حتى M. V. Lomonosov اكتشف 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 (تغير في تركيز عصارة الخلايا في النباتات بحلول الشتاء).

نقطة التجمدالمحلول هو درجة الحرارة التي تتوازن عندها بلورات المذيب مع محلول من تركيبة معينة.

اختلاف Δt \u003d t 0 ° - ti ° يسمى انخفاض في درجة الحرارةوكلما زاد تجميد المحلول كلما زاد تركيز المحلول. ومن الناحية الكمية، يتم التعبير عن هذا الاعتماد بالمعادلة:

Δt = K С م (36)

حيث Δt هو الانخفاض في نقطة تجمد المحلول؛

سم هو التركيز المولي؛

K هو معامل التناسب، ويسمى ثابت بالتبريدالمذيب أو انخفاض المولي في نقطة تجمد المحلول.

تسمى طريقة البحث التي تعتمد على قياس الانخفاض في نقطة تجمد المحاليل بالطريقة المجهرية.

تتجمد المحاليل عند درجة حرارة أقل وتغلي عند درجة حرارة أعلى من المذيبات النقية.

بالنسبة للحلول غير المنحل بالكهرباء، وفقًا لقانون راؤول، فإن الانخفاض في نقطة تجمد المحلول يتناسب طرديًا مع التركيز المولي (المعادلة 36).

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

Δt بالة = EC م (37)

هـ - ثابت التنظير.

يتم حساب الضغط الاسموزي للمحاليل باستخدام صيغة فانت هوف:

R أوسم = RTC م (38)

R- ثابت الغاز العالمي 8.314 كيلوجول/مول درجة

T - درجة الحرارة، 0 ك، C م - التركيز المولي.

أسئلة التحكم

1. ما هو جوهر قانون التوزيع؟

2. اختتام قانون التوزيع.

3. تطبيق قانون التوزيع.

4. على أي شرط من توازن الطور يعتمد اشتقاق قانون التوزيع؟

5. ما هي العوامل المؤثرة على قيمة معامل التوزيع؟

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

مهام

رقم الوظيفة	م ز ح 2 يا	م ز السكروز	رقم الوظيفة	م ز ح 2 يا	م ز السكروز
		60	.2
		55

ما هي درجة الحرارة التي ستغلي بها المحاليل التي تحتوي على ملجم من الماء ملجم من السكر. ارسم اعتماد نقطة الغليان على محتوى المادة المذابة في المحلول

رقم الوظيفة	م ز ح 2 يا	م ز السكروز	رقم الوظيفة	م ز ح 2 يا	م ز السكروز
		60
		55

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

حدد نقطة تجمد المحلول في mg H 2 O الذي يحتوي على m g الجلوكوز قم بإنشاء رسم بياني لاعتماد نقطة التجمد على محتوى المذاب في المحلول

التغيرات التي تحدث في الأجسام البيولوجية تحت تأثير درجات الحرارة المنخفضة،
يمكن تقسيمها إلى: 1) التغيرات الفسيولوجية. 2) التغيرات الجسدية
ترتيب كيميائي 3) التغيرات في الترتيب الميكانيكي. للظواهر الفسيولوجية.
ينبغي أن يعزى الطابع إلى ما يسمى بالصدمة الحرارية الناتجة عن
التعرض لدرجات حرارة منخفضة. تم اقتراح مصطلح "صدمة الحرارة" لأول مرة
ميلوفانوف في عام 1934، الذي لاحظ فقدان حركة الحيوانات المنوية في الثور و
الأغنام نتيجة تبريدها المفاجئ من 15 إلى 0 درجة.

صدمة درجة الحرارة عند التبريد المفاجئ. لوحظ في عدد من الأنواع.
الخلايا البكتيرية، وخاصة في مرحلة النمو اللوغاريتمي. مع سريع
عندما يتم تبريد المزارع الصغيرة من 37 إلى 0 درجة مئوية، يموت ما يصل إلى 95% من بكتيريا الإشريكية القولونية. في
انخفاض تدريجي في درجة الحرارة ضمن الحدود المحددة، ولا تفعل ذلك الخلايا البكتيرية
معطوبة. يمكن تجنب الصدمة الحرارية عن طريق التبريد التدريجي
الكائنات الحية والخلايا المعزولة ضمن نطاق درجة الحرارة نفسه الذي فيه
تحدث صدمة التبريد بسرعة وفائقة السرعة. التبريد التدريجي
يساهم في ما يسمى بالتكيف البارد، وهو انخفاض جزئي في المحتوى
ماء.

تتأثر حساسية الخلايا لصدمة الحرارة بشكل كبير بتكوين الوسط،
الذي هم فيه. حساسية الحيوانات المنوية لصدمة درجة الحرارة
يتم تقليله بشكل كبير عند إضافته إلى السائل المنوي كمخفف لصفار البيض،
ومن المفترض أن يكون تأثيرها الوقائي بسبب الليسيثين.

