Още М. В. Ломоносов през 1764 г. открива, че разтворите замръзват при по-ниска температура от чистите разтворители. Намаляването на точката на замръзване на разтвора е свързано с намаляване на еластичността (налягането) на парите на разтворителя над разтвора (промяна в концентрацията на клетъчния сок в растенията през зимата).

точка на замръзванеразтвор е температурата, при която кристалите на разтворителя са в равновесие с разтвор с даден състав.

Разлика Δt \u003d t 0 ° - ti ° се нарича намаляване на температуратазамръзване на разтвора и ще бъде толкова по-голямо, колкото по-голяма е концентрацията на разтвора. Количествено тази зависимост се изразява с уравнението:

Δt = K С m (36)

където Δt е спадът на точката на замръзване на разтвора;

Cm е моларната концентрация;

К е коефициентът на пропорционалност, т.нар криоскопична константаразтворител или моларно понижение на точката на замръзване на разтвора.

Изследователски метод, основан на измерване на намаляването на точката на замръзване на разтворите, се нарича криоскопичен метод.

Разтворите замръзват при по-ниска температура и кипят при по-висока температура от чистите разтворители.

За неелектролитни разтвори, съгласно закона на Raoult, намаляването на точката на замръзване на разтвора е право пропорционално на моларната концентрация (уравнение 36).

Увеличаването на точката на кипене на разтвора също е право пропорционално на моларната концентрация:

Δt бала =EC m (37)

E - ебулиоскопична константа.

Осмотичното налягане на разтворите се изчислява по формулата на van't Hoff:

R osm = RTC m (38)

R- универсална газова константа 8,314 kJ/mol deg

T - температура, 0 K, C m - моларна концентрация.

тестови въпроси

1. Каква е същността на закона за разпределение?

2. Заключение на закона за разпределение.

3. Приложение на закона за разпределението.

4. На какво условие за фазово равновесие се основава извеждането на закона за разпределение?

5. Какви фактори влияят върху стойността на коефициента на разпределение?

6. Коя екстракция е по-ефективна: единична или фракционна?

Задачи

Номер на работа	m g H2O	m g ЦУКАРОВА РОЗА	Номер на работа	m g H2O	m g ЦУКАРОВА РОЗА
		60	.2
		55

ПРИ КАКВА ТЕМПЕРАТУРА ЩЕ ВРАТ РАЗТВОРИ, СЪДЪРЖАЩИ m g ВОДА m g ЗАХАР. Начертайте зависимостта на точката на кипене от съдържанието на разтвореното вещество в разтвора

Номер на работа	m g H2O	m g ЦУКАРОВА РОЗА	Номер на работа	m g H2O	m g ЦУКАРОВА РОЗА
		60
		55

Номер на работа	m g H2O	m g ГЛЮКОЗА	Номер на работа	m g H2O	m g ГЛЮКОЗА
		4,57			10,01
					12,57
					5,56
					14,40
		8,32			11,54

ОПРЕДЕЛЕТЕ ТОЧКАТА НА ЗАМРЪЗВАНЕ НА РАЗТВОР В mg H 2 O, КОЙТО СЪДЪРЖА mg ГЛЮКОЗА. ПОСТРОЕТЕ ГРАФИКА НА ЗАВИСИМОСТТА НА ТОЧКАТА НА ЗАМРЪЗВАНЕ ОТ СЪДЪРЖАНИЕТО НА РАЗТВОРЕНОТО В РАЗТВОРА

Промени, настъпващи в биологични обекти под въздействието на ниски температури,
могат да бъдат разделени на: 1) физиологични промени; 2) промени във физич
химичен ред; 3) промени в механичния ред. към физиологичните явления.
характер трябва да се припише на така наречения температурен шок в резултат на
излагане на ниски температури. За първи път беше предложен терминът "температурен шок".
Милованов през 1934 г., който наблюдава загубата на подвижност на сперматозоидите на бик и
овце в резултат на внезапното им охлаждане от 15 до 0 °.

Температурен шок при рязко охлаждане. наблюдавани при редица видове.
бактериални клетки, особено във фазата на логаритмичен растеж. С бързо
Когато младите култури се охлаждат от 37 до 0°, до 95% от бактериите E. coli умират. При
постепенно понижаване на температурата в определените граници, бактериалните клетки не
са повредени. Температурният шок може да се избегне чрез постепенно охлаждане
организми и изолирани клетки в същия температурен диапазон, в който
бързо и свръхбързо, възниква охлаждащ шок. постепенно охлаждане
допринася за така наречената студена адаптация, частично намаляване на съдържанието
вода.

