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

Т а б л и ц а 80. Превращение пола у морской копеподы Tigrlopiis califoniicus под дей­ ствием повышенного давления продолжительностью в 2 часа (Vacquler, Belser, 1965)

дин копеподит, авторы объясняют тем, что к' этому времени пол уже формируется необратимо.

Todd (1972) обращает внимание на ускорение процесса тран­ сформации цист Naegleria gruberi в амебу, а затем в жгути­ ковую форму в результате действия давления 238 атм в течение 45 мин. при 21°.

Если в дистиллированной воде при атмосферном давлении требовалось 5—7 час. для появления флагеллят, то после снятия давления 238 атм жгутиковые формы возникали через 45— 60 мин.

Изменения в величине давления, увеличение или уменьшение продолжительности компрессии, понижение или повышение тем­ пературы не вызывали этого эффекта.

НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ И ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

Экологическая ниша, в которой возможно длительное сущест­ вование живого в условиях гидростатического давления, не про­ стирается за область величии, превышающих 1000— 1100 атм. Она находится в пределах давления, которое в основном присуще районам Мирового океана с глубинами, достигающими И 000 м. Об этом можно судить по находкам на дне столь глубоких впа­ дин ие только живых бактерий, по и животных.

Данный случай, когда многоклеточпыс животпые в состоянии конкурировать с бактериями по своей резистентности к экстре­ мальному действию физических факторов, является единственным, так как бактерии по устойчивости к высоким температурам и к радиоактивному излучению оставляют далеко позади себя осталь­ ные формы жизни.

Влпяипе гидростатического давления на организмы опреде­ ляется величиной и продолжительностью действия давления. При коротких экспозициях, не более нескольких десятков минут, воз­ можен выход за пределы указанных выше величин давления без потери жизнеспособности бактерий. Имеются отдельные сообще­ ния о выживаемости бактериальных клеток при удлинении вре­ мени действия давления 1400—3000 атм до многих часов.

Привлекает внимание то обстоятельство, что в лабораторных условиях во многих случаях не удается культивировать свежевыделепные с максимальных глубин Мирового океана бактерии даже под меньшим давлением, чем в их местообитании, где 1000 атм непрерывно действуют на все живое в течение миллионов лет. Возможно, это быстрое ослабление баротолераитпости объясняет­ ся вредным влиянием продуктов обмена, накапливающихся в ре­ зультате перехода бактерий к колониальному образу жизни, не­ обычному для них в естественных условиях существования в про­ точной системе.

Ниша жизни в условиях повышенного гидростатического дав­ ления не является единой для населяющих ее организмов: она расчленяется на ячейки, в которых способность к существова­ нию в условиях давления неодинакова у различпых обитателей. Эта способность, обусловленная главным образом эволюцией жи­ вого, наиболее развита на тех ступенях эволюционной лестницы,

238

где располагаются существа сравнительно низкой организации. Однако, как показали исследования в области баромикробио­ логии, чувствительность к давлению может определяться видовой принадлежностью, входить в число признаков штаммового разли­ чия и быть индивидуальной чертой особей, составляющих гене­ тически однородную популяцию. Можно наблюдать всю гамму адаптивных возможностей, от полного отсутствия барорезистент­ ности к относительно невысокому повышению гидростатическогодавления до высокой степени устойчивости, которая выражается

всохранении жизнеспособности под давлением 1500 атм и более-

втечение трех-четырех суток.

Действие гидростатического давления на биологические объек­ ты пе непосредственное. Оно опосредуется как результат влияния давления на физические, физико-химические и химические ха­ рактеристики жидкостей, растворов — минеральных, органических и смешанных, однофазовых, двухфазовых и трехфазовых систем.

Бароииша живого располагается ниже тех величин гидроста­ тического давления, при которых вызванные им физические, фи­ зико-химические п химические изменения в среде столь велпки, что выходят за максимальный уровень приспособительных воз­ можностей таких существ, как микроорганизмы.

