Журнал эволюционной биохимии и физиологии, 2019, T. 55, № 3, стр. 165-171

ВВЕДЕНИЕ

В дикой природе животные часто лишены возможности регулярно получать пищу и способность переносить вынужденную пищевую депривацию является отражением экологии вида, его взаимоотношений со средой обитания [1–4]. Полное голодание рассматривается как стресс, вызванный недостатком или отсутствием ресурсов. Длительное голодание может быть связано с продолжительными периодами очень низких температур в зимний период или дефицитом корма. При этом способность организма переносить пищевую депривацию так же важна, как и возможность быстрого восстановления. Надежность работы организма лимитирована генетической программой [5], поэтому способность разных видов млекопитающих выдерживать отсутствие пищи эволюционно детерминирована. Считается, что ограничение питания по содержанию как белков, так и витаминов антиоксидантного ряда, к которому относятся витамины А и Е, может сокращать продолжительность жизни [6]. Участие витаминов в обменных процессах является биохимической основой их влияния на физиологические процессы и зависит от биологических функций органов и тканей, видовой принадлежности животных, их экологической специализации и целого ряда других факторов.

Физиологическое голодание связано с жизненными природными циклами млекопитающих и, как правило, не вызывает критических последствий для организма. Гибернация и сопутствующий ей период длительного голодания животных отличаются от экзогенного полного голодания, так как уровень метаболизма в это время значительно снижен. Виды, которые заранее перенастраивают свои системы на новые режимы функционирования, имеют преимущества по сравнению с теми, изменения активности которых являются вынужденными и индуцируются внешними воздействиями. Кроме того, проблема анабиоза млекопитающих обращает на себя большое внимание в связи с развитием медицины, в том числе и космической, что приводит к углублению исследований метаболических особенностей длительного эндогенного голодания при зимней спячке животных [7, 4 ].

Витамины А и Е являются экзогенными антиоксидантами и относятся к неферментативному звену антиоксидантной системы, они необходимы для выполнения ряда нормальных клеточных функций, поддержания антиокислительного потенциала тканей на постоянном уровне, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Считается, что основными факторами адаптации, способными защищать клетки от активных форм кислорода, являются снижение уровня их генерации и усиление антиоксидантных механизмов [5].

В условиях среды организм животных подвержен влиянию различных факторов, которые в той или иной степени приводят к изменению интенсивности физиологических реакций, в связи с чем большое значение имеет выявление их адаптивных возможностей. Цель настоящей работы состояла в исследовании содержания витаминов А и Е в тканях млекопитающих из различных экологических групп в условиях пищевой депривации разной продолжительности.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Объектами исследования были млекопитающие (самки и самцы) четырех видов: крыса лабораторная (Rattus norvegicus), американская норка (Mustela vison), песец (Vulpes lagopus) и представитель летучих мышей северный кожанок (Estesicus nilssonii). Крысы содержались в условиях вивария, контрольная группа (n = 6) получала стандартный рацион, продолжительность пищевой депривации животных опытной группы (n = 6) составила 2 сут. Для проведения эксперимента из норок и песцов клеточного содержания было сформировано по две группы: опытную группу норок (n = 10) подвергали полному голоданию в течение 4 сут, песцов (n = = 10) – в течение 8 сут, животные контрольных групп (n = 10 в каждой) получали стандартный рацион хозяйства. Проведение эксперимента было приурочено к периоду планового осеннего забоя. Все животные получали воду ad libitum. Северный кожанок, представитель гладконосых летучих мышей, наиболее часто встречается на территории Карелии, так как является видом, который преобладает среди рукокрылых с продвижением в высокие широты. В период гибернации и вынужденного голодания северный кожанок (n = 17) находился с октября по март в естественных условиях и был отловлен на зимовках в подземных сооружениях разного типа. Исследования выполнены с соблюдением правил проведения работ с использованием экспериментальных животных.

