Метаболiчнi механiзми адаптацi чорноморських риб до гiпоксичних станiв

Зниження PO₂ у воді акваріума, насамперед, торкалося артеріальної крові. Величина P_aО₂ рівномірно зменшувалася, досягаючи мінімального рівня при 15 гПа. Зміну P_vО₂ спостерігали, тільки починаючи з 25 гПа. У червоних м'язах (P_rО₂) вірогідне зменшення значень відзначали при PO₂ у середовищі - 25 гПа, а в білих м'язах (P_wО₂) лише при 15 гПа. Слід зазначити, що при посиленні зовнішньої гіпоксії відбувалося зниження градієнта PO₂ між кров'ю і м'язовою тканиною (P_c-mО₂). При 15 гПа дифузія кисню в м'язи, очевидно, припинялася зовсім, оскільки P_c-mО₂ становив тільки 3,7-4,0 гПа.

На відміну від кефалі, в організмі кругляка компенсаційні процеси, спрямовані на утримання вихідної швидкості окисного метаболізму в м'язах, не були виражені. Величини масопереносу О₂ артеріальною кров'ю (V_aО₂), об'ємний тканинний кровотік (Q), споживання О₂ м'язами (V_mО₂) рівномірно знижувались.

Єдина реакція була виявлена у бичка на рівні гемоглобінової системи. Гемоглобін був розділений за допомогою електорофорезу в ПААГ на 4 компоненти: два основних (F₁ і F₂) і два мінорних (M₁ і M₂). Вміст особин кругляка при 25 гПа супроводжувався спаданням F₁ на 26,8% і зростанням F₂ на 41,8% (p<0,001) (рис. 4). F₂ мав більш високу спорідненість до O₂ і значні ефекти Бора і Рута (табл. 2). Дані зміни носять явно адаптивний характер і мають два важливі наслідки: зростання спорідненості гемоглобіну до кисню полегшує його насичення в умовах низького РО₂ у середовищі; підвищення ж чутливості до рН сприяє розрядці гемоглобіну на тканинному рівні в умовах тканинного ацидозу.

Необхідно відзначити, що збільшення концентрації лактату в м'язовій тканині бичка спостерігали лише при PO₂ у середовищі - 15 гПа. У крові він не виявлявся. Це відбувалося на фоні збільшення активності аланінамінотрансферази на 94,6% (p<0,01). Зазначений фермент сполучає метаболізм глюкози і глутамату і виключає тим самим нагромадження токсичного лактату (Mommsen et al., 1980; Савина, 1992).

Експерименти, виконані іn vіtro на еритроцитах скорпени, показали, що в умовах гіпоксії для клітинних систем донних риб характерно сполучене пригнічення мембранних і метаболічних функцій. Вони зберігали градієнти концентрацій Na⁺ і K⁺ на мембрані, а також стабільний рівень АТР у клітині на фоні зниження активностей Na⁺, K⁺-АТРази і гексокінази. Еритроцити кефалі цієї властивості не мали.

Таким чином, стратегії виживання в умовах зовнішньої гіпоксії у пелагічних і донних риб різні. У перших в організмі розвиваються компенсаційні реакції, спрямовані на підтримку вихідних швидкостей окисного метаболізму в тканинах. Другі мають у своєму розпорядженні молекулярні комплекси, які ефективно функціонують в умовах анаеробіозу, і допускають значне зниження PO₂ у тканинах.

Розділ 7. Кисневий режим м'язової тканини у морських риб в умовах експериментальної гіпотермії

Утримування теплолюбних видів риб при температурах води нижче 5-7^оС часто супроводжується розвитком асфіксії. Такий стан нерідко виникає у риб на рибоводних господарствах і є причиною їхньої масової загибелі (Куликова и др., 1986 а, b). Ця реакція в деякій мірі парадоксальна, через те, що спостерігається в умовах, коли кисневі потреби організму знижені, а розчинність його у воді і тканинних середовищах підвищується.

Як модельний об'єкт було обрано кефаль-сингіль, у якої розвиток стану асфіксії спостерігається при температурах води нижче 5^оС. Контрольна група риб утримувалась при 15+1^оС. Досліджувані групи - при 10, 5 і 1-2 ^оС. Експозиція - 41-46 діб. Відбір проб здійснювали на 1-5-у, 14-16-у і 41-46-у добу експерименту.

Аналіз кисневого режиму скелетних м'язів кефалі при температурах нижче 5^оС дозволив виявити ряд змін, які у сукупності можна розглядати як стан тканинної гіпоксії. У м'язах відбувалося зменшення P_mО₂ і спостерігалось збільшення кількості гіпоксичних (менше 8,0 гПа) і аноксичних зон, підвищувалася концентрація лактату. У крові відзначали зниження венозного P_vО₂ і рН, збільшення артеріо-венозної різниці за рН і збільшення концентрації лактату. Причини, що лежать в основі розвитку цього стану, визначалися процесами, що відбуваються на рівні кровоносних судин і циркулюючих еритроцитів.

Особливості мікроциркуляції. При температурах 5 і 1-2^оС відбувалося значне зниження щільності функціонуючих капілярів у м'язовій тканині. Це як наслідок збільшувало товщину дифузійного шару (R_K) і зменшувало площу дифузійної поверхні (S). У білих м'язах зміни були більш виражені, ніж у червоних. Дифузійна здатність м'язів (D_mО₂) при цьому знижувалася майже в 2 рази (p<0,001).

Порівняльні експерименти, виконані на камсі і тюльці, показали, що капілярна мережа м'язів теплолюбної камси при температурі води 5^оС втрачала здатність активно реагувати на функціональні навантаження (гіпоксія). При цьому в м'язовій тканині підвищувався рівень Ca²⁺ у 2,1-2,2 рази (p<0,001). У холодолюбної тюльки зростання Ca²⁺ було незначне, а судинна мережа реагувала на зміну РО₂ у середовищі.