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

يمكن أن تحدث صدمة درجة الحرارة في الكائنات متعددة الخلايا أحادية الخلية
عند التبريد السريع، فإنها لا تصل إلى 0 درجة فحسب، بل حتى أقل. وقد تبين أن سرطان الدم
تبقى خلايا الفأر على قيد الحياة، وتحتفظ بقدرتها على العدوى، فقط في ظل هذه الظروف
تجميد بطيء حتى -70 درجة. ويلاحظ ارتفاع معدل البقاء على قيد الحياة مع
التبريد البطيء من 0 إلى -79 درجة من الكائنات الأولية المسببة للأمراض والحيوانات المنوية وفقا ل
مقارنة بالتجميد السريع والفائق السرعة.

الأميبات المسببة للأمراض والطفيليات الأخرى، وأنسجة المبيض، وبيض الثدييات،
أنسجة الغدة النخامية والكظرية، وأنسجة الخصية، والخلايا السرطانية، وبعض أنواعها
تظل الكائنات الحية الدقيقة قابلة للحياة، مع تجميد بطيء، ولكن لا
تحمل التبريد السريع والسريع جدًا لدرجات الحرارة المنخفضة. آلية
صدمة درجة الحرارة نتيجة التبريد السريع والفائق السرعة إلى الصفر و
التجميد في درجات حرارة منخفضة يرجع إلى تغير مفاجئ
الضغط الأسموزي داخل الخلايا. التبريد البطيء يضعف الشدة
التغيرات في الضغط الاسموزي بسبب انتشار الماء من الخلايا عبر الخلية
الغشاء وتبلوره في الفراغات بين الخلايا. وتسمى هذه الظاهرة
وكذلك التكيف مع درجة الحرارة. تجميد وتخزين سريع وفائق السرعة
المواد البيولوجية عند أدنى درجة حرارة ممكنة. لمثل هذه المواد
وتشمل الإنزيمات وبعض أنواع الكائنات الحية الدقيقة.

ومن مزايا التبريد السريع أيضًا أنه في ظل هذه الظروف
يستغرق عمل المحاليل اليسرى المركزة بعد إطلاق الجليد وقتًا أقل
فترة طويلة قبل أن تصل إلى نقطة سهل الانصهار.

فيما يتعلق بأنسجة الثدييات المعدة للزرع أو الاستزراع اللاحق، باستثناء بعض الخلايا السرطانية،
الغدد جارات الدرق، في معظم الحالات، بعد التجميد السريع والتجميد، لا تظهر علامات الحيوية. ولذلك، فإن المعدل الأمثل للتبريد والتجميد يعتمد على عدد من الشروط.

عادة ما تكون الاضطرابات الفسيولوجية التي تحدث أثناء التجميد
يرافقه التغيرات الفيزيائية والكيميائية والهيكلية في البيولوجية
أنظمة. ترجع هذه التغييرات أساسًا إلى خارج الخلايا وداخلها
تبلور الماء وتركيز الأملاح سهل الانصهار. كل من هذه العوامل قريبة
مترابطة ومترابطة. واحد منهم يسبب ميكانيكية بحتة
(التبلور) وآخر (تركيز الأملاح) - التغيرات الفيزيائية والكيميائية في
الخلايا الحيوانية والنباتية. زيادة التركيز
تكون الإلكتروليتات أثناء التجميد مصحوبة دائمًا بتبلور الماء. يزيد
تركيزات الملح، سواء في درجات الحرارة الإيجابية وأثناء التجميد
يؤدي إلى تمسخ البروتينات وحل البروتينات الدهنية.

عند تجميد أي مادة بيولوجية تحتوي بالتأكيد
أملاح مختلفة في الحالة الذائبة، ويلاحظ فصل سهل الانصهار من الحل.
أولا، يتبلور الماء النقي، وتتركز الأملاح في الجزء غير المتجمد
حتى الوصول إلى أعلى تركيز. أقصى
تركيز الملح للمواد من أي أصل، تليها
يسمى التصلب الكامل للمحلول عند درجات حرارة منخفضة بنقطة الانصهار.
لذلك، على سبيل المثال، الحد الأقصى (سهل الانصهار) لتركيز ملح الطعام،
يتم تحقيق مكون 22.42٪ عند درجة حرارة -21.2 درجة مئوية. عندما تنخفض درجة الحرارة
لم يعد تركيز الملح يزيد، لأن هذا الحل تماما
يصلب.

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

سوائل النظم البيولوجية عادة ما تكون محاليل معقدة للغاية،
تحتوي على مجموعة كاملة من الأملاح ذات نقاط سهلة الانصهار مختلفة. هذه
الحلول، وفقًا لـ Re، من المستحيل عمليًا تحديد نقطة الانصهار فيها
قوة الفرق في التركيز سهل الانصهار للأملاح المختلفة. في البيولوجية المعقدة
المحاليل، يتم تحديد منطقة سهل الانصهار عادة في حدود 10 درجات أو أكثر بحد أدنى و
الحدود القصوى. يحدث التجميد داخل هذه المنطقة.
محاليل مفرطة التوتر من الأملاح المختلفة.