Определение содержания витаминов А (ретинол) и Е (α-токоферол) в тканях проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [8]. У крыс, норок и песцов исследовали печень, почки, сердце и скелетную мышцу, у северного кожанка – печень, почки и скелетную мышцу. У норок исследование содержания витамина А не проводилось. Полученные данные обрабатывали общепринятыми методами вариационной статистики. Исследования выполнены с использованием научного оборудования Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате исследования влияния пищевой депривации в печени крыс опытной группы было обнаружено увеличение содержания витамина А, в то время как в почках – достоверное снижение (табл. 1). Содержание витамина А в сердце не изменялось, в скелетной мышце опытной группы через два дня голодания ретинол не детектировался. Период голодания характеризовался также достоверным снижением содержания витамина Е в печени и тенденцией к его увеличению в почках. В сердечной и скелетной мышцах достоверных изменений содержания витамина Е не обнаружено. Двухдневная пищевая депривация привела к изменениям в соотношении ретинола и токоферола в тканях крыс, которые больше коснулись печени и почек. Хорошо известно, что взаимоотношения между витаминами А и Е носят реципрокный характер, с чем связаны изменения содержания витаминов в тканях, которые при голодании происходят за счет перераспределения запасов, имеющихся в тканях.

Голодание вызывает физиологические изменения, соответствующие различным его стадиям, и прежде всего у крыс, как и у других видов, понижается расход энергии. При этом из-за снижения скорости метаболизма уменьшаются процессы окисления липидов [9], с которыми связаны витамины А и Е [10]. Выявленные в тканях крыс изменения могут являться частью комплексной реакции организма на пищевую депривацию. Достоверное снижение токоферола в печени, основном депонирующем органе, свидетельствует о возможном риске быстрого развития у крыс гиповитаминозного состояния.

У норок 4-дневное голодание привело к достоверному снижению содержания витамина Е в почках и скелетной мышце (табл. 2). Увеличение содержания токоферола наблюдалось в печени и сердце, хотя различия не были статистически достоверны и данные имели высокую вариабельность. Разводимые на фермах норки имеют возможности для накопления жировых резервов, однако, несмотря на довольно большие запасы, норки плохо выдерживают голодание [2, 11, 12], так как они не могут за счет липидов длительное время поддерживать метаболизм на необходимом уровне. Во время голодания липолитическая активность у норок в печени и жировой ткани уменьшается, происходит стимулирование протеолиза, и уже после двух дней голодания у норок может развиться гепатоз или жировая дистрофия печени, что в дальнейшем приводит к гибели. Высказано предположение, что вид может иметь ограниченную способность кетогенеза из-за недостаточного β-окисления, основного процесса деградации жирных кислот, которое приводит к накоплению жира в печени и ухудшает использование липидов как метаболического топлива в период отрицательного энергетического баланса [13]. У норок мобилизация жирных кислот при голодании происходит более эффективно из внутрибрюшного жира по сравнению с подкожным, что рассматривается как адаптация у северных полуводных хищников [2, 14]. Вероятно, увеличение токоферола в печени норок опытной группы связано с интенсивной мобилизацией из жировых депо. В то же время изменения токоферола отмечены и в других тканях – если в сердце, как и в печени, содержание витамина увеличивается, то в почках и скелетной мышце наблюдается его достоверное снижение. Очевидно, что у норок голодание вызывает значительную метаболическую перестройку всех исследованных тканей, однако степень изменений имеет разнонаправленный характер.

Голодание у песцов вызвало наиболее значительные изменения витаминов А и Е в почках – при достоверном увеличении содержания токоферола уровень ретинола снижался (табл. 3). У многих млекопитающих в почках, которые являются местом образования витамина А и удаления конечных продуктов его обмена, содержание ретинола значительно ниже, чем в печени, а в других тканях он находится или в очень небольших количествах, или вовсе не обнаруживается. Песцы, наряду с другими представителями семейства собачьих, характеризуются высоким содержанием витамина А в почках, которые выполняют у них специфическую функцию в метаболизме ретинола, и обычно содержание витамина А в почках песца значительно превышает уровень ретинола в печени [15, 16]. После 8-дневного голодания содержание ретинола у опытных животных в почках оставалось высоким, несмотря на снижение по сравнению с контрольной группой.

В нормальных условиях концентрация в крови транспортирующих витамин А белков коррелирует с обеспеченностью организма витамином, а при недостаточности витамина процесс секреции ретинолсвязывающего белка печенью в кровь нарушается. Снижение интенсивности белкового обмена приводит к уменьшению образования ретинола из каротиноидов пищи. Создание запасов витамина А в печени происходит при наличии его в пище в количестве, превышающем минимальную потребность, поэтому при недостаточности ретинола резервирования в печени не происходит. В нашем эксперименте содержание ретинола в печени опытных и контрольных песцов было практически одинаковым, из чего можно сделать вывод, что непродолжительное для данного вида голодание не влияло на содержание витамина А в печени.