Відомо, що в клітинах, чутливих до гіпотермії в межах низьких температур відбувається порушення мембранних функцій, яке призводить до диссипації іонних градієнтів, що супроводжується входом Ca²⁺ у клітини (Hochachka, 1986). Надходження позаклітинного Ca²⁺ у гладком'язові клітини активує базальний тонус судин (Шуба, Кочемасова, 1988). На цьому фоні повинна розвиватися неконтрольована вазоконстрикторна реакція, що, очевидно, дійсно мало місце.

Еритроцити. Іншим негативним наслідком гіпотермії з'явився високий тепловий ефект реакції оксигенації гемоглобіну, що спостерігався при наближенні до температури 5^оС. Теплота оксигенації, розрахована для показника Р₅₀ за рівнянням Вант-Гоффа, для інтервалу температур 5-10^оС склала -5,36 ккал моль^-1 O₂, тоді як для 10-15^оС - лише -1,24 ккал моль^-1 O₂. Це приводило до істотного підвищення спорідненості гемоглобіну до О₂ в області низьких температур і супроводжувалося значним зсувом кривих оксигенації ліворуч. Кров, яка має високу спорідненість до О₂, утрудняє розрядку оксигемоглобіну на тканинному рівні і приводить до зниження РО₂ у тканині. Цю реакцію також можна розглядати як одну з причин, що призводить до розвитку тканинної гіпоксії в м'язах риб при гіпотермії.

Реакції компенсації. В організмі кефалей, утримуваних при 5^оС, були зареєстровані зміни, компенсуючі негативний вплив гіпотермії. У 1-і дні досліду відзначали збільшення кисневої ємності крові, що було пов'язано з підвищенням числа еритроцитів у крові. Це відбувалося на фоні зменшення ваги селезінки. Селезінка у риб є основним, депонуючим кров, органом (Wells, Weber, 1990). Це дозволяє дійти висновку, що збільшення кількості еритроцитів у крові було обумовлено викидом клітинної маси, що знаходиться в селезінці, в кровотік. Потім відбувалося зниження спорідненості гемоглобіну до О₂. Воно визначалося підвищенням рівня NTP в еритроцитах. NTP є основним чинником еритроцитарної корекції спорідненості гемоглобіну до О₂ у риб (Wells et al., 1997; Val, 1999).

Гіпотермія спричинювала і ряд адаптивних зрушень у скелетних м'язах риб. У кефалей спостерігали збільшення тканинної концентрації міоглобіну, ліпідів і сумарних цитохромів, що повинно полегшувати дифузію О₂. Дихальний ланцюг мітохондрій при цьому набував нескомпенсований характер. Відношення b/aa₃ знижувалося. Це відбивало процес його адаптації до низького РО₂ у м'язах. Корекція положення кривої оксигенації гемоглобіну і спрямована зміна тканинного рівня міоглобіну, ліпідів і цитохромів сприяли частковому відновленню РО₂ у м'язах кефалі в умовах гіпотермії. При 1-2^оС компенсаційні процеси не були виражені. Загибель риб на 15-у добу експерименту становила 100%.

Таким чином, в основі розвитку стану тканинної гіпоксії м'язів у риб в умовах гіпотермії лежать два процеси: надмірна вазоконстрикція судин мікроциркуляторного русла; надто високий тепловий ефект реакції оксигенації гемоглобіну в області низьких температур.

Розділ 8. Кисневий режим м'язової тканини у стено- і евригалінних морських риб в умовах експериментальної гіпоосмії

Робота виконана на стеногалінному морському виді бичку-кругляші і евригалінному бичку-мартовику. Контрольні групи риб утримували при 12-14 ^о/_оо. Досліджувані групи знаходилися протягом 44-45 діб при 4,8-5,6 ^о/_оо. Оцінка стану особин, відбір проб крові і тканин здійснювали на 1-5, 14-16 і 44-45 добу експерименту. Температура води - 15+1^оС.

Стеногалінний вид. При зниженні солоності води в скелетних м'язах кругляша підсилювалися анаеробні процеси. Це знайшло відображення в зниженні середньом'язового P_mО₂, росту числа гіпоксичних (менш 8 гПа) і аноксичних зон на фоні збільшення концентрації лактату в крові і м'язах. У венозній крові відзначали зменшення P_vО₂, рН і зростання артеріо-венозної різниці за рН.

Зміни відбувалися на фоні гідратації плазми крові. Ця реакція мала два важливих наслідки: гідратацію м'язової тканини і свелінг (набрякання) еритроцитів. Інші показники, що могли б вплинути на кисневий режим тканини, не зазнавали істотних змін.

Відомо, що дифузія кисню в гідратованій цитоплазмі клітин протікає в декілька разів менш ефективно (Londravіlle, Sіdell, 1990). Через те цей фактор повинний робити суттєвий внесок у розвиток тканинної гіпоксії. Оцінка дифузійної здатності м'язів (D_mО₂) кругляша в умовах гіпоосмії підтвердила таке положення. Значення (D_mО₂) знижувалися більш ніж на 30% (p<0,001). Площа дифузійної поверхні, товщина дифузійного шару, концентрації міоглобіну і ліпідів у м'язах при цьому не змінювалися.

Гідратація периферічного русла крові викликала у кругляша не тільки свелінг, а й лізис частини еритроцитів. Про це свідчили два факти: поява вільного гемоглобіну в плазмі і зниження числа циркулюючих клітин червоної крові. На мембранах еритроцитів у цей період відзначалася диссипація іонних градієнтів і стійке зниження активності Na⁺, K⁺-АТФази, що свідчить про відсутність активних процесів осморегуляції в клітинах. Лізис еритроцитів приводив в остаточному підсумку до зниження C_aО₂ і при збереженні величини Q обмежував його доставку до скелетних м'язів. MCH при цьому не зазнавало істотних змін.

