Что такое криобиология

Размещено на http://www.allbest.ru/

Что такое криобиология?

Криобиология (от греч. cryo -- холод, bios -- жизнь и logos -- наука) -- раздел биологии, в котором изучаются эффекты воздействия низких температур на живые организмы. На практике, в рамках криобиологии занимаются исследованиями биологических объектов или систем при температурах ниже нормальных. В качестве объектов могут служить белки, клетки, ткани, органы, или целые организмы. Используются диапазон температур от умеренно низких до криогенных (от 0°С до близких к абсолютному нулю).

Проблемы криобиологии имеют большое теоретическое значение, т. к. связаны с выяснением нижних температурных границ жизни, механизмов адаптации в естественных условиях к холоду, сущности анабиоза и т. п. Практические аспекты криобиологии связаны с методами хранения и накопления биологических объектов, лечением с помощью холода (Криотерапия), выведением морозоустойчивых сортов растений, изучением зимовки вредителей сельского хозяйства, с деятельностью человека в полярных условиях и космической биологией.

Истоки

Научные основы криобиологии заложены в конце 19 в. русским учёным П. И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения у насекомых и анабиоз у летучих мышей. П. Беккерель (1904--36) и австрийский учёный Г. Рам (1919--24) установили способность различных организмов (микроорганизмы, беспозвоночные -- тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до --269 и --271°С, т. е. до температур, близких к абсолютному нулю). В дальнейшем было показано, что некоторые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в них воды.

Биологические аспекты криобиологии

Одна из основных проблем криобиологии -- выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании, много. Большое значение имеет скорость охлаждения и отогревания. При медленном охлаждении сначала переходит в лёд вода окружающей клетку жидкости. Это приводит к потере клеткой воды, нарушению солевого равновесия между вне- и внутриклеточной жидкостью, повышению концентрации электролитов в клетке. Некоторые клетки вследствие этого погибают. Для того чтобы сохранить живыми клетки растений и некоторые ткани животных, требуется очень медленное охлаждение, при котором не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке.

Для неадаптированных к холоду клеток особенно опасно обезвоживание, т. к. возникают контакты внутриклеточных компонентов, которые при нормальных условиях разобщены; при этом происходят разрывы одних межмолекулярных связей и образование других, повреждения клеточных мембран и т. д. (изучением этих вопросов занимается криохимия) Подобные явления могут возникать и в случае образования кристаллов льда внутри клетки. Последние образуются обычно при быстром охлаждении (свыше 10 градусов в 1 мин). После окончания процесса охлаждения, при температурах выше -- 120°С, начинается рост кристаллов (перекристаллизация, рекристаллизация). Увеличение их размеров особенно значительно при отогревании. Считают, что во время отогревания и оттаивания происходят основные повреждения в клетках. Как правило, при образовании внутри клетки кристаллов льда она погибает; однако клетки некоторых закалённых насекомых и злокачественных опухолей переносят внутриклеточную кристаллизацию воды.

При сверхбыстром охлаждении со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек. (такое охлаждение возможно лишь у живых объектов, имеющих микроскопические размеры) большая часть воды превращается в аморфный лёд, структура которого мало отличается от структуры воды. Благодаря этому клетки не повреждаются и выживают независимо от своего происхождения. Но после сверхбыстрого глубокого охлаждения клетки сохраняют жизнеспособность лишь при очень быстром отогревании (за 3--10 сек), при котором можно избежать рекристаллизации. На практике этот метод сохранения клеток почти не применим ввиду невозможности сверхбыстрого охлаждения и отогревания более или менее крупных объектов. Для сохранения живых систем в условиях низких температур применяют защитные вещества -- криопротекторы. Среди них наиболее известны глицерин, диметилсульфоксид, сахара, гликоли, которые способны проникать в клетку, и некоторые полимерные соединения (поливинилпирролидон, полиэтиленоксид и др.), не проникающие в неё. Криопротекторы ослабляют эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Криопротекторы получили широкое применение в медицине и животноводстве для длительного хранения при низких температурах крови, тканей, органов, а также спермы домашних животных, используемой для искусственного осеменения.