Чувствителността на клетките към температурен шок се влияе значително от състава на средата,
в която се намират. Чувствителност на сперматозоидите към температурен шок
значително намалява, когато се добави към спермата като разредител на яйчен жълтък,
чийто защитен ефект вероятно се дължи на лецитина.

Еритроцитите по време на бързо охлаждане от 30 до 5 ° обикновено не се увреждат, но
повишаването на концентрацията на натриев хлорид до 0,8 М и повече води при тези условия до
тяхната хемолиза.

Температурен шок може да възникне при едноклетъчни многоклетъчни организми
при бързо охлаждане те са не само до 0 °, но дори и по-ниски. Доказано е, че левкемичните
миши клетки оцеляват, запазвайки способността си да заразяват, само при условие
бавно замразяване до -70°. По-висока преживяемост се наблюдава при
бавно охлаждане от 0 до -79 ° на патогенни протозои и сперматозоиди според
в сравнение с бързото и свръхбързото замразяване.

Патогенни амеби и други протозои, яйчникова тъкан, яйца на бозайници,
хипофизна и надбъбречна тъкан, тестикуларна тъкан, туморни клетки и някои видове
микроорганизмите остават жизнеспособни, с бавно замразяване, но не
понасят бързо и свръхбързо охлаждане до ниски температури. Механизъм
температурен шок в резултат на бързо и свръхбързо охлаждане до нула и
замръзване при ниски температури се дължи на внезапна промяна
осмотично налягане вътре в клетките. Бавното охлаждане отслабва интензивността
промени в осмотичното налягане поради дифузията на водата от клетките през клетките
мембрана и нейната кристализация в междуклетъчните пространства. Това явление се нарича
както и температурна адаптация. Бързо и ултра бързо замразяване и съхранение
биологични материали при възможно най-ниската температура. За такива материали
включват ензими и някои видове микроорганизми.

Едно от предимствата на бързото охлаждане е и това, че при тези условия
действието на концентрираните леви разтвори след освобождаването на лед отнема по-малко
продължителен период преди достигане на тяхната евтектична точка.

По отношение на тъкани от бозайници, предназначени за последваща трансплантация или култура, с изключение на някои туморни клетки,
паращитовидните жлези, те в повечето случаи след бързо и замразяване не показват признаци на жизнеспособност. Следователно оптималната скорост на охлаждане и замразяване зависи от редица условия.

Физиологичните нарушения, които възникват по време на замразяване, обикновено са
съпроводени с физикохимични и структурни изменения в биологичните
системи. Тези промени се дължат главно на екстра- и вътреклетъчни
кристализация на водата и евтектична концентрация на соли. И двата фактора са близки
взаимосвързани и взаимозависими. Един от тях причинява чисто механично
(кристализация), друга (концентрация на сол) - физични и химични промени в
животински и растителни клетки. Повишаване на концентрацията
електролити по време на замразяване винаги е придружено от кристализация на водата. Нараства
концентрации на сол, както при положителни температури, така и по време на замръзване
води до денатуриране на протеините и до разтваряне на липопротеините.

При замразяване на всеки биологичен материал, който със сигурност съдържа
различни соли в разтворено състояние се наблюдава евтектично отделяне на разтвора.
Първо, чистата вода кристализира, а солите се концентрират в незамръзналата част
до достигане на най-висока концентрация. Максимум
концентрация на сол на материали от всякакъв произход, последвана от
пълното втвърдяване на разтвора при ниски температури се нарича евтектична точка.
Така, например, максималната (евтектична) концентрация на готварска сол,
компонент от 22,42% се постига при температура -21,2°. Когато температурата падне
концентрацията на сол вече не се увеличава, тъй като такъв разтвор е напълно
втвърдява се.

Степента на вредно действие на концентрираните соли, наближава
евтектика, зависи от състава на суспензията, количеството протеин, както и от природата на солта и
скорост на замразяване.

Течностите на биологичните системи обикновено са много сложни разтвори,
съдържащи цял комплекс от соли с различни евтектични точки. Такива
разтвори, според Re е практически невъзможно да се определи евтектична точка в
силата на разликата в евтектичната концентрация на различни соли. в сложни биологични
разтвори, евтектичната зона обикновено се определя в рамките на 10 ° или повече с минимум и
максимални граници. В тази зона настъпва замръзване.
хипертонични разтвори на различни соли.