Изменения витамина Е носили иной характер – более высокое содержание токоферола обнаружено в тканях печени, почек и сердца животных опытной группы по сравнению с контролем, причем в почках различия были достоверны. Увеличение уровня токоферола в исследованных тканях подопытных песцов свидетельствует о перераспределении его запасов на фоне интенсификации энергетических процессов, которые оказались наиболее выраженными в почках, так как при голодании их выводящая функция усиливается. Существенное увеличение в почках песцов опытной группы содержания токоферола свидетельствует, вероятно, о возрастающей нагрузке на орган. В других тканях изменения не носили достоверный характер, поэтому можно заключить, что 8-дневное голодание не оказало на физиологическое состояние песцов значительного влияния.

Кормовые предпочтения и способность к накоплению и сохранению необходимых резервов, в том числе и витаминов, так же различны у разных видов животных, как и их физиологическая возможность переносить отсутствие пищи. Такие виды, как норка и песец, остаются активными в течение всего года, в то время как некоторые северные млекопитающие, в том числе летучие мыши, проводят зимний период, когда пища отсутствует, в спячке, и представляют интерес для изучения различных физиологических параметров при адаптации к длительному голоданию.

Результаты исследования показали, что содержание ретинола и токоферола в тканях северного кожанка имеет высокую вариабельность, обусловленную значительными различиями в физиологическом состоянии у обитающих в дикой природе животных, а также целым рядом факторов – пол, возраст, участие в спаривании, время перехода в состояние гибернации и др. При существенных индивидуальных и половых различиях считаем целесообразным раздельное для самок и самцов представление полученных результатов. Обнаружено, что длительное голодание северного кожанка, связанное с периодом гибернации, не привело к значительному снижению запасов витаминов А и Е в тканях, а в ряде случаев весной выявлено увеличение содержания витаминов по сравнению с осенними показателями, что ранее отмечалось для других видов рукокрылых [17]. Наиболее значительные запасы ретинола и токоферола обнаружены в печени (табл. 4). Весной у самок северного кожанка общее содержание витаминов в исследованных тканях было выше, чем у самцов.

Для нормального функционирования репродуктивной системы как самок, так и самцов оба витамина жизненно необходимы, а витамин А играет важную роль в процессе эмбриогенеза. Хорошо известно, что дефицит витамина Е в организме вызывает нарушения функции размножения, поэтому соответственный уровень токоферола является существенным условием не только для перенесения летучими мышами зимней спячки и длительного голодания, но и их благополучного размножения весной. Сохранение запаса витаминов особенно важно для самок летучих мышей, имеющих продолжительный латентный период беременности, приходящийся на зимнее время.

У рукокрылых, как и у других млекопитающих, основным резервным веществом является жир, за счет которого происходит потеря веса во время спячки и сопутствующего ей длительного эндогенного голодания [18]. Характерно, что у самок потери веса были меньше (5%), чем у самцов (15.6%). У гибернирующих животных интенсивность липолиза поддерживается на уровне, необходимом для постоянного, но пониженного обеспечения тканей энергией. Жировая ткань является основным депо витамина Е в организме, и поэтому осеннее накопление жира сочетается с увеличением запасов токоферола, являющегося ингибитором обменных процессов. Процесс впадения зимоспящих животных в спячку и выход из нее считается результатом влияния витамина Е [19].

Интересно отметить, что довольно значительное содержание токоферола у летучих мышей обнаружено в скелетной мышце. Известно, что синтез белков в мышечных тканях регулируется факторами роста, гормонами, механической нагрузкой миофибрилл, а также нутриентами [20]. Следствием резкого снижения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода и, как результат, уменьшение активности антиоксидантной системы.

Пониженная при гибернации генерация активных форм кислорода значительно увеличивается при периодических пробуждениях и сократительном термогенезе во время разогревания животных, так как вместе с этим происходит увеличение уровня окислительного метаболизма. При увеличении потребления кислорода происходят усиление кислород-транспортной функции крови и обеспечение тканей кислородом, что приводит к активации всей антиоксидантной системы. Чем чаще летучая мышь за зиму просыпается, тем меньше остается запасов жира, поэтому сохранение энергетических резервов может дать репродуктивное преимущество виду [18]. Возможно, высокое содержание токоферола и ретинола после длительного голодания объясняется большей продолжительностью спячки северного кожанка по сравнению с другими видами летучих мышей [21]. Кроме того, на сохранение баланса антиоксидантов у летучих мышей может влиять также тот факт, что спячка, как и бόльшая часть их активной жизни, проходит в темноте. Синтезирующийся эпифизом в ночное время гормон мелатонин, обладающий выраженным антиоксидантным эффектом, может способствовать снижению потребности в других антиоксидантах.

