Физиологические и поведенческие биомаркеры благополучия крупного рогатого скота

Введение. Животноводство является важной отраслью, обеспечивающей людей продовольствием, поэтому основное внимание при оценке благополучия крупного рогатого скота уделяется доступности корма, воды и условий микроклимата, технологии содержания, а также мерам, основанным на поведении животных, отношении между человеком и животными и т. д. [1–3].

Основной целью отбора на протяжении всего процесса одомашнивания крупного рогатого скота (Bos taurus) (около 8000–9400 лет назад) была степень приспособленности животного к содержанию в неволе и получение животноводческой продукции. В настоящее время усиление интенсификации систем производства молока в отрасли животноводства на крупных сельскохозяйственных предприятиях и племзаводах, в т. ч. внедрение роботизированных доильных аппаратов, автоматических кормушек и т. д., способствует растущему интересу к более жесткому отбору, разведению животных с учетом улучшения их приспособленности (адаптации) к новым технологиям, применяемых в настоящее время.

D. Fraser (2008) «обосновал четыре принципа, определяющих высокую степень благополу- чия: сохранение здоровья (обеспечение кормом, водой, вакцинации, содержание в хорошем микроклимате, предупреждение болезней и потерь от падежа, сохранение нормальных кондиций и продуктивности животных); снижение боли и дистресса (использование анестезии при декор-нуации, предупреждение хромоты, синяков, ран, теплового и холодового стресса, исключение грубого обращения с животными); обеспечение свойственного виду поведения и эмоционального состояния (боксы несушкам, материал для рытья свиньям); природные элементы в окружающей среде (выгул, солнечный свет)» [4].

К. Carlstead с другими учеными (2013) рассматривали благополучие животных как «способность успешно адаптироваться к условиям среды при отсутствии страданий» [5]. Благополучие животных зависит от возраста, физиологического состояния, в т. ч. обмена веществ, иммунной системы, гормонального статуса, поведения и других факторов. Немалое значение при этом отводится таким факторам, как технологии (размещение, микроклимат, кормление, использование, методы обращения и т. д.), состояние (поведение, упитанность, загрязненность, проб- лемы с конечностями, раны на коже) и физиологические показатели (частота сердечных сокращений, дыхание, температура тела) [6].

К.В. Жучаев с соавторами (2024) в своей работе отмечали, что «критериями оценки высокого уровня благополучия животных выступают хорошее кормление (отсутствие длительного голода и жажды), правильное содержание (температурный комфорт и свободное движение), здоровье (без ран, болезней и боли при операциях), поведение животных (отсутствие нарушений поведения и хорошее взаимодействие с человеком)» [6].

В условиях повышенной интенсификации производства молока особое внимание необходимо уделять биомаркерам для определения физиологического дисбаланса, приводящего к заболеваниям различной этиологии. Несмотря на востребованность оценки темперамента животных, в программах разведения скота отсутствуют их объективные индикаторы оценки благополучия [7, 8]. Биомаркеры являются важными носителями информации при аналитическом подходе в животноводстве, и они должны быть точными, объективными и неинвазивными.

Для измерения биомаркеров необходимо, чтобы животное находилось в покое или испытывало минимальное беспокойство, если процедура отбора проб вызывает изменение в состоянии животного, то уровень любого биомаркера будет искажен. Предпочтительным является их измерение в легкодоступных матрицах, чтобы избежать физиологических реакций, оказывающих влияние на состояние животных. Было разработано несколько методов для измерения биологических образцов, отличных от крови и слюны, в т. ч. в моче, кале и волосах. Немаловажным является и тот факт, что методы отбора проб и анализа должны быть легко осуществимыми и практичными как при индивидуальном подходе, так и при групповом использовании [9].

Биомаркеры являются биологическими молекулами, используемыми для понимания физиологического процесса или диагностики аномального процесса или заболевания. Несмотря на эти технические проблемы и практические трудности, связанные с идентификацией и проверкой биомаркеров для прикладного применения «в поле и на ферме» в области животноводства, их поиск остается актуальным.

