Още М. В. Ломоносов открива през 1764 г., 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 към зимата).

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

Разлика Δt = t 0 ° - ti ° се нарича понижение на температуратазамръзване на разтвора и ще бъде по-голяма, колкото по-висока е концентрацията на разтвора. Тази зависимост се изразява количествено с уравнението:

Δt = K С m (36)

където Δt е понижението на температурата на замръзване на разтвора;

Cm—молална концентрация;

К е коефициентът на пропорционалност, т.нар криоскопична константаразтворител или молално 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-ниски температури и кипят при по-високи температури. висока температураотколкото чисти разтворители.

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

Повишаването на точката на кипене на разтвора също е право пропорционално на молалната концентрация:

Δt kip =EC m (37)

E - ебулиоскопична константа.

Осмотичното налягане на разтворите се изчислява по формулата на Вант Хоф:

Р osm =RTC m (38)

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

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

Въпроси за сигурност

1. Каква е същността на закона за разпределение?

2. Извеждане на закона за разпределение.

3. Приложение на закона за разпределение.

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. Кое извличане е по-ефективно: единично или частично?

Задачи

Номер на работа	m g H2O	m g ТАКАРАЗА	Номер на работа	m g H2O	m g ТАКАРАЗА
		60	.2
		55

ПРИ КАКВА ТЕМПЕРАТУРА ЩЕ ВРЯТ РАЗТВОРИ, СЪДЪРЖАЩИ m g ВОДА m g ЗАХАР. ПОСТРОЕТЕ ГРАФИКА НА ЗАВИСИМОСТТА НА ТЕМПЕРАТУРАТА НА КИПЕНЕ ОТ СЪДЪРЖАНИЕТО НА РАЗТВОРЕНОТО ВЕЩЕСТВО В РАЗТВОРА

Номер на работа	m g H2O	m g ТАКАРАЗА	Номер на работа	m g H2O	m g ТАКАРАЗА
		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 ТЕМПЕРАТУРАТА НА ЗАМРЪЗВАНЕ НА РАЗТВОР В m g H 2 O, КОЙТО СЪДЪРЖА m g ГЛЮКОЗА ПОСТРОЕТЕ ГРАФИКА НА ЗАВИСИМОСТТА НА ТЕМПЕРАТУРАТА НА ЗАМРЪЗВАНЕ от съдържанието на разтвореното вещество в разтвора

Промени, настъпващи в биологичните обекти под въздействието на ниски температури
могат да бъдат разделени на: 1) промени от физиологичен характер; 2) промени във физич
химичен ред; 3) промени в механичния ред. Към физиологичните явления
природата трябва да включва така наречения температурен шок, произтичащ от
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 поради 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 E. coP бактериите умират. При
При постепенно понижаване на температурата в определените граници бактериалните клетки не го правят
са повредени. Температурният шок може да се избегне чрез постепенно охлаждане
организми и изолирани клетки в същите температурни диапазони, в които
Бързото и свръхбързото охлаждане предизвиква шок. Постепенно охлаждане
насърчава така наречената студена адаптация, частично намаляване на съдържанието
вода.

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

Червените кръвни клетки обикновено не се увреждат при бързо охлаждане от 30 до 5°, но
Увеличаването 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 организми многоклетъчни организми
при бързото им охлаждане не само до 0°, но и под. Доказано е, че левкемичните
миши клетки оцеляват, запазвайки способността си да се заразят, само ако
бавно замразяване до -70°. По-висок процент на преживяемост се наблюдава и при
бавно охлаждане на патогенни протозои и сперма от 0 до -79°
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 при 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 температурипоради внезапна промяна
осмотично налягане вътре в клетките. Бавното охлаждане отслабва интензивността
промени в осмотичното налягане поради дифузия на водата от клетките през клетките
мембрана и нейната кристализация в междуклетъчните пространства. Това явление се нарича
Също така температурна адаптация. Бързо и ултра бързо замразяване и съхранение
биологични материали при възможно най-ниската температура. Към такива материали
включват ензими и някои видове микроорганизми.