Евригалінний вид. У порівнянні з кругляшом, зниження солоності середовища в умовах аналогічного експерименту помітно не впливало на кисневий режим м'язів евригалінного мартовика. Усі контрольовані показники (Р_mО₂, C_aО₂, Q, V_aО₂, V_mО₂) залишалися на рівні контрольних значень. У м'язах зберігався також вихідний рівень окисних процесів.

У перші 5 діб досліду відзначали короткочасну гідратацію м'язів риб. Вміст води підвищувався на 6-7% (p<0,05), але на 14-16-у добу ці зміни цілком компенсувалися. Рівень же води в крові мартовика збільшувався на 8,8-11,3% (p<0,001) і зберігався протягом усього періоду спостережень. Концентрація Na⁺ у плазмі знижувалася на 18,4-21,4% (p<0,001). Однак, це помітно не впливало на еритроцитарну масу. Гематокрит, MCV і MCHC протягом досліду не змінювалися. Це досягалося частковою втратою клітинами K⁺. Концентрація K⁺ в еритроцитах знижувалася на 16,3-19,6% (p<0,001), а концентрація Na⁺ залишалася на рівні контрольних величин, що свідчило про активну осморегуляцію. Ознак внутрішньосудинного лізису еритроцитів у цього виду не спостерігали.

Еритроцити мартовика відрізнялися також підвищеною стійкістю до гіпотонічного шоку і високоефективною Na⁺, K⁺-ATPазою. У порівнянні з кругляшом розходження в активності ферменту склали 18,8% (p<0,001).

Отже, гіпоосмія викликає у стеногалінних риб зменшення РО₂ і збільшення кількості гіпоксичних зон у м'язах на фоні посилення анаеробних процесів. Це пов'язано з гідратацією м'язової тканини і, як наслідок, погіршенням її дифузійних характеристик. Евригалінні види здатні підтримувати ізоосмотичність клітинних середовищ при плазменній гіпоосмії. Їхні клітини мають підвищену осмотичну стійкість і більш ефективні Na⁺, K⁺-ATPази. Стеногалінні види не здатні до активної осморегуляції на клітинному рівні.

Розділ 9. Кисневий режим скелетних м'язів морських риб протягом річного циклу

Сезонна динаміка кисневого гомеостазу скелетних м'язів вивчена у 3-х видів морських риб: кефалі-сингіля, камбали-глоси і бичка-кругляка. Рибу відловлювали протягом року в районах Севастопольської, Козачої бухт (м. Севастополь) і Керченської протоки. В акваріумах, де після вилову знаходилася риба, зберігалися природна протока води і фотоперіод.

У всіх досліджених видів риб протягом року величина масопереносу О₂ кров'ю (V_aО₂), об'ємний тканинний кровотік (Q), споживання О₂ м'язами (V_mО₂) і їхні дифузійні характеристики (D_mО₂) позитивно корелювали з температурою води. Це обумовлювалось зміною щільності капілярної мережі м'язів (N_c). Динаміка ж вмісту води, ліпідів і цитохромів у м'язах мала виражену видову специфіку.

Протягом року в скелетних м'язах досліджуваних видів риб періодично підсилювалися анаеробні процеси. Вони розвивалися в переднерестовий період і спостерігалися у сингіля і кругляка влітку, а у глоси взимку. Це доводить наступна група фактів: зниження P_mО₂; збільшення кількості гіпоксичних (менш 8 гПа) і аноксичних зон у м'язовій тканині; зниження P_vО₂; збільшення артеріо-венозної різниці за рН; підвищення рівня лактату в білих і червоних м'язах.

Причини розвитку цього стану були пов'язані з процесами, що відбуваються в переднерестовий період у циркулюючій крові риб: зменшення концентрації гемоглобіну і числа еритроцитів, зростання вмісту метгемоглобіну. Яких-небудь інших негативних реакцій на рівні м'язової тканини, судин мікроциркуляторного русла відзначено не було. Ці зміни в остаточному підсумку знижували концентрацію О₂ в артеріальній крові (С_аО₂) і при збереженні значень об'ємного тканинного кровотоку обмежували величину його масопереносу до м'язів.

Ці зміни в організмі риб можуть бути повязані з перерозподілом пластичних ресурсів (насамперед, білкових) на користь генеративних тканин, характерних для переднерестових станів. Вони відбиваються на багатьох системах органів і циркулюючій крові, зокрема. Білкова недостатність завжди сполучається з більш-менш вираженою анемією у риб (Сорвачев, 1982; Svobodova et al., 1998). Зниження концентрації гемоглобіну і числа еритроцитів у крові в переднерестовий період було відзначено в роботах багатьох авторів (Raіzada, Sіngh, 1981; Маслова, Тавровская, 1991; Ranzanі-Paіva, 1995). Штучна стимуляція нересту (ін'єкції витяжок гіпофіза, гонадотропіну, естрогену, релізинг-факторів) також викликала подібні зміни (Ochіaі et al., 1975; Hіlge, Klіnger, 1978).

Необхідно відзначити, що нерест впливав на кровотворну тканину риб. Вивчення її стану методами світлової мікроскопії й авторадіографії (³Н-тимідин) і наступний аналіз дозволили констатувати факт моноциклічності в активності еритроїдного ростка гемопоезу у риб протягом року (рис. 5, табл. 3). Анемія і тканинна гіпоксія, які виникають у переднерестовий період, є сильними факторами, які стимулюють вироблення еритропоетинів (Murad et al., 1990; Houston et al., 1996; Rothmann et al., 2000). Вони сприяли активізації еритропоезу в післянерестовий період. Однак, ця активність спостерігалася лише протягом 2-3 місяців. В інший час відзначали рівномірне старіння циркулюючої еритроцитарної маси, яке приводило не тільки до зниження числа еритроцитів, а й до зростання концентрації метгемоглобіну. Виявлений феномен моноциклічності функціонування еритроїдного ростка гемопоезу раніше не описаний і, мабуть, є специфічною особливістю для даної систематичної групи організмів. Декілька пізніше він був виявлений у представників прісноводної іхтіофауни й амфібій (Маслова, Тавровская, 1991; Ranzanі-Paіva, 1995). Нерегулярність еритропоезу і приуроченість його до післянерестового періоду, очевидно, є основним чинником розвитку стану переднерестової гіпоксії.