Устойчивость многих наземных организмов к температурам ниже 0°С сильно изменяется в течение жизненного цикла, связанного с сезонами года. Так, у насекомых и растений сильно повышаются холодоустойчивость и морозоустойчивость при переходе к состоянию покоя (диапаузы у насекомых и клещей) ещё до наступления морозов. В начале периода покоя при температурах немного выше 0°С происходят значительные перестройки в обмене веществ и физико-химического состоянии клеток, повышающие устойчивость организмов. Накапливаются жиры, гликоген, сахара, образуются защитные вещества, изменяется состояние воды и белков в клетках. Насекомые в зависимости от их экологии приобретают способность сильно переохлаждаться иногда до минус 40°С или ещё ниже. Некоторые виды насекомых и растений перезимовывают в замёрзшем состоянии. Хорошо переносят низкие и даже сверхнизкие температуры многие микроорганизмы (бактерии, дрожжи), мхи, лишайники и др. Обычно их холодоустойчивость связана с быстрым обезвоживанием, повышенной вязкостью цитоплазмы, наличием оболочки, препятствующей проникновению кристаллов в клетку, и др. Жизнедеятельность организмов (исключая теплокровных животных) прекращается обычно при температурах несколько ниже 0°С, но некоторые процессы обмена веществ могут протекать при температурах около --20°С (например, дыхание, фотосинтез) и даже ниже. В связи с этим представляет интерес малоизученная биология морских организмов, обитающих на подводных льдах Антарктики.

Разработки в криобиологии

Основные направления криобиологических исследований:

- Исследование адаптаций к холоду микроорганизмов, растений, беспозвоночных, и животных.

- Криоконсервация клеток, тканей, гамет и эмбрионов животного и человеческого происхождения для длительного сохранения в медицинских целях. Это обычно требует применения криопротекторов.

- Сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантации.

- Лиофилизация фармацевтических препаратов.

- Криохирургия -- хирургия с использованием криогенных газов/жидкостей для разрушения тканей.

Т.к. исследования в этой области на человеке сильно затруднены, ученые изучают холодоустойчивость и действие криопротекторов на различных животных, в основном беспозвоночных- проводятся исследования на червях, исследования на моллюсках, исследования на растениях и т.д.

Криобиология очень молода, этой науке всего несколько десятилетий. Сейчас криобиология ошибочно сводится к крионике. Научных споров в этой области гораздо меньше, чем этических. Во многом именно этические вопросы и консерватизм большинства ученых тормозят развитие криобиологии в русле, необходимом для победы над многими заболеваниями и старением. Никто не знает каковы будут достижения науки через 100 лет, смогут ли ученые разморозить и излечить подвергшихся крионической обработке. Кем они будут. Остается надеяться, что в будущем все эти вопросы будут так или иначе решены.

Крионика

Крионика -- это область научно-практической деятельности, которая объединяет в себе криобиологию, криогенную инженерию и практику клинической медицины с целью разработки и применения криостаза. Криостазом называют сохранение в неизменном состоянии биологических объектов путём их замораживания до ультранизких (криогенных) температур.

Целью крионики является перенос только что умерших или терминальных (обречённых на смерть) пациентов в тот момент в будущем, когда, вероятно, станут доступны технологии репарации («ремонта») клеток и тканей и, соответственно, будет возможно восстановление всех функций организма.

Этот метод основан на использовании холодового анабиоза и заключается в глубоком замораживании человека сразу после его смерти для переноса его, таким образом, в будущее, когда средствами молекулярной медицины его организм может быть оживлен (т.е. восстановлен, омоложен, разморожен и реанимирован). Хотя в научной среде нет единого мнения в оценке вероятности такой процедуры, этот метод, под названием крионика, в ограниченном масштабе применяется в США с конца 60-х годов.