Генетический потенциал крупного рогатого скота не всегда может быть полностью реализован как из-за условий содержания и несбалансированного кормления, так и из-за состояния здоровья животных. Эти факторы являются основными показателями благополучия животных и позволяют проводить оценку на молочно-товарных комплексах, племпредприятиях. В научноисследовательском центре Вагиненгенского университета (Нидерланды) была разработана методика для определения благополучия Welfare Quality. Ее оценку проводят по баллам в соответствии с несколькими критериями (здоровье, поведение и др.) [10]. Эти критерии связаны с технологиями ведения животноводства, а также с зоотехнией и ветеринарией (профилактика и лечение).

В последние 100 лет направление селекции связано с генетическим улучшением производственных признаков (удой, скорость роста и т. д.) [11]. Будущие стратегии разведения животных должны быть направлены на достижение баланса между высоким уровнем продуктивности и оптимальным состоянием здоровья и благополучием. Это в свою очередь может привести к снижению их физической формы, повышению восприимчивости к инфекционным и метаболическим заболеваниям, проблемам с опорнодвигательным аппаратом и бесплодию.

Основными причинами, приводящими к нарушению благополучия животных, являются инфекционные заболевания [12], несбалансированное питание [13], генетика [8]. Эндокринная система участвует в процессе адаптации к окружающей среде при долгосрочных реакциях, а нервная - при краткосрочных реакциях [13]. Психологическое состояния (страх или тревога) активирует физиологические реакции организма. Для поддержания гомеостаза при восприятии угрозы животному развивается поведенческий, эндокринный или иммунный ответ. В связи с этим существует необходимость валидации существующих биомаркеров, а также внедрение новых, используемых для мониторинга их благосостояния и улучшения [14].

Цель исследования - анализ литературных данных, затрагивающих вопросы благополучия крупного рогатого скота.

Объекты и методы. В работе были изучены аналитические методы сбора информации с использованием 72 научных публикаций отечественных и иностранных авторов, связанных с вопросами благополучия крупного рогатого скота. Поиск научных статей был осуществлен путем работы с такими электронными базами, как Scopus, Web of Science, Elibrary, PubMed, ScienceDirect, Nation Library of Medicine, SpringerLink, Wiley online Library и других с использованием ключевых слов: благополучие (welfare), стресс (stress), продуктивность (productivity), поведенческие реакции (behavioral responses), биомаркеры (biomarkers), кортизол (cortisol), крупный рогатый скот (cattle). Для изучения поставленного вопроса были проанализированы источники за последние 20 лет на территории Российской Федерации, Соединенных Штатов Америки, Румынии, Испании, Польши, Австрии, Италии, Китая, Австралии. В задачи аналитического поиска входило изучение биомаркеров, используемых для оценки благополучия крупного рогатого скота.

Результаты и их обсуждения

Факторы, используемые для определения благополучия животных. Особую роль в благополучии животных играет высшая нервная деятельность, основанная на процессах, происходящих преимущественно в коре головного мозга, определяющих поведение животных [15]. Связь между этими характеристиками детерми-нантная. Смелость, активность, агрессивность, эмоциональность (пугливость, беспокойство или нервозность) и общительность являются основными признаками, используемыми для описания темперамента животных. В зависимости от жизненных ситуаций у животных могут изменяться двигательная активность, поза тела, концентрация гормонов (например кортизола), частота сердечных сокращений и другие показатели. Поведенческие и физиологические изменения контролируются нервной системой и гипо-таламо-гипофизарно-надпочечниковой (ГГН) осью [16]. Для оценки благополучия животных очень важным является наличие объективных средств их определения. На сегодняшний день для оценки благополучия животных используются различные биомаркеры, в т. ч. поведенческие и физиологические. Эти биомаркеры являются наиболее информативными [17]. Остановимся более подробно на каждом из них.

Биомаркеры поведения. Анализ литературных источников, затрагивающих признаки темперамента животных, дает основание для использовании их в программах отбора скота по нескольким критериям, в т. ч. благополучия [18]. Темперамент крупного рогатого скота – многомерный и сложный биологический признак, характеризующийся стабильным поведением и физиологическими реакциями на сложные ситуации [19]. Эта оценка представляет важную информацию о физическом, физиологическом и психологическом состоянии животного, включая иммунитет, уровень стресса и метаболические процессы.

