اكتشف M. V. Lomonosov في عام 1764 أن المحاليل تتجمد عند درجة حرارة أقل من المذيبات النقية. يرتبط الانخفاض في نقطة تجمد المحلول بانخفاض مرونة (ضغط) بخار المذيب فوق المحلول (تغيير في تركيز عصارة الخلايا في النباتات بحلول الشتاء).

نقطة التجمدالمحلول هو درجة الحرارة التي تكون عندها بلورات المذيب في حالة اتزان مع محلول من تركيبة معينة.

فرق Δt \ u003d t 0 ° - يسمى ti ° انخفاض في درجة الحرارةتجميد المحلول وكلما زاد كلما زاد تركيز المحلول. من الناحية الكمية ، يتم التعبير عن هذا الاعتماد بواسطة المعادلة:

Δt = ك С م (36)

أين Δt هو الانخفاض في نقطة تجمد المحلول ؛

Cm هو التركيز المولي ؛

K هو معامل التناسب ، يسمى ثابت كريوسكوبيمذيب أو انخفاض في درجة تجمد المحلول.

طريقة البحث التي تعتمد على قياس الانخفاض في درجة تجمد المحاليل تسمى طريقة التجميد.

تجمد المحاليل عند درجة حرارة منخفضة وتغلي عند درجة حرارة أعلى من المذيبات النقية.

بالنسبة للمحلول غير المنحل بالكهرباء ، وفقًا لقانون راولت ، يتناسب الانخفاض في درجة تجمد المحلول بشكل مباشر مع التركيز المولي (المعادلة 36).

تتناسب الزيادة في درجة غليان المحلول أيضًا بشكل مباشر مع التركيز المولي:

Δt بالة = EC م (37)

E - ثابت التنظير الإيبوليوسكوبي.

يتم حساب الضغط الاسموزي للحلول باستخدام صيغة Van't Hoff:

R osm = RTC م (38)

R- ثابت الغاز العام 8.314 كيلوجول / مول درجة

T - درجة الحرارة ، 0 K ، C · m - التركيز المولي.

أسئلة الاختبار

1. ما هو جوهر قانون التوزيع؟

2. اختتام قانون التوزيع.

3. تطبيق قانون التوزيع.

4. على أي شرط لتوازن الطور يعتمد اشتقاق قانون التوزيع؟

5. ما هي العوامل التي تؤثر على قيمة معامل التوزيع؟

6. ما هو الاستخراج الأكثر فعالية: فردي أم كسري؟

مهام

رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م غرام سكروز	رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م غرام سكروز
		60	.2
		55

ما هي درجة الحرارة التي سوف تغلي المحاليل التي تحتوي على ملي جرام ماء ملي جرام سكر. ارسم مدى اعتماد نقطة الغليان على محتوى المادة الذائبة في المحلول

رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م غرام سكروز	رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م غرام سكروز
		60
		55

رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م جرام الجلوكوز	رقم الوظيفة	م ز ح 2 س	م جرام الجلوكوز
		4,57			10,01
					12,57
					5,56
					14,40
		8,32			11,54

حدد نقطة تجميد الحل بالمتر جرام H 2 O الذي يحتوي على مللي جرام من الجلوكوز ، رسم بياني لاعتماد نقطة التجميد على محتوى الحل في الحل

التغييرات التي تحدث في الكائنات البيولوجية تحت تأثير درجات الحرارة المنخفضة ،
يمكن تقسيمها إلى: 1) التغيرات الفسيولوجية. 2) التغيرات الجسدية
ترتيب كيميائي 3) التغييرات في الترتيب الميكانيكي. للظواهر الفسيولوجية.
الشخصية إلى ما يسمى بصدمة الحرارة الناتجة عن
التعرض لدرجات حرارة منخفضة. تم اقتراح مصطلح "صدمة درجة الحرارة" لأول مرة
Milovanov في عام 1934 ، الذي لاحظ فقدان حركة الحيوانات المنوية الثور و
الأغنام نتيجة التبريد المفاجئ من 15 إلى 0 درجة.

صدمة الحرارة على التبريد المفاجئ. لوحظ في عدد من الأنواع.
الخلايا البكتيرية ، خاصة في مرحلة النمو اللوغاريتمي. بسرعة
عندما يتم تبريد الثقافات الصغيرة من 37 إلى 0 درجة ، يموت ما يصل إلى 95٪ من بكتيريا الإشريكية القولونية. في
انخفاض تدريجي في درجة الحرارة ضمن الحدود المحددة ، لا تفعل الخلايا البكتيرية
معطوبة. يمكن تجنب صدمة درجة الحرارة عن طريق التبريد التدريجي
الكائنات الحية والخلايا المعزولة في نفس نطاق درجة الحرارة التي
سريعة وفائقة السرعة ، تحدث صدمة التبريد. تبريد تدريجي
يساهم في ما يسمى بالتكيف البارد ، وهو انخفاض جزئي في المحتوى
ماء.

تتأثر حساسية الخلايا لصدمة درجة الحرارة بشكل كبير بتكوين الوسط ،
التي هم فيها. حساسية الحيوانات المنوية لصدمة الحرارة
ينخفض ​​بشكل كبير عند إضافته إلى السائل المنوي كمخفف لصفار البيض ،
التأثير الوقائي الذي يُفترض أنه بسبب الليسيثين.

عادة لا تتضرر كريات الدم الحمراء أثناء التبريد السريع من 30 إلى 5 درجات ، ولكن
تؤدي زيادة تركيز كلوريد الصوديوم إلى 0.8 متر وما فوق في ظل هذه الظروف إلى
انحلال الدم لديهم.

