Особенности энергообмена мышц у мышей с различными типологическими особенностями в условиях антиортостатического стресса

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Курганский государственный университет

Кафедра зоологии и биоэкологии

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГООБМЕНА МЫШЦ У МЫШЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПОЛОГИЧЕСКИМИ ОСОБЕННОСТЯМИ В УСЛОВИЯХ АНТИОРТОСТАТИЧЕСКОГО СТРЕССА

Студент Закомалдина Анастасия Сергеевна

Группа ЕН - 5465

Руководитель кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник

Ковинька Михаил Александрович

Курган, 2010

Условные обозначения

ГМ - гликоген мышц

КМ - креатин мышц

КФМ - креатинфосфат мышц

ОЛМ - общие липиды мышц

ГП - гликоген печени

ОЛП - общие липиды печени

АП - активное плавание

Д - дрейф

Н - неподвижность

Ме - медиана

АПР - атипические поведенческие реакции

Оглавление

Введение

1. Типологические особенности

1.1 Инстинктивное поведение

1.1.1 Инстинктивное поведение и общение

1.1.2 Роль биологических мотиваций в поведении

1.1.3 Роль эмоций в поведении

1.2 Феромональный стресс у мышей

2. Энергообеспечение мышц

2.1 Сокращение и расслабление как основные функции мышц

2.2 Энергия мышц

3. Опорно-двигательный аппарат экспериментальных животных в условиях реальной и моделированной невесомости

3.1 Наблюдаемые изменения в мышцах и костях в условиях невесомости

3.2 Моделирование физиологических эффектов невесомости в опытах животными

4. Характеристика испытуемых и условия проведения исследования

5. Поведенческие тесты

5.1 Тест «открытое поле»

5.2 Тест «Порсольта»

5.3 Тест «мышечная сила»

5.4 Тест «перегородка»

6. Антиортостатическая нагрузка

7. Результаты исследований и их обсуждение

Выводы

Литература

мышца расслабление антиортостатический жывотные

Введение

Изучение поведенческих реакций животных широко используется при моделировании стрессовых воздействий и экспериментальной апробации действия различных фармакологических средств, которые способны вызывать нейрохимические сдвиги в организме. В настоящее время для исследования изменений, происходящих в тканях, широко применяются модификации модели вывешивания мышей, различающиеся по применяемому способу фиксирования, что оказывает различное воздействие на общее состояние животного и переносимость эксперимента. Эти модели применяются для получения значительных сдвигов в формировании костной ткани, приводящих к усилению процессов костного восстановления. На животных, подвергнутых тестированиям на типологические особенности, принято испытывать лекарственные средства, стимулирующие остеогенез. Т.о. что эффекты, вызываемые экспериментом, зависят от индивидуальных особенностей высшей нервной деятельности, а механизмы развития стресс-реакции при воздействии агрессивных факторов внешней среды зависят от способности организма адаптироваться к внешним условиям.

Целью данной работы является: изучение влияния антиортостатической гипокинезии и гиподинамии, на двигательную активность и содержание энергетических субстратов в скелетных мышцах и печени доминирующих и субдоминирующих мышей.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить изменение поведенческих реакций у мышей в условиях антиортостатической нагрузки.

2. Изучить изменение двигательной активности у мышей с различными индивидуальными особенностями в условиях антиортостатической нагрузки.

3. Оценить характер изменения содержания энергетических субстратов в скелетных мышцах и печени у мышей с различными индивидуальными особенностями в условиях антиортостатической гиподинамии.

1. Типологические особенности

1.1 Инстинктивное поведение

1.1.1 Инстинктивное поведение и общение

Все животные периодически вступают во внутривидовые контакты друг с другом. Прежде всего, это относится к сфере размножения, где часто наблюдается более или менее тесный контакт между половыми партнерами. Кроме того, представители одного и того же вида часто скапливаются в местах с благоприятными условиями существования (обилие пищи, оптимальные физические параметры среды и пр.). В этих и" подобных случаях происходит биологическое взаимодействие между животными организмами, на основе которого в процессе эволюции зародились явления общения. Ни любое контактирование между самцом и самкой, ни тем более скопление животных в благоприятных для них местах (зачастую с образованием колонии) не является проявлением общения. Последнее, как и связанное, с ним групповое поведение, предполагает как непременное условие не только физическое или биологическое, но, прежде всего психическое взаимодействие (обмен информацией) между особями, выражающееся в согласовании, интегрировании их действий. Как еще будет показано, это относится к животным, стоящим выше кольчатых червей и низших моллюсков [8,9].

Дополняя сказанное, необходимо подчеркнуть, что об общении можно говорить лишь тогда, когда существуют особые формы поведения, специальной функцией которых является передача информации от одной особи к другой. Другими словами, общение, в научном значении этого термина, появляется лишь тогда, когда некоторые действия животного приобретают сигнальное значение. Немецкий этолог Г.Темброк, посвятивший много усилий изучению процессов общения и их эволюции, подчеркивает, что о явлениях общения и соответственно подлинных сообществах животных (стадах, стаях, семьях и т.д.) можно говорить лишь тогда, когда имеет место совместная жизнь, при которой несколько самостоятельных особей осуществляют вместе (во времени и пространстве) однородные формы поведения в более чем одной функциональной сфере. Условия такой совместной деятельности могут меняться, иногда она осуществляется при разделении функций между особями [9].

Добавим еще, что если общение отсутствует у низших беспозвоночных и только в зачаточных формах появляется у некоторых их высших представителей, то, наоборот, оно присуще всем высшим животным (включая и высших беспозвоночных), и можно сказать, что в той или иной степени поведение высших животных в целом осуществляется всегда в условиях общения (хотя бы периодического) [8].