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

أثناء عملية التجميد، يمر الماء من الخلايا إلى البيئة بهذه الطريقة
المعدل الذي تصبح فيه نقطة تجمد محتوياتها الداخلية أقل إلى حد ما
نقطة تجمد السائل المحيط. بحلول الوقت الذي يحيط فيه السائل بالخلايا
مركزة إلى التشبع، ومحتويات الخلايا المجففة بما فيه الكفاية
ولا يمكن تجميدها. دائمًا ما يكون التبلور خارج الخلايا وداخلها مصحوبًا
تركيز المحاليل الملحية في درجات حرارة منخفضة له تأثير مدمر
وهو ما ثبت الآن ولا شك فيه. ومع ذلك، لا يمكن للمرء أن يتجاهل
وعمل بلورات الثلج، مما تسبب في تدمير المحاليل الغروية، والانتهاك
التوازن بين الجل والمحلول وارتباط الإنزيمات بركائزها.

ضار بشكل خاص هو تبلور الماء داخل الخلايا، والذي يؤدي عادة إلى
تدمير بنية وموت الخلايا الحيوانية. بمعدلات تبريد سريعة
يمكن أن يحدث التبلور خارج الخلايا وداخلها في وقت واحد تقريبًا.
بمعدلات تبريد فائقة السرعة إلى درجات حرارة منخفضة جدًا، المرحلة
يتم تجاوز التبلور ونقل الدواء إلى حالة زجاجية
(مزجج). وفقا للوي، موت الخلايا لا يحدث إذا
نقل البروتوبلازم إلى الحالة الزجاجية ثم العودة إلى الحالة السائلة، متجاوزًا المرحلة
بلورة. وأظهر أن منطقة درجة الحرارة الحرجة فيها
البلورات، في حدود 0 إلى -40 درجة. مع تبريد فائق السرعة
يتم تطبيق المحاليل المركزة من البروتينات والسكريات والكحوليات المتعددة الهيدرات في النموذج
طبقة رقيقة عن طريق الغمر في غازات الغلاف الجوي المسالة عند درجات حرارة تتراوح من -150
وصولاً إلى -196 درجة، تتحول إلى "نظارات" شفافة. عند التسخين البطيء،
تتبلور "النظارات" وتصبح معتمة، ومع التسخين السريع تتبلور
تذوب دون تبلور.

التجميد هو مرحلة انتقالية يتحول فيها السائل إلى مادة صلبة. نقطة التجمد (التبلور) للسائل هي درجة الحرارة التي يكون فيها ضغط البخار المشبع على السائل مساوياً لضغط البخار المشبع على بلورات الطور الصلب المتساقطة منه.

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

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

تمت دراسة عمليتي التجميد والغليان بالتفصيل من قبل راؤول وقدمهما في شكل قانون، والذي سمي فيما بعد بقانون راؤول الثاني.

النظر في أبسط اشتقاق لهذا القانون. يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا يوضح اعتماد ضغط بخار التشبع على درجة الحرارة فوق المذيب النقي وعلى المحلول.

المنحنى 0A هو اعتماد ضغط بخار التشبع للمياه النقية 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 منه 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 كثيرًا بحيث يصبح مساويًا لضغط البخار فوق الجليد. النقطة B تتوافق مع هذا، عند التركيزات الأعلى من المحلول، فإن المنحنيات التي تعبر عن اعتماد درجة حرارة ضغط بخار الماء على المحلول تقع أسفل منحنى BC، ولكنها موازية له.

دعونا نقدم التدوين التالي:

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

P A - ضغط البخار فوق المحلول عند درجة حرارة التجمد T's

من المثلث القائم الزاوية WOC نحدد

يوضح الشكل 2 أين يوجد الانخفاض في نقطة تجمد المحلول.

استبدال هذه القيم في المعادلة أعلاه، نحصل على

(3)

من قانون راؤول الأول للحلول المخففة للغاية، لدينا

و (4)

حيث يحتفظ n A، n B، m A بالتسميات المعينة مسبقًا (انظر أعلاه). إذا كنا نشير إلى الكتلة المولية للمذيب من خلال M 0 A، إذن

باستبدال هذا التعبير في المعادلة (4)، نحصل على

ثم اضرب واقسم الجانب الأيمن من هذا التعبير على 1000

(5)

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

(6)

تعبير هي molality القديس.

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

(7)

هذا هو التعبير الرياضي لقانون راؤول الثاني: إن انخفاض درجة التجمد أو الزيادة في درجة غليان المحاليل يتناسب طرديًا مع تركيزها المولي.