Таким чином, активний еритропоез у риб відбувається лише протягом 2-3 місяців на рік і відноситься до післянерестового періоду. Решту часу в системі крові переважають деструктивні процеси. Вони викликають розвиток анемії і метгемоглобинемії під час переднерестового періоду і обмежують доставку О₂ до тканин.

Розділ 10. Кисневий режим скелетних м'язів морських риб і принципи його функціональної корекції

Розділ є одним із завершальних етапів роботи. Тут наводиться порівняльна оцінка кисневих режимів скелетних м'язів у вищих і нижчих (риби) хребетних. Аналізуються механізми, які лежать в основі розвитку тканинної гіпоксії, а також процеси, що компенсують розвиток цього стану.

Порівняльно-фізіологічні аспекти. При характеристиці кисневих режимів тканин звертають увагу на дві групи параметрів: напруження кисню в артеріальній (P_aО₂), венозній крові (P_vО₂) і тканинних структурах (P_mО₂); швидкості транспорту кисню кров'ю (V_aО₂, V_vО₂) і утилізації його тканинами (V_mО₂). Перша група параметрів - відповідальна за швидкості дифузії кисню в тканинних структурах, друга - за величини PO₂ у крові і тканинах.

Порівняльна оцінка показала, що величини P_aО₂ і P_vО₂ у ссавців і пелагічних риб виявилися близькими (табл. 4). Незважаючи на збіг P_aО₂ і P_vО₂, РO₂ у м'язах (P_mО₂) риб було більш, ніж у 3 рази нижчим. У донних видів, порівняно зі ссавцями, розходження досягали 5-6 разів. Аналогічні дані отримані і при зіставленні P_mО₂ риб з рептиліями, амфібіями і птахами.

Низьке P_mО₂ у риб може бути зумовлено: високою швидкістю утилізації кисню м'язами (V_mО₂) або низькою дифузійною здатністю гемато-паренхиматозного бар'єра (D_mО₂). Величини масопереносу й утилізації О₂ (V_aО₂, V_mО₂) у м'язах риб були порівнянні, або нижчі, ніж у ссавців (табл. 4). Тому 1-а причина, яка обумовлює зниження тканинного PO₂, повинна бути виключена з розгляду.

Напруга, масоперенос і утилізація кисню у кістякових м'язах різних груп хребетний тварин (стан спокою)

Низькі дифузійні характеристики гемато-паренхіматозного бар'єра є більш ймовірним з'ясуванням виявленого феномена. Це відбиває ряд фактів, отриманих у представленій роботі. Градієнт PO₂ між кров'ю і м'язами у риб був на 55-70% вищий, ніж у ссавців, що показує напружений характер дифузії газу в їхніх тканинах. Дифузійна здатність м'язів риб (D_mО₂) була в 2-21 разів нижча (табл. 4). Величина гемодинамічного еквівалента (HE) у риб, навпаки, виявилася в 2-8 разів вища. Це означає, що на витяг адекватного об'єму О₂ рибам був потрібний більший об'єм крові.

Механізми розвитку тканинної гіпоксії. Низька дифузійна здатність м'язової тканини риб є основною причиною зниження значень тканинного РО₂, нестійкості і малої ефективності утилізації О₂. Це робить її чутливою до багатьох факторів середовища і станів організму. Аналіз кисневого режиму м'язів риб дозволив визначити групу процесів, відповідальних за зниження тканинного РО₂.

· Артеріальна гіпоксемія була відзначена у риб не тільки в умовах зовнішньої гіпоксії, а й гіподинамії. Обмеження рухливості погіршує газообмін у зябровій порожнині, особливо у активних видів, які часто використовують таранний тип вентиляції. Низька рухливість припускає тривале перебування організму в тому ж самому об'ємі води. Відомо, що дифузія О₂ у воді обмежена. При відсутності активного перемішування рівень його швидко знижується. Існування в таких умовах фактично відповідає хронічним формам респіраторної гіпоксії і призводить до зниження Р_aО₂.

· Випадки анемії були описані у риб у переднерестовий період і в умовах гіпоосмії. В обох випадках вони визначалися зниженням числа еритроцитів у крові. Переднерестова анемія була обумовлена старінням еритроцитарної маси внаслідок нерегулярності еритропоетичних процесів у кровотворній тканині. Вона доповнювалася розвитком метгемоглобинемії. В умовах гіпоосмії спостерігали свелінг і наступний лізис частини циркулюючих еритроцитів.

· Гіпоосмія морського середовища супроводжувалася гідратацією м'язової тканини риб, особливо у стеногалінних видів. Це явище періодично спостерігалось й протягом річного циклу. Воно знижувало дифузійну здатність м'язів відносно О₂ і приводила до зменшення тканинного РО₂.

· Тепловий ефект реакції оксигенації гемоглобіну у теплолюбних риб в умовах гіпотермії підвищувався. Це зумовлювалось зміною характеру взаємодії білка з внутрішньоклітинним мікрооточенням і приводило до надмірного росту спорідненості крові до О₂. Останнє ускладнювало розрядку оксигемоглобіну і супроводжувалося зниженням тканинного РО₂.

· В умовах гіпотермії судини м'язів теплолюбних риб втрачали здатність активно реагувати на функціональні навантаження, що було пов'язано з підвищенням вмісту Ca²⁺ у м'язовій тканині. Це приводило до неконтрольованої вазоконстрикції, зниження щільності капілярної мережі, росту дифузійних просторів і зменшення тканинного РО₂.

Механізми компенсації тканинної гіпоксії. Аналіз гіпоксичних станів організму риб дозволив виявити групу процесів спрямованої корекції кисневого режиму м'язової тканини. Деякі з них розвивалися у відносно короткий проміжок часу (термінова компенсація), інші спостерігалися через тривалий час (тривала компенсація) (табл. 5).