Как уже упоминалось, важнейшим элементом общения является обмен информацией -- коммуникация. При этом информативное содержание коммуникативных действий (зоосемантика) может служить опознаванию (принадлежности особи к определенному виду, сообществу, полу и т.п.), сигнализировать о физиологическом состоянии животного (голоде, половом возбуждении и пр.) или же служить оповещению других особей об опасности, нахождении корма, места отдыха и т.д. По механизму действия (зоопрагматика) формы общения различаются каналами передачи информации (оптические, акустические, химические, тактильные и др.), но во всех случаях коммуникации животных представляют собой (в отличие от человека) закрытую систему, т.е. слагаются из ограниченного числа видотипичных сигналов, посылаемых «животным-экспедиентом» и адекватно воспринимаемых «животным-реципиентом» [39,45].

Общение между животными невозможно без генетической фиксации способности как к адекватному восприятию (что обеспечивается таксисами), так и к передаче «кодированной» информации (что обеспечивается врожденными пусковыми механизмами). Наследственно закрепленные, инстинктивные действия, с помощью которых выполняется передача информации, могут приобретать самостоятельное значение. Здесь действуют те же закономерности, что и при других формах инстинктивного поведения, но носителями ключевых раздражителей являются в данном случае сородичи или животные других видов [16].

Среди оптических форм общения важное место занимают выразительные позы и телодвижения, которые состоят в том, что животные весьма заметным образом показывают друг другу определенные части своего тела, зачастую несущие специфические сигнальные признаки (яркие узоры, придатки и т.п. структурные образования). Такая форма сигнализаций получила название «демонстрационное поведение». В иных случаях сигнальную функцию выполняют особые движения (всего тела или отдельных его частей) без специального показа особых структурных образований, в других -- максимальное увеличение объема или поверхности тела или хотя бы некоторых его участков (посредством его раздувания, расправления складок, взъерошивания перьев или волос и т.п.). Все эти движения всегда выполняются «подчеркнуто», нередко с «преувеличенной» интенсивностью. Но, как правило, у высших животных все движения имеют какое-то сигнальное значение, если они выполняются в присутствии другой особи [20,46].

Наиболее полноценная, четкая передача информации достигается, однако, тогда, когда появляются специальные двигательные элементы, выделившиеся из «обычных», «утилитарных» форм поведения, утративших в ходе эволюции свою первичную «рабочую», «механическую» функцию и приобретшие чисто сигнальное значение. Первичные движения получили в этологии название «автохтонных» движений; вторичные, приобретшие новую, в данном случае сигнальную, функцию, -- «аллохтонных». В таком случае сам рисунок стереотипно, у всех представителей данного вида одинаково выполняемого движения является условным выражением определенной биологической ситуации (биологически значимого изменения вереде или внутреннего состояния животного). Такие видотипичные стереотипные движения с четкой информативной функцией получили в этологии название «ритуализованных движений». Ритуализация характеризуется условностью выполняемых действий, которые служат лишь для передачи определенного, причем совершенно конкретного информативного содержания. Эти действия генетически жестко фиксированы, выполняются с максимальной стереотипностью, т.е., по существу, одинаково всеми особями данного вида, и поэтому относятся к типичным инстинктивным движениям. По этой причине все животные данного вида и в состоянии «правильно» понимать значение подобных оптических (или акустических) сигналов общения. Это типичный пример максимальной ригидности, консерватизма в поведении животных [21].

Ритуализованные движения выполняются в строгой последовательности в форме более или менее сложных видотипичных «церемониалов» или «ритуалов», причем, как правило, в виде «диалога» двух животных. Чаще всего они встречаются в сферах размножения (брачные игры) и борьбы («мнимая борьба») и отображают внутреннее состояние особи и ее физические и психические качества. Наряду с врожденными существуют и приобретенные формы общения, о которых пойдет речь позже [25].

Все формы общения играют существенную роль в жизни высших беспозвоночных и позвоночных, обеспечивая согласованность действий особей. Без коммуникации с помощью различных химических, оптических, акустических, тактильных и других сигналов у этих животных невозможно даже сближение и контактирование самцов и самок, а, следовательно, и продолжение рода. Особое значение приобретает общение особей одного, реже разных видов в условиях их совместной, групповой жизни как основа группового поведения [38].

Как уже говорилось, групповое поведение появляется (по меньшей мере, в развитых формах) вместе с общением только у высших беспозвоночных и выражается в согласованных совместных действиях животных, живущих в сообществах. В отличие от скоплений животных, возникающих в результате идентичной положительной реакции на благоприятные внешние условия, сообщества характеризуются относительно постоянным составом его членов и определенной внутренней структурой, регулирующей отношения между ними. Эта структура нередко принимает форму иерархических систем соподчинения всех членов сообщества друг другу, чем обеспечивается сплоченность последнего и его эффективное функционирование как единого целого. Не меньшее значение имеет в этом отношении выделение вожаков, или «лидеров», регулирование отношений между молодыми и старыми животными, совершенствование ухода за потомством и т.д. [13].

1.1.2 Роль биологических мотиваций в поведении

Мотивация -- вызванное той или иной потребностью эмоционально окрашенное состояние организма, избирательно объединяющее нервные элементы различных уровней мозга. На основе мотиваций формируется поведение, ведущее к удовлетворению исходной потребности [14].

Проблема мотивации занимает ведущее место среди других фундаментальных проблем высшей нервной деятельности. Если еще в середине нашего столетия мотивации находились целиком в сфере научных интересов психологов, то в последние годы мотивации стали предметом пристального исследования физиологов. В изучении мотиваций наметился значительный прогресс. Традиционный поведенческий и электрофизиологический подходы все активнее соединяются с изучением молекулярных механизмов мотиваций. Серьезному исследованию подверглись социальные мотивации человека.

