К настоящему времени установлено, что основными факторами, оказывающими повреждающее действие на биологические структуры при воздействии низких температур, являются [7-12]:
а) внутри- и внеклеточная кристаллизация воды, сопровождающаяся дегидратацией внутриклеточных структур и биологических мембран в процессе замораживания и размораживания;
б) повышение концентрации электролитов, вызывающее денатурацию субклеточных структур;
в) кристаллизация внутримембранной воды и мембранных структур клетки, в первую очередь ядра, митохондрий и лизосом;
г) механическое повреждение структурных компонентов клетки за счет внутри- и внеклеточных кристаллизационных процессов.
Процесс кристаллизации льда в водном растворе проходит в два этапа:
а) формирование центров кристаллизации;
б) последующий рост кристаллов.
Образующиеся в результате понижения температуры мелкие кристаллы льда непрерывно подвергаются атаке свободных молекул, которые могут встраиваться в кристаллическую структуру. Экспериментально-расчетным методом было доказано, что самые низкие температуры замерзания воды находятся в пределах от -40 до -50 °С. При этом замораживание водного раствора протекает в две стадии. Вначале происходит кристаллизация растворителя (воды) - первичная кристаллизация, а потом кристаллизация растворенного вещества - вторичная кристаллизация. При быстром замораживании (скорость замораживания выше 10 °С/мин), что наблюдается при воздействии жидким азотом, оба этих процесса протекают одновременно. В результате образуется твердое состояние системы, получившее название аморфизации. По
мере отогрева аморфизация может проходить обратно те же фазовые процессы - фазы рекристаллизации [3, 12, 13].
Кроме физического роста кристаллов льда и морфологических повреждений экстрацеллюлярного пространства в процессе криовоз-действия, возникает такое явление, как дегидратация. При этом вода из клеток быстро вымораживается, участвуя в формировании кристаллов льда во внеклеточном пространстве. Обезвоживание клетки ведет к быстрому разрыву водородных связей в системе вода-белок. В качестве криоповреждающего фактора происходит значительное внутриклеточное повышение концентрации солей.