يمكن أن تحدث صدمة درجة الحرارة في الكائنات الحية متعددة الخلايا وحيدة الخلية
عند التبريد السريع ، فهي ليست فقط 0 درجة ، ولكن حتى أقل. لقد ثبت أن اللوكيميا
تبقى خلايا الفأر على قيد الحياة ، مع الاحتفاظ بالقدرة على الإصابة ، فقط في ظل هذه الحالة
تجميد بطيء حتى -70 درجة. لوحظ معدل بقاء أعلى مع
التبريد البطيء من 0 إلى -79 درجة مئوية من الأوالي الممرضة والحيوانات المنوية حسب
مقارنة بالتجميد السريع والفائق السرعة.

الأميبات الممرضة وغيرها من الأوليات ، وأنسجة المبيض ، وبيض الثدييات ،
أنسجة الغدة النخامية والكظرية وأنسجة الخصية وخلايا الورم وبعض أنواع
تبقى الكائنات الحية الدقيقة قابلة للحياة ، مع التجميد البطيء ، ولكن لا
يتحمل التبريد السريع والفائق السرعة لدرجات حرارة منخفضة. آلية
صدمة درجة الحرارة نتيجة التبريد السريع والسريع للغاية إلى الصفر و
التجميد في درجات حرارة منخفضة ناتج عن تغيير مفاجئ
الضغط الاسموزي داخل الخلايا. التبريد البطيء يضعف شدة
التغيرات في الضغط الأسموزي بسبب انتشار الماء من الخلايا عبر الخلية
الغشاء وتبلوره في الفراغات بين الخلايا. هذه الظاهرة تسمى
فضلا عن التكيف مع درجة الحرارة. تجميد وتخزين سريع وفائق السرعة
المواد البيولوجية في أدنى درجة حرارة ممكنة. لمثل هذه المواد
تشمل الإنزيمات وبعض أنواع الكائنات الحية الدقيقة.

من مزايا التبريد السريع أيضًا أنه في ظل هذه الظروف
يستغرق عمل المحاليل اليسرى المركزة بعد إطلاق الجليد أقل
فترة طويلة قبل الوصول إلى نقطة الانصهار.

فيما يتعلق بأنسجة الثدييات المعدة للزرع أو الزرع اللاحق ، باستثناء بعض الخلايا السرطانية ،
الغدد الجار درقية ، في معظم الحالات ، بعد التجميد السريع والسريع لا تظهر علامات الجدوى. لذلك ، فإن المعدل الأمثل للتبريد والتجميد يعتمد على عدد من الظروف.

عادة ما تكون الاضطرابات الفسيولوجية التي تحدث أثناء التجميد
مصحوبة بالتغيرات الفيزيائية والكيميائية والهيكلية في البيولوجية
الأنظمة. ترجع هذه التغييرات بشكل رئيسي إلى خارج الخلايا وداخلها
تبلور الماء وتركيز سهل الانصهار للأملاح. كل من هذه العوامل وثيقة
مترابطة ومترابطة. واحد منهم يسبب ميكانيكية بحتة
(التبلور) ، آخر (تركيز الملح) - التغيرات الفيزيائية والكيميائية في
الخلايا الحيوانية والنباتية. زيادة التركيز
دائمًا ما يصاحب الشوارد أثناء التجميد تبلور الماء. زيادة
تركيزات الملح ، سواء في درجات حرارة موجبة أو أثناء التجميد
يؤدي إلى تمسخ البروتينات وتفكك البروتينات الدهنية.

عند تجميد أي مادة بيولوجية تحتوي بالتأكيد
الأملاح المختلفة في الحالة المذابة ، لوحظ فصل سهل الانصهار للمحلول.
أولاً ، يتبلور الماء النقي وتتركز الأملاح في الجزء غير المجمد إلى
حتى يتم الوصول إلى أعلى تركيز. أقصى
تركيز الملح للمواد من أي أصل ، يليه
يُطلق على التصلب الكامل للمحلول عند درجات حرارة منخفضة نقطة الانصهار.
لذلك ، على سبيل المثال ، الحد الأقصى (سهل الانصهار) تركيز ملح الطعام ،
يتم تحقيق مكون من 22.42٪ عند درجة حرارة -21.2 درجة. عندما تنخفض درجة الحرارة
لم يعد يزيد تركيز الملح ، لأن هذا المحلول كامل
يقسى.

درجة التأثير الضار للأملاح المركزة تقترب
سهل الانصهار ، يعتمد على تكوين التعليق ، وكمية البروتين ، وكذلك على طبيعة الملح و
سرعة التجميد.

عادة ما تكون سوائل الأنظمة البيولوجية محاليل معقدة للغاية ،
تحتوي على مجموعة كاملة من الأملاح ذات نقاط الانصهار المختلفة. مثل
الحلول ، وفقًا لري ، من المستحيل عمليًا تحديد نقطة الانصهار في
قوة الاختلاف في تركيز سهل الانصهار للأملاح المختلفة. في البيولوجية المعقدة
الحلول ، يتم تحديد المنطقة سهلة الانصهار عادة في غضون 10 درجة أو أكثر بحد أدنى و
الحدود القصوى. يحدث التجمد داخل هذه المنطقة.
محاليل مفرطة التوتر من الأملاح المختلفة.

تركيز الأملاح مفرط التوتر له تأثير ضار على أنسجة وخلايا الحيوانات ،
البروتوزوا والبكتيريا أثناء التجميد والتخزين في درجات حرارة مساوية
منطقة سهل الانصهار.

أثناء عملية التجميد ، يمر الماء من الخلايا إلى البيئة بهذا
معدل أن تصبح درجة التجمد لمحتوياتها الداخلية أقل إلى حد ما
نقطة تجمد السائل المحيط. بحلول الوقت السائل المحيط بالخلايا
تتركز حتى التشبع ، فإن محتويات الخلايا مجففة بدرجة كافية
ولا يمكن تجميدها. دائمًا ما يكون التبلور خارج وداخل الخلايا مصحوبًا
تركيز المحاليل الملحية في درجات حرارة منخفضة ، تأثير مدمر
الذي ثبت الآن ولا شك فيه. ومع ذلك ، لا يمكن لأحد أن يتجاهل
وعمل بلورات الجليد ، مما تسبب في تدمير المحاليل الغروية ، وانتهاك
التوازن بين الجل والسول وربط الإنزيمات بركائزها.

