Введение к работе
Актуальность теш. Решение многих актуальных задач а области КОрМЛеНИЯ, ТеХНОЛОГИИ СОДерХШИЯ Л СелеКЦИИ С.-Х. ЖИ1ЮТ1ШХ в
значительной мере затрудняется из-за недостаточности знаний относительно системних механизмов становления продуктивных признаков в процессе индивидуального развития животных. Для научного обоснования и развития технологий животноводства необходима характеристика сложной внутренней структуры первичных продукц::о1Шых процессов, ОбуСЛаВЛИВаЯЩИХ ИЗМенеНИЯ МОрфОЛОГЛЧеСКОГО И ХИМИЧЕСКОГО
состава тела в процессе роста и эксплуатации животных.
Эмпирический путь а достижении наиболее полной реализации биологического потенциала малоэффективен ввиду многочисленности и сложности взаимодействий биологических факторов, определяидих формирование продуктивных качеств. Поэтому нужен теоретический инструмент для обоснования выбора оптимальных типов продуктивних животных и для количественного прогнозирования прироста индивидуальных тка-на1 (мышечной, костной, жировой) в ответ на суточное поступление корю определенного состава. Задача прогнозирования продуктивности ставится также в процессе разработки нетрадиционных бпотехнологи-ческих методов регулирования метаболизма и роста чшвотных и создания новых, генетически измененных типов продуктивных животных.
Отправной точкой может служить имеющийся опыт прогнозирования продуктивности по измерениям живой массы, оценкам экстерьера и показателям крови (Смирнов O.K. ,1974, Владимиров В.Л. ,1974, Свечіш O.K.,1984, Макрушкн Б.В.,1984 и др.). Одним из перспективных направленні в развитии и углублении этих исследований является применение методов структурно-функционального анализа и моделирования, интенсивно развиваемых в последние годы в области медико-биологических наук. (Гачок В.П.,1987, Толокнов В.И.,1987, Новосельцев В.Н., 1978, Лищук В.А., 1991 И Др.) П В зоотехнии ( Baldwin R.L.e.cu, 1980, Qixi М.в.а. ,1984, France J. в.о. ,1987, Di Marco О.И. е.а., 198Э и др.).
Как показывают теоретические оценки, эффективность использования кормов можно увеличить на 30-50: за счет более точного определения потребностей животных в питательных веществах и микродобавках л выведения, животных нужного конституционально-метаболического типа. Для этого необходима теория, характеризующая формирование
продуктивних качеств с учетои иорфс-физиологнческих и биохимических процессов, протекающих в тканях к клеточных системах организма животных.
Повысить эффективность научных разработок в современных условиях woiaio путей объединения усилий разных специалистов для создания интегрированных систеи с использованием методов инфоршцнонно-го и вычислительного моделирования, методов кошшогерной вшташш. С другой сторони, очевидно, что выход на полноценный уровень моделирования продукционных процессов должен быть подготовлен фундаыен-талыш.я ;:сследованияш соответствущих иорфогенетическнх н цета-болнческих процессов.
Цели и зацата исследований. С учетом вшзеизлоаенного целью исследований било обоснование и развитие обяего подхода и методов структурно-функционального анализа иг пленительно к задачам оценка и прогнозирования продуктивности и диагностики состояния обменных процессов у с.-х. хизотных.
В соответствии с общи» направлением работы в ходе исследований были иоставлены следуазиа задачи:
-
Систематизация и обобщение имеющегося в мировой науке опыта исло.іьзовіні« структугно-^ункцнонального анализа и исследование прннцг.пои его применения для целей биологического обоснования ведения «паотиово^ства,
-
Разработка концепции и методов оценки количественной да-накики обмена нуклеиновых кислот и белков в скелетных ыьшцах и кх экспериментальное обоснование.
-
Исследование системных махачизмоэ, обуславгаваадах формирование признаков мясной продуктиілюсти крупного рогатого скота
в ходе онтогенеза.
-
Разработка і/.етодоа лрогноэирования мясной продуктивности с учетом ключевых факторов питання.
-
Теоретическое и экспериментальное обоснованна кинетического подхода к сделка состояния обменных процессов и разработка методов тестирования мзтаболизла у с.-х. животных.
'На.учнаїс новизна работы заключается в обосновании и развитии нового научного направления, включающего структурно-функциональный анализ процессов роста и метаболизма, поиск
ядджрухгдос звеньев, экспериментальное исследоаансэ ключевых а лшятпрущих факторов п построение систешюй шдэлз продукционного процесса. Разработан коїзілеко методов и адгорнпюз для идентификация ключевых факторов роста и іятаболизка о целью диагностика: состоямя обиешпа процессов, создания более гибких и ішфоріздпсзішо- бішйс систем кормления и обоснования шбора парспекїзглшс яипов пролктизннх .тлзотшсс.
