Анабиоз: состояние организма

Анабиоз — обратимое состояние организма, при котором жизненные процессы (обмен веществ, дыхание, рост, размножение) практически полностью приостанавливаются или замедляются до такой степени, что видимые проявления жизни отсутствуют. Термин происходит от греческих слов «ana» (обратно, вновь) и «bios» (жизнь), что буквально означает «возвращение к жизни». В отличие от смерти, анабиоз является временным и физиологически обратимым: при наступлении благоприятных условий организм восстанавливает нормальную жизнедеятельность. Состояние анабиоза рассматривается как адаптивный механизм, позволяющий видам переживать неблагоприятные периоды — экстремальные температуры, засуху, недостаток кислорода и другие стрессовые факторы.

Физиологическая сущность

В состоянии анабиоза резко снижается интенсивность метаболических процессов. Вода в тканях переходит в связанное состояние или частично выводится из организма, что предотвращает повреждение клеточных структур при замерзании. Дыхание и сердцебиение замедляются до единичных актов в минуту или прекращаются вовсе. При этом клетки сохраняют жизнеспособность благодаря наличию защитных веществ — например, трегалозы и пролина, которые стабилизируют мембраны и белки.

Ключевым отличием анабиоза от сна или оцепенения является глубина угнетения жизненных функций. Если при спячке обмен веществ снижается в десятки раз, то при анабиозе — в сотни и тысячи раз. В некоторых случаях регистрируется состояние «скрытой жизни», когда метаболизм не обнаруживается доступными методами измерения, однако при помещении организма в оптимальные условия он возвращается к нормальному функционированию.

Классификация и виды

В зависимости от механизма и условий возникновения выделяют несколько форм анабиоза:

• Гипобиоз — состояние, вызванное понижением температуры тела (например, у холоднокровных животных при зимнем оцепенении).
• Криптобиоз — состояние, связанное с обезвоживанием организма (характерно для семян растений, спор бактерий, цист простейших, коловраток и тихоходок).
• Ангидробиоз — крайняя форма криптобиоза, при которой содержание воды в тканях падает до 1–2 % от нормы.
• Аноксибиоз — приспособление к длительному отсутствию кислорода (наблюдается у некоторых беспозвоночных).
• Осмотический анабиоз — возникает при помещении организма в гипертонические растворы, вызывающие обезвоживание клеток.
• Искусственный анабиоз — состояние, вызываемое экспериментальным путём (гипотермия, химические вещества, изменение газовой среды).

Отдельно рассматривают криоанабиоз — состояние, достигаемое при глубоком охлаждении. При этом клетки и ткани переходят в стеклообразное состояние, что используется в криоконсервации биологических материалов.

Распространение в природе

Анабиоз широко распространён среди микроорганизмов, растений и беспозвоночных животных. Споры бактерий сохраняют жизнеспособность в течение десятков и сотен тысяч лет — известны случаи прорастания спор, выделенных из вечной мерзлоты и древних геологических отложений. Семена и споры растений могут находиться в состоянии покоя десятилетиями, дожидаясь благоприятных условий для прорастания.

Среди многоклеточных животных наиболее известными обладателями способности к анабиозу являются тихоходки (Tardigrada) — микроскопические беспозвоночные, способные переносить полное высыхание, нагрев до 150 °C, охлаждение до −272 °C, воздействие вакуума и высокие дозы радиации. В состоянии криптобиоза тихоходки теряют до 95–99 % воды, сокращаются в размерах и могут оставаться в этом состоянии годы и десятилетия.

Коловратки, нематоды, некоторые ракообразные (например, артемии) также демонстрируют способность к ангидробиозу. Среди позвоночных настоящий анабиоз встречается редко; чаще наблюдаются близкие состояния — зимняя спячка у млекопитающих и оцепенение у птиц и рептилий, которые не являются полным анабиозом, но используют сходные принципы экономии энергии.