То обстоятельство, что под давлением в несколько сот атмо­ сфер порождаемые им в клетке изменения могут переиоспться оргапизмами, например увеличение вязкости протоплазмы, свиде­ тельствует о выработке бароспецнфпческпх механизмов адапта­ ции, еще неизвестных нам, которые позволяют одному и тому же штамму бактерий проявлять себя одппаково при атмосферном давлении и под давлением 500, 800, 1000 атм в отношении такой важнейшей п чувствительнейшей к внешним факторам функции живых существ, как размножение.

Белки — структурная основа жизни — претерпевают денатурационные изменения, степень которых зависит не только от величины давления и длительности его действия, но и от их строения. Показательно, что различные фракции одной и той же кровяной сыворотки или антигенные белки одной и той же бак­ терии отличаются неодинаковой чувствительностью к высокому гидростатическому давлению. Так, в соответствующих опытах глобулины коагулировали под давлением 7000 атм, тогда как альбумины не деиатурировалпсь даже при 19 000 атм, хотя экс­ позиция давления была одинаковой; антиген Ѵі у бактерии Sal­ monella paratyphi сохранялся под давлением 5000 атм в тече­ ние 30 мин., а антиген Н не обнаруживался.

Если в данных примерах из литературы различия в характе­ ре реакции иа высокое давление определялись конституциональ­ ными особенностями белков, то легко себе представить, каким нивелирующим должен быть ответ клетки иа многозначность та­ ких реакций, чтобы предотвратить дисгармонию, могущую приве­ сти ее к смерти, когда в протоплазме гидростатическое давление

239-

«повышается ыа сотый атмосфер. Нужно учесть также влияние гид­ ростатического давления иа нуклеиновые кислоты, способствую­ щее реакциям полимеризации пх за пределы, оптимальные для клетки.

Однако гидростатическое давление, главной особенностью ко­ торого является благоприятствпе процессам, идущим с умень­ шением объема, и противодействие процессам, протекающим с увеличением объема системы, имеет сильнейшего антагониста — это температура, фактор, оказывающий противоположное дейст­ вие, чем давление.

Многие работы в различных областях баробиологии показы­ вают, что относительно небольшое повышение температуры спо­ собно снизить на много десятков атмосфер эффект экстремаль­ ных величин давления, уменьшив, таким образом, его неблаго­ приятное действие или устранив его совсем. Поэтому можно предположить, что главная роль в защитном (от давления) меха­ низме клетки принадлежит температурному фактору, регулируе­ мому экзотермальпыми процессами в ней.

Как и ингибирующий, стимулирующий эффект гидростатиче­ ского давления, наблюдающийся и под влиянием других факто­ ров, не различается по широте действия па биологические объ­ екты: ои имеет место у ферментов, одноклеточных и многокле­ точных оргаппзмов, в мышечной п первион ткани, указывая этим на отсутствие явных различий в механизмах, вызывающих дан­ ное явление в результате действия гидростатического давления или иных агентов.

Гидростатическое давление также влияет на синтез белка и нуклеиновых кислот, ингибируя или стимулируя включение в их состав аминокислот п компонентов ДНК и РНК.

Пребывание оргаппзмов в условиях повышенного гидростати­ ческого давления может усилить процессы, обусловленные мута­ генами. В литературе описан индуцирующий эффект давления, выражающийся не только в увеличении числа мутантов, но и в сдвигах в пх качественном составе; известен пример действия гидростатического давления как собственно мутагенного фак­ тора.

Высокое гидростатическое давление оказывает инактивирую­ щее действие на вирусы. Картины, наблюдаемые в электронном микроскопе, показывают различные изменения морфологии час­ тиц бактерпо- и актинофагов, инактивированных давлением. Од­ нако наблюдаются случаи, когда структура фагов не меняется в препаратах, полностью утративших литическую активность; про­ исходит как бы фиксация фаговых частиц давлением. На неко­ торых электронограммах бактериофагов, пробывших под высоким давлением продолжительное время, можно было увидеть раскру­ чивание тяжей нуклеиновых кислот на более тонкие нити и дру­ гие картины пх дезагрегации.

