Интенсивность энергетического обмена в раннем онтогенезе животных по данным непрямой и прямой калометрии Клейменов, Сергей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Способ получения дополнительной информации о физиологическом состоянии животных посредством сравнения показаний непрямого и прямого методов измерения интенсивности их энергетического обмена известен давно. В конце XVIII века таким способом Лавуазье доказал справедливость закона сохранения энергии для живых существ. Последующие эксперименты с использованием более совершенной техники показали, что равенство между данными непрямого (респирометрического) и прямого (собственно калориметрического) методов часто нарушается. Достоверная разность между результатами непрямой и прямой калориметрии обнарукена у взрослых животных в состоянии наркоза и гипотермии (Чередниченко, 1965), при различного рода инфекциях (Лихачёв, Авроров, 1902; Ватт, Du Bois, 1918; Зыкина, 1959) и выполнении физической работы (Jequler, 1977). Расхождение результатов непрямой и прямой калориметрии отмечены также во время постнатального (Barott, Pringle, 1946; Грудницкий, 1972; Loehr et all, 1976) и эмбрионального (Barott, 1936; Bell, 1940; Dunkel et all, 1979; Грудницкий, 1983) роста животных и развития ооцитов (Зотин, 1975). Рост культур одноклеточных организмов также сопровождался различиями в показаниях одного и другого методов (Schaarschmidt et all, 1975; 1977; Корягин, Коновалов, 1980; Bermudes et all, 1984; 1985).

Факты расхождения данных непрямой и прямой калориметрии можно подразделить на физиологические (кратковременные) и онтогенетические (долговременные).

Несмотря на разную природу воздействий, вызывавших физиологическое расхождение данных непрямой и прямой калориметрии, одной из его причин является изменение теплосодержания организма вследствие неравенства скорости образования и отвода тепла (Чередниченко, 1965; Webb et all, 1980). Вторая причина состоит во временном (частичном или полном) переходе на анаэробный тип энергетического обмена при гипоксии и аноксии (Gnelger, 1983b).

Расхождения результатов непрямой и прямой калориметрии, сохраняющееся на протяжении целых этапов (периодов) онтогенеза, не имеют столь очевидных причин. Отрицательная разность между респирометрическими данными и прямой калориметрией указывает на

- I -

то, что организм расходует больше энергии, чем получает в результате окислительного фосфоршшрования. Недостаток энергии может восполняться за счет гликолиза (Gnelger, 1983b), недо-окисленные продукты которого могут выводиться из клетки или использоваться при синтезе необходимых макромолекул (Hochachka et all, 1973; Хочачка, Сомеро, 1977).

Положительная разность между непрямой и прямой калориметрией означает, что в результате окислительного фосфорилирования организм производит больше энергии, чем расходует в гомеостати-ческих процессах. Из феноменологической теории развития, роста и старения (Зотин, Зотина, 1993) следует, что на ранних стадиях онтогенеза организм как термодинамическая система удалён от стационарного состояния. Вследствие этого соотношения между термодинамическими силами и потоками подчинены нелинейным законам, что делает возможным неравенство потока поступащей в организм энергии и потока энтропии между ним и средой.

Изучение причин возникновения онтогенетической положительной разности между данными непрямой и прямой калориметрии позволит решить вопрос биоэнергетики, вызывающий в настоящее время острые споры среди учёных, так как из-за отсутствия теоретического обоснования это явление иногда рассматривают как противоречие первому началу термодинамики (Иванов, 1990).

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы было расширенное изучение феномена расхождения данных непрямой и прямой калориметрии в раннем онтогенезе животных и его связи с ростом и развитием организма. Задачи исследования:

1. Разработка и изготовление специального респирационного калориметра для одновременного измерения теплопродукции прямым и непрямым методами.

2. Создание программного обеспечения для обработки экспериментальных данных.

3. Определение интенсивности потребления кислорода и интенсивности теплопродукции в период эмбрионального развития кур, эмбрионального и постнатального развития ящериц и личиночного роста сверчков.

4. Изучение соотношения полученных данных непрямой и прямой
калориметрии.

5. Выявление коррелятивных связей расхождения данных непрямой и

прямой калориметрии с морфологическими и физиологическими изменениями организмов в процессе их развития. Научная новизна и практическая значимость. В работе установлено расхождение результатов непрямой и прямой калориметрии во время развития зародышей прыткой ящерицы, зародышей двух гибридов домашних кур и личинок сверчков. Обнаружено, что при циклическом характере роста разность показаний непрямой и прямой калориметрии испытывает синхронные циклические колебания, но еб величина всегда положительна. Впервые интенсивность энергетического обмена развивающихся зародышей измерена в одном приборе обоими методами, что сводит к минимуму методические ошибки. Впервые показана корреляция величины расхождения данных непрямой и прямой калориметрии с удельной скоростью роста животных. На основании установленной закономерности и аппарата термодинамики необратимых процессов высказана гипотеза о возникновении неравновесного распределения веществ в новообразованных клетках как причине этого неравенства.

Предложено уравнение, описываицее интенсивность энергетического обмена растущего организма:

где q - интенсивность энергетического обмена; ш - масса; t -время; k , к₂, к₃ - коэффициенты, из которых: к₁ зависит от таксономической принадлежности животного, к я -0.27, к_~ 1540 Кдж-г . Уравнение устанавливает соответствие между межвидовой и онтогенетической зависимостью интенсивности энергетического обмена от массы животных.

Практическое значение работы заключается в использовании установленной закономерности для прижизненного определения скорости роста животных, взвешивание которых не может дать адекватной информации: раковинных моллюсков, некоторых видов ракообразных и рептилий (черепах). Метод может быть использован для определения оптимальных условие развития гетеротрофных организмов, и в экологической экспертизе.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на коллоквиумах лаборатории биофизики и научных конференциях МБР им. Н. К. Кольцова РАН (1985-1995), на научной конференции молодых учёных по физике, Тбилиси, 1983; Всесоюзной

конференции "Термодинамика необратимых процессов и ее' применения", Черновцы, 1984; Всероссийской конференции "Регуляция энергетического обмена и энергетическая основа жизни", Санкт-Петербург, 1ЭЭЗ. Методика эксперимента и ее применение в экологической экспертизе доложена на международных конференциях "Биотест" в Тварминне (Финляндия, 19Э1) и Москве (1993).

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, 1 находится в печати.

Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения результатов работы и их обсуждения, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на /УУ- страницах, содержит 17 рисунков и 19 таблиц, 1 приложение. Описок литературы включает 145 источников.