Механизмы защиты клеток

Устойчивость клеток к высушиванию и замораживанию обеспечивается комплексом биохимических адаптаций. При обезвоживании в клетках накапливаются сахара (трегалоза, сахароза), которые заменяют воду в гидратных оболочках белков и липидов, предотвращая их денатурацию. Синтезируются белки теплового шока (шапероны), стабилизирующие структуру других белков. Липидный состав мембран изменяется таким образом, чтобы сохранять текучесть при низких температурах.

У тихоходок дополнительно вырабатываются специфические белки — TDP (tardigrade disordered proteins), которые при высыхании образуют стеклоподобную матрицу, защищающую клеточные компоненты. Эти механизмы имеют большое значение для биотехнологии и медицины, поскольку их изучение позволяет разрабатывать методы длительного хранения биологических материалов.

Значение для науки и медицины

Исследование анабиоза имеет прикладное значение в нескольких областях. В криобиологии разрабатываются методы консервации клеток, тканей, эмбрионов и органов с использованием принципов, наблюдаемых в природе. Криоконсервация спермы, яйцеклеток и эмбрионов широко применяется в репродуктивной медицине и животноводстве. Хранение донорских органов для трансплантации ограничено временем ишемии, поэтому поиск способов замедления метаболизма является актуальной задачей.

В космической биологии изучается возможность использования анабиоза для длительных межпланетных перелётов. Погружение космонавтов в состояние искусственного гипобиоза позволило бы снизить потребление ресурсов и уменьшить психологическую нагрузку на экипаж. Эксперименты на животных показали принципиальную возможность введения млекопитающих в состояние глубокой гипотермии с последующим восстановлением без повреждений.

В медицине методы терапевтической гипотермии применяются при реанимации после остановки сердца, при тяжёлых черепно-мозговых травмах и инсультах. Снижение температуры тела на несколько градусов замедляет метаболические процессы в мозге и уменьшает повреждение тканей от гипоксии.

Спячка и анабиоз: соотношение понятий

Спячка (гибернация) у млекопитающих — например, у медведей, сусликов, ежей — не является анабиозом в строгом смысле. Во время спячки температура тела снижается умеренно (у сусликов до 5–10 °C), обмен веществ замедляется, но не останавливается. Периодически животные просыпаются для отправления естественных надобностей. Анабиоз же предполагает практически полную остановку жизнедеятельности, что для высокоорганизованных животных в естественных условиях нехарактерно.

История изучения

Первые научные описания явления относятся к XVII–XVIII векам, когда Антони ван Левенгук наблюдал восстановление активности коловраток после высушивания. В 1702 году он продемонстрировал, что микроскопические организмы способны «оживать» после длительного обезвоживания. Термин «анабиоз» был предложен немецким зоологом Вильгельмом Прейером в 1873 году. В России фундаментальные исследования анабиоза проводил П. Ю. Шмидт, опубликовавший в 1948 году монографию «Анабиоз». В XX веке значительный вклад в изучение криптобиоза внесли исследования Дэвида Кейлина, изучавшего устойчивость тихоходок и нематод к высушиванию.

Критика и дискуссии

В научной среде существуют разногласия относительно границ применимости термина «анабиоз». Некоторые исследователи считают, что полная обратимая остановка метаболизма невозможна, поскольку даже в состоянии криптобиоза сохраняются крайне низкие уровни биохимических реакций. Поэтому предлагаются более точные термины — «криптобиоз» или «скрытая жизнь». Кроме того, нерешённым остаётся вопрос о предельной длительности анабиоза: неизвестно, ограничена ли продолжительность «скрытой жизни» накоплением повреждений ДНК и белков, которые в конечном счёте делают восстановление невозможным.

Литература

• Шмидт П. Ю. Анабиоз. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1948.
• Кейлин Д. Криптобиоз и устойчивость к высушиванию // Биохимия. — 1959.
• Crowe J. H., Clegg J. S. Anhydrobiosis. — Stroudsburg: Dowden, Hutchinson & Ross, 1973.
• Guidetti R., Jönsson K. I. Long-term anhydrobiotic survival in semi-terrestrial micrometazoans // Journal of Zoology. — 2002.