Влияние низких температур на животную и растительную пленку.

По своему химическому составу клетки организма являются смесью сложнейших белковых соединений, отличающихся большой химической подвижностью – способностью быстро распадаться.

По физическим свойствам эти вещества относятся к коллоидам. Растворителем их в живых клетках всегда является вода, с которой белковые соединения образуют гидрогели и гидрозоли. Нередко обе эти формы существуют одновременно.

Под влиянием внешних воздействий, в том числе и холода, коллоиды клеток сравнительно легко переходят из одного состояния в другое, причем более плотный гидрогель образует мельчайшие ячейки, в которых заключается более жидкий гидрозоль.

Вследствие большой вязкости гидрогеля протоплазма клеток сохраняет свою стереометрическую форму, отличается эластичностью и образует на поверхности более плотную оболочку, через которую могут проникать растворы кристаллов (солей и углеводов).

При удалении некоторой части воды дисперсная фаза может свертываться или выпадать в виде твердого нерастворимого вещества. Свертывание – процесс необратимый, т.е. свернувшийся коллоид при соединении с водой уже не может перейти в состояние гидрогеля и гидрозоля.

Кроме основных белков и истинно растворимых веществ клетки, большое участие в жизненных процессах и в изменениях мертвой ткани принимают ферменты. Они действуют только в растворе в присутствии воды.

Вода является составной частью каждого живого организма. Все основные жизненные функции осуществляются при непосредственном участии воды и зависит от ее количества в живом организме. В тканях молодых животных и растений содержится больше воды, чем в тканях взрослых.

Движение живых существ основывается либо на образование токов в полужидкой, текущей протоплазме клеток, либо на сокращении мышечных волокон. Токи внутри протоплазмы всецело зависят от количества содержащейся в ней воды. Сокращение мышечных волокон, по некоторым данным, обуславливается перемещением воды из одной части волокна в другую, что вызывает укорачивание и набухание его.

Все процессы обмена веществ – питание, дыхание, выделение – могут совершаться только с участием воды. Она является растворителем ферментов и продуктов пищеварения, газов при дыхании и, наконец, тех продуктов распада, которые должны быть удалены из организма.

Вода играет значительную роль так же в изменениях обработанных пищевых продуктов животного и растительного происхождения. От количественного соотношения воды в продукте зависит и его качественные состояния.

Различные живые организмы выдерживают температурные воздействия в широком диапазоне.

а – зона, в которой жизнедеятельность организмов резко ограничена

б – зона, в которой живые организмы находятся в состоянии покоя либо слабо выраженной активности

в – зона оптимальных температур(наиболее активная жизнь)

г – зона схожая с зоной «б»

д – зона, где жизнь невозможна

Зона «а» интересна больше с теоретической точки зрения, чем с практической, т.к. столь низкие температуры применять для массового хранения продуктов нецелесообразно

Зона «б» лежит в пределах температур, с которыми приходится иметь дело при обработке и хранении большинства скоропортящихся продуктов.

Другие температурные зоны для холодильной технологии не интереса не представляют.

В зависимости от скорости отвода тепла и падения температуры жидкости могут либо образовывать кристаллы, либо затвердевать в стеклообразном состоянии.

Стекловидное состояние отличается от кристаллического тем, что молекулы тела распределяются в пространстве без какого-либо особого порядка, тогда как в кристалле они расположены по определенному геометрическому плану. Поэтому стекло однородно во всех направлениях (изотропно), а кристаллы неоднородны.

По своей изотропности стекло подобно жидкости, но отличается от нее твердостью, способностью упруго деформироваться и не менять форму без нагревания.

Подобно тому, как при нагревании твердое тело может, миновав жидкое состояние, перейти в пар, что называется возгонкой или сублимацией, так и при быстром переходе из жидкого состояния в твердое оно может миновать кристаллическое состояние и перейти в стекловидное. Обратный переход из стекловидного состояния в кристаллическое получил название расстекловывания.

Единственным способом стеклообразования является такое быстрое охлаждение, которое исключает возможность кристаллизации. Если на каком-либо участке охлажденного тела начинается кристаллизация, то сопровождающее её выделение тепла может привести к кристаллизации всего тела, при этом переход из кристаллического состояния в стеклообразное невозможен.

Увеличение количества воды препятствует процессу стеклообразования. Существующими методами до сих пор не удалось перевести в стеклообразное состояние чистую воду, видимо, из-за большой скорости ее кристаллизации (650мм/сек). Добавление 5% желатина уменьшает скорость кристаллизации воды в 350 раз.

В отличии от кристаллического стекловидное состояние является для протоплазмы относительно безвредным, потому что стеклообразование не связано с молекулярными перестройками.

Как же влияют умеренно низкие температуры на клетки организма? (та самая интересующая нас зона «б»)

Под влиянием низких температур в клетке организма, а так же и в тканях происходят существенные физические и физико-коллоидные и другие изменения. Низкие температуры действуют менее разрушительно, чем высокие. По-видимому, они не изменяют коренным образом свойств белков и ферментов. При замораживании белки обычно не свертываются, а ферменты не разрушаются.

Под действием умеренно-низких температур вода превращается в лед. При этом внутри протоплазмы образуются кристаллы льда, разрывающие ее и уничтожающие микроструктуру клеток.

С другой стороны, при образовании льда вода перестает быть растворителем и все биологические реакции должны в силу этого сократиться или даже прекратиться.

Для живого организма замораживание является процессом своеобразного высушивания, нарушающим все жизненные процессы.