يعتبر تبلور الماء داخل الخلايا ضارًا بشكل خاص ، والذي يؤدي ، كقاعدة عامة ، إلى
تدمير بنية الخلايا الحيوانية وموتها. بمعدلات تبريد سريعة
يمكن أن يحدث التبلور خارج وداخل الخلايا في وقت واحد تقريبًا.
بمعدلات تبريد فائقة السرعة إلى درجات حرارة منخفضة جدًا ، المرحلة
يتم تجاوز التبلور وينتقل الدواء إلى حالة زجاجية
(مزجج). وفقًا لـ Luye ، لا يحدث موت الخلية إذا
ينقل البروتوبلازم إلى حالة زجاجية ثم يعود إلى السائل ، متجاوزًا المرحلة
بلورة. أظهر أن درجة الحرارة الحرجة في المنطقة التي
بلورات ، في حدود 0 إلى -40 درجة. مع تبريد فائق السرعة
محاليل مركزة من البروتينات والسكريات والكحولات متعددة الهيدروكسيل المطبقة في الشكل
غشاء رقيق عن طريق الغمر في غازات الغلاف الجوي المسال عند درجات حرارة من -150
حتى -196 درجة ، تتحول إلى "أكواب" شفافة. عند التسخين البطيء ،
تتبلور "النظارات" وتصبح غير شفافة ، ومع تسخينها السريع
تذوب بدون تبلور.

التجميد هو مرحلة انتقالية يتحول فيها السائل إلى مادة صلبة. تسمى درجة حرارة التجمد للسائل بدرجة الحرارة التي يكون عندها ضغط البخار المشبع على السائل مساويًا لضغط البخار المشبع على بلورات المرحلة الصلبة المتساقطة منه.

عند درجة الحرارة هذه وضغط البخار المشبع المقابل ، يكون معدل التبلور مساويًا لمعدل الانصهار ، ويمكن أن تتعايش هاتان المرحلتان لفترة طويلة.

المزيد لاحظ لومونوسوف أن المحلول المخفف يتجمد عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة المذيب النقي. لذلك ، لا تتجمد مياه البحر عند 273 كلفن ، ولكن عند درجة حرارة أقل قليلاً. أظهرت العديد من التجارب أن مثل هذا التغيير في درجة تجمد الحل يمكن اعتباره قاعدة عامة.

تمت دراسة عمليات التجميد والغليان بالتفصيل من قبل راولت وتم تقديمها في شكل قانون ، والذي سمي لاحقًا بقانون راولت الثاني.

تأمل في أبسط اشتقاق لهذا القانون. يوضح الشكل 2 مخططًا يوضح اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة فوق مذيب نقي وفوق محلول.

المنحنى 0A هو اعتماد ضغط بخار تشبع الماء النقي على درجة الحرارة.

المنحنى BC ، DE - اعتماد ضغط بخار الماء المشبع على المحاليل ذات التركيزات المختلفة للمادة المذابة

0D - يعبر عن اعتماد درجة الحرارة على ضغط بخار الماء المشبع على الجليد.

يوضح الشكل 2 أن ضغط البخار فوق المحلول عند 273 كلفن أقل من ضغط الماء فوق الماء ، لكنه لا يساوي ضغط البخار فوق الجليد عند نفس درجة الحرارة. فقط عند درجات حرارة أقل من 273 كلفن (T'z) ينخفض ​​ضغط البخار فوق المحلول بدرجة كبيرة بحيث يصبح مساويًا لضغط البخار فوق الجليد. تتوافق النقطة B مع هذا ، فعند التركيزات الأعلى من المحلول ، تقع المنحنيات التي تعبر عن اعتماد درجة الحرارة لضغط بخار الماء على المحلول أسفل منحنى BC ، ولكنها موازية له.

دعونا نقدم الترميز التالي:

P 0 A - ضغط البخار فوق مذيب نقي عند 273 كلفن

P A - ضغط البخار فوق المحلول عند درجة حرارة التجمد

من مثلث قائم الزاوية WOC نحدد

يوضح الشكل 2 أين هو الانخفاض في درجة تجمد الحل.

بالتعويض عن هذه القيم في المعادلة أعلاه ، نحصل عليها

(3)

منذ قانون راولت الأول للحلول المخففة للغاية ، لدينا

و (4)

حيث n A ، n B ، m A تحتفظ بالتعيينات المعينة مسبقًا (انظر أعلاه). إذا أشرنا إلى الكتلة المولية للمذيب من خلال M 0 A ، إذن

استبدال هذا التعبير في المعادلة (4) ، نحصل عليها

اضرب واقسم الطرف الأيمن من هذا المقدار على 1000 ثم

(5)

نجمع جميع الثوابت في المعادلة (5) في ثابت واحد K ( ) ، نحصل على التعبير التالي

(6)

تعبير هي مولالية سانت.

بالتعويض عن هذا التعبير في المعادلة (6) ، نحصل على المعادلة النهائية.

(7)

هذا هو التعبير الرياضي لقانون راولت الثاني: انخفاض درجة التجمد أو زيادة نقطة غليان الحلول يتناسب طرديًا مع تركيزه المولي.