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

За тъкани от бозайници, предназначени за последваща трансплантация или култура, с изключение на някои туморни клетки,
паращитовидни жлези, то в повечето случаи те не показват признаци на жизнеспособност след бързо замразяване. 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 причиняват главно от извън- и вътреклетъчни
кристализация на водата и концентрация на евтектична сол. И двата фактора са близки
взаимосвързани и взаимозависими. Един от тях причинява чисто механично
(кристализация), друга (концентрация на сол) - физико-химични промени в
клетки от животински и растителен произход. Повишена концентрация
Замръзването на електролитите винаги е придружено от кристализация на водата. Увеличете
концентрации на сол, както при положителни температури, така и по време на замръзване
води до денатурация на протеини и разтваряне на липопротеини.

При замразяване на всеки биологичен материал, който със сигурност съдържа
различни соли се разтварят, наблюдава се евтектично отделяне на разтвора.
Първо, чистата вода кристализира, а солите се концентрират в незамръзналата част, докато
до достигане на най-високата им концентрация. Максимален лимит
концентрация на соли на материали от всякакъв произход, последвана от
пълното втвърдяване на разтвора при ниски температури се нарича евтектична точка.
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 естеството на солта и
скорост на замразяване.

Течностите в биологичните системи обикновено са много сложни разтвори,
съдържащи цял комплекс от соли с различни евтектични точки. В такива
разтвори, според данните на Re е почти невъзможно да се определи евтектичната 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.

Хипертоничните концентрации на сол имат вредно въздействие върху животинските тъкани и клетки,
протозои и бактерии по време на замразяване и съхранение при температури, равни на
евтектична зона.

По време на процеса на замразяване водата се движи от клетките в средас такива
скорост, че 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, клетъчното съдържание е достатъчно дехидратирано
и не може да замръзне. Винаги се придружава екстра- и вътреклетъчна кристализация
концентрация солеви разтворипри ниски температури, разрушителен ефект
което вече е доказано и не подлежи на съмнение. Човек обаче не може да пренебрегне
и действието на ледени кристали, причиняващо разрушаване на колоидни разтвори, разрушаване
равновесие между гел и зол и връзката на ензимите с техните субстрати.

Особено вредна е вътреклетъчната кристализация на водата, която обикновено води до
разрушаване на структурата и смърт на животински клетки. При бързи скоростиохлаждане
екстра- и вътреклетъчната кристализация може да настъпи почти едновременно.
При свръхбързи скорости на охлаждане до много ниски температури, етапът
кристализацията се избягва и лекарството се прехвърля в стъкловидно състояние
(остъклено). Според Lhuillet клетъчната смърт не настъпва, ако това е възможно
трансформират протоплазмата в стъкловидно състояние и след това обратно в течно състояние, заобикаляйки етапа
кристализация. Той показа, че критичната температурна зона, при която
кристали, варира от 0 до -40°. С ултра бързо охлаждане
концентрирани разтвори на белтъци, захари и многовалентни алкохоли, прилагани във формата
тънък филм чрез потапяне в втечнени атмосферни газове при температури от -150
до -196°, те се превръщат в прозрачно „стъкло“. При бавно загряване тези
„стъкла” кристализират и стават непрозрачни, а при бързо затопляне те
стопяват, без да претърпяват кристализация.

Замразяването е фазов преход, при който течността се превръща в твърдо вещество. Точката на замръзване на течността е температурата, при която налягането наситена паранад течността е равно на налягането на наситените пари над изпадащите от нея кристали на твърдата фаза.

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.

Също така М.В. Ломоносов забеляза, че разреденият разтвор замръзва при температура, по-ниска от чистия разтворител. Така морската вода замръзва не при 273 K, а при малко по-ниска температура. Многобройни експерименти показват, че такава промяна в температурата на замръзване на разтвора може да се счита за общо правило.

Процесите на замразяване и кипене бяха подробно изучени от Раул и представени под формата на закон, който по-късно беше наречен втори закон на Раул.