Высвобождение нуклеиновых кислот отмечено и у вирусов

240

растений, об этом судили по малому количеству фосфора в коагу­ ляте вируса табачной мозаики после давления 6000—8000 атм. Такие величины гидростатического давления и меньшие, но пре­ вышающие 1000 атм, требовались для инактивации целого ряда вирусов растений, животных и человека, в том числе и вирусов перевиваемых опухолей. В этих пределах величии давления инак­ тивирующий эффект зависел от продолжительности давления и индивидуальной чувствительности вирусов.

Влияние повышенного гидростатического давления может ска­ зываться также у бактерий на тех сторонах нуклеинового обме­ на, которые приводят к новообразованию вирусов, поражающих их. Описаны явления, свидетельствующие об индуцирующем влиянии давления в несколько сот атмосфер на лизогению.

Характерной чертой отношения изолированных ферментов к гидростатическому давлению (исследовались представители раз­ личных классов ферментов) является сохранение их активности под давлением, значительно превышающим порог жизнеспособно­ сти организмов и близким к пределу, за которым наступает де­ натурация белков. Однако имеется пример с инсулином, когда он коагулировал после продолжительного давления 10000 атм, но сохранил физиологическую активность. Поскольку тепловая дена­ турация инсулина приводит к его инактивации, этот пример рас­ сматривается как показатель специфики воздействия гидростати­ ческого давления на белок, проявляющейся в различных измене­ ниях в нем, вызванных давлением и порожденных нагреванием.

Испытания ферментов на устойчивость к гидростатическому давлению показали также, что его инактивирующее (полностью), пнгибирующее и стимулирующее действия определяются величи­ ной и продолжительностью давления, pH, температурой, индиви­ дуальностью фермента и течением реакции, которую он катали­ зирует (идет ли она с увеличением или уменьшением объема си­ стемы) .

В тех опытах, когда отмытую от питательной среды суспен­ зию бактериальных клеток применяли в качестве ферментного препарата для определения влияния гидростатического давления на активность дегидрогеназ пли других ферментов клетки, чувст­ вительность таких систем к гидростатическому давлению была большей по сравнению с изолированными ферментами, но мень­ шей, чем с размножающимися под давлением бактериями.

Интересна идея использования высокого гидростатического давления для создания сдвигов в химическом равновесии: фер­ ментативный гидролиз^ферментативный синтез, в сторону ресин­ теза гидролитическими ферментами белков и углеводов из про­ дуктов их гидролиза, осуществленного этими же ферментами. Однако результаты исследований, проведенных в этом направле­ нии, оказались спорными.

Баротолерантные бактерии, составляющие часть биоценоза в биотопе, характеризующемся постоянным гидростатическим дав-

лением, достигающим 1100 атм, широко распространены не толь­ ко в Мировом океане, но и на суше. Они обнаружены в по­ верхностных слоях глубоководных илов и в поверхностных слоях почв разного типа. Объяснить их существование в постоянных условиях атмосферного давления можно лишь значительной ам­ плитудой толерантности к давлению от одной атмосферы до не­ скольких сот атмосфер, т. е. способностью размножаться в таком диапазоне величин гидростатического давления.

Если функционирование под давлением, свойственным место­ обитанию бактерий в глубинах океана, легко рассматривать, как приспособление к длительно господствующему там фактору, то способность почвенных бактерий осуществлять свою жизнедея­ тельность под давлением в несколько сот атмосфер, по-видимому, приобретена ими в результате адаптации их к осмотическому давлению в почвах, подчас достигающему высоких значений.

Среди бактериальных культур, выделенных со дна КурилоКамчатской впадины, оказались: 1) штаммы, размножающиеся только при атмосферном давлении; 2) штаммы, дающие боль­ ший урожай при атмосферном давлении, чем под давлением в месте их выделения; 3) штаммы, накапливающие примерно оди­ наковую биомассу при одной атмосфере и давлении, несколько меньшем по сравнению с их местообитанием и 4) штаммы, фа- культативно-барофильные, которые размножались лучше при по­ вышенном гидростатическом давлении по сравнению с атмосфер­ ным. По числу штаммов эти группы располагались в следую­ щем порядке: вторая группа>третьей>первой>четвертой. Обли- гатно-барофильные бактерии, описанные в литературе, не были обнаружены.