يُطلق على المعامل K في المعادلة (7) ثابت التجميد ، ويظهر الانخفاض المولي في نقطة تجمد المحلول ، وهو خاصية فردية للمذيب (K H2O \ u003d 1.86º) وله نفس البعد E (Kº) كجم مول -1)

طريقة البحث التي تعتمد على قياس الانخفاض في درجة تجمد المحاليل تسمى cryoscopic. يسمح لك أيضًا ، مثل ebullioscopic ، بحساب الكتلة المولية للمذاب

يوضح الشكل 3 جهازًا مصممًا لقياس نقطة تجمد الحلول.

التناضح والضغط التناضحي.

التناضح هو خاصية بيولوجية مهمة جدًا للحلول.

في الطبيعة ، غالبًا ما يتم فصل المحاليل عن المذيب بواسطة أغشية لا تكون منفذة إلا لجزيئات المذيبات. في هذه الحالة ، لا يمكن أن ينتشر المذاب في المذيب ، وسيتم ملاحظة انتقال المذيب إلى المحلول فقط ، أي سيتحرك المذيب في كلا الاتجاهين ، ولكن لا يزال هناك المزيد من المذيب سيمر في المحلول أكثر من الاتجاه المعاكس.

من السهل تخيل آلية التناضح على أساس التقطير متساوي الحرارة. دع غشاء شبه منفذ به مسام دقيقة يفصل المذيب والمحلول بتركيز C في (الشكل 4)

يحدث التبخر في مسام يحدها من جانب مذيب ومن الجانب الآخر بمحلول. بسبب الزيادة وفقًا لقانون راولت ، تتركز مرونة البخار المشبع من جانب المذيب من طور البخار ، ويمر إلى المحلول.

نتيجة للتناضح ، يزداد حجم المحلول ويقل تركيزه تدريجياً ؛ يزيد اختراق المذيب من خلال الغشاء إلى المحلول عمود السائل h ، وبالتالي يزيد الضغط الهيدروستاتيكي (انظر الشكل 5). في الوقت نفسه ، سيزداد عدد جزيئات المذيب التي تتحرك عبر الغشاء في الاتجاه المعاكس ، أي من محلول إلى مذيب. تدريجياً ، سيصل الضغط الهيدروستاتيكي وتخفيف المحلول إلى القيم التي يتساوى عندها عدد جزيئات المذيب التي تتحرك في كلا الاتجاهين وسيأتي التوازن التناضحي. الضغط الهيدروستاتيكي الزائد الناتج عن التناضح ، والذي يتم قياسه بواسطة عمود محلول بارتفاع h ، والذي يتم فيه إنشاء التوازن التناضحي ، يسمى الضغط الاسموزي.

أرز. 5

شبه نفاذية للعديد من المحاليل أغشية مصنوعة من الكولوديون ، السيلوفان ، النحاس الحديدي ، إلخ.

قوانين الضغط الأسموزي.

كشفت دراسة قوانين الضغط الاسموزي عن تشابهها الكامل مع قوانين الغازات. بالنسبة للمحاليل المخففة من غير المنحل بالكهرباء ، يمكن صياغتها على النحو التالي:

عند درجة حرارة ثابتة ، يتناسب الضغط الاسموزي طرديًا مع التركيز المولي للمذاب (تشابهًا مع قانون بويل ماريوت):

عند التركيز المولي الثابت ، يكون الضغط الاسموزي متناسبًا طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة (تشابهًا مع قانون جاي لوساك):

من هذين القانونين ، يترتب على ذلك أنه عند نفس التركيزات المولية ودرجة الحرارة ، تخلق محاليل غير إلكتروليتات مختلفة نفس الضغط الاسموزي ، أي المحاليل متساوية التوتر من غير الإلكتروليتات متساوية التوتر (تشبيهًا بقانون أفوجادرو).

اقترح Van't Hoff قانونًا موحدًا للضغط التناضحي في المحاليل (على غرار قانون الغاز الموحد لمندليف-كلابيرون): يتناسب الضغط التناضحي للمحاليل المخففة من الإلكتروليتات بشكل مباشر مع التركيز المولي ومعامل التناسب ودرجة الحرارة المطلقة :

منذ c \ u003d n / V ، حيث n هو عدد مولات غير المنحل بالكهرباء ، و V هو حجم المحلول ، إذن أو

إذا كان بعض الناس دروس الجغرافيايمكن أن تحلم فقط في كابوس ، كل شيء خطأ معي. أنا سعيد بقراءة المؤلفات العلمية ، وأنا على دراية جيدة بالخرائط الجغرافية ، ويمكنهم بسهولة مساعدة أي طالب. ذات يوم أدركت ذلك يجب تطوير المعرفة باستمرار. الآن سأشرح كيف توصلت إلى هذا الاستنتاج.

جئت إلى البحر في أكتوبر للخضوع للعلاجات الصحية. كان الجو شديد البرودة في ذلك اليوم ، لكنني خرجت لأتمشى بالقرب من الشاطئ. لكن عند النظر إلى الساعة الذكية ، فوجئت: درجة الحرارة 0 درجة مئوية. فلماذا لم تتجمد مياه البحر؟ لنجد الإجابات معًا اليوم.

في أي درجة حرارة يتجمد الماء

العلم جيد لأنه يمكنك العثور على أي إجابة. لقد فكرت للتو ، والإجابة جاهزة بالفعل. تحتاج فقط إلى أن تكون أكثر فضولًا ، وأن تقرأ المزيد من الكتب. أعلن العلماء منذ فترة طويلة نظرية أن الماء يتجمد عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. تم العثور على معلومات مماثلة في الكتب المدرسية. ولكن هذا ليس صحيحا. لأن الماء يتجمد لا يتجمد. معالجة تحويل الماء إلى جليداتصل بلورة(هذا مصطلح أكثر دقة).