Мотивация как основа целенаправленной деятельности. Каждый, кто внимательно наблюдал поведение живых существ, не раз обращал внимание на то, что среди разнообразных форм поведения встречаются такие, когда человек или животное не только реагируют на внешние воздействия, но активно ищут определенные объекты внешней среды. Поиск этот осуществляется весьма настойчиво, с большими затратами энергии и преодолением различных препятствий на пути к цели [17].

Такие формы активной целенаправленной деятельности живых существ были названы И. П. Павловым «основными влечениями организма».

К числу основных влечений, направленных на обладание определенными раздражающими предметами, И. П. Павлов в первую очередь относил влечение голода и ориентировочно-исследовательскую деятельность. Нетрудно заметить, что основные влечения организма представляют собой именно такую форму поведенческой деятельности, которая в отличие от рефлекторной деятельности как реакции на внешние стимулы, напротив, направлена на поиск специальных раздражителей внешней среды [14].

Ведущими биологическими потребностями являются: 1) пищевая потребность, характеризующаяся уменьшением в организме уровня питательных веществ; 2) питьевая потребность, связанная с повышением осмотического давления; 3) температурная потребность -- при изменении температуры тела; 4) половая потребность.

Поскольку общие потребности организма много параметренны, животные могут одновременно испытывать несколько потребностей. Однако всегда имеется ведущий параметр общей метаболической потребности -- доминирующая потребность, наиболее важная для выживания особи или ее рода, которая строит поведенческий акт, направленный на ее удовлетворение[17].

Генетическая детерминированность. Биологические мотивации, будучи тесно связанными с метаболическими потребностями организма, строятся на основе врожденных, генетически детерминированных механизмов. Их проявление не требует обучения, так как определяется активностью специальных генов, созревающих или освобождающихся от тормозных влияний на определенных стадиях онтогенетического развития. При этом в качестве основных факторов ресупрессии генетического аппарата выступают в первую очередь различные метаболические потребности и те информационные молекулы, которые эти потребности сопровождают [24].

Соотношения внутренних и внешних факторов. Непосредственной причиной биологических мотиваций являются преимущественно раздражители внутренней среды, связанные с изменением различных показателей гомеостаза, определяющих нормальное течение обменных процессов в организме, например, уровня питательных веществ, осмотического давления, состояния половых клеток, различных гормонов etc. Эти в различной степени выраженные изменения тех или иных метаболических показателей, будучи в значительной степени гуморальными изменениями, выступают в роли исходных стимулов биологических мотиваций.

Соотношение внешних и внутренних факторов в возникновении биологических мотиваций в разных условиях может меняться. Например, голод в одних случаях стимулируется первичными метаболическими изменениями внутри организма, в других -- видом или запахом аппетитно приготовленной пищи.

Биологические мотивации нередко относятся к разряду сложных безусловных рефлексов, или инстинктов. Вместе с тем биологические мотивации в отличие от рефлекторных реакций на внешние стимулы представляют такую форму деятельности, когда животные и человек, стимулируемые внутренними потребностями или окружающими факторами, направленно ищут специальные внешние раздражители. Именно настойчивый поиск отличает мотивационные реакции от рефлекторных [25].

Системная организация мотиваций. Мотивации как биологического, так и социального плана в целостной деятельности организма всегда являются компонентом системной архитектоники поведенческого акта. Мотивации играют существенную роль в организации таких ответственных системных механизмов, как стадия афферентного синтеза, принятия решения и предвидения потребного результата -- акцептора результата действия. Не меньшее значение мотивация имеет в формировании эфферентной программы поведения -- стадии эфферентного синтеза [37].

1.1.3 Роль эмоций в поведении

Под эмоциями подразумевают субъективные реакции животных и человека на внутренние и внешние раздражения, проявляющиеся в виде удовольствия или неудовольствия, страха, гнева, тоски, радости, надежды, грусти и так далее.

Благодаря эмоциональному возбуждению создаётся эмоциональная окраска текущего поведения, происходит субъективная оценка ситуации.

Если эмоцию рассматривать как форму отражения действительности, как процесс, регулирующий отношения субъекта с внешней средой, то психическое и физиологическое в эмоциях выступает как две стороны единой нервной деятельности [6].

Своеобразной и весьма существенной функцией эмоций является их подкрепляющая функция, ибо сами эмоции могут выступать в качестве безусловного подкрепления. Было отмечено, что у крыс не удаётся выработать инструментальный условный рефлекс, если пищу вводили непосредственно в желудок через канюлю. Но этот, же рефлекс легко вырабатывается, если к вводимой в желудок пище подмешивается морфин, быстро вызывающий у животного положительное эмоциональное состояние. Тот же горький на вкус морфин, введённый через рот, переставал быть подкрепляющим фактором пищевого рефлекса, ибо сопровождался аверсией.

У мышей хорошо вырабатывается инструментальный условный рефлекс нажатия на рычаг, если это действие подкрепляется появлением в клетке другой мыши, немедленно атакуемой «исполнителем» [45].

1.2 Феромональный стресс у мышей

Ученые показали мутагенный эффект феромонального стресса у мышей. При этом важно, что речь идет уже о мутациях не в соматических, а в генеративных клетках - при сперматогенезе [1].

Известно, что запах во взаимоотношениях мышей выполняет функции своеобразного языка. Феромоны, летучие вещества, содержащиеся в моче этих животных, играют роль сигналов, ввязывающих реакцию подчинения, агрессии и т.д. Пользуясь этими сигналами, старые самцы держат в подчинении самок и молодых самцов. Оказалось, что запах взрослого самца при однократном воздействии повышает частоту цитологических нарушений в сперматогенезе у молодых самцов, увеличивает частоту аномальных сперматозоидов и доминантных летальных мутаций, выявляемых после их спаривания с самками, не подвергавшимися воздействию. Ученые в Новосибирске показали, что стресс у мышей, вызываемый некоторыми физическими воздействиями, повышает у них частоту кроссинговера [5,18].

