2.2. Умови вітрифікації води в рослинних клітинах

Виникнення льоду – результат двох послідовних процесів: 1) утворення центрів кристалізації і 2) подальшого їх розростання. Перехід води в лід завжди починається в окремих точках системи – у так званих «зародках» (Фукс, 1935). Процес розвивається у вигляді ланцюгової реакції. Самочинне утворення центрів кристалізації проходить складно і тільки після дуже сильного переохолодження. Звичайно кристалізація викликається проникненням зачатків ззовні («запалу») або починається на сторонніх твердих поверхнях. Останні можуть адсорбувати один – два шари молекул рідини, чинячи на них орієнтуючий певний вплив, (Кобеко, 1952). Такі гетерогенні центри кристалізації потім легко досягають стійкої величини (Mason, 1958).

Для вітрифікації води необхідно попередити появу в ній центрів кристалізації або хоча б не допустити їхнього розростання. Для цього використовується дуже швидке і глибоке охолодження, а також підвищення в'язкості середовища. Високомолекулярні сполуки, особливо з розгалуженими молекулами, ускладнюють кристалізацію води і сприяють більш сильному її переохолодженню. Переходові води в склоподібний стан сприяють розчини гліколів, гліцерину, оксикислот (винна, лимонна), різних цукрів. Крім того, помічено, що кристалізація води ускладнюється в результаті укрупнення розчинених молекул шляхом утворення з них агрегатів. Цьому процесові сприяє охолодження і наявність полярності у молекул (Блюмберг, 1939). Отже, в'язкість середовища визначається не тільки концентрацією розчиненої речовини, але також формою і величиною молекул.

Для вітрифікації води усередині незагартованих рослинних клітин необхідно зменшити в них вміст води. Воду, яка залишилася, треба зробити важко замерзаючою введенням усередину протопласта захисних розчинів. Ці два фактори діють у природних умовах під час загартовуванні рослин. Під час першої фази загартовування відбувається накопичення в клітинах захисних речовин, під час другої – клітини збезводнюються шляхом утворення льоду в міжклітинниках (рис. 5). Після входження рослин у стан спокою протопласт набуває властивості, що ускладнюють утворення в ньому льоду. Але виникаюча в період спокою певна організація протопласта в стані захистити від замерзання тільки порівняно невелика кількість води, тому необхідно попереднє зневоднювання. Досліди, проведені пізньої осені, показали, що в жовтні під впливом низьких позитивних температур йде нагромадження в рослинах захисних речовин, що приводить до зменшення, ступеневі попереднього зневоднювання.

2.3. Механізми відмирання рослин при швидкому відтаванні

Для з'ясування механізму другої фази загартовування становить інтерес вивчення процесу загибелі рослин за дуже швидкого відтавання після сильних морозів (Туманів, Красенів, 1962). Отримані дані показали, що вирішальними факторами, що обумовлюють загибель, є: швидкість відтавання, кінцева температура охолодження, наявність у міжклітинниках достатньої кількості поталої води.

Причину загибелі після сильних морозів можна пояснити надмірно швидким усмоктуванням значної кількості поталої води сильно збезводненим протопластом. Очевидно, при цих умовах відбуваються механічні зміни в організації протопласта в результаті швидкого і сильного зсуву структурних часток по відношенню один до одного, які приводять до загибелі. Досліди показують, що в теплій воді підвищення температури пагонів відбувається з більшою швидкістю, ніж у повітрі. Отже, за достатнього надходження тепла в пагонах лід може швидко перетворюватися у воду. Протягом 2 секунд значна частина льоду в міжклітинниках устигає станути. Морозостійкі рослини мають високу проникність клітин для води. Тому протягом 2 секунд у зануреній у воду пагони потала вода може з міжклітинників у значній кількості всмоктатися сильно зневодненим протопластом. Відтавання пагонів на повітрі відбувається порівняно повільно. Наприклад, за температури повітря в 30° температура у пагоні з -37° піднялася до 1° протягом 3 хв. На повітрі при 20° це відбулося за 4 хв., а за температурі повітря 2° потрібно 45 хв., щоб досягти нуля. Крім швидкості обігріву на процеси відтавання впливають також наявність достатньої кількості поталої води в міжклітинниках і ступінь зневоднювання рослини під час заморожування під час позаклітинного льодоутворення.

На підставі отриманих даних можна припустити наступний характер відмирання замерзлих клітин за швидкого обігріву. У сильно збезводнений протопласт миттєво надходить потала вода в такій кількості, що нею ушкоджується ядро, хлоропласти і цитоплазма, але плазмалема відновлює свою напівпроникність, яка потім втрачається. Ймовірно, за таких умов відбувається швидкий зсув структурних часток по відношенню одна до одної, що приводить до руйнування наявної субмікроскопічної організації протопласта. Після цього він відмирає. Якщо усмоктування такої ж кількості поталої води протікає повільно, то орієнтування часток відносно одна одної зберігається, клітина залишається живою. Відмирання сильне зневоднених рослин після миттєвого відтавання подібно з витоком розчинних речовин з насіння на початку їх набрякання. Численні досліди не тільки з насінням, але і з пилковими зернами, спорами, лишайниками та іншими об'єктами показують, що мембрани можуть нормально функціонувати тільки за вмісту в клітинах не менше 20-30% води. За більш сильного зневоднювання мембрани стають пористими і проникними для розчинених речовин: амінокислот, цукрів, органічних кислот та інших (Simon, 1974). Звичайно такий фізіологічний стан мембран є оборотним. Після підвищення вмісту води в клітинах витік речовин з них припиняється.