عندما تصل درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية ، يبدأ الماء في تغيير شكله. وفقًا لذلك ، لا يتجمد تمامًا ، ولكنه يبدأ فقط في التجميد. يجدر النظر في تكوين السائل ، إذا كان هناك خليط في الماء(ملح ، رمل ، غبار) ، سيتصلب لفترة أطول. لا يوجد سبب لبناء هيكل بلوري ، عملية التجميد تبطئ.

توقف عن الإيمان بالأساطير حول الماء

من الأسهل حفظ بعض العبارات بدلاً من قراءة الموسوعات وإجراء التجارب. لذلك ، حتى في القرن الحادي والعشرين ، يسترشد الناس بأحكام خاطئة.

أهم الأساطير المشهورة عن الماء:

• ماء مقطرة- الأفضل للشرب. في الواقع ، يتم تدمير كل شيء أثناء عملية التطهير ، بما في ذلك المعادن المفيدة.

• ماء- مادة عديمة اللون. الماء ليس شفافًا فقط (قد يكون غائمًا) ، ولكنه ذو صبغة خفيفة ، والمياه الجوفية لها صبغة صفراء أو رمادية. يمكن أن تكون مياه البحر زرقاء أو زرقاء داكنة.

• يمكن شرب الماء بكميات غير محدودة. هناك صيغة تحدد تناول السوائل اليوميأن يسكر من قبل شخص. كل هذا يتوقف على وزن(على الأقل لترين في اليوم).

ماء - مصدر الحياة. لديها القوة ، يجب أن تستخدم بعناية هدية الطبيعة هذه.

الحفظ بالتبريد للأجسام البيولوجية الكبيرة

إن المجال الأكثر إثارة للاهتمام في تطبيق علم الأحياء القري - علم تأثير درجات الحرارة المنخفضة والمنخفضة جدًا على الكائنات البيولوجية - هو البحث عن طرق للحفاظ على الكائنات الحية أو الأعضاء الفردية في حالة التجمد العميق. إن تقنية الحفظ بالتبريد للخلايا الفردية أو ، على سبيل المثال ، الأجنة متطورة بشكل جيد ، ولكن يمكن عكسها (أي مع الحفاظ على الصلاحية بعد الذوبان) ، ويواجه تجميد الأجسام الكبيرة عقبات خطيرة. تكمن الصعوبة الرئيسية في أنه مع الحجم والكتلة الكبيرين يصعب تحقيق التبريد المنتظم. يؤدي التجميد غير المتكافئ إلى أضرار جسيمة لا رجعة فيها للخلايا والأنسجة. في غضون ذلك ، يمكن أن يساعد حل هذه المشكلة ، على سبيل المثال ، في إنشاء بنك أعضاء للزراعة وبالتالي إنقاذ حياة آلاف المرضى. الأمر الأكثر إغراءًا هو إمكانية إبقاء الشخص المصاب بمرض خطير في حالة من التبريد العميق حتى يتمكن الدواء من مساعدته ، ربما خلال عقود.

يتمثل الخطر الأكبر أثناء التجميد في الضرر الميكانيكي الذي يلحق بأغشية الخلايا بسبب بلورات الجليد المتكونة. تتشكل خارج الخلايا وداخلها - وهو أكثر خطورة بكثير - تكسر الطبقة الدهنية ثنائية الجزيئية التي تشكل هذه الأغشية.

لحماية الخلايا من التلف أثناء التجميد ، يتم استخدام مواد خاصة - واقيات البرودة. وهي مقسمة إلى مجموعتين: اختراق داخل الخلية ، أو خلوي داخلي (ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) ، أسيتاميد ، بروبيلين جليكول ، جلسرين ، إيثيلين جلايكول) ، وغير مخترق أو خارجي (بولي إيثيلين جليكول وأكاسيد بولي إيثيلين ، فيكول ، سكروز ، تريهالوز ، وما إلى ذلك) ، والتي تعمل في الخارج لسحب الماء من الخلية بشكل تناضحي.

هذا الأخير مفيد: فكلما قل الماء المتبقي في الخلية ، قل الجليد المتكون لاحقًا. لكن إزالة الماء يؤدي إلى زيادة تركيز الأملاح المتبقية داخل الخلية - وصولاً إلى القيم التي يحدث عندها تمسخ البروتين. لا تقلل المواد الواقية من التجمد داخل الخلايا من نقطة التجمد فحسب ، بل تخفف أيضًا "المحلول الملحي" المتكون أثناء التبلور ، مما يمنع البروتينات من تغيير طبيعة البروتينات.

الأكثر استخدامًا هما الجلسرين و DMSO. عند إضافته إلى الماء ، تنخفض نقطة التجمد ، لتصل إلى أدنى قيمة لها بنسبة 2: 1 تقريبًا. يسمى هذا أدنى درجة حرارة سهل الانصهار، أو كريوهيدرات. مع مزيد من التبريد لمثل هذه الخلائط ، تصبح أحجام بلورات الجليد المتكونة صغيرة جدًا (يمكن مقارنتها بحجم الخلية البلورية) بحيث لا تسبب أضرارًا كبيرة لهياكل الخلايا.

إذا كان من الممكن رفع تركيز المادة الواقية من التجمد في الأنسجة الحية إلى مستوى سهل الانصهار ، فإن هذا سيحل تمامًا مشكلة تلف الأنسجة بواسطة بلورات الجليد. ومع ذلك ، في مثل هذه التركيزات ، فإن أي مواد واقية من التجمد معروفة سامة.

في الممارسة العملية ، يتم استخدام تركيزات المواد الحافظة للتجميد التي تكون أقل بكثير من تلك سهلة الانصهار ، وفي الوقت نفسه ، لا يزال جزء من الماء يتجمد. لذلك ، عند استخدام محلول 27٪ من الجلسرين ، فإن 40٪ من الماء الموجود في الخلية يشكل خليط سهل الانصهار مع الجلسرين ، بينما يتجمد الباقي. ومع ذلك ، كما يتضح من التجارب التي أجريت في 1954-1960. عالم الأحياء البردية الإنجليزية أودري سميث ، يستطيع الهامستر الذهبي البقاء على قيد الحياة في حالة تحول فيها ما يصل إلى 50-60٪ من الماء الموجود في أنسجة المخ إلى جليد!

