Универсальной неспецифической ответной реакцией организма на стресс является обезвоживание. Под понятием обезвоживание прежде всего подразумевается физиологический процесс, только иногда как состояние организма. В связи с этим, для обозначения обезвоженного состояния организма, возникающего в процессе обезвоживания мы предлагаем использовать термин ангидрия (от греч. a – отриц. част., n – плавная буква, и hydor – вода; обезвоженность, безводность).
Как известно, стресс – это неспецифическая реакция организма на любые раздражители, повреждающего действия, направленная на выживание организма за счет мобилизации и формирования защитных систем (Селье, 1979). Сильнодействующий фактор внешней среды, способный вызвать в организме повреждение или даже привести к смерти, называют стрессорным фактором, или стрессором. Стрессорами могут быть физические, химические, биологические, психические и др. факторы.
В природных условиях основными стрессорами являются: недостаток влаги и пищи, высокая и низкая температура (жара, холод). Для человека и животных стессорами могут выступать также различные болезни и психические факторы – испуг, страх, волнение и др. Неблагопритные внешние условия живые организмы переживают, переходя в состояние с пониженным метаболизмом – гипобиоза (оцепенение, спячка, диапауза, гипотермия) и анабиоза.
Наука, которая занимается изучением состояния гипобиоза называется гипобиологией (Угаров, 2013). Теоретической основой гипобиологии является явление физического и физиологического обезвоживания, наблюдаемое у живых организмов при неблагоприятных условиях существования, которое приводит к резкому торможению процессов метаболизма и гипобиозу. Обезвоживание в этот период вызывает ангидрию организма, о чем более подробно речь пойдет ниже.
Оцепенение животных – состояние резко пониженной жизнедеятельности, наступающее у пойкилотермных животных, как приспособление к переживанию неблагоприятных условий внешней среды, особенно к недостатку тепла, влаги и пищи. В состояние оцепенения впадают многие наземные и водные беспозвоночные, рыбы, в частности, караси, гольяны и другие рыбы пресноводных водоемов, земноводные, например, лягушки, тритоны, жабы и др, пресмыкающиеся - ящерицы, змеи. Для них характерно зимнее оцепенение, которое наблюдается при понижении температуры. Температура тела у некоторых пойкилоотермных животных во время оцепенения может переохлаждаться до температур, лежащих ниже 00С, благодаря накоплению в клетках т.н. криопротекторов, в частности, глицерина, выполняющих роль биологического антифриза. Например, у паразитической осы (Bracon cephi) концентрация глицерина к зиме достигает 30 % от веса свободной воды в организме (5 молей на 1 кг воды). Следует отметить, что криопротекторы – глицерин, сахара и др., растворяясь в воде, снижают ее активность, практически обезвоживая организм.
Примечательно, что у пойкилотермных животных, кроме зимнего, еще встречается и летнее оцепенение, которое можно наблюдать с наступлением засухи. Так некоторые наземные улитки и пресмыкающиеся, например, степные черепахи, впадают в оцепенение при выгорании растительности, а рыбы, например, двоякодышащие, земноводные и пресмыкающиеся впадают в оцепенение при высыхании водоёмов, в которых они обитают. При впадении в летнее оцепенение животные теряют очень много воды. Это указывает, что механизм зимнего и летнего оцепенения может быть одинаковым, то есть это явление наступает у животных на фоне общей обезвоженности – ангидрии организма.
В отличие от пойкилотермных животных, впадающих в состояние оцепенения, гетеротермные теплокровные животные переживают неблагоприятные периоды года в состояние спячки, которое характеризуется контролируемой пониженной жизнедеятельностью, напоминающей глубокий сон. Бывает летняя (у пустынных животных, в частности, у мышевидных грызунов, сонь, некоторых сусликов, насекомоядных тенреков и др.) и зимняя (у многих грызунов, и насекомоядных) спячка. Зимняя спрячка (гибернация) наступает при понижении температуры, а летняя (эстивации), обычно также, как и у пойкилотермных животных, при наступлении засухи. Интересно отметить, что у ряда пустынных животных, у которых летняя спячка может переходить в зимнюю. Это также указывает на одинаковый механизм наступления зимней и летней спячки – общей ангидрии (обезвоженности) организма.
Вегетативные органы размножения растений – клубни, луковицы, корневища, при наступлении засухи или холода переходят в состояние вынужденного покоя, во время которой, процессы метаболизма сильно подавлены.