يُطلق على المعامل K في المعادلة (7) اسم ثابت التبريد، ويُظهر الانخفاض المولي في نقطة تجمد المحلول، وهو خاصية فردية للمذيب (K H2O \u003d 1.86°) وله نفس البعد مثل E (K°) كجم مول -1)

طريقة البحث التي تعتمد على قياس الانخفاض في درجة تجمد المحاليل تسمى بالتبريد. كما أنه، مثل المنظار الإلكتروني، يسمح لك بحساب الكتلة المولية للمادة المذابة

ويبين الشكل 3 جهازاً مصمماً لقياس درجة تجمد المحاليل.

التناضح والضغط الاسموزي.

الخاصية البيولوجية المهمة جدًا للحلول هي التناضح.

في الطبيعة، غالبًا ما يتم فصل المحاليل عن المذيب بواسطة أغشية تكون منفذة فقط لجزيئات المذيب. في هذه الحالة، لا يمكن للمذاب أن ينتشر في المذيب، وسيتم ملاحظة انتقال المذيب إلى المحلول فقط، أي. سوف يتحرك المذيب في كلا الاتجاهين، ولكن سيمر إلى المحلول كمية أكبر قليلاً من الاتجاه المعاكس.

من السهل تخيل آلية التناضح على أساس التقطير متساوي الحرارة. دع الغشاء شبه المنفذ ذو المسام الدقيقة يفصل المذيب والمحلول بتركيز C في (الشكل 4)

يحدث التبخر في مسام يحده من جهة مذيب ومن جهة أخرى محلول. بسبب الزيادة وفقا لقانون راولت، يتم تركيز مرونة البخار المشبع من جانب المذيب من مرحلة البخار، ويمر إلى المحلول.

ونتيجة لعملية التناضح، يزداد حجم المحلول، ويتناقص تركيزه تدريجياً؛ يزيد المذيب الذي يخترق الغشاء إلى المحلول من عمود السائل h، وبالتالي يزيد الضغط الهيدروستاتيكي (انظر الشكل 5). وفي الوقت نفسه، سيزداد عدد جزيئات المذيبات التي تتحرك عبر الغشاء في الاتجاه المعاكس، أي. من المحلول إلى المذيب. تدريجيًا، سيصل الضغط الهيدروستاتيكي وتخفيف المحلول إلى قيم يتساوى عندها عدد جزيئات المذيب التي تتحرك في كلا الاتجاهين ويأتي التوازن الأسموزي. يسمى الضغط الهيدروستاتيكي الزائد الناتج عن التناضح، والذي يتم قياسه بواسطة عمود محلول ارتفاعه h، والذي يتم عنده تحقيق التوازن الأسموزي، بالضغط الأسموزي.

أرز. 5

تعتبر الأغشية شبه النفاذة للعديد من المحاليل مصنوعة من الكولوديون والسيلوفان والنحاس الحديدي وما إلى ذلك.

قوانين الضغط الاسموزي.

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

عند درجة حرارة ثابتة، يتناسب الضغط الأسموزي طرديًا مع التركيز المولي للمذاب (قياسًا على قانون بويل ماريوت):

عند التركيز المولي الثابت، يتناسب الضغط الأسموزي بشكل مباشر مع درجة الحرارة المطلقة (قياسًا على قانون جاي-لوساك):

ويترتب على هذين القانونين أنه عند نفس التركيزات المولية ودرجة الحرارة، تخلق محاليل مختلفة من غير الإلكتروليتات نفس الضغط الأسموزي، أي. المحاليل متساوية المولية لغير الإلكتروليتات متساوية التوتر (قياسًا على قانون أفوجادرو).

اقترح فانت هوف قانونًا موحدًا للضغط الأسموزي في المحاليل (على غرار قانون الغاز الموحد لمندليف-كلايبيرون): يتناسب الضغط الأسموزي للمحاليل المخففة غير 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 الجغرافيالا أستطيع إلا أن أحلم في كابوس، كل شيء خطأ معي. يسعدني قراءة الأدبيات العلمية، وأنا على دراية جيدة بالخرائط الجغرافية، ويمكنها بسهولة مساعدة أي طالب. ذات يوم أدركت ذلك يجب تطوير المعرفة باستمرار. والآن سأشرح كيف توصلت إلى هذا الاستنتاج.

جئت إلى البحر في أكتوبر للخضوع للعلاجات الصحية. كان الجو باردًا جدًا في ذلك اليوم، لكنني خرجت للتنزه بالقرب من الشاطئ. لكن عندما نظرت إلى الساعة الذكية، تفاجأت: درجة الحرارة 0 درجة مئوية. فلماذا لم يتجمد الماء في البحر؟ دعونا نجد الإجابات معا اليوم.

في أي درجة حرارة يتجمد الماء

العلم جيد لأنه يمكنك العثور على أي إجابة. لقد فكرت للتو، والإجابة جاهزة بالفعل. كل ما عليك فعله هو أن تكون أكثر فضولاً، وأن تقرأ المزيد من الكتب. لقد أعلن العلماء منذ فترة طويلة النظرية القائلة بأن الماء يتجمد عند درجة حرارة 0 درجة مئوية. توجد معلومات مماثلة في الكتب المدرسية. ولكن هذا ليس صحيحا. لأن الماء يتجمد وليس يتجمد. عملية تحويل الماء إلى ثلجمُسَمًّى بلورة(وهذا مصطلح أكثر دقة).