من الأهمية بمكان حل مشكلة التجميد العكسي معدل التبريد. أثناء التبريد البطيء (في بخار النيتروجين السائل أو في مجمدات برنامج خاص) ، تتشكل بلورات الثلج بشكل أساسي في الفضاء بين الخلايا. عندما تبرد ، تنمو وتسحب الماء من الخلايا. كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن يقلل هذا بشكل كبير من الضرر الذي تسببه البلورات للخلايا ، لكن تركيز الأملاح داخل الخلايا يزيد بشكل كبير ، مما يزيد من خطر تمسخ البروتين.

لسوء الحظ ، تنخفض المعدلات المثلى لدرجة الحرارة التي يتم فيها الوصول إلى حل وسط بين الآثار الضارة لبلورات الجليد والتركيزات العالية من المواد المذابة بشكل كبير باختلاف أنواع الخلايا. كما تختلف التركيزات المثلى لمواد الحماية من التجمد بالنسبة لهم. يؤدي هذا إلى تعقيد كبير في حفظ الأعضاء والأنسجة التي تشمل عدة أنواع مختلفة من الخلايا ، وحتى الكائنات الحية بأكملها.

أثناء التبريد السريع (على سبيل المثال ، عن طريق خفض العينة إلى نيتروجين سائل) ، لا يتوفر للماء وقت للانتشار خارج الخلايا ؛ تتشكل البلورات خارج الخلايا وداخلها على حدٍ سواء ، ولكن نظرًا للتبريد السريع ، فإنها تصبح أصغر بكثير مما كانت عليه في الحالة الأولى ، وليس لديها الوقت لتتشكل في جميع الخلايا. في هذه الحالة ، يمكن تجنب التركيزات السامة للأملاح ، وتكون مدة التعرض لها أقصر ، وكذلك مدة الآثار الضارة لمواد الحماية من التجمد. هذا الأخير يسمح باستخدام تركيزات أعلى.

مع التبريد السريع بدرجة كافية إلى 0 درجة مئوية وانخفاض إلى حد ما ، لا يتجمد الماء (يتبلور) على الفور. أولاً ، يتم تكوين سائل فائق التبريد. في التجارب التي ذكرتها سميث ، تمكنت في بعض الحالات من تبريد الهامستر الذهبي إلى -6 درجة مئوية دون تكوين بلورات ثلجية. في الوقت نفسه ، ظل جلد وأطراف الحيوانات ناعمة. وبعد ارتفاع درجة حرارة الهامستر ، ظهرت الحياة دون آثار ضارة مرئية. الإناث الحوامل (إذا حدث انخفاض في درجة حرارة الجسم في النصف الأول من فترة الحمل) يجلبن أطفالاً طبيعيين.

هناك تقنية لإجراء العمليات الجراحية على الأطفال حديثي الولادة من الثدييات الصغيرة - على سبيل المثال ، الفئران. التخدير في هذا العمر غير قابل للتطبيق عمليًا ، وبالتالي يتم تبريد الأشبال ببساطة لمدة 15-20 دقيقة حتى يفقدوا القدرة على الحركة والحساسية. هناك حالة معروفة ، أثناء مثل هذه الدراسات (تأثير إزالة العضو الأنفي على سلوك القوارض) في مختبر أحد معاهد موسكو ، عدة أشبال حديثي الولادة من الهامستر دجونغاريان ، بسبب إهمال المجرب ، تم نسيانها ببساطة مستلقية على وسادة قطنية في غرفة بدرجة حرارة -12 درجة مئوية. بعد إزالتها - بعد 2-3 ساعات - كانت صلبة تمامًا ، وكانت أجسادهم حرفياً "تدق خشبية". بعد مرور بعض الوقت في درجة حرارة الغرفة ، عادت الأشبال للحياة وبدأت في التحرك وإصدار الأصوات ...

تبدأ السوائل في الجسم بالتجمد عادة عند -1 ... -3 درجة مئوية. ومع ذلك ، عندما يتحول بعض الماء إلى جليد ، يزداد تركيز المواد المذابة في السائل المتبقي وتستمر نقطة تجمد هذا السائل في الانخفاض.

تختلف درجة حرارة التجميد الكامل للسوائل البيولوجية المختلفة اختلافًا كبيرًا ، ولكن على أي حال يتبين أنها أقل من -22 ... - 24 درجة مئوية.

يتناسب احتمال تكوين "جنين" من بلورة ثلجية لكل وحدة زمنية في سائل فائق التبريد مع حجم هذا السائل ويعتمد بشدة على درجة الحرارة: عند -40 درجة مئوية وعند ضغط 1 ضغط جوي. يحدث تبلور الماء النقي على الفور تقريبًا ، ولكن في درجات حرارة منخفضة حتى (من -70 درجة مئوية ، يتباطأ معدل نمو البلورات بسبب زيادة لزوجة الماء. أخيرًا ، عند درجة حرارة تقارب -130 درجة مئوية ، يتوقف نمو البلورات تمامًا. إذا تم تبريد السائل بسرعة كافية "لتخطي" درجة حرارة التبلور النشط قبل أن تتشكل البلورات ذات الحجم الخطير ، تزداد اللزوجة بشكل كبير بحيث يتم تكوين مادة زجاجية صلبة. تسمى هذه الظاهرة التزجيجأو التزجيج.