Термінові механізми компенсації: гіперемія, випорожнення кров'яних депо були виявлені, головним чином, у представників пелагічної іхтіофауни. Раніше показано, що резерви депо крові в них майже в 5 разів вищі, ніж у донних видів (Солдатов, 1992). Гіперемію у риб було виявлено в умовах зовнішньої гіпоксії. Однак, вона спостерігалася на фоні збільшення рухової активності особин, які намагались компенсувати дефіцит О₂ напірною вентиляцією зябрової порожнини. Відомо, що рух є основним чинником гіперемії скелетної мускулатури у риб (Шошенко и др., 1984; Eggіnton, 1997). Через те зазначену реакцію не слід розглядати як компенсаційну.

Механізми компенсації гіпоксичних станів скелетних м'язів риб

Процеси, що визначають тривалу компенсацію, розвивалися на рівні циркулюючих еритроцитів і м'язової тканини. В еритроцитах відбувалася спрямована корекція спорідненості гемоглобіну до О₂ і чутливості його до рН. Це досягалося шляхом перебудови гетерогенної структури білка або на основі зміни внутрішньоклітинної концентрації NTP. В остаточному підсумку спорідненість до О₂ підвищувалась. Зміна чутливості до рН була не однозначна. У донних видів вона зростала, а в пелагічних знижувалась. Перша стратегія полегшувала розрядку оксигемоглобіну на тканинному рівні, а друга зменшувала залежність процесу оксигенації і деоксигенації білка від рН. Вибір стратегії, очевидно, визначався рівнем плазменного ацидозу. У пелагічних риб він був вищий.

У м'язах усі зміни були спрямовані на збільшення дифузійної здатності тканини відносно О₂: зростання вмісту міоглобіну, ліпідів і зниження рівня її гідратації. Одночасно підвищувався рівень цитохромів, а дихальний ланцюг набував гіпоксичний тип організації, що дозволяло утилізувати слідові кількості О₂.

Розділ 11. Класифікація гіпоксичних станів у гідробіонтів

Необхідність написання цього розділу виникла в зв'язку з неможливістю використовувати діючу систему класифікації гіпоксичних станів (Дудко, Соколов, 2000) для водяних організмів у повному обсязі. Це обумовлено тим, що повітряне і водне середовища принципово відрізняються фізико-хімічними властивостями, що вимагає перегляд екзогенних форм гіпоксії. Гідробіонти використовують інші респіраторні поверхні (зябра) і типи їхньої вентиляції (насосний, таранний). Їх функціональні і молекулярні системи транспорту й утилізації кисню залежать від температури, що не властиво гомойотермним організмам. У ряді водяних організмів відсутні окремі функціональні і молекулярні системи (циркуляторні, респіраторні пігменти), що позначилось на механізмах регулювання кисневих режимів.

Інформація, отримана під час виконання роботи, дозволила визначити нові, властиві лише гідробіонтам, види гіпоксичних станів. Це, а також розглянуті вище особливості водного середовища і функціональної організації гідробіонтів дозволили переглянути діючу систему класифікації гіпоксичних станів щодо водяних організмів.

В основу пропонованої класифікації покладені уявлення про первинну і вторинну гіпоксію (Колчинская, 1981). Первинні форми гіпоксії (гістотоксичний тип) пов'язуються з нездатністю молекулярних систем тканин утилізувати О₂ у кількості, достатньої для повноцінного ресинтеза АТР. Їх 4 основних типи: дефіцит субстратів окиснення, недостатність окиснення, порушення окиснення, роз'єднання окиснення і фосфорилювання є загальними для водяних і наземних організмів.

До вторинної гіпоксії віднесені стани, що розвиваються на основі невідповідності доставки О₂ величинам його споживання тканнинними структурами. Серед них виділені екзогенні, ендогенні і локомоторні форми.

Екзогенна гіпоксія розвивається внаслідок зовнішнього дефіциту О₂ при збереженні функціональної повноцінності фізіологічних і молекулярних систем транспорту й утилізації О₂. Механізми виникнення екзогенних форм гіпоксії у водному середовищі принципово інші. Швидкість дифузії О₂ у воді в 10000 разів менш ефективна, ніж у повітрі. Через те будь-які фактори, які негативно впливають на водообмін чи розчинність О₂, можуть призводити до виникнення зовнішньої гіпоксії. На цьому засновано виділення 4-х основних її видів (рис. 6).

Ендогенні форми вторинної гіпоксії спостерігаються в умовах як зовнішньої нормоксії, так і гіпоксії, і пов'язані зі зміною стану систем кисневого забезпечення організму. Вони супроводжуються зниженням Р_аО₂ або обмеженням масопереносу О₂ до тканин і включають респіраторний, циркуляторний і гемічний компоненти. В роботі уперше виділяється і дифузійна гіпоксія. Це обумовлено тим, що хімічний склад (ліпіди, вода, міоглобін) і пов'язана з цим дифузійна здатність тканин гідробіонтів можуть зазнавати радикальних змін. До класифікаційної системи вперше включені також нові види гемічної і циркуляційної (ішемічної) гіпоксії.

Локомоторні форми гіпоксії виникають на основі неузгодженості процесів доставки і споживання кисню тканинами, насамперед, скелетними м'язами. Внаслідок виникає кисневий борг, зростає число гіпоксичних і аноксичних зон у тканинах, відбувається переорієнтація тканинного метаболізму вбік посилення анаеробних процесів. Для гідробіонтів, поряд з виділенням гіпоксії навантаження, вперше пропонується розглянути і гіподинамічну гіпоксію, яка розвивається на основі обмеження фонової рухової активності тварин. Даний вид гіпоксії характерний для риб, використовуючих в тій чи іншій мірі таранний (напірний) тип вентиляції респіраторних поверхонь (Bushnell, Jones, 1994). Будь-яке обмеження їх рухливості через функціональну недостатність зябрового насоса буде супроводжуватися розвитком артеріальної гіпоксемії і, як наслідок, гіпоксичного стану.

