книги из ГПНТБ / Крисс А.Е. Жизненные процессы и гидростатическое давление

ВВЕДЕНИЕ

Огромна область высокого гидростатического давления на по­ верхности нашей планеты. Более 70% ее занимают воды Миро­ вого океана, где с каждыми десятью метрами в глубину гидро­ статическое давление возрастает на одну атмосферу. Почти на 80% площади дна Мирового океана господствует давление свыше 300 атм, а на максимальных глубинах оно достигает почти

1100 атм.

С изобретением пороха человек получил возможность искус­ ственно создавать высокое давление; с XIX в. начинают расши­ ряться исследования действия высокого давления в физике и химии. Успехи в теории сопровождались блестящими достижения­ ми в использовании высокого давления для промышленных це­ лей. С его помощью удалось интенсифицировать многие химиче­ ские процессы, и с развитием техники сверхвысоких давлений оказалось доступным даже получение искусственных алмазов. Сейчас не только десятки и сотни атмосфер, но и давление свы­ ше тысячи атмосфер находит применение в промышленности, тогда как в лабораторных условиях стало возможным получать давления до 500 000 атм.

Изучение биологического действия давления начинается с се­ редины XVIII столетия, когда испытывали влияние газового давления до 20 атм (Bert, 1878; ШИ, 1912). Применение по­ вышенного гидростатического давления в несколько сот атмосфер в экспериментальных исследованиях над биологическими объекта­ ми (Certes, 1884; Regnard, 1884—1891) было начато под впечат­

Кнастоящему времени имеется уже значительная литература

одействии высокого давления на белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, бактериофаги, вирусы растений, животных и человека,

микроорганизмы, многоклеточные растительные и животные орга­ низмы.

Стало известно, что давление в несколько тысяч атмосфер вызывает коагуляцию белков, при этом меняются антигенные свой­ ства и теряется их токсичность. Показана возможность задержки

3

высоким давлением тепловой денатурации белка и даже ренатурация белка, денатурированного нагреванием. Получены данные о стимулирующем действии высокого давления на процесс поли­ меризации нуклеиновых кислот.

Многочисленные исследования доказывают ингибирующее дей­ ствие высокого давления на энзиматическую активность, однакоприводятся также примеры активации некоторых ферментативных процессов под влиянием гидростатического давления в несколько сот атмосфер. Выяснилось, что в определенных пределах высокое давление может ослабить инактивирующее действие физических и химических агентов на ферменты. Большой интерес представ­ ляет попытка использовать высокое давление для сдвига химиче­ ского равновесия в сторону синтеза белка в присутствии гидро­ литических ферментов.

Установлены величины давления, которое вызывает частич­ ную или полную потерю патогенности вирусов бактерий, расте­ ний, животных и человека. Привлекает внимание способность повышенного давления в некоторых случаях индуцировать обра­ зование фага в лизогенных культурах бактерий и актиномицетов.

Что же касается одноклеточных организмов, то подавляющее большинство исследований ставило своей целью выяснение поро­ га, за которым давление вызывает гибель клеток. Стало очевид­ ным, что устойчивость их к гидростатическому давлению в сотни атмосфер зависит от видовой принадлежности, а для данного вида — от величины и продолжительности давления. При соот­ ветствующей дозировке можно наблюдать бактериостатический и бактериолитическпй эффекты. Высокое давление может оказы­ вать ингибирующее действие на размножение клеток и на функ­ цию движения.

Новым направлением в изучении влияния повышенного дав­ ления на микроорганизмы, возникшим в последние годы, являет­ ся сравнительное исследование обмена веществ у микробных форм, способных размножаться как при атмосферном давлении, так и под давлением в несколько сот атмосфер. Эти сравнительные физиолого-биохимические исследования приближают к выясне­ нию особенностей обмена микробной клетки, которые наблюдают­ ся в природных местообитаниях, где высокое давление — один из основных экологических факторов.

В отношении высших форм жизни действие гидростатическо­ го давления испытывали главным образом для того, чтобы опре­ делить степень их выносливости, особенно обитателей водной сре­ ды, к этому экстремальному на суше фактору. Среди обследо­ ванных беспозвоночных и позвоночных животных наблюдали раз­ личную чувствительность к давлению и отмечали, что при уме­ ренном давлении возможно стимулирующее действие его на ды­ хание, эмбриональное развитие, сокращение мышц, а у расте­ ний — на прорастание семян. В последнее время расширились

4

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ►ВЫЗЫВАЕМЫЕ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

По изучению физических и химических явлений при высоком давлении имеются подробные сводки Бриджмена (1948) и Гоиикберга (1960). Высокое давление оказывает влияние на сжимае­ мость газов, жидкостей и твердых тел, на фазовые переходы, на вязкость и пластичность. Многие работы описывают терми­ ческие, электрические, магнитные и оптические эффекты высоко­ го давления.