В настоящее время темперамент в условиях фермы определяется как поведенческая реакция, наблюдаемая при контакте с людьми, а также реакция животного на новые объекты или стрессовые ситуации [7]. Темперамент животных оценивают с помощью поведенческих реакций с учетом частоты и интенсивности их движений, отражающих уровень страха и отзывчивости [1, 20]. В основном животных проверяют на агрессию или чрезмерный страх во время обращения или доения с последующей выбраковкой таких особей. Но такие признаки обычно не включаются в индексы отбора, несмотря на то, что существуют экономические и социальные факторы безопасности.

На сегодняшний день наиболее востребованным является отбор между породами или внутри пород, охватывающий широкий набор признаков, в т. ч. таких как здоровье и «пригодность». В основном это тесты, связанные с реакцией на движущегося или неподвижного человека и реакция на манипулирование. В зависимости от продуктивности скота (молочный или мясной) используемые методы различаются по количеству времени, необходимого для их выполнения, и условий. Наибольшее внимание уделяют признакам, связанным с прибыльностью и которые легко могут быть измерены (надои, масса тела). Так, у коров молочного направления темперамент оценивают во время процесса доения [21–23], у мясных пород наиболее распространенным методом является использование желоба и реакции животного после выхода из него [24]. Многие исследователи изучали связь темперамента крупного рогатого скота с такими признаками, как удой [1, 7, 25], рост [20], репродуктивная функция [1] и восприимчивость к различным заболеваниям [20]. Дистанция избегания в ответ на движение человека является одним из наиболее часто используемых тестов в мясном скотоводстве. Поведение животного можно многократно тестировать в строго определенных условиях, обеспечивающих повторяемость оценки.

V.T. Golovan с соавторами (2023) изучали влияние типа высшей нервной деятельности на секрецию молока при различных условиях доения [26]. Они отметили целесообразность определения стрессоустойчивости животных с учетом типов высшей нервной деятельности и предложили использовать для разработки экспресс-методов определение типов стрессоус-тойчивости и комплектования стад молочных комплексов с учетом закономерностей изменения секреторной функции молочной железы.

Как у молочного, так и у мясного скота признаки, связанные с темпераментом, имеют большое значение для благополучия животных и экономической эффективности, так как особи с определенным темпераментом растут быстрее, их проще обслуживать, транспортировать и кормить, у них более высокое качество мяса. Беспокойные животные могут угрожать как безопасности скота, так и людям, ухаживающим за ними [27]. Более спокойные коровы имеют значительно более высокие надои, снижается риск развития метаболических заболеваний [1, 28, 29]. Многие исследователи выявили закономерную связь реактивного поведения животного с более низкой производительностью, низкими показателями откорма, низким качеством туш, а также отрицательным влиянием на признаки качества мяса [30, 31]. У наиболее возбудимых коров рождались телята с наименьшим весом [31].

Улучшение благополучия животных является основным фактором для оценки других признаков продуктивности. Считается, что животные, которые не испытывают чрезмерного страха перед новыми объектами или изоляцией от других животных, будут лучше справляться с современными интенсивными системами ведения хозяйства [32].

Темперамент крупного рогатого скота можно улучшить с помощью генетического отбора и акклиматизации молодых животных к взаимо- действию с человеком, а также с процедурами, направленными на обращение с ними [33]. Понимание реакций животных на стрессовые раздражители является основополагающим аспектом оценки благополучия животных, так как подтверждено, что крупный рогатый скот с более возбудимым темпераментом проявляет повышенную реакцию на стресс [34, 35]. Методы генетического отбора крупного рогатого скота с учетом поведенческих и физиологических реакций на стресс позволяют проводить выбраковку определенных особей.

Поведение сельскохозяйственных животных, в частности крупного рогатого скота, является экономически значимым, так как оно влияет на показатели выращивания, содержания и экономическую эффективность [35]. Для оценки благополучия животных очень важным является использование объективных методов с возможностью ежедневного использования [36].