Сейчас крионика- один из самых спорных вопросов в науке, наряду с клонированием. Можно процитировать одну из статей на сайте Российского Трансгуманистического движения:

Придет время, когда могущественная наука "сынов человеческих" сможет воскресить крионически сохраненных людей и преобразовать их в бессмертных существ, которые будут обладать Богочеловеческим совершенством.

Подобные утверждения очень и очень спорны. В любом случае криобиология и ее направление- крионика еще очень молоды и разработки в этой области еще далеки от завершения.

Краткая история развития крионики

XVII век - первые научные эксперименты по заморозке животных, впадающих в зимнюю спячку.

Вторая половина XVIII века - английским ученым Джоном Хантером выдвинута гипотеза, что можно продлить жизнь человека на любой срок, путем его циклического замораживания и оттаивания.

Начало XX века - русским ученым П.Бахметьевым проведены опыты по заморозке и разморозке куколок бабочек. Открыт первый криопротектор - глицерин. Опыты по безопасной заморозке небольших фрагментов тканей человека и других млекопитающих с использованием глицерина.

Середина XX века - развитие концепций о возможности восстановления органов и тканей на клеточном уровне после повреждений, связанных с заморозкой.

1956 год - французский ученый Луи Рэ заставил биться сердце куриного эмбриона, спустя несколько месяцев после его пребывания в жидком азоте. В качестве криопротектора использовался глицерин.

1964 год - выход первого издания книги Р.Эттингера "Перспективы бессмертия", положившей начало современной крионике.

1973 год - крионирован первый человек - умиравший от рака легкого профессор психологии Джеймс Бэдфорт.

1983 год - первые роды после переноса размороженных эмбрионов человека, полученных in vitro.

1992 год - исследователи компании BioTime заморозили бабуина до -2 градусов цельсия. В таком состоянии бабуин находился 55 минут, после чего был успешно разморожен

1995 год - американский биолог Юрий Пичугин произвел глубокую заморозку срезов головного мозга кролика, после разморозки мозг сохранил биоэлектрическую активность.

1996 год - заморожено до -196 градусов цельсия и затем успешно разморожено сердце крысы.

2002 год - рожден ребенок, зачатый при помощи спермы, находившейся в состоянии глубокой заморозки 21 год.

2005 год - крионирован первый россиянин - Лидия Федоренко.

2008 год - после глубокой заморозки успешно разморожена.

Крионика в России

В настоящее время по всему миру, несмотря на спорность, растет интерес к крионике. Большая часть разработок ведется в США. Проект криофирмы в России разрабатывался ещё с середины 90-х годов Михаилом Соловьёвым, Андреем Тропилло, Игорем Артюховым, и др. Первая за пределами США компания, предоставляющая услуги крионического сохранения, была основана в России в 2005 году в рамках проекта Российского Трансгуманистического Движения -- общественной организации, изучающей перспективы развития новейших технологий, для оказания услуг по криосохранению соучредителям и членам их семей. Одни из основателей КриоРус- Валерия Прайд и Данила Медведев.

После того, как выяснился некоторый интерес со стороны граждан, было принято решение предлагать услуги криосохранения (первоначально в Москве и Санкт-Петербурге). С 2006-го года криосохранение предлагается всем жителям России, СНГ, а также дальнего зарубежья.

На данный момент в распоряжении компании имеется криохранилище, расположенное у границ г. Москвы, в посёлке Алабушево Солнечногорского р-на Московской области. В хранилище размещено лабораторное оборудование, дьюар с жидким азотом на 250 литров, криостат для хранения тел в сухом льде, имеется круглосуточная охрана. Рядом расположены два независимых промышленных источника жидкого азота, что увеличивает надёжность хранения. Ведутся переговоры об изготовлении большого специализированного криостата для хранения тел в жидком азоте.

На данный момент в хранилище находятся три криопациента, для двоих из которых осуществляется нейросохранение (хранение головного мозга) в жидком азоте. Также в сухом льде хранится тело одного пациента полностью. Несколько человек заключили контракт на криосохранение.