Пищевая депривация вызывает метаболическую перестройку всех органов и систем, связанную с режимом экономии внутренних резервов. В сердце трех видов млекопитающих отмечены меньшие изменения изучаемых показателей, что указывает на продолжение осуществления во время голодания обмена веществ, обеспечивающего в первую очередь потребности органов, имеющих большее значение для сохранения жизни. Наибольшие изменения у животных наблюдались в почках, однако их направленность у исследуемых видов была различной. Усиление выводящей функции при полном голодании приводит к увеличению нагрузки на орган. Внутрипочечный кислород может оказывать прямое влияние на функцию реабсорбции почечных канальцев, что сказывается на удерживании воды и натрия, влияет на почечную гемодинамику и выделительную функцию почек [22]. Скелетные мышцы являются самым большим источником лабильных протеинов и поэтому во время голодания быстро теряют массу. Сохранность скелетных мышц определяется понижением метаболизма, уменьшением потребности в кислороде и, следовательно, влиянием окислительного стресса на клетки и ткани. Хотя изменение содержания витаминов в мышце наблюдалось у всех видов, достоверное снижение токоферола выявлено только в скелетной мышце норки. Обнаруженное в некоторых тканях увеличение содержания витаминов, которое осуществляется за счет мобилизации эндогенных ресурсов, можно рассматривать как проявление компенсаторных изменений перестройки антиоксидантной системы при адаптации к голоданию.

Многие млекопитающие, обитающие как в арктическом, так и в бореальном климате, к осени накапливают жировые запасы, играющие важную роль в процессе адаптации к холодному времени года [1, 2, 4]. Такие виды, как норка и песец, которые активны в течение всего года, вынуждены выживать за счет имеющихся резервов, необходимых для быстрого реагирования при остром дефиците пищи. Примером эволюционно закрепленной адаптации к вынужденному голоданию могут служить песцы, накапливающие осенью значительные запасы жира, который у этого арктического вида служит для изоляции тела во время длительных зимних холодов и как энергетический запас в период вынужденного голодания зимой [1, 3]. У песцов предельные сроки полного голодания с наличием воды довольно большие и составляют от 40 до 56 сут [23], норки могут прожить значительно меньше – от 10 до 22 сут [11]. Однако наши исследования показали, что даже кратковременное голодание, не нарушая общее физиологическое состояние животных, приводит к изменениям уровня витаминов А и Е в тканях, отражая метаболические перестройки, связанные с адаптацией к условиям режима экономии.

Общим между экзогенным голоданием и гибернацией является то, что в обоих случаях эндогенное питание осуществляется за счет внутренних источников, в первую очередь, жировой ткани. Снижение метаболических расходов уменьшает истощение запасов, расширяет способность выдерживать периоды голода и обеспечивает достаточной энергией более продолжительный промежуток времени [4, 15, 7 ]. Очевидно, что такая стратегия позволяет летучим мышам во время гибернации значительно сокращать затраты эндогенных ресурсов, в том числе и витаминов, обеспечивая эффективное функционирование метаболических систем, поддерживающих в период длительного голодания и гипотермии оптимальный энергетический баланс и успешное воспроизводство вида в дальнейшем.

В результате исследований у млекопитающих из различных экологических групп содержания жирорастворимых витаминов А и Е в тканях выявлена разная степень их участия в метаболизме, расходовании и сохранении необходимого уровня при пищевой депривации. Под влиянием голодания запускаются адаптационные реакции организма, однако его резервы к адаптационной перестройке не безграничны, так как биологические процессы имеют определенные физиологические пределы. Хотя основные жизненные функции у млекопитающих при голодании не отклоняются от нормы, развитие недостаточности их регуляции может постепенно ограничивать адаптационные возможности организма. Происходящая при пищевой депривации перестройка обменных процессов приводит к перераспределению запасов витаминов А и Е в тканях, что является результатом включения приспособительных механизмов, направленных на более рациональное использование резервов организма. Очевидно, что содержание витаминов в тканях подвержено меньшим изменениям у видов, адаптированных в процессе эволюции к длительному голоданию, положительный исход которого обеспечивается благодаря действию общих и специфических эколого-физиологических механизмов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа поддержана средствами федерального бюджета на выполнение государственного задания – тема № 0218-2019-0073.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов изучения.