Для хімічних процесів потрібна теплова енергія. Для складних біохімічних реакцій її потрібно багато.
Тому життя в активному стані можливе лише за досить високої температури середовища. Від кількості тепла, одержуваного організмом, залежать будь-які фізіологічні процеси, їхня інтенсивність, а в деяких випадках і їхній напрямок.
Які ж температурні умови життя Землі. У більшості організмів життєдіяльність протоплазми можлива в межах від мінус 4 до плюс 40-45 °. При поступовому підвищенні температури вдається підвищити теплостійкість клітин та організму, але до певної межі, після якої починається руйнування ферментів та інших білкових сполук, що спричиняє смерть. Однак у природі виникли і виключно теплостійкі та теплолюбні організми. Як відомо, із збільшенням глибини температура земної кори підвищується. Мікробіологи вважають, що нижньою межею біосфери (тобто областю земної кори та атмосфери, населеною життям) є ізотерма +100°. Особливі види бактерій знайшли у вапняках на глибинах до 500 м від Землі. Ці бактерії жили за +35°.
Деякі тварини та водорості можуть населяти гарячі джерела, в яких звичайні організми «зварюються» за кілька хвилин або секунд. Так, наприклад, є водорості, які ростуть у гарячих озерах за +90°. У деяких гарячих джерелах при +81° знайдені круглі хробаки - нематоди; личинки мух - при +69 °, а равлики при +47, +50 °.
У мікроорганізмів у стані спокою (цисти, суперечки) кількість води зменшується дуже різко, протоплазма стає в'язкою, вона не піддається денатурації при температурах кипіння води, а іноді й за +130, +150° (під тиском).
Інші організми, навпаки, пристосувалися до дуже низькихтемператур, до життя в найхолодніших районах нашої планети. Так, у районі полюса холоду північної півкулі – у Верхоянську – налічують до 200 видів рослин. Антарктичний материк майже зовсім безжиття; тут не вистачає тепла, немає ґрунту, і суцільні маси вічного льоду покривають материк. Але на ділянках, оголених від льоду («оазисах»), знайдено кілька десятків видів різних безхребетних тварин та нижчих рослин. Вони живуть тут, незважаючи на те, що мінімальні температури досягають в Антарктиді —80° і нижче.
Варто задуматися над тим, чому життя припиняється за низьких температур. При нагріванні денатуруються білки, а при охолодженні виявилося, що найбільш небезпечним є утворення льоду в тканинах і клітинах. Років 30 тому поширена була думка, що багато тварин, у тому числі й хребетних — риби, жаби, взимку промерзають, а навесні знову оживають. Згодом з'ясувалося, що це не так: кристали льоду в протоплазмі клітин високоорганізованої тварини неминуче порушують її структуру, клітина гине.
Але якщо клітина втрачає воду, стійкість до холоду підвищується. Через відсутність води клітини та тканини не замерзають. Так, наприклад, деякі відносно примітивні тварини — коловратки, тихоходки, нематоди — у висушеному стані здатні переносити охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля. Таку ж витривалість мають суперечки і насіння рослин.
Близько 20 років тому було виявлено дуже цікаве явище, яке вразило біологів. Якщо швидко занурити окремі живі клітини або мікроорганізми в рідке повітря (близько -190 °), миттєво замерзають, але після відтавання залишаються живими. Виявилося, що за дуже швидкого охолодження вода не кристалізується і застигає, як скло. Це і зберігає життя клітин.
Отже, не найнижча температура, а лише кристалізація води згубна для живої системи.
Мікроорганізми у вигляді спор, цист, а деякі та в активному стані можуть виносити температуру рідких газів (від -180 до -271 °). Як показали дослідження останніх років, клітини високоорганізованих тварин та рослин за певних умов також можуть переносити наднизькі температури. Наведемо кілька прикладів.