Хипертоничната концентрация на соли има вредно въздействие върху тъканите и клетките на животните,
протозои и бактерии по време на замразяване и съхранение при температури, равни на
евтектична зона.

По време на процеса на замразяване водата от клетките преминава в околната среда с такива
скоростта, при която точката на замръзване на вътрешното им съдържание става малко по-ниска
точка на замръзване на околната течност. По времето, когато течността заобикаля клетките
концентрирани до насищане, съдържанието на клетките е достатъчно дехидратирано
и не може да замръзне. Екстра- и вътреклетъчната кристализация винаги са придружени от
концентрация на солеви разтвори при ниски температури, разрушителен ефект
което вече е доказано и без съмнение. Човек обаче не може да пренебрегне
и действието на ледени кристали, причиняващо разрушаване на колоидни разтвори, нарушение
равновесие между гела и зола и свързването на ензимите към техните субстрати.

Особено вредна е вътреклетъчната кристализация на водата, която по правило води до
разрушаване на структурата и смърт на животински клетки. При бързи скорости на охлаждане
екстра- и вътреклетъчната кристализация може да настъпи почти едновременно.
При свръхбързи скорости на охлаждане до много ниски температури, етапът
кристализацията се заобикаля и лекарството се прехвърля в стъкловидно състояние
(остъклено). Според Luye клетъчната смърт не настъпва, ако
прехвърляне на протоплазмата в стъкловидно състояние и след това обратно в течност, заобикаляйки етапа
кристализация. Той показа, че критичната температурна зона, при която
кристали, е в диапазона от 0 до -40 °. С ултра бързо охлаждане
концентрирани разтвори на протеини, захари и многовалентни алкохоли, приложени във формата
тънък филм чрез потапяне в втечнени атмосферни газове при температури от -150
до -196°, те се превръщат в прозрачни "стъкла". При бавно нагряване,
"стъкла" кристализират и стават непрозрачни, а при бързо нагряване те
стопяват се без кристализация.

Замразяването е фазов преход, при който течността се превръща в твърдо вещество. Температурата на замръзване на течност се нарича температурата, при която налягането на наситените пари над течността е равно на налягането на наситените пари върху кристалите на твърдата фаза, изпадащи от нея.

При тази температура и съответното налягане на наситените пари скоростта на кристализация е равна на скоростта на топене и двете фази могат да съществуват едновременно за дълго време.

Още M.V. Ломоносов забеляза, че разреденият разтвор замръзва при температура, по-ниска от тази на чистия разтворител. И така, морската вода не замръзва при 273 K, а при малко по-ниска температура. Многобройни експерименти показват, че такава промяна в точката на замръзване на разтвора може да се разглежда като общо правило.

Процесите на замръзване и кипене са подробно изучени от Раул и представени под формата на закон, който по-късно е наречен втори закон на Раул.

Помислете за най-простото извеждане на този закон. Фигура 2 показва диаграма, показваща зависимостта на налягането на наситените пари от температурата над чист разтворител и над разтвор.

Крива 0А е зависимостта на налягането на наситените пари на чистата вода от температурата.

Крива BC, DE - зависимостта на налягането на наситените водни пари върху разтвори с различни концентрации на разтвореното вещество

0D - изразява температурната зависимост на налягането на наситените водни пари върху лед.

Фигура 2 показва, че налягането на парите над разтвора при 273 K е по-ниско от това над водата, но не е равно на налягането на парите над лед при същата температура. Само при температури под 273 K (T'z) налягането на парите над разтвора намалява толкова много, че става равно на налягането на парите над леда. На това съответства точка B. При по-високи концентрации на разтвора кривите, изразяващи температурната зависимост на налягането на водните пари над разтвора, са разположени под кривата BC, но успоредно на нея.

Нека въведем следната нотация:

P 0 A - налягане на парите над чист разтворител при 273 К

P A - налягане на парите над разтвора при неговата температура на замръзване T's

От правоъгълен триъгълник WOC определяме

Фигура 2 показва, че , където е понижението на точката на замръзване на разтвора.