Компанией «КриоРус» установлены партнёрские отношения с американским криодепозитарием Cryonics Institute (CI). Между «КриоРус» и CI заключена договорённость о помощи в транспортировке российских пациенто, желающих быть крионированными именно в CI.

Среди консультантов компании «КриоРус» -- специалисты-криобиологи, в том числе, работающие в лабораториях США и Швейцарии, ведущие нанотехнологи, а также специалисты по выращиванию органов и др. вопросам генетики и клонирования.

Перспективы крионики

Крионика- широко обсуждаемое явление не только в науке, но и в обществе. Сейчас ведется множество дискуссий по вопросам крионики. Как бы то ни було, крионика- это способ сохранить человека до того момента в будущем, пока не будут открыты действенные методы борьбы с тяжелыми заболеваниями, в основном онкологическими. Исследования в крионике представляют несомненный научный интерес, но о действенности, о реальной возможности можно будет говорить только тогда, когда будет успешно разморожен хотя бы один из криоционированных пациентов. А для этого необходимы исследования:

-Создание более совершенных криопротекторов

-Отработка механизма размораживания

-Изучение изменений, происходящих в организме после замораживания и размораживания

Пока это очень молодое направление науки, встречающее сопротивление в научных и общественных кругах, но для многих людей это надежда...надежда на будущее.

Теория

В данном разделе нашего сайта мы расскажем Вам о криобиологии; рассмотрим тенденции развития и основные проблемы, стоящие на пути этой сравнительно молодой, но достатбтоочно перспективной науки; а так же поведаем об успехах и достижениях ученых, работающих в этой области.

Криобиология как молодая и перспективная наука

Криобиология (от крио... и биология), раздел биологии, изучающий действие на живые системы низких и сверхнизких температур (от 0°С до близких к абсолютному нулю).

Основные задачи криобиологии -- изучение жизни в условиях холода, выяснение причин устойчивости организмов к переохлаждению и замерзанию, исследование повреждающего действия отрицательных температур и способов защиты клеток и тканей при замораживании.

Проблемы криобиологии имеют большое теоретическое значение, так как связаны с выяснением нижних температурных границ жизни, механизмов адаптации в естественных условиях к холоду, сущности анабиоза.

Практические аспекты криобиологии связаны с методами хранения и накопления биологических объектов, лечением с помощью холода, выведением морозоустойчивых сортов растений, изучением зимовки вредителей сельского хозяйства, с деятельностью человека в полярных условиях и космической биологией.

Научные основы криобиологии заложены в конце 19 в. русским учёным П. И. Бахметьевым, изучавшим явление переохлаждения у насекомых и анабиоз у летучих мышей. П. Беккерель (1904--36) и австрийский учёный Г. Рам (1919--24) установили способность различных организмов (микроорганизмы, беспозвоночные -- тихоходки, коловратки, нематоды), а также спор и семян переносить в высушенном состоянии глубокое охлаждение (до --269 и --271°С, т. е. до температур, близких к абсолютному нулю). В дальнейшем было показано, что некоторые растения и животные выживают при замерзании содержащейся в них воды.

Одна из основных проблем криобиологии -- выяснение процессов, сопровождающих охлаждение живых систем и ведущих к необратимым повреждениям. Причин, вызывающих повреждения при охлаждении и замерзании, много. Большое значение имеет скорость охлаждения и отогревания. При медленном охлаждении сначала переходит в лёд вода окружающей клетку жидкости. Это приводит к потере клеткой воды, нарушению солевого равновесия между вне- и внутриклеточной жидкостью, повышению концентрации электролитов в клетке. Некоторые клетки вследствие этого погибают. Для того чтобы сохранить живыми клетки растений и некоторые ткани животных, требуется очень медленное охлаждение, при котором не происходит резкого изменения концентрации веществ в клетке.