Таким образом, синэкологические отношения, то есть отношения между организмами, могут быть источником наследственной изменчивости и тем самым служить дополнительным фактором эволюции. Эти исследования в последние годы развиваются, к сожалению, недостаточно активно [15].

2. Энергообеспечение мышц

2.1 Сокращение и расслабление как основные функции мышц

Механическая работа мышц - сокращение и расслабление - совершается за счет энергии, аккумулированной в АТФ - аденозинтрифосфорной кислоте. АТФ в мышце выполняет двойную функцию: она действует как агент, вызывающий сокращение, и как пластификатор, расслабляющий мышцу. Истощение в мышце запасов АТФ вызывает контрактуру, переходящую в окоченение. Поэтому мышца должна постоянно содержать небольшое количество АТФ про запас. В покое ее накапливается примерно 8 х 106 моль/г мышцы. Этого достаточно приблизительно для 30 одиночных сокращений или для одного титанического сокращения продолжительностью около одной секунды [2].

Чтобы количество АТФ во время физической работы не снижалось ниже допустимого уровня, в мышцах функционируют специальные энергетические буферы, которые поддерживают концентрацию аденозинтрифосфорной кислоты. Но это не означает, что возможности мышц накапливать энергию безграничны. Необходимое условие для своевременного сокращения и расслабления мышц - умеренность в физической работе [3].

АТФ образуется при окислении глюкозы. Окисление глюкозы может происходить двумя путями - без участия кислорода и с помощью его. Первый вариант свойствен покоящимся мышцам, второй - работающим. В энергетическом отношении наиболее выгодно окисление глюкозы с помощью кислорода. В его процессе образуется 36 молекул АТФ против 2 без его участия.

Мышечное сокращение является сложным механохимическим процессом, в ходе которого происходит преобразование химической энергии гидролитического расщепления АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей [7].

В настоящее время этот механизм еще полностью не раскрыт. Но достоверно известно следующее:

1. Источником энергии, необходимой для мышечной работы является АТФ.

2. Гидролиз АТФ, сопровождающийся выделением энергии, катализируется миозином, который, как уже отмечалось, обладает ферментативной активностью.

3. Пусковым механизмом мышечного сокращения является повышение концентрации ионов Са2+ в саркоплазме миоцитов, вызываемое двигательным нервным импульсом.

4. Во время мышечного сокращения между толстыми и тонкими нитями миофибрилл возникают поперечные мостики, или спайки.

5. Во время мышечного сокращения происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна в целом [22].

Мышечное сокращение происходит под воздействием двигательного нервного импульса, представляющего собой волну повышенной мембранной проницаемости, распространяющуюся по нервному волокну. Эта волна повышенной проницаемости передается через нервно-мышечный синапс на Т-систему саркоплазматической сети и, в конечном счете, достигает цистерн, содержащих ионы кальция в большой концентрации. В результате значительного повышения проницаемости стенки цистерн ионы кальция выходят из цистерн и их концентрация в саркоплазме за очень короткое время возрастает с 10-8 до кг г-ион/л, т.е. в 1000 раз. Ионы кальция, находясь в высокой концентрации, присоединяются к белку тонких нитей - тропонину - и меняют его пространственную форму. Изменение конформации тропонина, в свою очередь, приводит к тому, что молекулы тропомиозина смещаются вдоль желобка фибриллярного актина, составляющего основу тонких нитей, и освобождают тот участок актиновых молекул, который предназначен для связывания с миозиновыми головками. В результате этого между миозином и актином возникает поперечный мостик, расположенный под углом 90°. Поскольку в толстые и тонкие нити входит большое число молекул миозина и актина, то между мышечными нитями образуется довольно большое количество поперечных мостиков, или спаек. На электронной микрофотографии хорошо видно, что между толстыми и тонкими нитями имеется большое количество поперечно расположенных мостиков [33,40,44].

Таким образом, процесс мышечного расслабления, или релаксация, так же как и процесс мышечного сокращения, осуществляется с использованием энергии гидролиза АТФ [33].

2.2 Энергия мышц

Движение любого сочленения осуществляется благодаря сокращениям скелетных мышц. На следующей диаграмме представлен метаболизм энергии в мышце [12].

АТФ

Сократительная функция всех типов мышц обусловлена превращением в мышечных волокнах химической энергии определённых биохимических процессов в механическую работу. Гидролиз аденозинтрифосфата (АТФ) как раз и обеспечивает мышцу этой энергией.

Поскольку снабжение мускулатуры АТФ невелико, необходимо активировать метаболические пути к ресинтезу АТФ, чтобы уровень синтеза соответствовал затратам на сокращение мышц. Образование энергии для обеспечения мышечной работы может осуществляться анаэробным (без использования кислорода) и аэробным путем. АТФ синтезируется из аденозиндифосфата (АДФ) посредством энергии креатинфосфата, анаэробного гликолиза или окислительного метаболизма. Запасы АТФ в мышцах сравнительно ничтожны и их может хватить лишь на 2-3 секунды интенсивной работы [12,35,42].

Креатинфосфат

Запасы креатинфосфата (КрФ) в мышце больше запасов АТФ и они анаэробно могут быть быстро превращены в АТФ. КрФ - самая «быстрая» энергии в мышцах (она обеспечивает энергию в первые 5-10 секунд очень мощной, взрывной работы силового характера, например, при подъеме штанги). После исчерпания запасов КрФ организм переходит к расщеплению мышечного гликогена, обеспечивающего более продолжительную (до 2-3 минут), но менее интенсивную (в три раза) работу[19].

Гликолиз

Гликолиз - форма анаэробного метаболизма, обеспечивающая ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена или глюкозы до молочной кислоты [26].