عندما تصل درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية، يبدأ الماء في تغيير شكله. وبناء على ذلك، فإنه لا يتجمد تماما، بل يبدأ فقط في التجميد. ومن الجدير النظر في تكوين السائل، إذا كان هناك خليط في الماء(الملح والرمل والغبار)، وسوف تتصلب لفترة أطول. لا يوجد سبب لبناء هيكل بلوري، فإن عملية التجميد تتباطأ.

توقف عن الإيمان بالأساطير المتعلقة بالمياه

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

أشهر الخرافات المتعلقة بالمياه:

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

• ماء- مادة عديمة اللون. المياه ليست شفافة فقط (قد تكون غائمة)، ولكنها تحتوي على صبغة، 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 يومياأن يكون في حالة سكر من قبل الشخص. كل هذا يتوقف على وزن(لترين على الأقل يوميا).

ماء - مصدر الحياة. لديها القوة، يجب عليك استخدام هدية الطبيعة هذه بعناية.

الحفظ بالتبريد للأشياء البيولوجية الكبيرة

إن المجال الأكثر إثارة للاهتمام في تطبيق علم الأحياء البردي - علم تأثير درجات الحرارة المنخفضة والمنخفضة للغاية على الأجسام البيولوجية - هو البحث عن طرق للحفاظ على الكائنات الحية أو الأعضاء الفردية في حالة من التجمد العميق. إن تقنية الحفظ بالتبريد للخلايا الفردية أو، على سبيل المثال، الأجنة متطورة بشكل جيد، ولكن تجميد الأجسام الكبيرة قابل للعكس (أي مع الحفاظ على الحيوية بعد الذوبان) يواجه عقبات خطيرة. تكمن الصعوبة الرئيسية في أنه مع الحجم الكبير والكتلة يكون من الصعب تحقيق تبريد موحد. يؤدي التجميد غير المتكافئ إلى أضرار جسيمة وغير قابلة للإصلاح للخلايا والأنسجة. وفي الوقت نفسه، فإن حل هذه المشكلة يمكن أن يساعد، على سبيل المثال، في إنشاء بنك أعضاء لزراعة الأعضاء وبالتالي إنقاذ حياة الآلاف من المرضى. والأمر الأكثر إغراءً هو إمكانية إبقاء الشخص المصاب بمرض خطير في حالة من التبريد العميق حتى يتمكن الطب من مساعدته، ربما خلال عقود من الزمن.

الخطر الأكبر أثناء التجميد هو الضرر الميكانيكي لأغشية الخلايا بسبب بلورات الجليد المتكونة. تتشكل خارج الخلايا وداخلها - وهو أمر أكثر خطورة - فهي تكسر الطبقة الدهنية ثنائية الجزيئات التي تشكل هذه الأغشية.

لحماية الخلايا من التلف أثناء التجميد، يتم استخدام مواد خاصة - مواد الحماية من التجميد. وهي مقسمة إلى مجموعتين: تخترق الخلية، أو داخل الخلية (ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، الأسيتاميد، البروبيلين جليكول، الجلسرين، جلايكول الإيثيلين)، وغير مخترقة أو خارج الخلية (البولي إيثيلين جليكول وأكاسيد البولي إيثيلين، فيكول، سكروز، تريهالوز). ، وما إلى ذلك)، والتي تعمل خارجًا على سحب الماء من الخلية بشكل تناضحي.

وهذا الأخير مفيد: فكلما قل عدد الماء المتبقي في الخلية، قل الجليد الذي يتكون لاحقًا. لكن إزالة الماء تؤدي إلى زيادة تركيز الأملاح المتبقية داخل الخلية - حتى القيم التي يحدث عندها تمسخ البروتين. من ناحية أخرى، لا تعمل المواد الواقية من البرد داخل الخلايا على تقليل نقطة التجمد فحسب، بل تعمل أيضًا على تخفيف "المحلول الملحي" الذي يتكون أثناء التبلور، مما يمنع البروتينات من تغيير طبيعةها.

الأكثر استخدامًا هي الجلسرين وDMSO. وعند إضافته إلى الماء تنخفض درجة تجمده لتصل إلى أدنى قيمة لها بنسبة 2:1 تقريبًا. وتسمى درجة الحرارة الدنيا هذه سهل الانصهار، أو هيدرات التبريد. مع مزيد من التبريد لهذه المخاليط، فإن أحجام بلورات الجليد الناتجة تكون صغيرة جدًا (قابلة للمقارنة بحجم الخلية البلورية) بحيث لا تسبب ضررًا كبيرًا لهياكل الخلية.