Нека разгледаме най-простото извеждане на този закон. Фигура 2 показва диаграма, изразяваща зависимостта на налягането на наситените пари от температурата над чистия разтворител и над разтвора.

Крива 0А – зависимост на налягането на наситените пари чиста водана температурата.

Крива BC, DE – зависимост на налягането на наситените пари на водата върху разтвори с различни концентрации на разтвореното вещество

0D – изразява температурната зависимост на налягането на наситените пари на водата върху леда.

От фиг. 2 става ясно, че налягането на парите над разтвора при 273 K е по-ниско, отколкото над водата, но не е равно на налягането на парите над леда 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. Това съответства на точка B. При по-високи концентрации на разтвора кривите, изразяващи зависимостта на налягането на водните пари над разтвора от температурата, са разположени под кривата BC, но успоредно на нея.

Нека въведем следната нотация:

Р 0 А – налягане на парите над чист разтворител при 273 К

PA – налягане на парите над разтвора при температурата му на замръзване T’z

от правоъгълен триъгълникНие определяме FOC

От фигура 2 става ясно, че , където е понижението на температурата 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 с M 0 A, тогава

Замествайки този израз в уравнение (4), получаваме

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

(5)

Нека комбинираме всички постоянни величини в уравнение (5) в една константа K ( ), получаваме следния израз

(6)

Изразяване представлява молалността на разтвора St.

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 разтвора е право пропорционално на неговата молална 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 = 1,86º) и има същото измерение като E (Kº kg мол -1)

Изследователски метод, основан на измерване на намаляването на точката на замръзване на разтворите, се нарича криоскопичен. Той, подобно на ебулиоскопичния, 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 важно 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 от него ще влезе в разтвора, отколкото в обратна посока.

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

В пора, ограничена от едната страна от разтворител и от другата от разтвор, се получава изпарение. Поради увеличаването на налягането на наситените пари съгласно закона на Раул, налягането на парите от парната фаза се концентрира върху страната на разтворителя, преминавайки в разтвор.

В резултат на осмозата обемът на разтвора се увеличава и концентрацията му постепенно намалява; разтворителят, проникващ в разтвора през мембраната, 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

Мембраните, изработени от колодий, целофан, железен синоксид на мед и др., са полупропускливи за много разтвори.

ЗАКОНИ НА ОСМОТИЧНОТО НАЛЯГАНЕ.

Изследването на законите на осмотичното налягане разкри пълната им аналогия с газовите закони. 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 правопропорционално абсолютна температура(аналогия със закона на Гей-Люсак):

От тези два закона следва, че при еднакви моларни концентрации и температури 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=n/V, където n е броят молове неелектролит, а V е обемът на разтвора, тогава или

Ако някои хора уроци по географияможе само да мечтае кошмар, всичко ми е наред. Обичам да чета научна литература и разбирам добре географски карти, и може лесно да помогне 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 на разходка близо до брега. Но, като погледнах смарт часовника, бях изненадан: температурата беше 0°C. Защо тогава водата в морето не е замръзнала? Днес ще намерим отговорите заедно.

При каква температура замръзва водата

Хубавото на науката е, че можете да намерите всеки отговор. Тъкмо сте започнали да мислите, но отговорът е вече 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 учебниците за ученици. Но това не е вярно. Защото водата се втвърдява, 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 отнеме повече време за втвърдяване. Няма причина да се строи 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 и 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 процесът на почистване унищожава всичко, включително и полезните минерали.

• вода- безцветно вещество. Водата е не само прозрачна (може да е мътна), но има нюанс, подземни водиима жълтеникав или сивкав оттенък. морска водаможе да бъде син, тъмно син.

• Можете да пиете вода в неограничени количества. Има формула, която определя дневен прием на течностиче човек трябва да пие. Всичко зависи от тегло(минимум два литра на ден).