КрФ считается топливом быстрой реализации, который регенерирует АТФ, которого в мышцах незначительное количество и поэтому КрФ является основным энергетиком в течение нескольких секунд. Гликолиз более сложная система, способная функционировать длительное время, поэтому ее значение существенно для более длительных активных действий. КрФ ограничен своим незначительным количеством. Гликолиз же имеет возможность для относительно длительного энергетического обеспечения, но, производя молочную кислоту, заполняет ею двигательные клетки и из-за этого ограничивает мышечную активность [41].

Окислительный метаболизм

Связан с возможностью выполнения работы за счет окисления энергетических субстратов, в качестве которых могут использоваться углеводы, жиры, белки при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах [36].

Для пополнения срочных и кратковременных энергетических запасов и выполнения длительной работы мышечная клетка использует так называемые долговременные источники энергии. К ним относятся глюкоза и другие моносахара, аминокислоты, жирные кислоты, глицеролкомпоненты продуктов питания, доставляемые в мышечную клетку через капиллярную сеть и участвующие в окислительном метаболизме. Эти источники энергии генерируют образование АТФ путем сочетания утилизации кислорода с окислением носителей водорода в электрон-транспортной системе митохондрии [29].

В процесс полного окисления одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ. При сопоставлении анаэробного гликолиза с аэробным расщеплением углеводов можно заметить, что аэробный процесс в 19 раз эффективнее [23].

Во время выполнения кратковременных интенсивных физических нагрузок в качестве основных источников энергии используются КрФ, гликоген и глюкоза скелетных мышц. В этих условиях главным фактором, лимитирующим образование АТФ, можно считать отсутствие необходимого количества кислорода. Интенсивный гликолиз приводит к накоплению в скелетных мышцах больших количеств молочной кислоты, которая постепенно диффундирует в кровь и переносится в печень. Высокие концентрации молочной кислоты становятся важным фактором регуляторного механизма, ингибирующего обмен свободных жирных кислот во время физических нагрузок длительностью 30--40 с [34].

По мере увеличения длительности физических нагрузок происходит постепенное снижение концентрации инсулина в крови. Этот гормон активно участвует в регуляции жирового обмена и при высоких концентрациях тормозит активность липаз. Снижение концентрации инсулина во время длительных физических нагрузок приводит к повышению активности инсулин зависимых ферментных систем, что проявляется в усилении процесса липолиза и увеличении освобождения жирных кислот из депо [12].

Важность этого регуляторного механизма становится очевидной, когда спортсмены допускают наиболее распространенную ошибку. Нередко, стараясь обеспечить организм легкоусвояемыми источниками энергии, за час до начала соревнований или тренировок они принимают богатую углеводами пищу или концентрированный, содержащий глюкозу, напиток. Такое насыщение организма легкоусвояемыми углеводами приводит через 15--20 минут к повышению уровня глюкозы в крови, а это, в свою очередь, вызывает усиленное выделение инсулина клетками поджелудочной железы. Повышение концентрации этого гормона в крови приводит к усилению потребления глюкозы в качестве источника энергии для мышечной деятельности. В конечном счете, вместо энергетически более выгодных жирных кислот в организме расходуются углеводы. Так, прием глюкозы за час до старта может существенно повлиять на спортивную работоспособность и снизить выносливость к длительной нагрузке [27,43].

Активное участие свободных жирных кислот в энергетическом обеспечении мышечной деятельности позволяет более экономно выполнять длительные физические на грузки. Усиление процесса липолиза во время физических нагрузок приводит к освобождению жирных кислот из жировых депо в кровь, и они могут быть доставлены в скелетные мышцы или использованы для образования липопротеинов крови. В скелетных мышцах свободные жирные кислоты проникают в митохондрии, где подвергаются последовательному окислению, сопряженному с фосфорилированием и синтезом АТФ [35].

Каждый из перечисленных биоэнергетических компонентов физической работоспособности характеризуется критериями мощности, емкости и эффективности [26].

3. Опорно-двигательный аппарат экспериментальных животных в условиях реальной и моделированной невесомости

К специфическим изменениям, обусловленным воздействием длительной невесомости, следует отнести в первую очередь изменения в опорно-двигательном аппарате. Так, изменения в мышечной системе крыс под влиянием невесомости длительностью до 22 суток проявились в атрофии мышц, уменьшении их силы и эластичности, увеличении скорости сокращения, разрастании соединительной ткани, распаде сократительных белков и других изменениях обменных процессов и тонкой структуры мышечных волокон. Исследования показали, что перечисленные изменения выражены тем значительнее, чем больше в той или иной мышце представлено так называемых медленных мышечных волокон, приспособленных по характеру своих обменных процессов к развитию и поддержанию длительных напряжений. Такими мышцами, в которых изменения оказались наибольшими, явились мышцы -- разгибатели конечностей, выполняющие на Земле антигравитационную функцию, т. е. противодействующие силе тяжести и удерживающие вес тела [4].

К первым из них следует отнести признаки умеренно выраженного повышения функциональной активности ряда эндокринных органов (гипотоламус, гипофиз, кора надпочечников), участвующих в адаптации организма к необычным факторам среды обитания, и связанные с этим изменения в селезенке, вилочковой железе и в системе кроветворения. Эти изменения свидетельствуют в пользу того, что адаптация организма к условиям длительной невесомости подчиняется общебиологическим закономерностям, установленным применительно к воздействию необычных раздражителей внешней среды, т.е. сопровождается развитием в организме комплекса неспецифических реакций, объединяемых в понятие общий адаптационный синдром, или стресс. Стресс, обусловленный воздействием невесомости, носил умеренно выраженный характер и был обратимым.

Изменения в опорно-двигательном аппарате животных носили обратимый характер и на 25-е сутки послеполетного периода не выявлялись[10].