إذا كان من الممكن رفع تركيز المادة الواقية من البرد في الأنسجة الحية إلى مستوى سهل الانصهار، فإن هذا من شأنه أن يحل تمامًا مشكلة تلف الأنسجة بسبب بلورات الثلج. ومع ذلك، في مثل هذه التركيزات، فإن أي مواد وقائية معروفة تكون سامة.

في الممارسة العملية، يتم استخدام تركيزات من المواد الواقية من البرد، وهي 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 خليطًا سهل الانصهار مع الجلسرين، بينما يتجمد الباقي. ومع ذلك، كما أظهرت التجارب التي أجريت في 1954-1960. عالمة الأحياء المجهرية الإنجليزية أودري سميث، الهامستر الذهبي قادر على البقاء على قيد الحياة في موقف يتحول فيه ما يصل إلى 50-60٪ من الماء الموجود في أنسجة المخ إلى جليد!

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

ولسوء الحظ، فإن المعدلات المثلى لانخفاض درجة الحرارة التي يتم عندها التوصل إلى حل وسط بين التأثيرات الضارة لبلورات الجليد والتركيزات العالية من المواد المذابة تختلف اختلافًا كبيرًا بالنسبة لأنواع الخلايا المختلفة. تختلف أيضًا التركيزات المثالية للمواد الواقية من البرد. وهذا يعقد بشكل كبير عملية الحفظ بالتبريد للأعضاء والأنسجة التي تشمل عدة أنواع مختلفة من الخلايا، وحتى أكثر من ذلك للكائنات الحية بأكملها.

أثناء التبريد السريع (على سبيل المثال، عن طريق خفض العينة إلى نيتروجين سائل)، لا يتوفر للماء الوقت الكافي للانتشار خارج الخلايا؛ تتشكل البلورات خارج الخلايا وداخلها، ولكن بسبب التبريد الأسرع، فإنها تصبح أصغر بكثير مما كانت عليه في الحالة الأولى، وليس لديها وقت للتشكل في جميع الخلايا. وفي هذه الحالة يمكن تجنب التركيزات السامة للأملاح، وتكون مدة التعرض لها أقصر، كما تكون مدة التأثيرات الضارة للمواد الواقية من البرد. هذا الأخير يسمح باستخدام تركيزات أعلى.

مع التبريد السريع بما فيه الكفاية إلى 0 درجة مئوية وأقل إلى حد ما، لا يتجمد الماء (يتبلور) على الفور. أولاً، يتكون سائل فائق التبريد. وفي التجارب التي ذكرتها سميث، تمكنت في بعض الحالات من تبريد الهامستر الذهبي إلى -6 درجة مئوية دون تكوين بلورات الجليد. في الوقت نفسه، ظل جلد وأطراف الحيوانات ناعمة. وبعد الاحترار، جاء الهامستر إلى الحياة دون آثار ضارة مرئية. الإناث الحوامل (إذا حدث انخفاض حرارة الجسم في النصف الأول من فترة الحمل) جلبن أطفالًا طبيعيين.

هناك تقنية لإجراء العمليات الجراحية على الأطفال حديثي الولادة من الثدييات الصغيرة - على سبيل المثال، الفئران. التخدير في هذا العصر غير قابل للتطبيق عمليا، وبالتالي يتم تبريد الأشبال ببساطة لمدة 15-20 دقيقة حتى يفقدوا القدرة على الحركة والحساسية. هناك حالة معروفة عندما تم، أثناء مثل هذه الدراسات (تأثير إزالة العضو الميكعي على سلوك القوارض) في مختبر أحد معاهد موسكو، اكتشاف عدة أشبال حديثي الولادة من الهامستر دجونجاري، بسبب إهمال المجرب ، تم نسيانهم ببساطة مستلقين على وسادة من القطن في غرفة بدرجة حرارة -12 درجة مئوية. بعد إزالتها - بعد 2-3 ساعات - كانت صلبة تمامًا، وتسببت أجسادهم حرفيًا في "ضربة خشبية". بعد مرور بعض الوقت في درجة حرارة الغرفة، عادت الأشبال إلى الحياة، وبدأت في التحرك وإصدار الأصوات ...

تبدأ السوائل في الجسم بالتجميد عادة عند -1 ... -3 درجة مئوية. ومع ذلك، مع تحول بعض الماء إلى ثلج، يزداد تركيز المواد الذائبة في السائل المتبقي وتستمر درجة تجمد هذا السائل في الانخفاض.

تختلف درجة حرارة التجميد الكامل للسوائل البيولوجية المختلفة بشكل كبير، 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 ATM. يحدث تبلور الماء النقي على الفور تقريبًا، ولكن عند درجات حرارة أقل (حوالي -70 درجة مئوية، يتباطأ معدل نمو البلورات بسبب زيادة لزوجة الماء. وأخيرًا، عند درجة حرارة حوالي -130 درجة مئوية) يتوقف نمو البلورات تمامًا، وإذا تم تبريد السائل بسرعة كافية "لتخطي" درجة حرارة التبلور النشط قبل أن تتشكل بلورات ذات أحجام خطيرة، فإن اللزوجة تزداد كثيرًا بحيث تتشكل مادة زجاجية صلبة، وتسمى هذه الظاهرة التزجيجأو التزجيج.