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

Криоконсервация на големи биологични обекти

Най-интригуващата област на приложение на криобиологията - науката за влиянието на ниски и свръхниски температури върху биологични обекти - е търсенето на възможности 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. 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 решаването на този проблем може да помогне например за създаване на банка от органи за трансплантация и по този начин да спаси живота на хиляди пациенти. Още по-примамлива е възможността да се държи тежко болен пациент 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 получените ледени кристали. Образувайки се както извън, така и, което е много по-опасно, вътре в клетките, те разкъсват липидния бимолекулен слой, който образува тези мембрани.

Последното е полезно: колкото по-малко вода остава в клетката, толкова по-малко лед ще се образува по-късно. Но отстраняването на водата води до увеличаване на концентрацията на соли, оставащи вътре 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 добавят към водата, нейната точка на замръзване намалява, достигайки най-ниската си стойност при съотношение приблизително 2:1. Тази най-ниска температура се наричаевтектика , иликриохидрат

. При по-нататъшно охлаждане на такива смеси размерите на получените ледени кристали се оказват толкова малки (сравними с размера на кристална клетка), че не причиняват значителни увреждания на клетъчните структури.

Ако беше възможно да се доведе концентрацията на криопротектора в живите тъкани до евтектична, това напълно би решило проблема с увреждането на тъканите от ледени кристали. При такива концентрации обаче всички известни криопротектори се оказват токсични.

На практика се използват концентрации на криопротектор, които са значително по-ниски от евтектичните концентрации, но въпреки това 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 експериментите, проведени през 1954–1960 г. Английският криобиолог Одри Смит, златните хамстери са способни да оцелеят в ситуация, при която до 50-60% от водата, съдържаща се в тъканите на мозъка им, се е превърнала в лед!Голяма стойност

за решаване на проблема с обратимото замразяване има скорост 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, извличайки 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 намаляване на температурата, при които се постига компромис между вредните ефекти на ледените кристали и високите концентрации на разтворени вещества заклетките се различават значително. Оптималните концентрации на криопротектори за тях също са различни. Това значително усложнява криоконсервацията на органи и тъкани, които включват няколкоразлични видове

клетки и още повече цели организми.

По време на бързо охлаждане (например потапяне на проба в течен азот) водата няма време да дифундира извън 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 тяхното въздействие 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-ниска, водата не замръзва (кристализира) веднага.

Първо се образува свръхохладена течност. В експериментите, споменати от Смит, тя в някои случаи успя да охлади златните хамстери до -6 ° C без образуване на ледени кристали. В същото време кожата и крайниците на животните остават меки. И след затопляне хамстерите оживяха без видими вредни последици. Бременните женски (ако е настъпила хипотермия през първата половина на бременността) раждат нормални малки.

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

Вероятността за образуване на „ядро“ от 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 (около -70 °C, скоростта на растеж на кристалите се забавя поради увеличаване на вискозитета на водата. Накрая, при температура от около -130 °C, кристалът растежът спира напълно. Ако охладите течността достатъчно бързо, за да „превишите“ температурата на активна кристализация, преди да успеят да се образуват кристали с опасен размер, вискозитетът се увеличава толкова много, че се образува твърдо стъкловидно вещество. стъклен преходили 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 решение на проблема със запазването на биологични обекти в състояние на дълбоко замразяване. Вярно е, че когато клетките се размразят, за да се съживят, те отново ще трябва да преминат през опасен температурен диапазон...

При охлаждане на големи (в сравнение с клетка - 1 mm или повече) обекти, вътре в тях обикновено 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 водата преди този фронт, рязко нараства. Това води до денатурация на протеини и увреждане на други клетъчни макромолекули. Друг проблем е напукването на тъканите. Причината е неравномерното и разнородно охлаждане, особено в ситуация, при която външните слоеве се втвърдяват преди вътрешните.

Още през 60-те години. ХХ 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 температурата 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 експериментираха със замразяване на кучешки бъбреци. Изследователите перфузирали бъбреците с 15% разтвор на диметилсулфоксид (перфузията е въвеждането на вещества в биологичен обект през система от кръвоносни съдове) и след това ги охладили, като едновременно с това увеличили налягането, така че във всеки един момент температурата да не е под точката на замръзване, съответстваща на дадено налягане. Кога минимална стойностдостигната температура (в този случай, поради наличието на криопротектор, беше около –25 °C), налягането беше намалено.