Диапауза – одна из форм временного физиологического покоя животных, который наступает в ответ на периодически повторяющиеся неблагоприятные условия обитания. При диапаузе резко снижается интенсивность меаболизма и остановка роста и развития органов и тканей организма. Она известна у представителей многих классов животных, но наиболее детально изучена у насекомых, и сам термин «диапауза» обычно используется применительно к пойкилотермным организмам. Диапауза может возникать на любой из стадий онтогенеза насекомого – яйца, личинки, куколки и взрослого насекомого. У насекомых диапауза обеспечивает переживание неблагоприятных условий в зимний и летний периоды, а также синхронизирует развитие особей внутри популяции после завершения гибернации или эстивации, что имеет большое биологическое значение для их благополучного существования. Диапауза наступает под действием внутренних и внешних факторов, где не последнюю роль играют нервная и эндокринная системы насекомого. Однако, в конечном счете, возможность выживания в период диапаузы обеспечивается также, благодаря значительной ангидрии организма.
При действии экстремальных и длительных неблагоприятных внешних условий (длительная засуха, сильные морозы) некоторые живые организмы впадают в состояние анабиоза, когда внешние признаки жизни практически не проявляются. Анабиоз наблюдается у спорообразующих бактерий, грибов, лишайников, простейших (образующих цисту), у семян и спор растений, а также у многих высших растений, в том числе у деревьев и кустарников, во время зимы, когда температура воздуха иногда может опускаться до -700С мороза (Верхоянье). Организмы, впадающие в анабиоз, могут терять до ¾ части и более, заключённой в тканях воды (Шмидт, 1955; Голдовский, 1977; Калабухов, 1985 и др.).
Из приведённых выше материалов следует, что основным условием для эффективного гипобиоза и анабиоза является максимально возможное ангидрия организма, и уменьшение свободной воды, путем ее связывания криопротекторами.
У многих людей и животных в результате острого стресса или нервного расстройства наблюдается синдром раздраженного кишечника, ивестный в народе, как “медвежья болезнь”, то есть диарея, которая приводит к обезвоживанию организма. При разлиных заболеваниях, например, туберкулезе, онкологических заболеваниях, сахарном диабете, СПИДе и др., в период гормональных изменений у женщин и т.д. наблюдается повышенное потоотделение в ночной период, при этом организм теряет значительное количество воды. Различного рода стрессы – страх, волнение, даже радость также сопровождаются ровышенным потоотделением, обезвоживая организм.
При стрессе – возбуждении, страхе, волнении и т.д. наблюдается также повышенное мочеиспускание. Одним из сильных стрессоров является холод. Во время Первой международной экспедиции по межконтинентальному эстафетному заплыву через Берингов пролив, посвященной 100-летию отделения Русского географического общества в Якутии, 70-летию трассы АлСиб, 375-летию экспедиции Семена Дежнева, организованной Министерством обороны РФ в августе 2013 г., нами проведено наблюдение за температурой тела и некоторыми физиологическими параметрами у 30 пловцов-экстремалов разных национальностей из 17 стран мира. Экстремали плавали в воде с температурой от +2,5 до +3,6°С (ближе к Чукотскому полуострову) до +8 – +10°С (около Аляски) в течение 10 минут за один раз. При устном опросе у 90 % пловцов наблюдается полиурия (холодовой диурез), моча очень обильная. Несколько человек даже признались, что они мочились прямо в воде во время плавания.
В холодный период 2012-2013 г. в ожоговое отделение РЦЭМП РБ №2 г. Якутска поступило 28 пострадавших и у 26 человек наблюдали самопроизвольное мочеиспускание во время переохлаждения. У этих больных самая низкая ректальная температура была равна 26,3°С, а самая высокая – 35°С (Угаров, Алексеев, 2013).
При волнении, страхе, а также при некоторых заболеваниях, интоксикациях у человека секреция слюны уменьшается и появляется сухость слизистых полости рта или ксеростомия, что может быть симптомом обезвоживания организма.
Интересно отметить, что даже при наступлении засухи, которая является стрессором, растенние старается избавиться от излишка воды в тканях. Так при атмосферной засухе у растений, сначала устьица открываются шире, вследствие этого усиливается транспирация, что приводит к большой потере воды. В условиях водного дефицита тормозится отток ассимилятов. Наряду с водным дефицитом, накопление лишних ассимилятов, замедляет фотосинтез и способствует повышению содержания связанной воды, вследствие этого, торможению роста растений, что является одной из самых быстрых ответных реакций растения на засуху (Пахомова, 1999).
Под действием холода происходит выход свободной воды из клеток и тканей растений наружу. Так, при понижении температуры объем воды увеличивается, а клеточная стенка, наоборот, сжимается. В начале действия холода устьица листьев заметно открываются. По нашим наблюдениям, если ширина щели устьиц у листьев березы плосколистной при +40С была равна 1.05 мк, при +30С – 1,68 мк, а при +20С – 1,76 мк, однако при +10С практически закрываются, то есть при действии холода сперва щели устьиц расширяются, а затем закрываются. В результате этого, при умеренном холоде вода выдавливается из клеток в межтканевое пространство и через открытые устьица, иногда специальное образование, называемое гидатодой, выходит наружу, при этом, в ночное время образуется роса. Происходит физическое обезвоживание. Кроме того, в холоде в клетках растений образуются криопротекторы и они увеличивают количество связанной воды, а активная свободная часть воды, соответственно, уменьшается.