В костях конечностей крыс были обнаружены разрежение, декальцинация, замедление скорости роста в длину и снижение механической прочности до 30%.

Следует отметить, что некоторые изменения в опорно-двигательном аппарате животных, возникшие под влиянием невесомости, сходны с эффектами, выявленными в модельных экспериментах с гипокинезией. Общность некоторых реакций определяется, очевидно, наличием в генезе данной группы воздействий общего компонента - функциональной недогрузки опорно-двигательного аппарата. В качестве одной из главных причин изменений, возникающих в опорно-двигательном аппарате животных, находящихся в условиях невесомости, можно рассматривать изменение характера деятельности отдельных мышц при отсутствии статической нагрузки на большую группу мышц и звеньев скелета, обеспечивающих сохранение позы и участвующих в формировании тонического компонента движений в земных условиях. Последнее, по всей вероятности, сопровождается изменением характера и качества проприоцептивной импульсации, являющейся в нормальных условиях обязательным звеном в системе управления движением и нервного контроля структуры и функции мышц [30].

3.1 Наблюдаемые изменения в мышцах и костях в условиях невесомости

Наиболее существенными сдвигами, развившимися под влиянием невесомости, были атрофические изменения в мышечной ткани, остеопороз и замедление роста костей, снижение активности эритроидного кроветворения, изменение метаболизма липидов, воды и электролитов, коллагена.

Принципиально, однако, что при обследовании животных через 25 - 26 суток после трехнедельного космического полета различия между опытом и контролем полностью нивелировались. Это позволило сделать заключение, что невесомость не вызвала необратимых патологических изменений ни в одном из органов подопытных животных [11].

Изменения в скелетных мышцах, отмеченные при обследовании животных после экспериментов на биоспутниках, включали атрофию, перестройку мышечных волокон и молекулярного состава сократительных белков, адекватную условиям космического полета. При этом выраженность изменений достаточно четко коррелировала со степенью участия мышц в осуществлении антигравитационной функции на Земле, наибольшие изменения обнаружены в камбаловидной мышце [30].

В костной ткани, как и в ткани скелетных мышц, наибольшие изменения под влиянием невесомости возникали в тех звеньях системы, которые несут максимальную нагрузку в условиях земной гравитации - в бедренных костях. Обнаружены остеопороз губчатых отделов, умеренное истончение и разрежение кортикальной пластинки, значительное разрежение спонгиозы метафизов, уменьшение периостального костеобразования, замедление созревания остеоида и минерализации костной ткани, замедление роста костей в длину, снижение их механической прочности. Обнаружено снижение механической прочности не только костей периферического скелета, но и отдельных позвонков и позвоночного столба в целом [31].

3.2 Моделирование физиологических эффектов невесомости в опытах с животными

Моделирование является неотъемлемой частью физиологических исследований в космосе. Едва ли не самую важную задачу при этом составляет как можно более полное воспроизведение эффектов невесомости, что позволяет практически проверить те или иные теоретические представления. Кроме того, лабораторное моделирование необходимо для проведения манипуляций с животными в процессе эксперимента (введение препаратов, операций и т.п.), которые недостижимы в полетах биоспутников.

Для имитации эффектов невесомости в опорно-двигательном аппарате животных используют иммобилизацию, или ограничение подвижности весовую разгрузку конечностей заднего пояса путем “вывешивания” животных, частичное лишение опоры конечности путем экзартикуляции или ампутации ее дистального звена, а так же создание хирургическим путем паралича задней половины тела либо отдельной конечности [28].

Существенными характеристиками модели являются границы ее применимости, выбор видов используемых животных, предельная продолжительность экспериментов, выраженность неспецифических, в том числе стрессорных, эффектов при различной продолжительности экспериментов, возможность изучения восстановительных процессов в реадаптационный период, а так же изучения эффективности тех или иных потенциальных профилактических средств. Исследования в модельных экспериментах с животными проводятся с целью изучения основных физиологических механизмов развивающихся изменений, определения их направленности и наиболее вероятной динамики.

Одним из важнейших критериев адекватности той или иной модели и способов определения границ ее применимости является сопоставление результатов, полученных в условиях космического полета и в наземных модельных экспериментах.

По данным сравнительного морфологического исследования коры надпочечников, тимуса и селезенки крыс, находившихся 7 суток в клетках-пеналах в условиях “вывешивания” в антиорстатическом положении. Ученые показали, что “вывешивание” оказывает значительно меньшее стрессорное воздействие и имеет в этом несомненное преимущество, поскольку исследуемые эффекты проявляются в более чистом виде [11].

В настоящее время используют модификации модели “вывешивания”, различающиеся по применяемому способу фиксации животного: в специальных капроновых “жилетах”, “вывешивание” с фиксацией за спину и за хвост, что оказывает различное воздействие на общее состояние животного и переносимость эксперимента.

На основе анализа большого числа биохимических исследований ученые пришли к заключению о существенном сходстве реакций животных в полете и в модели “вывешивания” в том числе системных экспериментов[31].

4. Характеристика испытуемых и условия проведения исследования

Исследования проводились на 42 белых лабораторных мышах-самцах на базе лаборатории биохимии РНЦ «ВТО» им. акад. Илизарова. Случайно выбранные особи были помещены в незнакомые условия. Через некоторое время в группе начинали складываться иерархические взаимоотношения. В группу «агрессивных» попали самцы, которые занимали доминирующее положение. Животные, не проявляющие во взаимоотношениях выраженной агрессии, были объединены в группу « неагрессивных».

Далее мыши были поделены на подгруппы: 1-я подгруппа состояла из 22 двух интакных особей из «неагрессивных» мышей; 2-я подгруппа - из 8 интактных животных из группы «агрессивных»; 3-я подгруппа - из 6 «неагрессивных» особей; 4-я подгруппа состояла из 6 «агрессивных» животных.