Замествайки тези стойности в горното уравнение, получаваме

(3)

От първия закон на Раул за силно разредени разтвори имаме

и (4)

където n A, n B, m A запазват присвоените преди това обозначения (вижте по-горе). Ако означим моларната маса на разтворителя чрез M 0 A, тогава

Замествайки този израз в уравнение (4), получаваме

След това умножете и разделете дясната страна на този израз на 1000

(5)

Ние комбинираме всички константи в уравнение (5) в една константа K ( ), получаваме следния израз

(6)

Изразяване е молалността на Св.

Замествайки този израз в уравнение (6), получаваме крайното уравнение.

(7)

Това е математическият израз на втория закон на Раул: намаляването на точката на замръзване или повишаването на точката на кипене на разтворите е право пропорционално на неговата моларна концентрация.

Коефициентът K в уравнение (7) се нарича криоскопична константа, показва моларното понижение на точката на замръзване на разтвора, е индивидуална характеристика на разтворителя (K H2O \u003d 1,86º) и има същото измерение като E (Kº kg mol -1)

Изследователски метод, основан на измерване на намаляването на точката на замръзване на разтворите, се нарича криоскопичен. Също така, подобно на ебулиоскопията, ви позволява да изчислите моларната маса на разтвореното вещество

Фигура 3 показва устройство, предназначено за измерване на точката на замръзване на разтвори.

ОСМОЗА И ОСМОТИЧНО НАЛЯГАНЕ.

Много важно биологично свойство на разтворите е осмозата.

В природата разтворите често се отделят от разтворителя чрез мембрани, които са пропускливи само за частиците на разтворителя. В този случай разтвореното вещество не може да дифундира в разтворителя и ще се наблюдава само преходът на разтворителя в разтвора, т.е. разтворителят ще се движи и в двете посоки, но все пак малко повече ще премине в разтвора, отколкото в обратната посока.

Механизмът на осмозата е лесен за представяне на базата на изотермична дестилация. Нека полупропусклива мембрана с микропори разделя разтворителя и разтвора с концентрация С в (фиг. 4)

Изпарението се извършва в пора, ограничена от едната страна с разтворител, а от другата с разтвор. Поради увеличаването според закона на Раул на еластичността на наситената пара от страна на разтворителя от парната фаза се концентрира, преминавайки в разтвора.

В резултат на осмозата обемът на разтвора се увеличава и концентрацията му постепенно намалява; разтворителят, проникващ през мембраната в разтвора, увеличава колоната течност h и следователно увеличава хидростатичното налягане (виж фиг. 5). В същото време ще се увеличи броят на молекулите на разтворителя, движещи се през мембраната в обратна посока, т.е. от разтвор към разтворител. постепенно хидростатичното налягане и разреждането на разтвора ще достигнат стойности, при които броят на молекулите на разтворителя, движещи се в двете посоки, ще се изравни и ще настъпи осмотично равновесие. Излишното хидростатично налягане, развито в резултат на осмозата, измерено чрез колона от разтвор с височина h, при която се установява осмотично равновесие, се нарича осмотично налягане.

ориз. 5

Полупропускливи за много разтвори са мембраните от колодий, целофан, желязна мед и др.

ЗАКОНИ НА ОСМОТИЧНОТО НАЛЯГАНЕ.

Изследването на законите на осмотичното налягане разкри пълната им аналогия със законите на газовете. За разредени разтвори на неелектролити те могат да бъдат формулирани, както следва:

при постоянна температура осмотичното налягане е право пропорционално на моларната концентрация на разтвореното вещество (аналогия със закона на Бойл-Мариот):

при постоянна моларна концентрация осмотичното налягане е право пропорционално на абсолютната температура (аналогия със закона на Гей-Люсак):

От тези два закона следва, че при еднакви моларни концентрации и температура разтворите на различни неелектролити създават еднакво осмотично налягане, т.е. еквимоларните разтвори на неелектролити са изотонични (аналогия със закона на Авогадро).

Van't Hoff предложи унифициран закон за осмотичното налягане в разтворите (подобно на унифицирания закон за газа на Менделеев-Клайперон): Осмотичното налягане на разредени разтвори на неелектролити е право пропорционално на моларната концентрация, коефициента на пропорционалност и абсолютната температура :

тъй като c \u003d n / V, където n е броят молове неелектролит, а V е обемът на разтвора, тогава или

Ако някои хора уроци по географиямога само да мечтая в кошмар, всичко е наред с мен. С удоволствие чета научна литература, познавам добре географските карти и те лесно могат да помогнат на всеки ученик. Един ден го осъзнах знанието трябва постоянно да се развива. Сега ще обясня как стигнах до това заключение.