В наших опытах методом спинового эха – ЯМР было показано, что время спин-спиновой релаксации (Т2) в листьях лука батуна, продержанных в холоде (+4 0С – 60С) в течение суток, уменьшается с 0,59 мсек до 0,53 мсек, что обусловлено падением подвижности спинов водорода в связи с увеличением количества связанной воды. Все вышеуказанное приводит к замедлению метаболизма и торможению ростовых процессов у растений (Угаров, 1997).
Таким образом, при действии стрессоров в живых организмах происходят процессы, направленные на обезвоживание организма, которые приводят к торможению метаболизма, замедлению и прекращению роста. В таком состоянии организм становится устойчивым к действию повреждающих факторов – стрессоров.
Существенным моментом при действии стрессоров является то, что наряду с физическим, происходит и физиологическое обезвоживание.
Анализ современных моделей структуры воды, в частности, двухструктурной, позволяет прийти к заключению, что вода, начиная с +40С и до 00С, имеет квазикристаллическую – льдоподобную структуру, или вода в этих температурах представляет собой жидкий лед.
Льдоподбная вода малоподвижна, ее растворяющая способность снижается, так как молекулы воды связаны между собой (кластеры, “айсберги”) и практически неспособна проникать через мембраны клетки, из-за крупных размеров ассоциированных молекул воды. В результате этого, нарушается внутриклеточный, межклеточный и межтканевый водообмен, то есть происходит физиологическое обезвоживание организма. Классическим примером прекращения поглощения льдоподобной воды может служить явление т.н. физиологической сухости холодных почв, установленное еще XIX веке немецким физиологом Шимпером,. В его опытах растения, помещенные в холодную воду, погибали от недостатка воды.
L. Pauling (1961) установил, что такие анестезирующие вещества, как хлороформ и эфир вызывают в тканях мозга стабилизацию структуры воды, т.е. их действие практически идентично действию холода, и это позволило ему создать общую молекулярную теорию анестезии. Некоторые анестетики, в частности, закись азота и ксенон являются инертными в химическом отношении газами, которые могут только образовывать клатраты с водой, что подтверждает вышесказанное предположение. В этом плане, огромный интерес представляет работа, проводимая коллективом авторов (http://www.ordodeus.ru), посвященная проблеме бессмертия. Для погружения живого организма в состояние анабиоза они используют инертный газ ксенон, который в клетках и тканях животного образует газовый гидрат (клатрат). Как считают авторы, анабиоз клатратный по своей биохимии подобен анабиозу при высушивании.
В статье “Дорога к бессмертию” они пишут: “...существует процесс (с точки зрения биохимии), аналогичный обезвоживанию, это – образование клатратов. При образовании клатратов, вся свободная вода оказывается, связана с клатратообразующим газом, и поэтому становится недоступной для биохимических реакций, что по своему действию подобно высушиванию» (подчеркнуто нами).
Клатраты обладают свойством переводить воду в химически не активное состояние, а, следовательно, частично или полностью останавливать (ингибировать) все биохимические реакции, так как они протекают только в водной среде; степень приостановки всех реакций зависит от того, сколько свободной воды осталось вне клатратов: если вся вода включена в клатрат, то никакие химические реакции не протекают вообще.” Другими словами, ксенон и другие газы, образующие клатраты (льдоподобные структуры) в клетках и тканях живого оганизма, вызывают физиологическое обезвоживание и ангидрию. Авторы идеи клатратного анабиоза В.И. Тельпухов и П.В. Щербаков (2006) фактически обосновали возможность прижизненного анабиоза человека. Считается, что клатратный анабиоз по своей биохимии подобен анабиозу при высушивании.
Вносят вклад в физиологическом обезвоживании организма и гидрофильные вещества, образующиеся в живом организме при воздействии холода, в частности, растворимые углеводы, глицерин и др., которые считаются криопротекторами. Некоторое количество воды может быть иммобилизовано – механически захвачено при конформационных изменениях макромолекул или их комплексов, при этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве макромолекулы и изолировано от общих обменных процессов.
Оба способа обезвоживания – физическое и физиологическое, отработаны эволюцией и эффективно используются живыми существами для выживания в разных неблагоприятных условиях существования. При этом следует иметь в виду, что результатом глубокого обезвоживания всегда является ангидрия.
Таким образом, можно заключить, что обезвоживание, являясь универсальной неспецифической реакцией организма на неблагоприятное действие внешних факторов, приводящее к ангидрии, является обязательным условием формирования устойчивости к любому стрессору, что позволило живым существам завоевать, обживать огромное пространство Земли от экватора до Арктики.