Принимая во внимание значительное влияние темперамента на благополучие крупного рогатого скота (продуктивность, воспроизводство, здоровье, долголетие и т. д.), необходимы дальнейшие исследования для установления простого, дешевого и легко повторяемого теста, применяемого при различных условиях содержания и разведения как молочного, так и мясного направления. Поведенческие тесты являются неинвазивными и могут быть применены на отдельных животных или в группах, а также адаптированных ко многим условиям. Несмотря на их практичность, основные ограничения поведенческих индикаторов при оценке благополучия животных заключаются в том, что они либо неспецифичны, либо слишком специфичны для вида, а также подвержены индивидуальным различиям [17].

Физиологические биомаркеры. Физиологические биомаркеры благополучия животных связаны с оценкой биологического функционирования [37, 38]. Их делят на эндокринные биомаркеры, окислительного стресса и термобиологические. Рассмотрим некоторые из них более подробно.

Эндокринные биомаркеры. К эндокринным биомаркерам относятся окситоцин, гормон роста, инсулиноподобный фактор роста, кортизол и т. д. Одним из наиболее востребованных биомаркеров является кортизол, отвечающий за стрессустойчивость животных. От типа нервной деятельности животных зависит уровень устойчивости к стрессам и их разведение при различных условиях интенсивности использования [39, 40]. Доказано, что особи с сильным типом нервной системы обладают более высокими адаптационными, защитными и компенсаторными возможностями организма. Оценка крупного рогатого скота с учетом типов высшей нервной деятельности позволяет прогнозировать продуктивность и выявлять перспективных особей для дальнейшего их разведения.

Стрессовое состояние у животного активирует очень сложный гомеостатический механизм, тесно связанный с его благополучием. Неспецифическая реакция на стресс напрямую зависит от гипоталамус-гипофиз-надпочечнико-вой (ГГН) оси. Угроза гомеостаза в течение длительного периода может вызвать гиперактивность нейроэндокринной системы и оказать плохое влияние на животного. Это в свою очередь может привести к сокращению продолжительности жизни, ущербу роста, ослаблению воспроизводства, предрасположенности к заболеваниям и т. д. [25, 41]. Единая мера стресса может быть ненадежной, именно поэтому с целью получения более полной информации для оценки благополучия животных используют несколько биомаркеров. Изменение гормонального профиля как основного профиля стресса дополняют поведенческими и иммунологическими изменениями.

Глюкокортикоиды регулярно измеряют для оценки реакции на стресс и рассматривают как индикатор негативного состояния организма. В основном для его определения в качестве матрицы используют плазму или сыворотку крови, но наибольшее предпочтение отводят другим биологическим материалам (слюна, моча, фекалии и волосы), так как отбор этих проб не вызывает стрессовой реакции у животных [42, 43]. Измерение глюкокортикоидов в каждом типе образца дает различную информацию о физиологии животного из-за различий во времени между синтезом, транспортировкой, депонированием в матрице и метаболизмом [37, 38]. Измерение кортизола в слюне часто используется для получения информации об остром стрессе, в случае с образцами волос – о хрони- ческом стрессе в течение недель, месяцев и даже лет [44].

Было выявлено, что у более восприимчивых животных наблюдается повышенное содержание кортизола в плазме крови и слюне [45, 46]. Также доказано, что концентрация кортизола в молоке выше у коров с более реактивным темпераментом во время доения (реакция во время подготовки и прикрепления доильного стакана, тенденция к брыканию во время доения). Это указывает на то, что такие особи проявляют поведенческие и физиологические признаки стресса во время доения и являются более восприимчивыми при рутинном обращении [42]. По результатам исследований L. Hedlund, H. Lоvlie (2015) и M.G. Marcal-Pedroza с соавторами (2020, 2023) не было обнаружено связи между коровами с возбудимым темпераментом в доильном зале и концентрацией кортизола [20, 28, 47].