إذا كان من الممكن تبريد الخلايا أو الأنسجة إلى درجة حرارة التزجج، فيمكن أن تظل في هذه الحالة إلى أجل غير مسمى، وسيكون الضرر الناتج أقل بما لا يقاس من التبريد بالتبلور. في الواقع، سيكون هذا هو الحل لمشكلة الحفاظ على الأشياء البيولوجية في حالة التجميد العميق. صحيح، عندما يتم إذابة الخلايا، من أجل إحيائها، سيتعين عليها مرة أخرى المرور عبر نطاق درجة حرارة خطير ...

يمكن تقليل معدل نمو بلورات الثلج في الخلية عن طريق إضافة شوائب إلى الماء تزيد من لزوجته - نفس الجلسرين والسكريات وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، هناك مواد تمنع تكوين بلورات الثلج. هذه الخصائص لها، على سبيل المثال. بروتينات خاصة تنتجها كائنات حية لعدد من الحيوانات المقاومة للبرد - أسماك القطب الشمالي والقطب الجنوبي، وبعض الحشرات، وما إلى ذلك. ولجزيئات هذه المواد مناطق مكملة لسطح بلورة الجليد - "تجلس" على هذا السطح، يوقفون نموها الإضافي.

عندما يتم تبريد الأجسام الكبيرة (مقارنة بالخلية - من 1 مم أو أكثر)، كقاعدة عامة، تنشأ تدرجات كبيرة في درجة الحرارة داخلها. في البداية تتجمد الطبقات الخارجية، ويتشكل ما يسمى بجبهة التبلور، وتتحرك من الخارج إلى الداخل. يزداد تركيز الأملاح والمواد الأخرى الذائبة في الماء بشكل حاد أمام هذه الجبهة. وهذا يؤدي إلى تمسخ البروتين وتلف الجزيئات الكبيرة الأخرى في الخلية. مشكلة أخرى هي تكسير الأنسجة. وسببه هو التبريد غير المتساوي وغير المنتظم، خاصة في حالة تصلب الطبقات الخارجية قبل الطبقات الداخلية.

مرة أخرى في 60s. القرن ال 20 واقترحت فكرة استخدام الضغط العالي للتحكم في تبلور الماء. تعتمد هذه الفكرة على انخفاض درجة حرارة انتقال مرحلة الماء/الجليد مع زيادة الضغط. عند 2045 صراف آلي. درجة حرارة تبلور الماء النقي هي -22 درجة مئوية. لا يمكن تحقيق انخفاض أكبر في درجة التجمد بهذه الطريقة - مع زيادة الضغط، يبدأ في الارتفاع مرة أخرى.

مرة أخرى في عام 1967، دكتوراه في الطب الأمريكي. أجرى بيرسيدسكي وزملاؤه تجارب لتجميد كليتي كلب. قام الباحثون بتزويد الكلى بمحلول ثنائي ميثيل سلفوكسيد بنسبة 15% (التروية هي إدخال مواد إلى جسم بيولوجي من خلال نظام من الأوعية الدموية)، وبعد ذلك قاموا بتبريدها مع زيادة متزامنة في الضغط بحيث ترتفع درجة الحرارة في أي لحظة. لم تكن أقل من نقطة التجمد المقابلة لهذا الضغط. عند الوصول إلى الحد الأدنى لقيمة درجة الحرارة (في هذه الحالة، بسبب وجود مادة الحماية من التبريد، كانت حوالي -25 درجة مئوية)، انخفض الضغط.

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

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

لكي 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 التشكل قبل ذلك بكثير. قام M.Persidsky بحل المشكلة عن طريق الضغط بشكل دوري. ارتفعت درجة حرارة العينة إلى 0 درجة مئوية بعد بدء تبريد الإطلاق الأول للضغط مرة أخرى، بالتزامن مع زيادة متكررة في الضغط. في "إعادة الضبط" التالية، كان لدى الجزء التالي من السائل الوقت للتجميد، وهكذا. ونتيجة لذلك، كان من الممكن تحقيق تبلور شبه كامل و"غير ضار" للمياه، وبعد ذلك يمكن بالفعل خفض درجة الحرارة دون خوف إلى
-130 درجة مئوية (وما دون) عند الضغط الجوي الطبيعي وتحافظ الكلى على هذه الحالة إلى أجل غير مسمى.

أثناء الذوبان، تكررت الدورة بترتيب عكسي: تم تسخين الكلية إلى -28 درجة مئوية، وبعد ذلك تم زيادة 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، وفقا لمؤلفي التجربة، "أظهرت علامات تلف الأنسجة أقل من الكلى المجمدة بأي طريقة أخرى" - على الرغم من أنها لم تظل قابلة للحياة ...