Наибольшей чувствительностью к действию низких температур обладают теплокровные животные. Жизнь животного сложного строения невозможна при низких температурах из-за обилия жидкости в его теле, нежности тканей и необходимости обмена веществ, сопровождающегося выделением тепла.

Растения находятся в иных условиях. В них жизненные процессы происходят с меньшим выделением энергии и тепла, клетки их защищены прочными оболочками из клетчатки. Строение растений проще, чем животных, жизнедеятельность менее сложна.

Теория действия низких температур на растения была разработана русским ученым-академиком Максимовым. Он доказал, что растение погибает задолго до того, как в нем замерзнет вся вода.

Переохлаждение, с которого обычно начинается процесс замерзания, нисколько не вредит растению, в этом состоянии оно может выдержать температуру намного ниже температуры его замерзания. Даже с появлением внутри растения льда оно в течении некоторого времени остается живым. Когда же растущие кристаллики льда изменяют состав сока и протоплазмы клеток вследствие вымерзания воды наступает повреждение поверхностного слоя протоплазмы и другие гибельные для нее изменения. Это нарушает осмотические свойства ее и вызывает смерть организма.

Кроме прямого обезвоживания протоплазмы в данном случае играет большую роль и механическое давление на нее кристаллов льда. Кристаллы скапливаются в межклеточных пространствах и хотя и не образуются вокруг каждой клетки, но все же вызывают такое давление, которое повреждает протоплазму.

Процесс замораживания-льдообразования действует главным образом на поверхностный слой протоплазмы, образующий как бы ее наружный покров, имеющий наибольшее значение при всех осмотических явлений. Повреждение этого слоя, вызванное замораживанием может быть столь значительным, что клетка погибает, но глубина повреждения обнаруживается только после размораживания. Извлечение значительного количества воды из протоплазмы вызывает гибель клетки, т.к. протоплазма отстает от стенок клетки при их сильном съёживании под влиянием обезвоживания.

У многих растений гибель клеток наблюдается даже тогда, когда они содержат еще довольно много воды. Губительным может оказаться так же быстрое оттаивание замороженных растений. При этом сильно сократившийся объём протоплазмы быстро увеличивается в несколько раз вследствие всасывания воды, образующейся вне клетки. Это сопровождается разрушением протоплазмы.

Образование льда в растении влечет за собой не только обезвоживание протоплазмы, но и увеличение концентрации клеточного сока, содержащего различные соли, кислоты и дубильные вещества, которые могут оказывать вредное влияние на протоплазму. Некоторые исследователи видят именно в них основную причину гибели животных клеток. Одни из них отдают главенство действию солей, другие – кислот. При кислой реакции клетки гибнут под действием менее низкой температуры, чем при щелочной.

В клеточном соке находятся вещества, защищающие растительную клетку от холода. Это различные формы углеводов.

В процессе льдообразования имеет значение способность коллоидов вбирать в себя воду и связывать ее. Замерзанию подвергается прежде всего и легче всего свободная вода и поэтому, чем больше ее связывается коллоидами, тем меньше образуется льда.

То, что коллоиды прочно соединяются с водой, подтверждается опытами. Желатиновый студень, содержащий 54% воды не замерзает даже при глубокой отрицательной температуре (холодец).

Но сахар, электролиты, а также коллоидальные вещества защищают растительные клетки от низких температур только до известного предела. За ним защитные средства не спасают от усиленного образования в межклеточных промежутках ледяных кристаллов.

Замораживание некоторых коллоидных систем приводит к частичному их свёртыванию и повышению вязкости. Так, сыворотка крови, замороженная при -20ºС и затем размороженная, не теряет прозрачности. Если у нее удалить все соли и заморозить при -0,9ºС, то оттаяв она частично свертывается и мертвеет, но при повышении температуры помутнение исчезает.

В опытах с картофелем, когда замерзло 35% содержащихся в тканях воды не погибла ни одна клетка, когда же вымерзло 70% воды – все клетки погибли. Это еще раз указывает на роль воды в жизни животного организма, а так же на то, что определенную часть ее можно превратить в лед без вреда для клетки.

Охлаждение внешне сказывается на понижении подвижности, чувствительности организма животного или растения и на обмене веществ в нем, что вызывает более или менее значительное ослабление жизненных явлений.

Если действие предельной температуры непродолжительно, то при повышении ее жизнедеятельность постепенно восстанавливается и приходит в норму.

Если же действие холода продолжительно, то могут наступить необратимые изменения организма, влекущие за собой его гибель.

Смерть, вызванная охлаждением, когда не наблюдается разрушающее и высушивающее действие образующегося внутри тела льда, обуславливается значительным увеличением вязкости протоплазмы клеток, а в некоторых случаях расслоением и изменением внутренней структуры ее.

Таком образом, охлаждение в стадии обратимости может найти практическое применение для временного угнетения жизни некоторых живых существ, а затем восстановления ее.

Небольшие караси при 0º теряют подвижность, прекращают дыхание и производят впечатление мертвых. Это может длиться часами, но будучи перенесенными в теплую воду, рыбы оживают. Караси длиной 5-10 см и уклейки 5,5-6,5 см после пребывания на льду в течении 10 суток оживали.

Осетры размером до 90 см после охлаждения в воде до 0ºС прекращали дыхательные движения и после суточного пребывания на измельчённом льду при перенесении в теплую воду оживали.

Большое хозяйственное значение имеет хранение различных полезных насекомых при низких температурах в анабиотическом состоянии с целью использования из в нужный период времени года для борьбы с сельскохозяйственными вредителями.

Замораживание неприменимо для хранения животных организмов,т.к. большинство из них при этом погибает.