Клітини з різних тканин тварин поміщали на деякий час розчин гліцерину, а після цього переносили в рідкий газ з температурою до -196°. Відігріті після цієї процедури клітини "оживали". Сперматозоїди ссавців - бика, барана, кролика та інших зберігалися в стані анабіозу при температурі близько -196 ° і після відігрівання не втратили здатності активно рухатися та запліднювати яйцеву клітину. У дослідах зі сперматозоїдами бика вдалося «оживити» ці клітини після 8 років при наднизькій температурі.
Але і без спеціальних захисних речовин, на кшталт гліцерину, деякі комахи, які зимують у високих широтах, можуть переносити глибоке охолодження. У природі вони охолоджуються до -20, -30, можливо, навіть -50 °. У лабораторії Інституту цитології АН СРСР поступово охолоджували гусениць, що зимують, кукурудзяного метелика до —183 і —196°. Найрізноманітніші клітини їхнього тіла залишалися після відтавання живими протягом багатьох тижнів.
Що ж відбувається за такої низької температури, чому клітини не гинуть? У природі найчастіше захистом від замерзання є переохолодження рідин тіла. Відомо, що за деяких умов вода не замерзає за 0°. а охолоджується без замерзання до значно нижчих температур. Те саме відбувається і в клітинах. У цьому стані переохолодження, дослідженому докладно у комах, тваринанерухомо, перебуває у заціпенінні, але залишається живим. Личинки жука короїда - заболонника струменевого залишалися, за нашими спостереженнями в природі, м'якими, не замерзлими при температурі від -48 до -55 ° протягом трьох діб.
Але й кристалізація рідин тіла завжди призводить до смерті. Ще в 1937 році нам вдалося встановити, що деякі види комах здатні витримувати замерзання із кристалізацією рідин тіла. Наприклад, гусениці кукурудзяного метелика, що зимують у стеблах трав'янистих рослин, при -30 ° нерідко замерзають так, що стають абсолютно твердими, і зберігаються протягом багатьох днів, після відтавання вони продовжують жити. У спеціально поставлених дослідах ці гусениці «оживали» після добового перебування в температурі -78 ° в замерзлому, твердому, як скло, стані.
Але й ця температура ще не «рекордна» Нещодавно японські дослідники Асахіна та Аокі поставили ряд експериментів з поступовим охолодженням комах та інших безхребетних — спочатку їх поміщали в температуру —30°, після чого тварини відразу переносилися в —183 або —196°. Після розморожування деякі з них виявилися живими. Таку температуру переносили у замерзлому стані досить складні тварини, маючи нормальну кількість води у тілі.
У 1961-1962 роках в Інституті цитології АН СРСР ставилися досліди з глибоким охолодженням великої кількості гусениць кукурудзяного метелика. Виявилося, що понад 70% гусениць переживали 25-добове охолодження до -78° і близько 40% змогли розвиватися і перетворюватися на лялечок та метеликів після добового перебування за такої низької температури. Багато з цих гусениць під впливом тривалого процесу загартовування при температурах близько 0 ° залишалися живими, пробувши 1-2 доби в рідкому азоті (-196 °).