Вряд ли такие соотношения имеют место в природной об­ становке. Они сложились, по-видимому, искусственно, поскольку около половины культур, выделенных с различных глубин Миро­ вого океана, погибает в первых пересевах. Штаммы первой груп­ пы, очевидно, представляют бактериальные формы из верхних слоев, сохраняющие жизнеспособность, но не размножающиеся в условиях повышенного гидростатического давления. Что касает­ ся остальных групп, то можно предположить, что их отноше­ ние к давлению несет отпечаток культивирования в лабораторных условиях, где естественная обстановка существования в проточ­ ной среде сменяется колониальным образом жизни в замкнутой системе. В этом отношении показателен случай, когда изменения в питательной среде лишили факультативно-барофильный штамм его барофильных свойств.

Остается пока открытым вопрос о существовании облигат­ ных барофилов, т. е. микробных форм, способных размножаться только в условиях высокого давления, и о превалировании обли­ гатных барофилов в численности над баротолерантными бакте­ риями в природных местообитаниях, где давление 700—1000 атм является постоянно действующим фактором.

242-

Выход в зону внеоптимальных величин гидростатического давления у бактерий проявляется различным образом: в зависи­ мости от видовой принадлежности, штаммовой и индивидуаль­ ной чувствительности, величины и продолжительности давления, температуры и ряда других условий культивирования в лабора­ тории, значение которых еще мало или совсем не учитывается.

Гидростатическое давление может давать следующие эффек­ ты: бактериолитическое действие — автолиз и лизис с разрывом стенки бактериальной клетки и вывалившимся содержимым ее, картины, хорошо видимые в электронном микроскопе; бактери­ цидное действие — необратимая утрата функции размножения и функции движения, цитологические изменения в виде контракции или обособления отдельных частей протоплазмы, автолиз; бакте­ риостатическое действие — обратимая потеря способности к раз­ множению и движению, которая восстанавливается сразу же пос­ ле декомпрессии или спустя длинный или короткий срок.

Виеоптимальное гидростатическое давление может вызывать и другие изменения бактериальных клеток, не отражающиеся на их жизнеспособности. Они удлиняются, не проявляя признаков деления, превращаются в нити, достигающие иногда значитель­ ной длины, распадающиеся затем на фрагменты различной про­ тяженности. Эти явления указывают на то, что функция роста более устойчива к действию гидростатического давления, чем функция размножения.

К числу прижизненных изменений относятся также утраты вирулентности, пигментообразующей способности, некоторые уль­ траструктурные изменения в оболочке, протоплазме и ядерном аппарате бактерий.

Еще мало исследовано явление барорезистентности микроор­ ганизмов, хотя опубликован ряд работ, задачей которых было установление величины давления, лишающей жизнеспособности различные микробные виды. Оказалось, что она может сохранить­ ся даже под давлением в несколько тысяч атмосфер, если про­ должительность его невелика.

Но неизвестно, как долго могут микроорганизмы оставаться живыми под сравнительно небольшим гидростатическим давле­ нием, неблагоприятным для их жизнедеятельности, если судить по отсутствию роста и размножения их в таких условиях. Опыты в этом направлении лишь показали, что несколько десятков штам­ мов актииомицетов и микроскопических мицелиальных грибов, не растущих под давлением 300 атм, не теряли способности раз­ множаться при атмосферном давлении после трехсуточного пре­ бывания под давлением 500 атм. Нужно отметить, что предста­ вители этих двух классов микроорганизмов отличаются низкой толерантностью к гидростатическому давлению и, по-видимому, этим обстоятельством объясняются очень редкие находки их в глубинах Мирового океана.

