благоприятную среду, в которой разрастаются клетки хозяина, причем наличие живых клеток в имплантируемом материале не обязательно. В противоположность этому хорошие функциональные результаты при пересадке роговицы, вероятно, зависят от жизнеспособности клеток в пересаживаемой ткани. В связи с этим проблема хранения тканей в живом виде приобретает большое практическое значение. Охлаждение до температур чуть выше нуля удлиняет срок жизни клеток роговицы, кожи и других тканей, но не допускает длительного их хранения. Ранние попытки сохранить живыми ткани млекопитающих при низких температурах потерпели неудачи.
Сроки хранения скоропортящихся пищевых продуктов значительно увеличились благодаря охлаждению их до температур от —20 до —40°. Однако при этом сохранялись лишь вкусовые качества продукта, но не жизнеспособность растительных и животных тканей.
Новые перспективы открылись перед исследователями в связи с выявлением защитных свойств глицерина против летального действия низких температур на сперматозоиды птиц и быков при замораживании, хранении и оттаивании. В скотоводстве глицерин уже нашел широкое применение. Затем его стали использовать для продолжительного хранения при низких температурах кровяных клеток млекопитающих. К сожалению, еще не удалось добиться успеха в применении данного метода для сохранения изолированных яиц млекопитающих. Тем не менее какое-то число яиц, развивающихся в ткани яичника, переживает воздействие низких температур, а в трансплантатах обработанной глицерином ткани яичника, хранившейся много месяцев при низких температурах, восстанавливается эндокринная активность и способность к овуляции. На основании этого были разработаны методы хранения тканей других эндокринных органов в целях последующей пересадки их животным. Теперь аналогичные методы с успехом используют при консервации для нужд хирургии роговицы, костного мозга и других тканей человека. Кроме того, глицерин облегчает сохранение при низкой температуре некоторых простейших. До настоящего времени ряд болезнетворных микроорганизмов удавалось сохранять в живом состоянии только с помощью крайне трудоемкой методики пересева культур или же путем прививки их животным.
Многие более сложные виды пойкилотермных животных в зимнее время подвергаются воздействию сильного холода в природных условиях. Исследование механизма выживаемости представляет большой интерес с точки зрения как экологии в целом, так и общей физиологии. До недавнего времени полагали, что выживаемость морозоустойчивых насекомых зависит от их способности при переохлаждении впадать в спячку. Теперь же известно, что большая часть воды в организме зимующих куколок и личинок вымерзает. Крайне интересно, что у некоторых морозоустойчивых видов обнаружено высокое содержание глицерина. Этот факт представляет собой первое связующее звено между устойчивостью животных к замораживанию в естественных условиях и защитой живых клеток и тканей во время хранения их при низких температурах в условиях лаборатории. В настоящее время представляется маловероятным, чтобы глицерин был универсальным защитным средством. Большой интерес поэтому представляет дальнейшее изучение животных литоральной зоны, которые дважды в сутки в течение многих месяцев подвергаются замораживанию и оттаиванию. Когда было установлено, что глубоководные рыбы арктических морей, находящиеся всегда в переохлажденном состоянии, полностью сохраняют жизнедеятельность, в физиологии низких температур возникла еще одна новая концепция.
Несмотря на интенсивные исследования, до сих пор не до конца поняты основные причины повреждения живых клеток во время замораживания их до низкой температуры, последующего хранения и оттаивания. Неизвестно, всегда ли летально образование кристаллов внутри клеток, и если да, то что вызывает повреждение — сами кристаллы или же остаточная концентрированная жидкость в цитоплазме. При проведении исследований на эритроцитах было установлено несколько путей, посредством которых глицерин защищает живые клетки от повреждения во время замораживания и оттаивания, но полученные данные применимы не ко всем живым клеткам.