إذا كان من الممكن تبريد الخلايا أو الأنسجة إلى درجة حرارة التزجج ، فيمكنها البقاء في هذه الحالة إلى أجل غير مسمى ، وسيكون الضرر الناتج أقل بما لا يقاس من التبريد مع التبلور. في الواقع ، سيكون هذا هو الحل لمشكلة الحفاظ على الأشياء البيولوجية في حالة التجمد العميق. صحيح ، عندما يتم إذابة الخلايا ، من أجل إنعاشها ، سيتعين عليها مرة أخرى المرور بنطاق درجة حرارة خطير ...

يمكن تقليل معدل نمو بلورات الجليد في الخلية عن طريق إضافة شوائب إلى الماء مما يزيد من لزوجته - نفس الجلسرين والسكريات وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مواد تمنع تكوين بلورات الجليد. هذه الخصائص لها ، على سبيل المثال. بروتينات خاصة تنتجها الكائنات الحية لعدد من الحيوانات المقاومة للبرد - أسماك القطب الشمالي والقطب الجنوبي ، وبعض الحشرات ، وما إلى ذلك. تحتوي جزيئات هذه المواد على مناطق مكملة لسطح بلورة الجليد - "الجلوس" على هذا السطح ، توقفوا عن مزيد من النمو.

عندما يتم تبريد الأجسام الكبيرة (مقارنة بالخلية - من 1 مم وأكثر) ، كقاعدة عامة ، تنشأ تدرجات حرارة كبيرة داخلها. أولاً ، تتجمد الطبقات الخارجية ، ويتشكل ما يسمى بجبهة التبلور ، وتتحرك من الخارج إلى الداخل. يزداد تركيز الأملاح والمواد الأخرى الذائبة في الماء بشكل حاد قبل هذه الجبهة. هذا يؤدي إلى تمسخ البروتين وتلف جزيئات الخلايا الأخرى. مشكلة أخرى هي تكسير الأنسجة. سببها هو التبريد غير المتكافئ وغير المنتظم ، خاصة في حالة تصلب الطبقات الخارجية قبل الطبقات الداخلية.

مرة أخرى في الستينيات. القرن ال 20 تم اقتراح فكرة استخدام الضغط العالي للتحكم في تبلور الماء. تستند هذه الفكرة إلى انخفاض درجة حرارة انتقال طور الماء / الجليد مع زيادة الضغط. في 2045 أجهزة الصراف الآلي. درجة حرارة التبلور للمياه النقية هي -22 درجة مئوية. ليس من الممكن تحقيق انخفاض أكبر في درجة التجمد بهذه الطريقة - مع زيادة أخرى في الضغط ، يبدأ في الارتفاع مرة أخرى.

مرة أخرى في عام 1967 ، حصل دكتور الطب الأمريكي. أجرى برسيدسكي وزملاؤه تجارب لتجميد كليتي كلب. قام الباحثون بتروية الكلى بمحلول ثنائي ميثيل سلفوكسيد بنسبة 15 ٪ (الإرواء هو إدخال المواد في جسم بيولوجي من خلال نظام الأوعية الدموية) ، وبعد ذلك قاموا بتبريدها مع زيادة متزامنة في الضغط بحيث تكون درجة الحرارة في أي لحظة معينة. لم يكن أقل من نقطة التجمد المقابلة لهذا الضغط. عندما تم الوصول إلى أدنى قيمة لدرجة الحرارة (في هذه الحالة ، بسبب وجود مادة واقية من التجمد ، كانت حوالي -25 درجة مئوية) ، تم تقليل الضغط.

مع الإطلاق السريع للضغط ، يمكن أن يوجد سائل فائق التبريد إلى درجة الحرارة هذه لمدة لا تزيد عن بضع ثوانٍ ، وبعد ذلك يحدث التبلور التلقائي. لكن البلورات المتكونة في هذه الحالة موزعة بالتساوي على حجم العينة ، ولا توجد جبهة تبلور ، فضلاً عن زيادة غير متساوية في تركيز الأملاح. بالإضافة إلى ذلك ، فإن البلورات التي تظهر في هذه الحالة صغيرة وحبيبية وبالتالي تسبب ضررًا ضئيلًا نسبيًا للخلايا.

ومع ذلك ، أثناء عملية التبلور ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة (حرارة التبلور الكامنة) ، ونتيجة لذلك يتم تسخين العينة - في النهاية إلى درجة حرارة التبلور ، أي عندما ينخفض ​​الضغط إلى الغلاف الجوي - إلى حوالي 0 درجة مئوية. بعد ذلك تتوقف عملية التجميد بالطبع. نتيجة لذلك ، عندما تمت إزالة الضغط ، تمكن حوالي 28٪ فقط من الماء من التبلور ، بينما بقي الباقي سائلاً.

من أجل أن يتبلور كل الماء ، سيكون من الضروري تبريد العينة إلى درجة حرارة حوالي -80 درجة مئوية قبل خفض الضغط - ومع ذلك ، في هذه الحالة ، سيبدأ الجليد في التكوين قبل ذلك بكثير. قام M.Persidsky بحل المشكلة عن طريق الضغط بشكل دوري. تم تسخين العينة حتى 0 درجة مئوية بعد بدء تبريد أول إطلاق للضغط ، بالتزامن مع زيادة متكررة في الضغط. في "إعادة الضبط" التالية ، كان للجزء التالي من السائل وقت للتجميد ، وهكذا. نتيجة لذلك ، كان من الممكن تحقيق تبلور شبه كامل وغير ضار للماء ، وبعد ذلك يمكن بالفعل خفض درجة الحرارة بلا خوف إلى
-130 درجة مئوية (وأقل) عند الضغط الجوي الطبيعي والحفاظ على الكلى في هذه الحالة إلى أجل غير مسمى.