В то же время отбор проб крови для определения концентрации кортизола в крови является инвазивным методом, при котором происходит активация гипоталамус-гипофиз-надпочечнико-вой оси и повышение уровня этого гормона [20, 28] вследствие визуальных, слуховых, обонятельных и тактильных реакций, являющихся стрессовыми [33].

Концентрация кортизола в крови в качестве маркера нейроэндокринной реакции на стресс имеет отрицательную связь с воспроизводством у крупного рогатого скота. Повышенное содержание кортизола связано со снижением активности гонадотропина и стероидогенеза яичников у самок, а также снижением коэффициентов и увеличением прерывания стельности [33].

Метод определения концентрации кортизола в молоке для выявления действия стресса у животных используют, потому что он относится к неинвазивным [20, 28]. Его можно рассматривать в качестве биомаркера для оценки краткосрочного или среднесрочного стресса (в данный момент – в крови и от 10–14 ч – в молоке) [48]. R.С. Cooke с соавторами (2017) предложили использовать волосы (шерсть) для определение содержание кортизола, так как этот метод позволяет избежать эффекта острого стресса [21].

Маркеры окислительного стресса. Окислительный стресс возникает при нарушении окислительно-восстановительного гомеостаза. При этом наблюдается дисбаланс за счет увеличения выработки активных форм кислорода (ROS) и азота (RONS), а также уменьшения потребления или синтеза антиоксидантов или увеличения количества антиоксидантов как при физиологических, так и патологических состояниях организма [17, 49]. Внешние факторы окружающей среды играют значительную роль в профилактике окислительного стресса за счет повышения уровня антиоксидантов. Уровень окислительного стресса может использоваться для оценки состояния животного путем измерения реактивных видов и антиоксидантов окислительно-восстановительного баланса [17, 50]. Наиболее часто используемыми маркерами окислительного стресса являются глутатион и малоновый диальдегид, вырабатываемые в головном мозге и играющие нейропротекторную роль [51, 52].

Окислительный стресс влияет на течение отрицательного энергетического баланса у коров на поздних стадиях стельности, во время родов и в начале лактации, а также при маститах и воспалительных процессах в матке и т. д.

Малондиальдегид является биомаркером перекисного окисления липидов и представляет собой низкомолекулярный продукт, образующийся при распаде полиненасыщенных жирных кислот. В молоке коров в переходный период его концентрация очень высокая в начале лактации, а затем снижается. Была выявлена обратная корреляция его содержания с количеством дней лактации [53]. Также отмечено, что содержание малондиальдегида выше у молочных коров, отелившихся в летний период, по сравнению с отелившимися зимой [54]. Необходимы дальнейшие исследования, направленные на использование биомаркеров при изучении окислительного стресса организма у крупного рогатого скота.

Биомаркеры энергетического баланса. Период от поздней стельности до лактации представляет важную метаболическую проблему для коров. В это время потребление энергии не соответствует потребностям для поддержания тела и производства молока, что приводит к отрицательному энергетическому балансу и высокой мобилизации жировой ткани. Если не происходит адаптации, то риск метаболических нарушений значительно возрастает, что проявляет- ся в возникновении кетоза, гипокальциемии, перерождения печени и других заболеваний. Отрицательный энергетический баланс (ОЭБ) приводит к более низким показателям оплодотворения, ранней эмбриональной смертности, снижению эструса. Способы выявления ОЭБ основаны на метаболитах крови и оценке упитанности тела, которые представляют собой достаточно сложный сбор данных (индивидуальное потребление корма и масса тела) или инвазивного, трудоемкого сбора крови. Именно поэтому существует потребность в использовании неинвазивных биомаркеров крови, молока, волос [8].

Биомаркеры крови для диагностики ОЭБ жирных кислот являются самыми распространенными и отражают степень мобилизации жира в печени. Их повышенные концентрации приводят к уменьшению надоев молока, нарушению иммунитета, повышению рисков к инфекционным заболеваниям.