У баротолерантных бактерий способность одного и того же

9* 243

штамма размножаться при одной атмосфере и нескольких сот ат­ мосфер является довольно устойчивым признаком. Многие штам­ мы из Курило-Камчатской впадины хорошо размножались после двух лет культивирования в условиях атмосферного давления — под давлением 550, 650 и 750 атм. Культивирование смешанной микрофлоры из глубоководных илов Черного моря в течение по­ лутора лет под давлением 400 атм с пересевами через один-два месяца также не повлияло на их способность к размножению под этим давлением и при одной атмосфере.

Антагонистическое действие температуры на ингибирующий эффект повышенного гидростатического давления в отпошеппи размножения проявлялось не во всех исследованиях — некото­ рые авторы отмечают усиление задерживающего влияния на раз­ множение бактерий при супраоптимальных температурах; при субоптимальных температурах возрастало бактериостатическое действие давления.

Обмен веществ у баротолерантных бактерий претерпевает из­ менения в условиях повышенного гидростатического давления, как это видно на примере метаболизма глюкозы. В сравнитель­ ных опытах при разных величпиах давления увеличивалось по­ требление глюкозы, выход спирта п летучих кислот и уменьша­ лось образование углекислоты под давлением 500—575 атм, ин­ гибирующим Pseudomonas sp. Между тем под оптимальным давле­ нием (350 атм), способствующим большему накоплению бактери­ альной массы, чем при атмосферном давлении, ассимилировалось наименьшее количество глюкозы и максимальным было продуци­ рование углекислоты; продукция сппрта и летучих кислот изме­ нялась мало. Судя по пониженному выходу СОг и повышенной продукции менее окисленных продуктов, глюкоза используется менее полно при ингибирующем давлении, чем при оптимальном. По-видимому, недостаток энергии для клеток из-за неполного использования глюкозы компенсируется усиленным потреблением ее при 500 атм и выше.

Выяснилось также, что при увеличении температуры до суп­ раоптимальной для размножения (40°) бактериальная клетка по­ требляла почти в три раза больше глюкозы и образовывала спирта в два раза, а летучих кислот в восемь раз больше, чем при оптимальной температуре (28°).

Сравнительные физиолого-биохимические исследования баро­ толерантных и барофильных бактерий при культивировании их под гидростатическим давлением в несколько сот атмосфер и ат­ мосферном давлении открывают перспективу применения гидро­ статического давления для направленного воздействия на метабо­ лизм бактериальной клетки для усиления тех функций, которые способствуют накоплению метаболитов, полезных для человека.

Надо полагать, что сказанное в полной мере относится и к другим классам микроорганизмов, кроме бактерий. Однако пока бартолерантные формы, способные размножаться под гидростати­

244

ческим давлением в несколько сот атмосфер, не описаны среди микроскопических мицелиальиых грибов, дрожжевых организмов, актииомицетов, проактиномицетов, микобактерий и в других так­ сономических группах микроорганизмов.

Некоторые сведения имеются о баротолераитиых одноклеточ­ ных водорослях Chlorella, Hydrodiction, Cryptomonadae, кото­ рые были способны размножаться под давлением 500 атм; у одно­ го из видов давление 300—500 атм даже увеличивало скорость деления.

Казалось бы, специфические черты действия высокого давле­ ния на семена отдельных растений: увеличение числа проросших семян па 50, 150, 200% после давления 2000 атм в течение 5—20 мин.,— получили свое объяснение. Непроницаемость оболочки семян могла преодолеваться высоким гидростатическим давлени­ ем, аналогично влиянию обработки их кислотами и другими средствами, облегчающими доступ воды внутрь. Далее, выясни­ лось, что меньшее давление (500 атм), но при большей продол­ жительности снижало жизнеспособность семян в такой мере, что число погибших нормальных семян превышало число проросших семян с твердой оболочкой. Сходство с эффектом действия по­ вышенного гидростатического давления на другие биологические объекты выражалось и в антагонистической роли температурного фактора.