Уточнена роль ядерного п цитошазнамчооюго коміоїшітоа в процессе возрастного узедпзнкя размеров «ионов и нарадивания галочкой насси. Впервые для крупного рогатого скота установлены возрастное увеличение лилейной концентрации ядер ыыэечнме волокоп а лзакмосшгзь ядарностя о ростом индивидуальных ии-нечных волокон в поперечника.Трансляционная активность мышч-ной ткана в постнатальный период развитая лоддеряизается на неизменном уровне. Постепенное снижение о возрастом темпов от-логения белков в иыпцах обусловлено выравниванием абсолютних велична су*гмарноЙ белоксинтезнрущей способности, зависящей от численности ядер а общего пула фушщионирупщіх рибосом, и общего катаболизиа белков шшц.
Предлохена' новая концепция роста хавотных, основанная на представления о лидирующей функции наращивания шссы мышц и учитывающая закономерности соподчинения н корреляции в процоосо роста костей скелета и других составляющих тела ашзтного. Исходя из этих представлений разрабогака иштационнш; модель роста крупного рогатого скота я ыетод прогнозирования шюной продукт явности.
Предложен общий подход к конструированию физиологических индексов для оценки величины метаболических потоков по данным кратковременных функциональных нагрузок, осношгшый на выявлении кинетических инвариантов с последупда построениеи кинетической модели ы алгоритмов идентификации потоков. Изучены саотеынма закономерности регуляции уровня кальция в крови в связи о изменениям* .чанеральной насыщенности скелета. Предлоялш темы.для оценки обдана гхюкозы и мочевины у гэачннх. Разработаны алгоритми дгл оценки рит..;икл синтеза белков яйца у кур-несушек на протяжения онудяторного цикла.
Действущие в настояцее время системы обоснования кориле-
нкя с.-х. животных, основанные на использовании регрессионных соотношений для исчисления компонентов затрат энергии и питательных веществ на уровне организма, можно в значительной оте-пенп обогатить и расширить путём разработки агрегированных моделей продукционных процессов о целью проведення многоаспектного био-экономичеокого анализа, индивидуалнзации кормления и повышения точности прогноза . Предложена концепция создания информационно-экспертной системы "Геном-клетка-ткань- продуктивность" и доказана её работоспособность на примере нмитаци-онного моделирования роста бычков.
Практическая ценность. В ходе исследования системных механизмов формирования мяснойпродуктивности выявлены ключевые факторы, доказана малая информативность данных по концентрации нуклеиновых кислот в мышцах и предложены методы количественной оценки обмена нуклеиновых кислот и белков в скелетномишвчной ткани в процессе роста, нэ требующие применения изотопной метки. Большая трудоёмкость и стоимость проведения радиоизотопных исследований практически исключает возможность получения таких данШос на крупных с.-х. животных в нужном объёма. Обоснован комплексный подход, включающий применение гистологических, морфометричвеких , биохимических методов в сочетании с анализом кинетики процессов и компьютерным моделированием.
Разработаны программы для персонального компьютера типа Ш PC для проведения био-экономического анализа процессов роста крупного рогатого скота с учётом эффективности конверсии корма- в продукцию за весь технологический, цикл и для прогнозирования хозяйственного эффекта при отборе животных с различным конституционально-метаболическЕМ статусом.
Разработанные алгоритмы количественной оценки динамики синтеза белков в яйцеводе кур-несушек и полученные с юс помощью данные бшш исгользованы в исследованиях по разработке технологии дифференцированного кормления кур-несушек ,проведенных к.б.и. В.Г.Шевченко.
Предложены усовершенствованные метода экспресс-диагностики деминерализации скелета и системных нарушений гомеостазе кальция у жвачных животных. Разработаны алгоритмы для оценки параметров обмена кальция, которые ранее оценивались лила о помощью
з радиоактивных изотопов. Предложен общий шдход к оценке состояния ыетас<мйыа , включающий построение кинетической модели переходного процесса,адаптацию её в остром опыте с последующим применениеи для анализа данных функционального обследования продуктивных животных. Ыетод апробирован на примера обмана глюкозы и мочевины у жвачных.
Научные данные, полученные о использованием предлогэнных подходов и методов, были использованы при разработке практических рекомендаций по минеральному питанию жвачных, по аминокислотному питанию с.-х. гывотных, по дафіїеранцирозшшому кормло-ндю кур-несушек, подготовленных во ВШВДБиП с.-х. животных в период 1975- 1990 гг.
Апробация работы. Материалы исследований обсуждены на заседаниях учёного совета ВНИИ5БиП с.-х. животных в I979-IS8I, 1987-1989 гг, на 5-м Всесоюзном биохимическом съезде (Алма-Ата, 1985), на 3-й конференции "Актуальные вопросы обмена веществ" (Вильнюс,1987), на Всесоюзной конференции "Физиология продуктивных животных -решению Продовольственной программы СССР" (Тарту # 1989), на совместном сештаре института кибзрнегаки АН УССР и головных НИИ' по дроблена электронизации сельского хозяйства (Каев,1988), на Всесоюзной конкуренция "Измерительная а вычислительная техника в управлении производственными процессами в АПК" (Ленинград, 1968), на научно-практической конференции "Новые приложения ыорфометрик я математическое моделирование в цедико-биологических исследованиях" (Харьков,1990), на Международной конференции "Биологические основы высокой продуктивности сельскохозяйственных животных "(Боровск, 1930).
