Во время замораживания живых клеток концентрация хлористого натрия и других электролитов в окружающей их среде повышается в связи с вымерзанием воды.
При согревании по мере таяния льда эта концентрация понижается. Мысль о том, что такие изменения концентрации причиняют клеткам вред, не является новой. Первые данные, подкрепляющие это положение, были получены ботаниками. Так, Горке в 1907 г. обнаружил, что при повышении концентрации солей в результате либо их добавления при температуре выше нуля, либо вымерзания воды при температуре ниже нуля белки в соке чувствительных к холоду растений выпадали в осадок. Морские водоросли разных видов погибают в результате замораживания при специфической температуре. В 1917 г. Кайлин установил, что они погибали при температуре выше нуля, когда их погружали в растворы хлористого натрия, достаточно крепкие, чтобы вызвать понижение точки замерзания до летального уровня.
Позднее, в 1925 г., Моран обнаружил, что консистенция яичного желтка, выдерживавшегося в замороженном состоянии при температуре —6°, после согревания не восстанавливалась. Если температура внутри желтка была —6° или ниже, в оплодотворенных яйцах зародыши не развивались. При этой температуре концентрация хлористого натрия в остаточной жидкости в желтке составляла 10%. Лецито-вителлины желтка растворяются в 10-процентном хлористом натрии при температуре от 0 до —10°. В разбавленном растворе или же при таянии льда в желтке, подвергающемся воздействию этой температуры, они денатурируют и выпадают в осадок. Мышечные волокна лягушки, замороженные при температуре ниже —2°, утрачивают характерную раздражимость. При этой температуре 78% воды превращается в лед. Выделение такого же объема воды путем высушивания при температуре выше нуля также приводит к гибели клеток. Финн установил, что жидкость, выжатая из мышечных волокон быка, содержала около 90% воды и змерзала при —1,1° Основным компонентом ее был хлористый калий, концентрация которого достигала примерно 0,3 М. Растворенные белки денатурировали и оставались нерастворимыми, когда эту жидкость подвергали воздействию температуры от —2 до —3°. При такой температуре 78% воды превращалось в лед, концентрация хлористого калия повышалась до 0,8 М, а pH сдвигался в кислую сторону (pH 6,0). Денатурацию белка можно было приписать повышению концентрации КCl и падению pH; ее можно было вызвать также при температуре выше 0° путем высушивания и подкисления до такого же pH. В настоящее время хорошо известно, что мышечные волокна, сперматозоиды, эритроциты и многие другие виды клеток млекопитающих повреждаются в результате изменения общей концентрации ионов или ионного равновесия в окружающих их жидкостях. Некоторые из этих клеток особенно чувствительны к изменению pH в тканевой жидкости или суспензионной среде.