Многие другие нейтральные растворенные вещества оказывают некоторое защитное действие на клетки млекопитающих во время замораживания и оттаивания, однако они более токсичны и менее эффективны, чем глицерин. Тем не менее не исключена возможность, что какое-то другое, еще не испытанное в лабораторных условиях вещество окажется более действенным. Если это летучее вещество, его можно удалять вместе с молекулами льда путем возгонки в вакууме при низкой температуре. Клетки, в которых вымерзла вода, теоретически уже высушены. Следовательно, для их потенциальной жизнеспособности безразлично, останутся ли кристаллы льда на месте или их удалят. После удаления кристаллизованной воды материал можно хранить при комнатной температуре, не опасаясь биохимического или биофизического повреждения клеток. Такую методику в течение многих лет успешно применяли для консервации многих видов микроорганизмов. Однако впоследствии установили, что в лиофилизированных препаратах бактерий, в которых находили жизнеспособные клетки, оставалось какое-то остаточное количество влаги и при продолжительном хранении большое число клеток погибало. Позднее метод лиофилизации стали применять для консервации эритроцитов. При восстановлении высушенного материала смесью, содержащей декстран, эритроциты увлажнялись без возникновения гемолиза. Имеется сообщение о выживании сперматозоидов млекопитающих, высушенных согласно той же методике и в том же самом приборе. Остается выяснить, сохраняют ли высушенные клетки жизнеспособность в течение такого же периода времени, какой они переживают при низкой температуре в среде, содержащей глицерин. Во всяком случае, перед исследователями поставлен вопрос, имеющий большое принципиальное значение.
Основной принцип хранения живых клеток заключается в прекращении процесса старения и перерождения. В охлажденных живых клетках биохимические процессы, связанные с дыханием, обменом веществ и всеми другими сторонами взаимодействия между цитоплазмой клеток и окружающей средой, замедляются. При охлаждении клеток примерно до —79°, когда углекислота и другие газы затвердевают или сжижаются, все химические реакции должны или замедлиться во много раз, или же полностью прекратиться. В этом случае процесс старения, по-видимому, подавляется, и клетки можно хранить при этой температуре бесконечно долго. После согревания до нормальной температуры активность клеток полностью восстанавливается, и они доживают положенный им срок при условии, конечно, что не были повреждены ни во время охлаждения, ни во время оттаивания. В конце XIX в. ученые имели уже в своем распоряжении жидкий воздух и жидкий водород и с успехом использовали их для хранения бактерий и семян. В обезвоженных живых клетках биохимические взаимодействия, включая связанные с процессом распада, не могут происходить, так как они всегда зависят от присутствия воды. До недавнего времени полагали, что выживание после высушивания возможно только у растительных семян, спор плесневых грибов и бактерий и у некоторых особенно устойчивых бактерий и простейших (в том числе инфузорий) и нематод.
Проблему создания анабиоза, или латентной жизни, путем высушивания, сильного охлаждения и т. п. сравнительно недавно рассмотрел проф. Кейлин. Он обрисовал историю этого вопроса с момента открытия Левенгуком (250 лет назад), что крошечные животные, обитающие в сточных водах, продолжают жить в сухом осадке, остающемся после полного удаления влаги испарением. Их активность восстанавливается, как только этот осадок взвешивают в кипяченой дождевой воде. Когда впоследствии Нидхэм, а затем Бейкер и Спалланцани обнаружили, что безжизненные сухие волокна испорченных семян пшеницы при увлажнении проявляли признаки жизни и активно сокращались, вопрос о сущности жизни и смерти вызвал к себе особый интерес. Более столетия ученые не могли прийти к единому мнению относительно возможности восстановления жизни после полного ее прекращения. Появилось много противоречивых сообщений относительно устойчивости растений и животных к сильному холоду. Подробный обзор их приведен в классических монографиях Белерадека, а также Люйета и Гехенио. Поэтому при описании различных направлений в развитии физиологии и биологии низких температур достаточно будет упомянуть лишь основные исторические вехи.