أثناء الذوبان ، تكررت الدورة بترتيب عكسي: تم تسخين الكلية إلى -28 درجة مئوية ، وبعد ذلك زاد الضغط إلى 2000 ضغط جوي. في هذه الحالة ، حدث ذوبان منتظم نسبيًا لبلورات الجليد. ثم تم تسخين العينة تدريجيًا مع انخفاض متزامن في الضغط.

الكلى المحفوظة بهذه الطريقة ، وفقًا لمؤلفي التجربة ، "أظهرت علامات تلف الأنسجة أقل من الكلى المجمدة بأي طريقة أخرى" - على الرغم من أنها لم تبقى قابلة للحياة ...

بعد ذلك ، تم استخدام تقنية التجميد بالضغط العالي في تحضير العينات البيولوجية للفحص المجهري. من أجل إنشاء قسم رفيع بما فيه الكفاية ، يجب أولاً ترسيخ العينة ، ولكن أثناء التجميد العادي ، تتضرر هياكل الخلايا لدرجة أنه لا يوجد شيء عمليًا للدراسة ...

يتم استخدام ضغط عدة آلاف من الأجواء بنجاح لتجميد المنتجات في صناعة الأغذية. عند القيام بذلك ، يتم السعي إلى تحقيق هدفين. أولاً ، بعد تخزين طويل (وبالتالي عند أدنى درجة حرارة ممكنة) ، يجب أن يختلف مذاق المنتج المجمد قدر الإمكان عن طعمه الطازج. لهذا ، من المهم أيضًا عدم تدمير الخلايا أثناء التجميد ، والذي يمكن تحقيقه إلى حد معين عن طريق التجميد عند ضغط يبلغ حوالي 2000 ضغط جوي. الهدف الآخر هو التعقيم المتزامن للمنتج ، والذي يتم تحقيقه ، على العكس من ذلك ، من خلال تدمير خلايا البكتيريا الموجودة فيه. هذا يتطلب ضغطًا أعلى بكثير - 6 آلاف جهاز صراف آلي. و اكثر.

لا يعرف المؤلفون عن المحاولات الجديدة لاستخدام الضغط العالي للحفاظ على الأعضاء أو الكائنات الحية بأكملها بشكل قابل للعكس ، ولكن في الوقت نفسه تبدو هذه الطريقة واعدة جدًا. بالطبع ، السؤال الذي يطرح نفسه حول الآثار الضارة لارتفاع الضغط. ومن المعروف أنه مع زيادة تدريجية إلى حوالي 500 صراف آلي. لا يتم تقليل صلاحية الخلية. في 6000 جهاز صراف آلي. وأكثر من ذلك ، تموت جميع الخلايا تقريبًا ، ولكن يمكن أن يكون للقيم الوسيطة تأثير مختلف ، اعتمادًا على نوع الخلايا وحالتها ومحتوى الماء والأملاح والمواد الأخرى الموجودة فيها ودرجة الحرارة وما إلى ذلك.

ومع ذلك ، يمكن توقع حدوث زيادة تدريجية في الضغط إلى 2000 جهاز صراف آلي مطلوب. لن يؤذي الجسم. في الواقع ، استعدادًا للتجميد ، يتم تبريد الجسم أولاً إلى حوالي 0 درجة مئوية (إذا كان كائنًا حيًا ، فإنه يتوقف عن التنفس) ويوضع في غرفة مليئة بالسائل. في عام 1961 تعرض الباحث الأمريكي س. جاكوب لضغط بلغ حوالي 1000 صراف آلي لمدة 30 دقيقة. قلب كلب يخرج للتو من الجسد ويستمر في الانقباض. بعد إزالة الضغط ، استؤنفت ضربات القلب.

من المهم أيضًا أن تكون بعض المواد الواقية من البرودة هي أيضًا عوامل واقية من الضغط ، أي أنها تحمي الخلايا من الضغط المرتفع. لا يقلل الواقي من التجمد "الجيد" من نقطة تجمد المحلول فحسب ، بل يعمل أيضًا على استقرار أغشية الخلايا ، مما يجعلها أكثر مرونة.

بالطبع ، لا يزال هناك عدد من المشكلات التي يتعين حلها: في سياق التجارب ، للعمل على وضع التبريد الأمثل ، واختيار مواد واقية من التجمد ، وما إلى ذلك ، على سبيل المثال ، عند المرور بدورات "الضغط مع التبريد - الضغط الإغاثة "، يحدث التبريد فقط من سطح الجسم. يؤدي هذا إلى حقيقة أن الجليد سيتشكل عند الأطراف ، بينما في الوسط ، على العكس من ذلك ، قد يذوب الجليد الموجود بالفعل بسبب زيادة الضغط. يمكن مكافحة ذلك إما عن طريق خفض درجة الحرارة بشكل أبطأ (والسماح للكائن أن يبرد بشكل متساوٍ أكثر) أو عن طريق زيادة تركيز المواد الواقية من التجمد في الطبقات الخارجية. في هذه الحالة ، ليس من الضروري زيادة الضغط إلى القيم القصوى. من الممكن ، من خلال زيادة عدد الدورات ، البقاء ضمن النطاق الآمن المعروف وهو 500-1000 الغلاف الجوي.

بالإضافة إلى ذلك ، كما أظهرت تجارب سميث مع الهامستر الذهبي ، فإن تزجيج حوالي 40٪ فقط من الماء (وتبلور الباقي) قد يكون كافياً للحفظ بالتبريد القابل للعكس.

لذا ، فإن البيانات المتاحة تسمح لنا تمامًا بالأمل في استخدام ضغوط عالية للتحكم في تبلور الماء الحر والحفظ بالتبريد للأشياء البيولوجية الكبيرة وحتى الكائنات الحية الكاملة. يتم تنفيذ العمل في هذا الاتجاه في معهد الفيزياء الحيوية الخلوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم (مختبر الحفظ بالتبريد للموارد الوراثية تحت إشراف E. بعد A.I. م. فيكسينسكي.