Вхимии высокое давление значительно влияет на обратимые реакции, смещая химическое равновесие в сторону реакций, иду­ щих с уменьшением объема. Гоникберг (1960) приводит много­ численные примеры, характеризующие химическое равновесие при высоком давлении в газовых смесях, в жидкой и твердой фазах,

всистемах газ — жидкость и газ — твердое тело, а также в много­ фазных системах.

Вчисле этих примеров представлены данные по смещению химического равновесия в сторону большого выхода продукта реакции с увеличением высокого давления при синтезе аммиака, метилового спирта, в процессах гидратации этилена, алкилирова­ ния парафиновых и ароматических углеводородов, гидрирования ароматических углеводородов. Высокое давление приводит к сме­ щению ионного равновесия, увеличивая константу диссоциации, влияет на растворимость газов в жидкости и жидкости в газах, твердых тел в жидкостях и газах, на адсорбционное равновесие.

Накопленные за последние годы экспериментальные материа­ лы также позволяют судить о возрастании при высоком давлении скорости целого ряда химических реакций в газовой, жидкой и твердой фазах и в системе газ — жидкость.

Исключительное значение имеет высокое давление в процес­ сах полимеризации. Гоникберг в своей монографии (1960) описы­

вает реакции полимеризации под давлением свыше 1000 атм монолефинов, виниловых соединений, диеновых, полиеновых и кремнийорганических соединений, альдегидов, кетонов и нитритов. Давление приводит не только к ускорению полимеризации, но и к появленшо полимеров с новыми свойствами, когда участ­ вуют различные вещества.

Действие высокого давления прослеживается и в реакциях

6

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА БЕЛКИ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Давление в несколько тысяч атмосфер вызывает значительные изменения в физико-химическом состоянии и свойствах белков и нуклеиновых кислот. Эффект денатурации зависит от величины давления, продолжительности его действия, температуры, pH и других условий эксперимента.

ДЕЙСТВИЕ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ

Первое сообщение об изменении белка под высоким давле­ нием принадлежит Bridgman (1914). Через 30 мин. после нача­ ла действия давления 5000 атм и 20° уже было заметно сгуще­ ние яичного альбумина. При той же температуре и экспозиции давление 6000 атм вызывало коагуляцию белка, по виду напо­ минавшую свернутое молоко, тогда как давление 7000 атм при­

Увеличение продолжительности давления 5000 атм до одного часа сказалось незначительно на свертываемости белка. Некото­ рое уплотнение яичного альбумина наблюдалось под давлением 3000 атм с удлинением экспозиции до 16 час. Низкая темпера­ тура усиливала коагуляцию белка, вызванную высоким давле­ нием. При 6000 атм и 0° уплотнение его было большим, чем при 20°. Автор нашел различия между альбумином, коагулиро­ ванным давлением и свернутым кипячением: от белка, коагули­ рованного давлением, отделялось некоторое количество жидкости.

Желатина

Потерю воды гелем желатины под давлением отметили Lloyd a. Moran (1934). Содержание воды в геле уменьшалось вначале быстро с увеличением давления, а затем процесс отдачи воды замедлился при повышении давления от 500 до 2500 атм; при более высоком давлении этот процесс ускорялся. Давление уско­

8

ряет переход золя желатины в гель. Лейпунский (1940) показал, что скорость загустевания желатины в начальной стадии увели­ чивается под давлением 2000 атм в 2—2,5 раза по сравнению с атмосферным давлением (табл. 1).

В опытах (Ebbecke, Haubrich, 1936) с желатиной, яичным белком и сывороткой заметного повышения вязкости с увеличе­ нием давления до 500 атм не наблюдалось. Некоторые отличия вязкости от контрольной (при атмосферном давлении) были за­ метны под давлением 800 атм у молока, рыбной слизи и яичного желтка. Вязкость возросла на 11, 33 и 60% соответственно. Меньший процент возрастания вязкости в условиях давления 800 атм отмечался в растворах глюкозы и сахарозы, между тем как в 2,5%-ном растворе крахмала п в мёде опа повысилась более чем в два раза.

Однако самые высокие цифры были получены для жпдкого парафина и жиров: ментолового, касторового, оливкового, орехо­ вого масел и рыбьего жира, вязкость их достигала от 288 до 480% от контроля под действием давления 800 атм (табл. 2). Авторы заключают, что нет непосредственного физиологического влияния давления иа вязкость белков или протоплазмы, оно дей­ ствует только на липоиды клетки.

Переходы золь гель под высоким давлением были исследова­ ны (Marsland, Brown, 1942) на следующих объектах: миозин, метилцеллюлоза, желатина, плазмогели амёбы, элодеи, неоплодо­ творенные и оплодотворенные яйца Arbacia. Применяли давле­ ния от 1000 до 8000 ф/д2. Оказалось, что давление благоприят­ ствовало изменению состояния миозииа, метилцеялюлозы и внут-

9