Все мыши были протестированы по общепринятым методикам определения типологических особенностей (открытое поле, перегородка, натянутая струна, тест Порсольта). 3-я и 4-я подгруппы (по 6 особей) были подвергнуты антиортостатической нагрузке в течение 7 суток. Антиортостатическая нагрузка проводилась с помощью хирургического зажима, фиксировался участок кожи на спине у основания хвоста. Инструмент закрепляли т.о., чтобы угол между дорсальной осью тела и дном аквариума составлял 45. Мыши во время эксперимента имели доступ к воде и корму. После получения соответствующих нагрузок мыши (3 и 4 подгруппы) проходили повторное тестирование на типологические особенности. Двигательную активность оценивали до и после антиортостатической нагрузки с помощью теста Порсольта. А затем все мыши были подвергнуты эвтаназии. Для дальнейших исследований были взяты образцы печени и мышц (для определения энергетических субстратов).

Определение гликогена проводилось с помощью антронового реактива. Определение креатинфосфата основано на определении его фосфора.

Определение креатина основано на способности креатинина, образующегося из креатина, реагировать с пикриновой кислотой с образованием окрашенного пикрина креатинина, количество которого определяется колориметрированием.

Определение общей фракции липидов производилось по реакции Фолча.

Математическая обработка результатов включала в себя вычисление медианы, 25% и 75% процентилей. Достоверность отличий в группах оценивали с помощью парного критерия Вилкоксона и критерия Вилкоксона для несвязанных выборок. Необходимость выбора методов непараметрической статистики была обусловлена малым количеством наблюдений в группах, а также тем, что распределение показателей в группах отличалось от нормального. Все статистические расчеты были выполнены в программе Microsoft Excel.

5. Поведенческие тесты

5.1 Тест «открытое поле»

Для изучения поведенческих реакций применяют тест «открытое поле». Поведение животных наблюдали в открытом поле размером 30х100 см., расчерченном на квадраты 10х10 см. Поле было освещено светом (40Вт) на расстоянии 1 метр от пола. Животных помещали в центр поля и фиксировали число пересеченных квадратов, число грумингов, число вставаний на задние лапы, а так же число дефекаций за 5 минут теста. После каждого животного поверхность открытого поля промывали водой и высушивали чистыми салфетками. Известно, что количество пересеченных квадратов число перемещений вдоль клетки, число вставаний на задние лапы - показатели, характеризующие выраженность поискового рефлексов.

5.2 Тест «Порсольта»

Тест «Порсольта» характеризует двигательную активность животных.

При тестировании каждую мышь помещали в стеклянный стакан, наполненный водой температуры 25градусов С до уровня 9 см. Оценивали время и число активного плавания, дрейфа и состояния полной невесомости в воде в течение 5 минут. Мышь считали неподвижной, когда она зависала в воде без движения. При дрейфе мышь делала только слабые вынужденные движения задними одной или двумя лапами для поддержания головы над поверхностью воды.

5.3 Тест «мышечная сила»

Методика изучения мышечной силы и физической утомляемости мышей. Мышей подвешивали на струну, натянутую на высоте 25-30 см, так, чтобы они цеплялись передними лапами и висели на струне. Регистрировали время до момента утомления и падения. Через 20 минут опыт повторяли. Разница между двумя показателями - показатель восстановления сил.

5.4 Тест “перегородка”

Тест “перегородка” количественно оценивает коммуникативность мышей по поведенческой реакции возле прозрачной перегородки с отверстиями, разделяющей экспериментальную клетку размером 28х14х10 см. надвое, на особь, находящуюся в соседнем отсеке клетки. При тестировании крышку клетки заменяли прозрачным оргстеклом, необходимым для наблюдения за животными, и через 10 минут регистрировали параметры поведения: число подходов и/или обращений к перегородке за 5 минут теста и суммарное время (длительность) пребывания каждой мыши возле перегородки.

Опыт использования теста “Перегородка” позволил прийти к выводу, что показатель общего времени пребывания возле перегородки характеризует силу (уровень, выраженность) реакции на партнера в соседнем отсеке клетки, а число подходов - главным образом исследовательскую и двигательную активности.

6. Антиортостатическая нагрузка

У отобранных мышей с помощью хирургического зажима фиксировали участок кожи у основания хвоста. Инструмент закрепляли таким образом, чтобы угол между дорсальной осью тела и дном аквариума составлял 45 градусов. Мыши во время эксперимента имели доступ к воде и корму.

7. Результаты исследований и их обсуждение

Спонтанные “атипические” поведенческие реакции (АПР) представлены гетерогенностью поведенческих паттернов, которые редко встречаются во всех моделях стресса. Таким образом, особенностями АПР являются: 1) низкая спонтанная неконтекстность, то есть явное несоответствие поведения ситуации; 2) повышение АПР при стрессе или при различных нарушениях ЦНС. Низкая частота АПР в подавляющем большинстве случаев не учитываются в качестве поведенческих паттернов. Гетерогенность данной группы поведенческих паттернов, контролируемых нейромедиаторными системами, приводит к трудностям их корректного анализа и интерпретации. Однако в ряде случаев могут служить важными маркерами стресса и свидетельствовать о серьезных поведенческих неврологических нарушениях.

К наиболее часто встречаемым АПР можно отнести: зевание с потягиванием, груминг, чесание вне аутогрумингового контекста, манипуляцию с дефекационными болюсами, игру с хвостом. Другим примером АПР является жевание предметов как смещенная реакция, активируемая при стрессе поведенческих моделях, наблюдается такая форма АПР как грызение или облизывание, например, вертикальных поверхностей крестообразного лабиринта, а также поедание дефекационных болюсов. В целом, приведенные примеры указывают на то, что АПР являются примером патологической формы смещенной активности, активируемой стрессом. При моделировании тревожно-депрессивного поведения было предложено ряд подходов.