Розділ 12. Еколого-фізіологічні аспекти дослідження

У розділі розглядаються функціональні основи існування морських риб у зонах екстремальної гіпоксії. Відзначається, що гіпоксичні акваторії комплексно впливають на організм гідробіонтів, що виявляється в сполученні наступних факторів: екстремальної гіпоксії, гіпотермії, гіпербарії і гіподинамії. Провідним серед них є гострий дефіцит О₂, який обмежує енергетичний обмін організму. Результати дослідження дозволяють констатувати, що фізіологічні і молекулярні системи донних видів риб споконвічно орієнтовані на функціонування в умовах зовнішньої гіпоксії, гіпотермії і знижених швидкостей енергетичного обміну. Це дозволяє розглядати цю групу організмів як перспективну в освоєнні зон екстремальної гіпоксії. Організм пелагічних риб функціонально орієнтований на високий рівень метаболічних процесів, але при цьому має у своєму розпорядженні системи, які дозволяють йому адаптуватися до дефіциту О₂, низьких температур і обмеженої рухливості. При відповідній спрямованості природного добору можна очікувати, що окремі види високорухливих риб зможуть існувати в умовах гострой гіпоксії.

Висновки

1. Для риб, у порівнянні з вищими хребетними, характерна низька дифузійна здатність гемато-паренхіматозного бар'єра при порівнянних швидкостях маспереносу кисню в скелетних м'язах. Це є основною причиною низьких значень тканинного РО₂ і малої ефективності утилізації кисню м'язовою тканиною у цієї систематичної групи організмів.

2. Скелетні м'язи риб не мають ефективних механізмів термінової корекції кисневого режиму, що свідчить про його нестійкість. Гіперемія і випорожнення кров'яних депо лише частково забезпечують необхідний адаптаційний ефект. Реакція судинної мережі м'язів спостерігається лише при зростанні рухової активності особин. В інших випадках вона не виражена і не перешкоджає розвитку тканинної гіпоксії.

3. Найбільший внесок у стабілізацію кисневого режиму м'язової тканини робить процес корекції положення кривих оксигенації гемоглобіну. В основі його лежать кількісні зміни гетерогенної структури пігменту і внутрішньоеритроцитарної концентрації NTP. Це доповнюється адаптивними перебудовами цитохромного ланцюга мітохондрій і зміною тканинного вмісту ліпідів.

4. Виявлено ряд нових механізмів, що лежать в основі розвитку стану тканинної гіпоксії у морських риб:

· гіпоксія гіподинамічного стану;

· гемічний вид гіпоксії, виявлений в умовах гіпотермії і пов'язаний з високим тепловим ефектом реакції оксигенації гемоглобіну;

· тканинна гіпоксія, яка виникає в умовах гіпоосмії середовища, що зумовлюється гідратацією скелетних м'язів.

Зазначені стани специфічні для морського середовища і визначаються характером дифузії кисню у воді, а також особливостями функціональної організації організму гідробіонтів. Вперше запропоновано класифікацію гіпоксичних станів для водяних організмів.

5. Дифузійна здатність кисню в скелетних м'язах пелагічних риб у 1,9-3,4 рази вища, ніж у представників донної іхтіофауни. Розходження обумовлені високою щільністю капілярної мережі, особливостями м'язової композиції (висока частка червоних м'язів) і хімічного складу м'язової тканини (підвищений вміст міоглобіну, ліпідів, низький рівень гідратації).

6. Гемодинамічний еквівалент у пелагічних риб на 35-45% перевищує значення, розраховані для донних видів. Це обумовлюється полегшеним характером дифузії кисню в м'язовій тканині і більш ефективною розрядкою артеріальної крові на тканинному рівні (висока концентрація гемоглобіну, низька спорідненість до кисню, підвищена чутливість до рН).

7. Обмеження рухової активності риб приводить до зниження середньотканинного PO₂, збільшення кількості гіпоксичних зон у тканині і закисленню внутрішнього середовища організму. Це супроводжується функціональними і структурними перебудовами молекулярних систем транспорту й утилізації кисню, які обмежують їхню потужність, а також спрямовані на зниження чутливості їх до pН і адаптацію до умов низького PO₂ у тканині:

· зниження вмісту цитохромів у скелетних м'язах, нескомпенсований тип організації дихального ланцюга;

· зменшення концентрації гемоглобіну в крові, зростання показника Р₅₀, низькі значення ефекту Бора.

8. У пелагічних риб в умовах зовнішньої гіпоксії спостерігається розвиток комплексу компенсаційних реакцій, спрямованих на підтримку вихідної швидкості окисного метаболізму в клітинах тканин. Адаптаційний ефект реалізується в області PO₂, близьких до критичних.

· Спочатку (1-2 доба) відзначається збільшення щільності функціонуючої капілярної мережі, підвищення швидкості тканинного кровотоку і випорожнення кров'яних депо, що підвищує кисневу ємність крові (термінова адаптація).

· Потім (10-15 доба) відбуваються кількісні перебудови на рівні гемоглобінової і цитохромної систем, які приводять до збільшення спорідненості крові до кисню і зниження її чутливості до рН, а також адаптації дихального ланцюга мітохондрій скелетних м'язів до умов низького PO₂ (довгострокова адаптація).

9. В умовах зовнішньої гіпоксії в еритроцитах малорухливої скорпени відбувається збалансоване пригнічення метаболічних і мембранних функцій (зниження активностей Na⁺, K⁺-АТРази і гексокінази). Основні показники життєздатності клітин: градієнти за Na⁺ і K⁺ на мембрані, внутрішньоклітинна концентрація АТР не зазнають істотних змін. Реакція еритроцитів кефалі-сингіля прямо протилежна. При збереженні високих активностей Na⁺, K⁺-АТРази і гексокінази спостерігається зниження рівня АТР у клітині і значне зниження концентраційних градієнтів за Na⁺ і K⁺ між внутрішньоеритроцитарним середовищем і плазмою крові.