S.J. LeBlanc с соавторами (2005) и K.L. Ing-vartsen c соавторами (2006) в качестве биомаркеров кетоза рассматривали концентрацию глюкозы, неэстерифицированных жирных кислот и β-гидроксибутирата в крови [55, 56]. М. Piechotta с соавторами (2012) отметили, что концентрации сывороточных нестерифицированных жирных кислот и IGF-1 до родов связаны с послеродовыми заболеваниями [57]. Концентрация нестерифицированных жирных кислот в крови отражает степень мобилизации жира, β-гидро-ксибутират указывает на окисление жира в печени. Поэтому их широко используют в качестве индикаторов ОЭБ [58, 59]. Повышенные концентрации нестерифицированных жирных кислот и β-гидроксибутирата в крови связаны со снижением удоев [60], а также с ухудшением околоплодного иммунитета и повышенным риском инфекционных заболеваний [61–63]. Измерение β-гидроксибутирата в молоке позволяет выявлять информацию об энергетическом статусе животного и своевременно проводить профилактику кетоза.

Биомаркеры для выявления ацидоза рубца могут быть измерены в крови, моче, фекалиях или молоке. D-лактат был предложен в качестве маркера ацидоза рубца в крови, он синтезируется в рубце исключительно лактобактериями и бифидобактериями [64], плохо метаболизиру- ется млекопитающими и накапливается в жидкостях организма [65].

Метаболические изменения в молочной железе связаны с уровнем в крови свободной глюкозы, глюкозы-6-фосфата [66] и изоцитрата [67] и являются потенциальными индикаторами физиологического дисбаланса и риска заболеваний у животных. Значения β-гидроксибутирата в молоке также применяют как показатель субклинического и клинического кетоза [68]. Жирные кислоты молока можно использовать в качестве биомаркеров энергетического баланса у коров. Во время лактации энергетический статус животных приводит к изменениям в составе жирных кислот молока [69]. У животных, находящихся в условиях ОЭБ, синтез жирных кислот de novo происходит за счет молочной железы, и наблюдается их снижение в пользу увеличения мобилизации жира в организме [70] .

Термобиологические маркеры. Изменения температуры тела контролируются циркадной системой и активируют терморегуляторные эффекторы. Температурные параметры изменяются в зависимости от различных биологических факторов (размер тела, возраст, пол, уровень активности, доступность корма, температура окружающей среды) [17]. Таким образом, изменения в физиологии и поведении животного могут влиять на циркадный ритм его температуры тела.

Стресс-индуцированная гипертермия является острой реакцией температуры тела, включающей быстрое и временное увеличение температуры в ответ на психологический стресс и может также рассматриваться в качестве биомаркера благополучия [67]. При этом наблюдается постепенный возврат к нормальным показателям после устранения стрессора. Стресс-индуцированная гипертермия наблюдается в ответ на обработку, стрижку, ограничение и социальное воздействие на животных [34].

В настоящее время для оценки благополучия животных достаточно распространено использование таких технологических устройств, как камеры видео-визуализации, ошейники активности, шагомеры, датчики микрочипов [7]. Возможности этих устройств позволяют определять активность животного (движение), в т. ч. температуру, частоту дыхания, активность жевания, пищевое поведение и так далее при удаленном измерении в полевых условиях. Камеры видеовизуализации используют на молочных комплексах для обнаружения хромоты, оценки туши, что позволяет минимизировать взаимодействие между человеком и животными. Эти технологии остаются дорогостоящими и зависят от инфраструктуры передачи данных о состоянии в режиме реального времени, но в то же время подтверждена их перспективность для автоматизированной оценки благополучия животных [71, 72].

Заключение. Таким образом, благополучие животных зависит от многих факторов и связано со многими признаками их здоровья, наиболее доступными из которых на сегодняшний день являются поведенческие и физиологические. К основным преимуществам при выборе методов оценки благополучия животных относятся те, которые можно использовать в полевых условиях и когда время для проведения анализа является минимальным. Мониторинг животных с использованием биомаркеров позволит выявлять нарушения различных заболеваний на ранних стадиях. Необходимы дальнейшие исследования, направленные на понимание комплексного использования различных биомаркеров для оценки благополучия, так как использование одного из них не охватывает весь спектр исследований с учетом времени и места использования.