1) Генетический. Для анализа стрессорного зевания выведены линии крыс, различающихся по базовым уровням спонтанной активности - многозевающие (HY) и малозевающие (LY) крысы.

2) Фармакологический. Еще одним методическим подходом является фармакологическая стимуляция АПР различными специфическими препаратами в дозах, не влияющие на общие поведенческие параметры (локомоция, исследовательская активность, оценка риска и т.д.). В частности, глутамат, доноры оксида азота, пролактин, АКТГ, окситоцин, а также гистамин, и дофамин - и холинергические агонисты использованы для повышения фонового уровня данных АПР.

3) Нейрофизиологический. Аналогичным подходом является локальная система мозговых центров, управляющих АПР, однако в данном случае велика степень неспецифических и трудно интерпретируемых побочных эффектов, а также исследование поведения так такового.

4) Физический. В некоторых других случаях удачная модификация физических “внешних” параметров модели позволяет усилить те или иные АПР. Так известно, что очень малое количество животных спрыгивает из крестообразного лабиринта в качестве стратегии активного избегания. Однако, резкое повышение спрыгивания из КПЛ при использовании модифицированного (нестабильного) лабиринта, что позволяет использовать форму АПР как поведенческий маркер стресса.

Перед началом тестирования у всех особей был определен вес (таблица 1)

Таблица 1

Вес мышей

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Вес,г	35,2	34,8	35,8	37,0	34,2	34,2	37,4	30,3	38,1

10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
31,5	33,6	33,9	36,1	31,8	31,2	32,1	32,6	34,1	33,9

Группы интактных животных с различными типологическими особенностями нервной деятельности не различались по показателям теста Порсольта. После нагрузки время неподвижности увеличивалось в обеих экспериментальных группах, а в группе «агрессивных» уменьшилось время дрейфа.

Для нас значение имеет оценка результатов теста «Порсольта», т.к. она показывает уровень двигательной активности после антиортостатической нагрузки (таблица 2, рис.1,2,3,4,5,6,7,8,9)

Таблица 2

Оценка двигательной активности мышей

		Показатели теста Порсольта
		n	Aп, с	Д, с	Н, с
1«контрольные» интактные	Ме	22	115	142	44
	П25		96	114	6
	П75		136	177	70
2 «агрессивные» интактные	Ме	8	85	190	20
	П25		65	108	4
	П75		158	214	35
3«контрольные» после нагрузки	Ме	6	125	87	78
	П25		82	64	45
	П75		170	111	117
4 «агрессивные» после нагрузки	Ме	6	89	129	79
	П25		56	121	61
	П75		102	140	107

Примечание: Ме - медиана, П25 и П75 - соответственно 25-й и 75-1 процентили; п - количество мышей, Ап - время активного плавания, Д - время дрейфа, Н - время неподвижности.

Рисунок 1 Медиана для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 2 25-ый квартиль для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 3 75-ый квартиль для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 4 Медиана для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 5 25-ый квартиль для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 6 75-ый квартиль для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 7 Медиана для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 8 25-ый квартиль для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

Рисунок 9 75-ый квартиль для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4

В исходном уровне не наблюдалось различий между группами по проявлениям горизонтальной активности и по количеству болюсов дефекации в тесте «открытое поле», а также по показателям коммуникативности в тесте «перегородка». В группе пассивных мышей время Т1 было больше такового в группе «нормальных», время неподвижности было больше, а количество грумингов - меньше, чем в двух остальных группах экспериментальных животных.

После антиортостатической нагрузки у всех трех групп снижались показатели коммуникативности, причем в группах «нормальные» и «активные» снижалось общее время, а у пассивных - среднее время, проведенное у перегородки. В группе «нормальных» мышей уменьшалось число пересеченных квадратов, уменьшалось количество грумингов, наблюдалось резкое увеличение неподвижности в тесте Порсолта, оставаясь, однако, недостоверным вследствие большой индивидуальной вариабельности. У активных мышей уменьшались число вставаний, число пересеченных квадратов, общее время, проведенное у перегородки, увеличивалась неподвижность в тесте Порсольта. У пассивных животных уменьшались число пересеченных квадратов, число вставаний, число подходов к перегородке и среднее время у перегородки, а также время удерживания на струне и количество болюсов дефекации; число грумингов увеличивалось.

Важное значение имеет оценка результатов показателей энергообмена в печени и скелетных мышцах (Таблица 3, рис.10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21). К основным источникам энергии для ресинтеза АТФ в мышцах относят свободные эфирные кислоты, кетоновые тела, глюкозу, молочную кислоту, гликоген.

Мышцы в покое потребляют лишь небольшое количество глюкозы; основным субстратом энергетического обмена служат жирные кислоты и кетоновые тела, поступающие из печени. В результате распада этих субстратов образуется ацетил-КоА, который вступает в цикл лимонной кислоты и окисляется до СО2. При этом энергией обеспечивается процесс окислительного фосфорилирования и превращения АДФ в АТФ в митохондриях волокон. При умеренной нагрузке, в дополнение к жирным кислотам и кетоновым телам, в мышцах увеличивается расход глюкозы, доставляемой кровью из печени. Глюкоза фосфорилируется и распадается в процессе гликолиза до пирувата, который затем через ацетил-КоА окисляется в цикле лимонной кислоты.

При интенсивной мышечной нагрузке большой расход АТФ не покрывается доставкой обычных субстратов и кислорода кровью. В этих условиях энергетическим субстратом становится резервный полисахарид мышц - гликоген.

Мышечный гликоген используется для получения энергии только гликолитическим путем с образованием молочной кислоты. Чем больше сила сокращения мышц (мощность работы), тем выше скорость расходования мышечного гликогена и тем больше образуется в мышцах молочной кислоты.

...