وبعد ذلك تم استخدام تقنية التجميد بالضغط العالي في تحضير العينات البيولوجية للفحص المجهري. من أجل عمل قسم رفيع بما فيه الكفاية، يجب أولاً ترسيخ العينة، ولكن أثناء التجميد الطبيعي، تتضرر هياكل الخلايا كثيرًا بحيث لا يوجد شيء عمليًا للدراسة ...

يتم استخدام ضغط عدة آلاف من الأجواء بنجاح لتجميد المنتجات في صناعة المواد الغذائية. ومن خلال القيام بذلك، يتم تحقيق هدفين. أولاً، بعد تخزين طويل (وبالتالي عند أدنى درجة حرارة ممكنة)، يجب أن يختلف طعم المنتج المجمد قدر الإمكان عن المنتج الطازج. ولهذا، من المهم أيضًا عدم تدمير الخلايا أثناء التجميد، وهو ما يمكن تحقيقه إلى حد ما عن طريق التجميد عند ضغط يبلغ حوالي 2000 ضغط جوي. والهدف الآخر هو التعقيم المتزامن للمنتج، والذي يتحقق، على العكس من ذلك، من خلال تدمير خلايا البكتيريا الموجودة فيه. وهذا يتطلب ضغطًا أعلى بكثير - 6 آلاف ضغط جوي. و اكثر.

لا يعرف المؤلفون عن المحاولات الجديدة لاستخدام الضغط العالي للحفظ العكسي للأعضاء أو الكائنات الحية بأكملها، ولكن في الوقت نفسه تبدو هذه الطريقة واعدة جدًا. بالطبع، السؤال الذي يطرح نفسه حول الآثار الضارة للضغط العالي. ومن المعروف أنه مع زيادة تدريجية إلى حوالي 500 أجهزة الصراف الآلي. لا يتم تقليل بقاء الخلية. عند 6000 صراف آلي. وأكثر من ذلك، تموت جميع الخلايا تقريبًا، لكن القيم المتوسطة يمكن أن يكون لها تأثير مختلف، اعتمادًا على نوع الخلايا وحالتها، ومحتوى الماء والأملاح والمواد الأخرى فيها، ودرجة الحرارة، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، فمن الممكن أن نتوقع زيادة تدريجية في الضغط إلى 2000 أجهزة الصراف الآلي المطلوبة. لن يضر 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 مملوءة بالسائل. وفي عام 1961، تعرض الباحث الأمريكي س. جاكوب لضغط يبلغ حوالي 1000 ضغط جوي لمدة 30 دقيقة. قلب الكلب، تم إخراجه للتو من الجسم ويستمر في الانقباض. وبعد إزالة الضغط، استؤنفت نبضات القلب.

ومن المهم أيضًا أن تكون بعض المواد الواقية من البرد أيضًا بمثابة واقيات للضغط، أي أنها تحمي الخلايا من الضغط العالي. إن مادة الحماية من البرد "الجيدة" لا تقلل من درجة تجمد المحلول فحسب، بل تعمل أيضًا على تثبيت أغشية الخلايا، مما يجعلها أكثر مرونة.

بالطبع، لا يزال هناك عدد من المشكلات التي يتعين حلها: أثناء التجارب، للعمل على وضع التبريد الأمثل، واختيار مواد حماية معينة من التبريد، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، عند المرور عبر دورات "الضغط بالتبريد - الضغط" الإغاثة"، يحدث التبريد فقط من سطح الجسم. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن الجليد سيتشكل في المحيط، بينما في المركز، على العكس من ذلك، قد يذوب الجليد الموجود بالفعل بسبب زيادة الضغط. يمكن مكافحة ذلك إما عن طريق خفض درجة الحرارة بشكل أبطأ (والسماح للجسم بالتبريد بشكل متساوٍ) أو عن طريق زيادة تركيز المواد الواقية من البرد في الطبقات الخارجية. في هذه الحالة، ليس من الضروري زيادة الضغط إلى القيم القصوى. ومن الممكن، بزيادة عدد الدورات، البقاء ضمن النطاق الآمن المعروف وهو 500-1000 ضغط جوي.

بالإضافة إلى ذلك، كما أظهرت تجارب سميث مع الهامستر الذهبي، فإن تزجيج حوالي 40% فقط من الماء (وتبلور الباقي) قد يكون كافيًا للحفظ بالتبريد العكسي.

لذا، فإن البيانات المتاحة تسمح لنا بالأمل في استخدام الضغوط العالية للتحكم في تبلور المياه المجانية والحفظ بالتبريد للأجسام البيولوجية الكبيرة - الأعضاء وحتى الكائنات الحية بأكملها. يتم تنفيذ العمل في هذا الاتجاه في معهد الفيزياء الحيوية الخلوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم (مختبر الحفظ بالتبريد للموارد الوراثية تحت إشراف إي إن جاخوفا) بالتعاون مع معهد التقنيات الطبية الحيوية ومعهد أبحاث علوم الكمبيوتر المسمى. بعد أ. S. A. فيكشينسكي.