В живых клетках содержится 70% воды. При замерзании вода может вызвать гибель организмов. Объясните, почему это может произойти. Почему же зимой не погибают растения и хладнокровные животные при охлаждении их тела ниже 0 градусов?

Как это вижу я.

Почему лёд может убить клетку.
Вода — около 70 % массы живой клетки. При охлаждении ниже точки замерзания с ней происходят вещи, опасные для жизни:

1. Образование кристаллов льда. Если лёд растёт внутри клетки, острые кристаллы физически рвут мембраны и органоиды. Это механическое повреждение обычно необратимо.

2. Расширение при замерзании. Лёд занимает больший объём, чем жидкая вода, поэтому внутри замкнутых компартментов возникает давление, которое разрывает оболочки.

3. Осмотическое обезвоживание. Обычно первыми замерзают внеклеточные растворы. Лёд «выпадает» из раствора, а оставшаяся жидкость становится более концентрированной. Вода уходит из клетки по осмотическому градиенту — клетка сморщивается, белки и мембраны теряют нормальную гидратацию, сворачиваются/денатурируют.

4. Нарушение метаболизма. При замерзании вода теряет подвижность, диффузия почти останавливается, ферментативные реакции становятся невозможными.

Почему многие растения и хладнокровные не погибают при T < 0 °C.
Они не «игнорируют» физику, а используют стратегии, чтобы не допустить внутриклеточного льда или пережить его:

• Суперохлаждение (supercooling). Чистая вода без центров кристаллизации может оставаться жидкой до −5…−20 °C (у некоторых насекомых — ниже). Организм удаляет или блокирует «затравки» льда, герметизирует компартменты, понижает вероятность первичного кристалла.

• Криопротекторы. В клетках накапливаются вещества, понижающие точку замерзания и защищающие макромолекулы: сахара (сахароза, трегалоза), многоатомные спирты (глицерин, сорбит), аминокислоты (пролин), мочевина. Это коллигативный эффект + стабилизация белков и мембран.

• Антифризные белки/гликопротеины. Они связываются с зарождающимися кристаллами льда и «защёлкивают» их рост, не давая льду пронизывать клетку.

• Смещение льда наружу. В морозоустойчивых тканях лёд часто образуется межклеточно. Это вытягивает воду из клеток (контролируемое обезвоживание), но сохраняет целостность мембран — лучше сухая живая клетка, чем разорванная льдом.

• Изменение мембран. Зимой повышают долю ненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах, чтобы мембраны оставались более «мягкими» и переносили обезвоживание/низкие температуры.

• Витрификация (стеклование). При сильном обезвоживании цитоплазма с сахарами переходит в стеклоподобное состояние без кристаллов — движения мало, но структура сохранена.

• Закаливание (холодовая акклимация). Осенью растения активируют гены холодового ответа: накапливают сахара, меняют состав белков, усиливают антиоксидантную защиту, утолщают клеточные стенки, формируют почки с защитными чешуями и воздухосухими оболочками.

• Поведенческие и экосистемные «фишки». Хладнокровные прячутся в норы, под подстилку, на дно водоёмов. Вода подо льдом держится около +4 °C (аномалия плотности), снег и лёд работают как утеплитель. Многие рыбы и земноводные используют глюкозу/глицерин как антифриз; у некоторых лягушек и насекомых есть настоящая устойчивость к замерзанию: допускают лёд во внеклеточных пространствах, но защищают клетки криопротекторами.

Итого: гибель при замерзании — в основном от кристаллов льда и осмотического стресса. Растения и хладнокровные переживают минусовые температуры, потому что предотвращают внутриклеточный лёд, понижают точку замерзания внутренней воды, укрепляют мембраны и/или контролируемо обезвоживаются, а ещё используют укрытия и физиологическую спячку.