10. Донні види риб відрізняються підвищеною стійкістю до дефіциту кисню. В умовах зовнішньої гіпоксії в їхньому організмі не розвиваються компенсаційні реакції, спрямовані на підтримку кисневого гомеостазу тканини. Напруження кисню в крові і м'язах рівномірно знижується. Збереження життєздатності в умовах низьких РО₂ зумовлюється:

· здатністю їхніх молекулярних систем транспорту й утилізації кисню функціонувати в умовах гострої гіпоксії: гемоглобінова система має компоненти, які сполучають високу спорідненість до О₂ з підвищеною чутливістю до рН, а дихальний ланцюг мітохондрій має нескомпенсований тип стехіометрії цитохромів;

· стійкістю клітин тканин, які зберігають в умовах гіпоксії основні параметри життєздатності (рівень АТР, трансмембранні градієнти за Na⁺ і K⁺) на основі сполученого пригнічення мембранних і метаболічних функцій;

· наявністю фізіологічних і біохімічних процесів, які виключають нагромадження токсичних сполук (лактат) у тканинах і циркулюючій крові.

11. Гіпотермія (5^оС і нижче) спричинює у теплолюбних видів риб розвиток тканинної гіпоксії. Вона носить вторинний характер і пов'язана зі зміною функціонального стану кровоносних судин і циркулюючих еритроцитів. При гіпотермії:

· щільність капілярної мережі в м'язах зменшується; судини втрачають здатність активно реагувати на функціональні навантаження, що пов'язано з підвищенням вмісту Ca²⁺ у м'язовій тканині;

· тепловий ефект реакції оксигенації гемоглобіну різко підвищується; це зумовлюється зміною характеру взаємодії пігменту з внутрішньоеритроцитарним мікрооточенням і приводить до надмірного зростання спорідненості цільної крові до кисню.

12. Гіпоосмія викликає у стеногалінних риб зменшення напруження кисню, збільшення кількості гіпоксичних і аноксичних зон у м'язовій тканині на фоні посилення анаеробних процесів. Це пов'язано з гідратацією скелетної мускулатури і, як наслідок, погіршенням її дифузійних характеристик відносно кисню.

13. Евригалінні види здатні підтримувати ізоосмотичність клітинних середовищ в умовах гіпоосмії внутрішнього середовища. Їхні клітини мають підвищену осмотичну стійкість і більш ефективні Na⁺, K⁺-ATPази. Стеногалінні види не здатні до активної осморегуляції на клітинному рівні.

14. Швидкість утилізації і характер дифузії кисню в м'язовій тканині у риб протягом річного циклу залежить від зміни щільності функціонуючої капілярної мережі, а також вмісту в ній ліпідів і води. Вирішальне значення має рівень капіляризації скелетних м'язів, який позитивно корелює зі зміною температури навколишнього середовища. Рівень ліпідів і ступінь гідратації м'язової тканини обумовлюється, головним чином, функціональним станом організму риб (нагул, нерест, міграції, зимівля). Вміст зазначених сполук може підсилювати чи послабляти температурну залежність дифузійних властивостей скелетних м'язів у цілому.

15. Протягом річного циклу в скелетних м'язах риб періодично підсилювались анаеробні процеси, що було наслідком розвитку тканинної гіпоксії. Цей стан пов'язаний з переднерестовим періодом і обумовлюється зниженням концентрації гемоглобіну і збільшенням частки окисленого пігменту (метгемоглобіну) у крові. Анемія і метгемоглобинемія переднерестового стану риб пов'язана з моноциклічністю функціонування кровотворної тканини. Активний еритропоез відбувається лише в післянерестовий період протягом 2-3 місяців. В інший час у системі червоної крові переважають деструктивні процеси, які відбиваються як на кількості циркулюючих еритроцитів, так і на рівні окисних процесів у них.

16. Донна іхтіофауна Чорного й Азовського морів включає групу видів, яка має функціональні і молекулярні системи, що дозволяють існувати в умовах гострого дефіциту кисню. При відповідній спрямованості природного добору вони здатні освоїти проблемні для чорноморського регіону акваторії північно-західного шельфу.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Маслова М.Н., Солдатов А.А., Тавровская Т.В. Сезонная динамика состояния системы красной крови некоторых черноморских рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1988. - Т. 24, №4. - С. 516-521.

2. Солдатов А.А. Кислородосвязующая функция крови бычка-кругляка при адаптации к температурным условиям среды // Гидробиол. журн. - 1989. - Т. 25, №2. - С. 58-62.

3. Солдатов А.А., Маслова М.Н. Концентрация метгемоглобина в крови рыб в течение годового цикла // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1989. - Т. 25, №4. - С. 454-459.

4. Солдатов А.А., Сташков А.М. Эритропоэтическая активность сыворотки крови рыб различной естественной подвижности // Экология моря. - 1989. - Вып. 32. - С. 78-80.

5. Солдатов А.А. Активность НАДН₂-зависимой метгемоглобинредуктазы в эритроцитах бычка-кругляка при адаптации к низким температурам // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1989. - Т. 25, №6. - С. 772-774.

6. Солдатов А.А. Кислородосвязующая функция крови бычка-мартовика и факторы ее регуляции при адаптации к температурным условиям среды // Экология моря. - 1991. - Вып. 38. - С. 80-84.

7. Солдатов А.А. Онтогенетические изменения активноти Na⁺, К⁺ -АТФазы и баланса одновалентных катионов в эритроцитах кефали-сингиля Liza aurata R. // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1991. - Т. 27, №4. - С. 530-533.

8. Солдатов А.А. Формирование резервов депо крови в онтогенезе морских рыб // Экология моря. - 1992. - Вып. 42. - С. 46-55.