Дойдох на морето през октомври, за да се подложа на уелнес процедури. Този ден беше много студено, но излязох навън да се разходя близо до брега. Но, гледайки смарт часовника, бях изненадан: температурата е 0°C. Защо тогава водата в морето не е замръзнала? Нека днес заедно намерим отговорите.

При каква температура замръзва водата

Науката е добра, защото можете да намерите всеки отговор. Просто си помислихте, а отговорът вече е готов. Просто трябва да сте по-любопитни, да четете повече книги. Учените отдавна обявиха теорията, че водата замръзва при температура 0°C. Подобна информация има и в училищните учебници. Но това не е вярно. Защото водата замръзва, а не замръзва. Процес превръщайки водата в ледНаречен кристализация(това е по-точен термин).

Когато температурата достигне 0°C, водата започва да променя формата си. Съответно не замръзва напълно, а само започва да замръзва. Струва си да се вземе предвид съставът на течността, ако във водата има примес(сол, пясък, прах), ще се втвърди по-дълго. Няма причина за изграждане на кристална структура, процесът на замразяване се забавя.

Спрете да вярвате в митовете за водата

По-лесно е да запомните няколко твърдения, отколкото да четете енциклопедии, да провеждате експерименти. Затова и в 21 век хората се ръководят от фалшиви преценки.

Най-известните митове за водата:

• Дестилирана вода- най-доброто за пиене. Всъщност всичко се унищожава в процеса на пречистване, включително полезните минерали.

• вода- безцветно вещество. Водата е не само прозрачна (може да е мътна), но има нюанс, подпочвените води имат жълтеникав или сивкав оттенък. Морската вода може да бъде синя, тъмносиня.

• Водата може да се пие в неограничени количества. Има формула, която определя дневен прием на течностида бъде пиян от човек. Всичко зависи от тегло(поне два литра на ден).

вода - източник на живот. Тя има силата, трябва внимателно да използвате този дар на природата.

Криоконсервация на големи биологични обекти

Най-интригуващата област на приложение на криобиологията - науката за ефекта на ниски и ултраниски температури върху биологични обекти - е търсенето на начини за запазване на живи организми или отделни органи в състояние на дълбоко замразяване. Техниката за криоконсервация на отделни клетки или, например, ембриони е добре развита, но обратимото (т.е. със запазване на жизнеспособността след размразяване) замразяване на големи обекти среща сериозни пречки. Основната трудност е, че при голям обем и маса е трудно да се постигне равномерно охлаждане. Неравномерното замразяване води до сериозни и необратими увреждания на клетките и тъканите. Междувременно решението на този проблем може да помогне например за създаването на банка за органи за трансплантация и по този начин да спаси живота на хиляди пациенти. Още по-примамлива е възможността да се държи тежко болен човек в състояние на дълбоко охлаждане, докато медицината успее да му помогне, може би след десетилетия.

Най-голямата опасност при замразяване е механичното увреждане на клетъчните мембрани от образуваните ледени кристали. Образувани както извън, така и - което е много по-опасно - вътре в клетките, те разрушават липидния бимолекулен слой, който образува тези мембрани.

За защита на клетките от увреждане по време на замразяване се използват специални вещества - криопротектори. Те се разделят на две групи: проникващи в клетката или вътреклетъчни (диметилсулфоксид (DMSO), ацетамид, пропилей гликол, глицерин, етилен гликол) и непроникващи или екзоклетъчни (полиетилен гликоли и полиетилен оксиди, фикол, захароза, трехалоза , и т.н.), които действат навън, осмотично изтегляйки вода от клетката.

Последното е полезно: колкото по-малко вода остава в клетката, толкова по-малко лед се образува по-късно. Но отстраняването на водата води до увеличаване на концентрацията на соли, оставащи в клетката - до стойности, при които настъпва денатурация на протеина. Ендоклетъчните криопротектори не само намаляват точката на замръзване, но също така разреждат "саламура", образувана по време на кристализацията, предотвратявайки денатурирането на протеините.

Най-широко използваните са глицеринът и DMSO. Когато се добави към вода, точката му на замръзване намалява, достигайки най-ниската си стойност при съотношение приблизително 2:1. Тази най-ниска температура се нарича евтектика, или криохидрат. При по-нататъшно охлаждане на такива смеси размерите на образуваните ледени кристали се оказват толкова малки (сравними с размера на кристалната клетка), че не причиняват значителни увреждания на клетъчните структури.