Високоорганізовані тваринигинуть вже за не значному зниженні температури тіла і переносять навіть невеликої кількості льоду у внутрішніх органах. Але вищі рослини переносять дуже низькі температури
Дуже цікаві, наприклад, досліди, проведені Тумановим із співробітниками в Інституті фізіології рослин АН СРСР. Для досвіду було взято гілки різних деревних порід, берези бородавчастої, чорної смородини, яблуні та інших. Зрізані гілки берези гартувалися спочатку при -5 °, а потім щодня температура взимку знижувалася до дуже низької температури, поки не досягла -60 °. Після цього гілки опускалися на дві доби в рідкий азот (-196 °) і потім відігрівалися. Гілки смородини гартувалися більш тривало і з рідкого азоту переносилися в рідкий водень (-253 °) на дві години, звідки знову в азот, який поступово випаровувався протягом шести діб. Надалі, коли гілки було поміщено у воду, нирки на гілках розпускалися. Без загартування гілки гинули при -45 °. Зовсім не витримували охолодження гілки, зрізані влітку
Мимоволі виникає питання, чому живі тканини можуть переносити такі низькі температури, яких немає на Землі? Відомо, що розвитку високої холодостійкості сприяє загартовування при низькій температурі, поступове зниження інтенсивності обміну речовин при настанні зимового спокою, сплячки, в цей час зменшується кількість води, здатна перетворитися на кригу при охолодженні, збільшується кількість речовин, що перешкоджають замерзанню. Але головна причина в тому, що клітини можуть переходити в стан анабіозу, при якому тимчасово припиняється обмін речовин. Цей стан настає при температурах, які дуже низькі і спостерігаються Землі. Коли організм знаходиться в стані анабіозу, подальше охолодження для нього вже не маєсуттєвого значення.
Пристосування живих істот йшло і за іншими напрямками — хребетні, наприклад, набули здатності зберігати та підвищувати активність обміну за низьких температур. Так виникла теплокровність, коли температура тіла зберігається незалежно від температури середовища.
Деякі види комах, подібно до теплокровних тварин, можуть зберігати активність при морозах до -10 ° і навіть нижче. Очевидно, для цього достатньо тепла, що виділяється під час м'язової роботи. Можливо, цьому сприяє також поглинання інфрачервоних променів Сонця.
Для космічної біології дуже цікаво вивчити, чи існують фізіологічні відмінності між органами та тканинами тварин, що у різному кліматі. І якщо такі відмінності є, чи не можна виявити їх між клітинами очної і тієї ж тварини, розташованими всередині та на поверхні тіла, яка зазнає значних коливань температури?
Дуже невелика кількість подібних спостережень відриває цікаві перспективи для майбутніх досліджень.
Відомо, що в арктичних і антарктичних птахів не покрита пір'ям поверхня ніг може мати дуже низьку температуру шкіри і не страждати при жорстоких морозах. тропічному клімату або тих, що живуть в лабораторних умовах Коли беруть тканини попелиці культивування в штучних умовах від різних гризунів, то виявляється, що клітини їх тим довше зберігають життєздатність при низькій температурі, чим у суворіших умовах жил дикий звір.
У рослин і тварин Арктики та високогір'я здатність до активного життя нерідко хіба що зсувається у бік низькихтемператур порівняно з їхніми родичами із тепліших місць. Так, в помірному кліматі у більшості організмів (крім, звичайно, теплокровних) дихання припиняється між -5 і -15 °. У деяких комах Арктики дихання виявляється ще при температурі -26 і -38 °. Серед рослин тільки хвойні дихають за ще більш низької температури.
У високогір'ях на вічних снігах зустрічається одноклітинна водорість (Spherella nivalis), яка покриває сніг червоними чи зеленими нальотами. Найкраще вона росте при +4 ° і може ще рости при -34 °. Таким чином, організми здатні пристосовуватися до найнижчих із наявних на Землі температур.
У лабораторних умовах шляхом «виховання» чи «загартування» вдається ще більше розширити температурні межі життя. Особливо легко перевиховуються одноклітинні організми. У дослідах професора Ю. І. Полянського (Інститут цитології АН СРСР) інфузорії туфельки поміщалися у воду із температурою близько 0°. Спочатку вони були в дуже пригніченому стані, деякі загинули, але інші поступово звикли і почали розмножуватися. Нащадок таких «загартованих» туфельок виявилося здатним переносити в переохолоджену воду температуру до —15° (до загартовування вони витримували температуру трохи нижче 0°). Процеси загартовування добре вивчені у рослин та у деяких тварин. При цьому вдається «привчити» організми до температур нижчих, ніж на Землі. Природно припустити, що температурні умови набагато суворіші, ніж нашій планеті, неможливо знайти перешкодою життю.