Повышение гидростатического давления влияет на фотосин­ тез водных растений в сторону усиления его интенсивности; изо­ лированные хлоропласты теряют фотосинтетическую активность.

В мире животных простейшие наиболее близко стоят к бак­ териям и одноклеточным водорослям по своей чувствительностп к повышенному гидростатическому давлению. Их баротолерант­ ность также зависит от видовой принадлежности и индивидуаль­ ных особенностей, величины и продолжительности давления, чаще всего не превышающего 500 атм, хотя и имеются отдельные иск­ лючения.

И у одноклеточных животных первой видимой реакцией на внеоптимальиое давление является прекращение размножения и движения, однако новый признак, не обнаруженный у бактерий даже с помощью электронного микроскопа,— округление клеток, сопровождаемое едва заметным увеличением их объема. Такие же явления описаны у фибробластов и эритроцитов; очевидно, ска­ зываются различия в ригидности клеточной стенки у бактерий и животных.

При неблагоприятных величинах гидростатического давления нарушается амебоидное движение, характерное не только для ряда простейших, но и для клеток высших форм: белых кровя­ ных телец, клеток соединительной ткани и клеток, мигрирующих в участки формирующихся тканей эмбриона. У амеб это выража­ ется во втягивании псевдоподий, и животное превращается в неподвижное шаровидное тело.

245

Выдвинутая ранее гипотеза о том, что типичные картины амебоидного движения вызываются переходами плазмогелъч^ ^плазмозоль, получила подтверждение в опытах с действием по­ вышенного гидростатического давления на амебу. Вследствие того,' что повышенное давление не способствует увеличению плотности протоплазменного геля, как у обычной желатины, а, наоборот, разжижает его, происходит превращение плазмогеля в золь и протоплазма принимает вид капли жидкости. Если эти изменения обратимы, то после декомпрессии вновь образуется протоплаз­ менный гель, появляются псевдоподии и восстанавливается ха­ рактерное движение животного.

Аналогичным образом сторонники гипотезы о направленном действии повышенного гидростатического давления в сторону пе­ рехода плазмогеля в плазмозоль объясняют изменения, обуслов­ ленные влиянием этого фактора на деление клеток животных.

Борозда деления у оплодотворенных яиц, углубляющаяся в процессе разделения материнской клетки на две дочерние, исче­ зает, как только применяется достаточное давление; это наблю­ дается даже на стадиях деления, когда в дочерних клетках уже имеется по ядру и они соединены лишь узким мостиком плазмы. При обратном развитии, происходящем под давлением, яйцо при­ обретает первоначальный вид, и после снятия давления вновь на­ блюдается картина деления; развитие оплодотворенного яйцач=ь ^обратное развитие, соответствующее переходам нормальное давленне^повышеиное гидростатическое давление, можно повторять несколько раз.

Сторонники гипотезы о том, что эти явления определяются реакциями перехода плазмогольч=ьплазмозоль, отмечают необходи­ мость более высокого давления для превращения плазмогеля в плазмозоль и, следовательно, блокирования деления, когда повы­ шение температуры нлн соответствующие концентрации D2O уве­ личивают плотность плазмогеля.

Привлекает внимание то обстоятельство, что гидростатическое давление, ингибирующее деление клеток животных, колеблется в сравнительно небольших пределах, при 200—400 атм, у предста­ вителей таких различающихся систематических групп, как прос­ тейшие, иглокожие, кольчатые черви, моллюски, насекомые; лишь для лягушки Rana pipiens и нематоды Ascaris niegalocephala var. univalens эта величина составляет около 600 и 800 атм.

Тканевая реакция у животных на повышение гидростатиче­ ского давления включает как общую, характерную для всего жи­ вого, гибель ее, когда величина и продолжительность давления уже оказывают летальное действие, так и особенности, обуслов­ ленные функциональной спецификой ткани.

Влитературе имеются сообщения о необратимых изменениях

вмышце под давлением 400, 500, 700 атм, а также о типичной

реакции в виде сокращения в ответ на повышение гидростати­ ческого давления до величин, меньше летальных. Это сокраще-

246