Ако беше възможно да се доведе концентрацията на криопротектора в живите тъкани до евтектично ниво, това напълно би решило проблема с увреждането на тъканите от ледени кристали. Въпреки това, при такива концентрации всички известни криопротектори са токсични.

На практика се използват концентрации на криопротектори, които са много по-ниски от евтектични, като в същото време част от водата все още замръзва. Така че, когато се използва 27% разтвор на глицерол, 40% от водата, присъстваща в клетката, образува евтектична смес с глицерол, докато останалата част замръзва. Въпреки това, както показват експерименти, проведени през 1954–1960 г. Английският криобиолог Одри Смит, златните хамстери са в състояние да оцелеят в ситуация, при която до 50-60% от водата, съдържаща се в мозъчните им тъкани, се превръща в лед!

От голямо значение за решаването на проблема с обратимото замразяване е скоростта на охлаждане. При бавно охлаждане (на пари от течен азот или във фризери със специална програма) ледените кристали се образуват главно в междуклетъчното пространство. Докато се охлаждат, те растат, изтегляйки вода от клетките. Както вече споменахме, това може значително да намали щетите, причинени от кристалите на клетките, но концентрацията на соли вътре в клетките се увеличава значително, увеличавайки риска от денатурация на протеини.

За съжаление, оптималните скорости на понижаване на температурата, при които се постига компромис между вредните ефекти на ледените кристали и високите концентрации на разтворени вещества, варират значително за различните типове клетки. Оптималните концентрации на криопротектори за тях също са различни. Това значително усложнява криоконсервацията на органи и тъкани, които включват няколко различни типа клетки, и още повече на цели организми.

По време на бързо охлаждане (например чрез понижаване на пробата в течен азот) водата няма време да дифундира от клетките; кристалите се образуват както извън, така и вътре в клетките, но поради по-бързото охлаждане те се оказват много по-малки, отколкото в първия случай, и нямат време да се образуват във всички клетки. В този случай могат да се избегнат токсични концентрации на соли, а продължителността на експозицията им е по-кратка, както и продължителността на вредното действие на криопротекторите. Последното позволява използването на по-високи концентрации.

При достатъчно бързо охлаждане до 0 ° C и малко по-ниско, водата не замръзва (кристализира) веднага. Първо се образува свръхохладена течност. В експериментите, споменати от Смит, тя успя в някои случаи да охлади златните хамстери до -6 ° C без образуване на ледени кристали. В същото време кожата и крайниците на животните остават меки. А след затопляне хамстерите оживяха без видими вредни последици. Бременните женски (ако е настъпила хипотермия през първата половина на периода на бременността) са родили нормални бебета.

Съществува техника за извършване на хирургични операции на новородени бебета от дребни бозайници - например мишки. Анестезията на тази възраст е практически неприложима и затова малките просто се охлаждат за 15-20 минути, докато загубят подвижност и чувствителност. Известен е случай, когато по време на такива изследвания (ефектът от отстраняването на вомероназалния орган върху поведението на гризачите) в лабораторията на един от московските институти няколко новородени малки на джунгарски хамстер, поради небрежност на експериментатора , просто бяха забравени да лежат върху памучен тампон в камера с температура –12 °C. След изваждането - след 2-3 часа - те бяха напълно твърди, а телата им буквално "чукаха дървено". След известно време на стайна температура малките оживяха, започнаха да се движат и да издават звуци ...

Течностите в тялото започват да замръзват обикновено при -1 ... -3 ° C. Въпреки това, тъй като част от водата се превръща в лед, концентрацията на разтворени вещества в останалата течност се увеличава и точката на замръзване на тази течност продължава да намалява.

Температурата на пълно замръзване на различни биологични течности варира значително, но във всеки случай се оказва под –22...–24 °С.

Вероятността за образуване на "ембрион" на леден кристал за единица време в свръхохладена течност е пропорционална на обема на тази течност и силно зависи от температурата: при -40 ° C и при налягане от 1 atm. кристализацията на чистата вода настъпва почти мигновено, но при още по-ниски температури (от порядъка на -70 ° C, скоростта на растеж на кристалите се забавя поради увеличаване на вискозитета на водата. Накрая, при температура от приблизително -130 ° C , растежът на кристалите спира напълно. Ако течността се охлади достатъчно бързо, за да "прескочи" температурата на активна кристализация, преди да могат да се образуват кристали с опасни размери, вискозитетът се увеличава толкова много, че се образува твърдо стъкловидно вещество. Това явление се нарича витрификацияили витрификация.