9. Солдатов А.А. Сравнительное изучение кислородосвязующей функции крови черноморских бычков (род Gobius) // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1993. - Т. 29, №3. - С. 327-330.

10. Солдатов А.А. Кислородно-диссоциационные свойства крови черноморских и дальневосточных кефалей // Биология моря. - 1993. - N. 3. - С. 118-120.

11. Солдатов А.А. Формирование кислородной емкости крови в онтогенезе морских рыб. I. Пелагические виды // Экология моря. - 1993. - Вып. 43. - С. 26-31.

12. Солдатов А.А. Экспериментальное изучение распределения напряжения кислорода в мышечной ткани морских рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1993. - Т. 26, №5,6. - С. 656-659.

13. Солдатов А.А. Локализация и пролиферативная активность очагов эритропоэза в онтогенезе кефали-сингиля Liza aurata // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1994. - Т. 30, №4. - С. 567-573.

14. Солдатов А.А., Русинова О.С., Трусевич В.В., Звездина Т.Ф. Влияние гипоксии на биохимические показатели эритроцитов скорпены // Укр. биох. журн. - 1994. - Т. 66, №5. - С. 115-118.

15. Soldatov A.A. The effect of hypoxia on red blood cells of flounder: a morphologic and autoradiographic study // J. Fish Biol. - 1996. - Vol. 48, №3. - P. 321-328.

16. Солдатов А.А. Цитохромная система и напряжение кислорода в мышечной ткани морских рыб различной естественной активности // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1996. - Т. 32, №2. - С. 142-146.

17. Солдатов А.А. Кислородно-диссоциационные свойства крови и состав внутриэритроцитарной среды у морских рыб с различной двигательной активностью // Журн. эволюц. биох. физиол. - 1997. - Т. 33, №6. - C. 607-614.

18. Солдатов А.А. Регуляция состава красной крови бычка-мартовика (Gobius batrachocephalus P.) при адаптации к высоким температурам // Гидробиол. журн. - 1998. - Т. 34, №1. - C. 62-67.

19. Солдатов А.А. Особенности организации цитохромных систем и кислородный режим скелетных мышц морских рыб // Укр. биох. журн. - 1998. - Т. 70, №4. - С. 46-51.

20. Солдатов А.А. Особенности осморегуляции циркулирующих эритроцитов у стено- и эвригалинных видов морских рыб в условиях гипоосмотической среды // Журн. эволюц. биох. физиол. - 2000. - Т. 36, №1. - С. 40-44.

21. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Влияние температуры на устойчивость гемоглобинов морских рыб к окислению // Экология моря. - 2000. - Вып. 53. - С. 49-53.

22. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Уровень метгемоглобина в крови и устойчивость циркулирующих эритроцитов скорпены Scorpaena porcus P. к осмотическому шоку в условиях экспериментальной гипоксии // Журн. эволюц. биох. физиол. - 2001. - Т. 37, №6. - С. 477-479.

23. Солдатов А.А. Особенности структуры, полиморфизм и устойчивость к окислению гемоглобинов рыб (обзор) // Журн. эволюц. биох. физиол. - 2002. - Т. 38, №4. - С. 305-310.

24. Шульман Г.Е., Столбов А.Я., Солдатов А.А., Минюк Г.С., Ивлева Е.В., Трусевич В.В., Дробецкая И.В. Метаболические реакции черноморских рыб на долговременную экспериментальную гипоксию // Гидробиол. журн. - 2003. - Т. 39, №1. - С. 21-30.

25. Солдатов А.А. Физиологические аспекты действия уретанового наркоза на организм морских рыб // Гидробиол. журн. - 2003. - Т. 39, №1. - С. 51-63.

26. Солдатов А.А. Влияние температуры, рН и органических фосфатов на гемоглобины рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. - 2003. - Т. 39, №2. - С. 121-127.

27. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Коношенко С.В. Гемоглобиновая система черноморского бычка-кругляка в условиях экспериментальной гипоксии // Укр. биох. журн. - 2004. - Т. 76, №3. - С. 85-90.

28. Солдатов А.А. Особенности организации и функционирования системы красной крови рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. - 2005. - Т. 41, №3. - С. 217-223.

29. Парфенова И.А., Солдатов А.А. Эритрограмма циркулирующей крови скорпены в условиях экспериментальной гипоксии // Морск. экол. журн. - 2005. - Т. IV, №2. - С. 59-67.

30. Парфенова И.А., Солдатов А.А., Коношенко С.В. Кислородосвязующие свойства гемоглобинов рыб устойчивых к внешней гипоксии // Доп. НАН України. - 2005. - №5. - С. 160-164.

31. Солдатов А.А. Кислородные режимы скелетных мышц стеногалинного бычка (Gobius cobitis P.) в условиях экспериментальной гипоосмии // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-та. Серія: біологія. - 2005. - Т. 4, №27. - С. 227-229.

32. Солдатов А.А. Органный кровоток и сосуды микроциркуляторного русла у рыб (обзор) // Ж. эволюц. биох. физиол. - 2006. - Т. 42, №3. - С. 193-200.

33. Солдатов А.А. Эритропоэз и концентрация метгемоглобина в крови кефали-сингиля (Liza aurata Risso) на протяжении годового цикла // Совр. пробл. физиол. биохим. водных организмов. - Петрозаводск: Изд-во Ин-та биол. КарНЦ РАН, 2005. - С. 182-187.

34. Солдатов А.А. АТФ-азная активность фрагментов эритроцитарных мембран в онтогенезе кефали-сингиля // X Всесоюз. конф. по эволюц. физиологии: Тез.докл. - Л.: Наука, 1990. - С. 379.

35. Солдатов А.А. Особенности физиологии эритропоэза в раннем онтогенезе кефали-сингиля Liza aurata R. // V Всесоюз. конф. по раннему онтогенезу рыб: Тез. докл. (Астрахань, 1-3 окт. 1991 г.). - М.: Наука, 1991. - С. 102-103.