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 в целия обем на пробата и не възниква фронт на кристализация, както и неравномерно увеличаване на концентрацията на соли. В допълнение, кристалите, които възникват в този случай, са малки по размер и гранулирана форма 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 се понижи до атмосферното - приблизително до 0 °C. След което процесът на замразяване естествено спира. В резултат на това, когато налягането беше премахнато, само около 28% от водата имаше време да кристализира, а останалата част остана течна.

За да може цялата вода да кристализира, би било необходимо пробата да се охлади до температура от приблизително -80 ° C, преди да се намали налягането - обаче в този случай ледът ще започне да се образува много по-рано. М. Персидски решава проблема чрез циклично прилагане на натиск. Пробата, която се е затоплила до 0 °C след първото освобождаване на налягането, започва да се охлажда отново - едновременно с многократно повишаване на налягането. Следващият път, когато беше „нулиран“, следващата порция течност имаше 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 можеше безопасно да се понижи до
–130 °C (и по-ниски) при норма атмосферно наляганеи задържат бъбрека в това състояние за неопределено време.

При размразяване цикълът се повтаря през обратен ред: бъбрекът се нагрява до –28 °C, след което налягането се повишава до 2000 atm. В този случай се получи относително равномерно топене на ледени кристали. След това пробата постепенно се нагрява с едновременно намаляване на налягането.

Запазените по този начин бъбреци според авторите на експеримента „показали по-малко знациувреждане на тъканите от бъбреците, замразени по друг метод” – въпреки че не са останали жизнеспособни...

Впоследствие техниката на замразяване под високо налягане беше използвана за приготвяне на биологични проби за микроскопски изследвания. За да се направи достатъчно тънък срез, пробата трябва първо да се превърне в твърдо състояние, но при конвенционалното замразяване клетъчните структури са толкова повредени, че практически няма какво да се изследва...

Налягане от няколко хиляди атмосфери се използва успешно за замразяване на продукти в хранително-вкусовата промишленост. В случая се преследват две цели. Първо, след дългосрочно (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 2 хиляди atm. Друга цел е едновременното стерилизиране на продукта, което се постига, напротив, чрез унищожаване на клетките на бактериите, присъстващи в него. За това е необходимо много по-високо налягане - 6 хиляди атм. и повече.

Авторите не са запознати с нови опити за използване на високо налягане за обратимо запазване на органи или цели организми, но въпреки това този път изглежда много обещаващ.

Разбира се, възниква въпросът за вредното въздействие на високото налягане. Известно е, че с постепенното му увеличаване до приблизително 500 атм.жизнеспособността на клетките не е намалена. При 6000 атм. и повече, почти всички клетки умират, но междинните стойности могат да имат различни ефекти, 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 приблизително 0 ° C (ако е живо същество, то спира да диша) и се поставя в камера, пълна с течност. През 1961 г. американският изследовател С. Джейкъб го подлага на налягане от около 1000 atm за 30 минути. сърцето на куче, току що извадено от тялото и продължаващо да се свива. След намаляване на налягането сърдечният ритъм се възобновява. Важно е също така, че някои криопротективни вещества действат и като баропротектори, т.е. предпазват клетките от излагане на високо налягане. „Добрият“ криопротектор не само намалява точката на замръзване на разтвора, но и стабилизираохлаждане, изберете специфични криопротектори и т.н. Например, когато преминавате през циклите „компресия с охлаждане - освобождаване на налягането“, охлаждането става само от повърхността на обекта. Това води до факта, че по периферията ще се образува лед, докато в центъра, напротив, съществуващият лед може да се стопи поради повишено налягане.

Това може да се пребори чрез по-бавно понижаване на температурата (и позволяване на обекта да се охлажда по-равномерно) или чрез увеличаване на концентрацията на криопротективни вещества 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 остане в известните безопасни граници от 500–1000 атмосфери.

В допълнение, 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 напълно ни позволяват да се надяваме на употребатависоки налягания