Ако е възможно да се охладят клетки или тъкани до температурата на встъкляване, те могат да останат в това състояние за неопределено време и произтичащите от това щети ще бъдат несравнимо по-малки, отколкото при охлаждане с кристализация. Всъщност това би било решението на проблема със запазването на биологични обекти в състояние на дълбоко замразяване. Вярно е, че когато клетките се размразят, за да ги съживят, те отново ще трябва да преминат през опасен температурен диапазон ...

Скоростта на растеж на ледените кристали в клетка може да бъде намалена чрез добавяне на примеси към водата, които увеличават нейния вискозитет - същият глицерол, захари и др. Освен това има вещества, които блокират образуването на ледени кристали. Такива свойства има напр. специални протеини, произвеждани от организмите на редица студоустойчиви животни - арктически и антарктически риби, някои насекоми и др. Молекулите на тези вещества имат области, които са комплементарни на повърхността на леден кристал - "седят" на тази повърхност , спират по-нататъшния му растеж.

При охлаждане на големи (в сравнение с клетка - от 1 mm и повече) обекти, като правило, вътре в тях възникват значителни температурни градиенти. Първо, външните слоеве замръзват и се образува така нареченият фронт на кристализация, движещ се отвън навътре. Концентрацията на соли и други вещества, разтворени във вода, рязко нараства пред този фронт. Това води до денатурация на протеини и увреждане на други клетъчни макромолекули. Друг проблем е напукването на тъканите. Причината за него е неравномерното и неравномерно охлаждане, особено при положение, че външните слоеве се втвърдяват преди вътрешните.

Още през 60-те години. 20-ти век беше предложена идеята да се използва високо налягане за контролиране на кристализацията на водата. Тази идея се основава на намаляване на температурата на фазовия преход вода/лед с увеличаване на налягането. При 2045 атм. температурата на кристализация на чистата вода е –22 °C. По този начин не е възможно да се постигне по-голямо намаляване на точката на замръзване - при по-нататъшно увеличаване на налягането тя започва да се повишава отново.

През далечната 1967 г. американският M.D. Персидски и колегите му организираха експерименти за замразяване на бъбреците на куче. Изследователите перфузират бъбреците с 15% разтвор на диметилсулфоксид (перфузията е въвеждането на вещества в биологичен обект през система от кръвоносни съдове), след което ги охлаждат с едновременно повишаване на налягането, така че във всеки един момент температурата не е под точката на замръзване, съответстваща на това налягане. При достигане на минималната температурна стойност (в този случай, поради наличието на криопротектор, тя беше около –25 °C), налягането се намалява.

При бързо освобождаване на налягането течност, преохладена до такава температура, може да съществува за не повече от няколко секунди, след което настъпва спонтанна кристализация. Но образуваните в този случай кристали са равномерно разпределени по обема на пробата и няма фронт на кристализация, както и неравномерно увеличаване на концентрацията на соли. В допълнение, кристалите, които възникват в този случай, са малки и гранулирани и следователно причиняват относително малко увреждане на клетките.

По време на процеса на кристализация обаче се отделя значително количество топлина (латентна топлина на кристализация), в резултат на което пробата се нагрява - в крайна сметка до температурата на кристализация, т.е. когато налягането падне до атмосферно - до около 0 ° C. След това процесът на замразяване, разбира се, спира. В резултат на това, когато налягането беше премахнато, само около 28% от водата успяха да кристализират, докато останалата част от нея остана течна.

За да може цялата вода да кристализира, би било необходимо пробата да се охлади до температура от около -80 ° C, преди да се намали налягането - обаче в този случай ледът ще започне да се образува много по-рано. M.Persidsky реши проблема чрез циклично прилагане на натиск. Пробата, затоплена до 0°C след първото освобождаване на налягането, започва да се охлажда отново, едновременно с многократно повишаване на налягането. При следващото си „нулиране“ следващата порция от течността има време да замръзне и т.н. В резултат на това беше възможно да се постигне почти пълна и "безвредна" кристализация на водата, след което температурата вече можеше безстрашно да се понижи до
-130 °C (и по-ниско) при нормално атмосферно налягане и поддържайте бъбрека в това състояние за неопределено време.