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,трёх глав, выводов,предлолгний,списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 412 страницах машинописи, в том числе 83 рисунка,21 таблица.Библиографая-420 библ. названий, в том числе 322 на иностранных языках, приложения на SC стр.
В результате проведенных исследований, изложенных в диссертации , разработаны и вьгаосятся на защиту оснознне положения:
I.Системная концепция взаимодействия основных ядерных и цитоплазматичвеких факторов в процессе роста скелетных мышц.
2.Методы и алгоритмы количественной оценки структурно-
метаболических факторов, определяющих темпы роота скелетных
мьшц.
3.Имитационная юдоль роста бычков дли прогнозирования морфологического и химического состава тела в проведеная биоэкономического анализа.
4.Теория н метода тестирования состояния обменных процессов и ьэтаболическгас потоков у с.-х. животных.
5.Метод многовариантного анализа в обоснования потребностей животных в питательных веществах н энергии на основе использования шит анионного моделирования первичных продукционных процессов.
Объекты и методы исследовании. При изучении количественной динамики нуклеиновых кислої в скелэтных ыыицах были ксгояьго-ваны данные опытов, проведенных на 34 бычках чёрно-пёстрой, симментальской и шортгорнской пород в возрасте от рождения до 16 мэс..содержавшихся па сбалансированных рационах,обоспечива-ицих среднесуточный прирост айвой массы 800-1000 г. Образцы мышечной ткани (длиннейший мускул спины, четырёхглавый бедра и трёхглавый плеча) получали методом биопсии и при $бое етвотных. Содержание ДНК оценивали путём подсчёта ядер на гистосрезах о использованием стереологического анализа, предполагая содержание ДІЖ з диплоидном ядре равный 8,2 пг.Диссопяацив мышечных волокон проводили щелочным методом по Белову и др.(1975).РНК к белок в образцах мышц определяли биохимическими методами. Участие автора в экспериментах- обоснование направления поиска, проведение операций по биопсии, анализ ядерности мышечных волокон (препараты подготовлены в лаборатории морфологии,зав. к.вет.н. Манухина А.И.) и диссоциация мышечных волокон. Для оценки динамических параметров синтеза и распада тотальных РНК и белка мышц разработан метод идентификации по данным накопления ИИ,ДНК и белка в органе в процессе роста. В контрольном опыте полученные данные сравнивали с результатами радиоизотоп-ного определения. Для уточнения светооптических данных по численности ядер и динамике синтеза макромолекул был проведен контрольный анализ с электронно-ммкроскопической идентификацией и оценкой транскрипционной активности ядер мышечных волокон. Цитологические исследования проведены Ыанухиной А.И..Маткшшой Т.Г. При разработке концепции и модели формирования мясной про-
дуктивностп была использованы дашша, получагашэ Шевченко Н.А. (РНК, бедок),Алфамцевым Н,А. (опыт на телятах иортгорнской порода) и Тгааеашл . (опят с %-лейшшол).
Исследосашіл по изучению гоыеостаза кальция и его связи с шшеральноа наскаенностыэ скелета у явачннх проведаны в серіш опытов с обдам количеством обследовшгаых зшютиых 30 корой и 120 овец. При проведении функциональных нагрузок салют кальция и ЗДТА общий кальций в плазме крови определяли методом фотометрического титрования по Уклкшсону, плотность костяка у коров оценивали с поиэщьв устройства для фотонной абсорбциоиетрии (Черепанов н др. авт.св. J5iS 635834, 8П523).Ддя проверки предложенного иетода оценки потоков кальция в организме был проведен контрольный опыт на взрослых овцах с использовании Са по Aubert.Bronner (1965). В проведении анализов иранимали участие Ц.С.Долгова и Филиппов В.В.( зав. лаб. профессор А.А.Пташюш).
При разработке теории и методов тестирования метаболических потоков были использованы данные опытов, проведенных на коровах, овцах и телятах. Участив автора в эксперимонтах-шганироаа--нае схемы опыта, организация проведения и анализ дел них. Использованы данные А.Ы.Материкяна (иочевииа),Щёголева С.Я.,0ачарин-ко Э.В.(глюкоза). В исследованиях, проведенных на курах-несушках и цыплятах , использованные метода и алгоритмы основаны на данных В.Г.ІіІевченко и В.М.Газдарова.
Исследования по разработке методов структурно-функционального анализа,созданию концепций, моделей и алгоритмов лроаадвіщ с использованием современных методов дикшичвской. биохимии и биологической кинатики.Для решения систем дафференцналхіга уравнений использовали иетод Рунге-Кутта .Програ.\ын составлены для персональных компьютеров типа ІШ PC XT/AT, язык программирования БЕЙСИК.