Для неадаптированных к холоду клеток особенно опасно обезвоживание, так как возникают контакты внутриклеточных компонентов, которые при нормальных условиях разобщены; при этом происходят разрывы одних межмолекулярных связей и образование других, повреждения клеточных мембран и т. д. Подобные явления могут возникать и в случае образования кристаллов льда внутри клетки. Последние образуются обычно при быстром охлаждении (свыше 10 градусов в 1 мин). После окончания процесса охлаждения, при температурах выше -- 120°С, начинается рост кристаллов (перекристаллизация, рекристаллизация). Увеличение их размеров особенно значительно при отогревании. Считают, что во время отогревания и оттаивания происходят основные повреждения в клетках. Как правило, при образовании внутри клетки кристаллов льда она погибает; однако клетки некоторых закалённых насекомых и злокачественных опухолей переносят внутриклеточную кристаллизацию воды.

При сверхбыстром охлаждении со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек (такое охлаждение возможно лишь у живых объектов, имеющих микроскопические размеры) большая часть воды превращается в аморфный лёд, структура которого мало отличается от структуры воды. Благодаря этому клетки не повреждаются и выживают независимо от своего происхождения. Но после сверхбыстрого глубокого охлаждения клетки сохраняют жизнеспособность лишь при очень быстром отогревании (за 3--10 сек), при котором можно избежать рекристаллизации. На практике этот метод сохранения клеток почти не применим ввиду невозможности сверхбыстрого охлаждения и отогревания более или менее крупных объектов. Для сохранения живых систем в условиях низких температур применяют защитные вещества -- криопротекторы. Среди них наиболее известны глицерин, диметилсульфоксид, сахара, гликоли, которые способны проникать в клетку, и некоторые полимерные соединения (поливинилпирролидон, полиэтиленоксид и др.), не проникающие в неё. Криопротекторы ослабляют эффект кристаллизации, изменяя её характер, препятствуют слипанию и денатурации макромолекул, способствуют сохранению целостности мембран клеток. Криопротекторы получили широкое применение в медицине и животноводстве для длительного хранения при низких температурах крови, тканей, органов, а также спермы домашних животных, используемой для искусственного осеменения.

Жизнедеятельность организмов (исключая теплокровных животных) прекращается обычно при температурах несколько ниже 0°С, но некоторые процессы обмена веществ могут протекать при температурах около --20°С (например, дыхание, фотосинтез) и даже ниже. В связи с этим представляет интерес малоизученная биология морских организмов, обитающих на подводных льдах Антарктики.

Проблемам криобиологии посвящены специальные журналы; ежегодно организуются международные симпозиумы и конференции криобиологов.

Криобиология (от греч. ????? -- холод, bios -- жизнь и logos -- наука) -- раздел биологии, в котором изучаются эффекты воздействия низких температур на живые организмы. На практике, в рамках криобиологии занимаются исследованиями биологических объектов или систем при температурах ниже нормальных. В качестве объектов могут служить белким, клетки, ткани, органы, или целые организмы. Используются диапазон температур от умеренно низких до криогенных.

· Исследование адаптаций к холоду микроорганизмов, растений и животных (см. спячка).

· Криоконсервация клеток, тканей, гамет и эмбрионов животного и человеческого происхождения для длительного сохранения в медицинских целях. Это обычно требует использования веществ, защищающих клетки во время замораживания и размораживания (криопротекторы).

· Сохранение органов в гипотермических условиях для трансплантации

· Лиофилизация фармацевтических препаратов

· Криохирургия -- хирургия с использованием криогенных газов/жидкостей для разрушения тканей

Криобиология - раздел биологии, изучающий действие на живые системы низких и сверхнизких температур (от 0°С до близких к абсолютному нулю).

Основными задачами этой науки являются:

ь изучение жизни в условиях холода,

ь выяснение причин устойчивости организмов к переохлаждению и замерзанию,

ь исследование повреждающего действия отрицательных температур и способов защиты клеток и тканей при замораживании.

Размещено на Allbest.ru