По време на размразяването цикълът се повтаря в обратен ред: бъбрекът се нагрява до -28 ° C, след което налягането се повишава до 2000 atm. В този случай е настъпило относително равномерно топене на ледените кристали. След това пробата постепенно се нагрява с едновременно намаляване на налягането.

Бъбреците, запазени по този начин, според авторите на експеримента, "показват по-малко признаци на увреждане на тъканите, отколкото бъбреците, замразени по друг начин" - въпреки че не са останали жизнеспособни ...

Впоследствие техниката на замразяване под високо налягане е използвана при подготовката на биологични проби за микроскопско изследване. За да се направи достатъчно тънък срез, пробата трябва първо да се втвърди, но при нормално замразяване клетъчните структури се увреждат толкова много, че практически няма какво да се изследва ...

Налягане от няколко хиляди атмосфери се използва успешно за замразяване на продукти в хранително-вкусовата промишленост. При това се преследват две цели. Първо, след дълго (и следователно при възможно най-ниска температура) съхранение вкусът на замразения продукт трябва да се различава възможно най-малко от пресния. За това също е важно клетките да не се разрушават по време на замразяване, което може да се постигне до известна степен чрез замразяване при налягане от около 2000 atm. Друга цел е едновременното стерилизиране на продукта, което се постига, напротив, чрез унищожаване на клетките на бактериите, присъстващи в него. Това изисква много по-високо налягане - 6 хиляди атм. и още.

Авторите не знаят за нови опити за използване на високо налягане за обратимо запазване на органи или цели организми, но междувременно този начин изглежда много обещаващ. Разбира се, възниква въпросът за вредното въздействие на високото налягане. Известно е, че с постепенно увеличаване до около 500 атм. жизнеспособността на клетките не е намалена. При 6000 атм. и повече, почти всички клетки умират, но междинните стойности могат да имат различен ефект в зависимост от вида и състоянието на клетките, съдържанието на вода, соли и други вещества в тях, температура и др.

Въпреки това, може да се очаква постепенно увеличаване на налягането до необходимите 2 хиляди атм. няма да навреди на тялото. Наистина, при подготовката за замразяване, обектът първо се охлажда до около 0 ° C (ако е живо същество, спира да диша) и се поставя в камера, пълна с течност. През 1961 г. американският изследовател С. Джейкъб подлага на налягане от около 1000 атм за 30 минути. сърцето на куче, току що извадено от тялото и продължаващо да се свива. След отстраняване на налягането сърдечният ритъм се възобновява.

Важно е също така, че някои криопротективни вещества са и баропротектори, т.е. предпазват клетките от високо налягане. „Добрият“ криопротектор не само намалява точката на замръзване на разтвора, но и стабилизира клетъчните мембрани, което ги прави по-еластични.

Разбира се, има още редица проблеми за решаване: в хода на експериментите да се изработи оптимален режим на охлаждане, да се изберат специфични криопротектори и т.н. Например, при преминаване през циклите "компресия с охлаждане - налягане" релеф", охлаждането става само от повърхността на обекта. Това води до факта, че в периферията ще се образува лед, докато в центъра, напротив, вече съществуващият лед може да се стопи поради повишаване на налягането. Това може да се пребори или чрез понижаване на температурата по-бавно (и позволяване на обекта да се охлажда по-равномерно), или чрез увеличаване на концентрацията на криопротектори във външните слоеве. В този случай не е необходимо да се повишава налягането до максимални стойности. Възможно е, чрез увеличаване на броя на циклите, да останете в известния безопасен диапазон от 500–1000 атмосфери.

Освен това, както показват експериментите на Смит със златни хамстери, витрификацията само на около 40% от водата (и кристализацията на останалата част) може да бъде достатъчна за обратимо криоконсервиране.

Така че наличните данни ни позволяват да се надяваме на използването на високо налягане за контролиране на кристализацията на свободната вода и криоконсервация на големи биологични обекти - органи и дори цели организми. Работата в тази насока се извършва в Института по клетъчна биофизика на Руската академия на науките (Лаборатория за криоконсервация на генетични ресурси под ръководството на Е. Н. Гахова) съвместно с Института по биомедицински технологии и Държавния научноизследователски институт по компютърни науки им. след като А.И. S.A. Векшински.