Основные итоги исследований в физиологии и биохимии продуктивных животных Севера (к 25-летию Института физиологии Коми НЦ УрО РАН)

Развитие экономики и сельскохозяйственное освоение северных территорий ставит задачи выбора приоритетных направлений в научных программах академических учреждений. В сложных, нередко экстремальных условиях, ограничивающих возможности создания кормовой базы для продуктивных животных, продовольственное обеспечение населения Севера традиционно было основано на развитии молочного животноводства, овцеводства и оленеводства. Северная природно-климатическая специфика определяет особенности сезонной структуры рационов животных, а также зоогигиени-ческие условия их содержания: длительный стойловый период (9–10 месяцев), контрастные изменения температуры среды, дефицит ультрафиолетовой радиации и отсутствие моционов (гиподина- мия) – факторы, отрицательно влияющие на продуктивность и воспроизводительную способность молочного скота. Производство продуктов северного животноводства может быть успешно решено только на основе изучения физиологических закономерностей формирования продуктивных качеств животных.

В 50-е гг. ХХ в. в Коми филиале АН СССР проведены исследования по влиянию структуры кормовых рационов на продуктивность и качество молока различных породных групп крупного рогатого скота. На основании анализа лактационных кривых и динамики жирномолочности П.Ф. Рокицким [1, 2] были сделаны выводы о трех основных составляющих получения и развития продуктивных качеств коров. К ним относятся: совершенствование приемов племенной работы, которое позволяет ускорить темпы эволюционного преобразования имеющихся пород; сбалансированные по качеству кормов рационы и создание оптимальных зоогигие-нических условий содержания животных. Были определены и дальнейшие задачи изучения факторов, влияющих на лактацию и качество молока, для понимания общефизиологических закономерностей молокообразования. При исследовании качественного состава молока у коров-помесей местных породных групп с холмогорском скотом Г.М. Ивановой показано изменение качества молока от уровня удоев на протяжении лактационного периода [3]. В работах И.С. Маркова и П.Н. Шубина по изучению продуктивных и породных качеств крупного рогатого скота в Коми АССР сделано заключение, что только улучшение породности без обеспечения кормовой базы не может решить задачу получения и сохранения хозяйственно-полезных качеств животных на Севере [2, 4].

Для решения проблем развития северного животноводства и разработки научно обоснованных, оптимальных условий кормления и содержания сельскохозяйственных животных в 1962 г. в Институте биологии Коми филиала АН СССР под руководством Н.Е. Кочанова была создана лаборатория экологии и физиологии животных.

Физиология питания и пищеварения жвачных животных

Сотрудниками лаборатории проведена энергетическая оценка [5] и получены характеристики усвояемости кормов растений, впервые интродуцируемых в Коми АССР. Исследовано влияние различных типов кормления на продуктивность крупного рогатого скота в отдельных зонах Коми АССР (районы Заполярья, центральная и южная части республики).

Процесс всасывания азотсодержащих веществ из пищеварительного тракта в кровь требует энергетических затрат и в значительной степени зависит от содержания в химусе глюкозы. Растворимые углеводы почти полностью сбраживаются в рубце, и только незначительное их количество, поступающее в кишечник, имеет вторичное микробиальное происхождение. Экспериментальное изучение роли различных отделов желудочно-кишечного тракта в усвоении углеводов в зависимости от типа кормления показало, что источником моносахаридов в тонком отделе кишечника являются не только эндогенные, но и экзогенные полисахариды. При высококонцентратном кормлении лактирующих коров усвоение клетчатки, сахарозы и кетоз происходит в тонком и толстом отделах кишечника. Введение в рацион животных противоацидозной добавки увеличивает компенсирующую роль кишечного переваривания углеводов [8].

Физиология репродуктивной функции

Репродуктивная функция домашних жвачных животных эволюционировала под влиянием создаваемых для них стационарных условий содержания, кормления, использования приемов искусственного осеменения. При исследовании физиологических механизмов регуляции воспроизводительной функцией выявлена роль метаболического обеспечения восстановления естественной эстральной цикличности у коров в лактационный период. Установлено, что эффективность воспроизводства животных определяется оптимальным уровнем обменных процессов в организме [15–17]. Повышенное содержание общего холестерина в крови коров является необходимым условием активации функции яичников и формирования полноценных циклов в послеродовой лактационный период [18].

Естественная инициация эстральной цикличности у коров после родов зависит от функционального состояния репродуктивной системы, в поддержании которого важная роль принадлежит иммунокомпетентным клеткам крови. Впервые установлено, что в процессе формирования полноценного полового цикла высокое содержание лейкоцитов в крови сосудов репродуктивных органов (физиологический лейкоцитоз) значимо выражено у диких и домашних животных. Физиологический лейкоцитоз обеспечивает избирательное использование функционально разграниченных клеток белой крови (лимфоцитов и нейтрофилов) в зависимости от фазы цикла. Изменение лимфоцито-нейтрофильного отношения является индикатором оптимального взаимодействия иммуноцитов со структурой репродуктивных органов в течение цикла [19, 20].

На основании проведенных исследований предложены клинико-физиологические тесты для определения функциональной активности яичников коров с использованием характеристик морфологического состава покровного эпителия влагалища, цервико-вагинального секрета и уровня обмена веществ. Определены маркеры крови, характеризующие состояние организма животных в период прохождения половых циклов, которые позволяют оценивать результативность осеменения. Для коррекции эстральной цикличности, восстановления полноценных циклов и сокращения периода от родов до оплодотворения получены и апробированы естественные биостимуляторы из животных тканей и растений, обеспечивающие повышение эффективности воспроизводства коров [21].

Условия содержания продуктивных животных на Севере

Частичное или полное исключение на Севере пастбищного периода, длительное содержание коров в животноводческих комплексах и отсутствие регулярной двигательной нагрузки (моциона) в стойловый период вызывают серьезные нарушения в работе физиологических функций, изменение интенсивности обмена веществ. Негативные воздействия приводят к сокращению длительности хозяйственного использования животных, ослаблению естественной резистентности организма и снижению молочной продуктивности. В лаборатории проведены эксперименты по влиянию «жестких» условий гиподинамии на формирование функций крови, дыхания, сердечной деятельности у телят в первые месяцы после рождения. Нахождение животных в ограничивающей движения клетке нарушало естественно побуждающие мотивации поведения, необходимые для сохранения высокой реактивности функциональных систем и организма в целом.

Установлено, что у животных в первые 15 дней постнатального онтогенеза заметно снижался уровень гемоглобина крови (физиологическая анемия) в результате разрушения эритроцитов плодного происхождения. Компенсаторное восстановление содержания эритроцитов у телят в условиях гиподинамии было замедлено по сравнению с возрастной динамикой состава крови у животных-аналогов при свободном содержании. У месячных телят при ограничении двигательной активности наблюдалось достоверное уменьшение кислородной емкости крови, снижение эффективности функции внешнего дыхания и газоэнергетического обмена (частоты дыхания, вентиляции легких, потребления кислорода и выделения углекислого газа) [22–24].

Отрицательное влияние гиподинамии в условиях северных животноводческих комплексов необходимо учитывать при разработке современных технологий содержания молочного скота, для направленного выращивания молодняка с высокой молочной продуктивностью и воспроизводительной способностью. Проблема поддержания необходимой двигательной активности животных частично была решена одной из разработанных и рекомендуемых технологий конвейерного обслуживания молочных коров, которая позволяет проводить физиологически обоснованный дозированный моцион в пределах скотного двора [25, 26].

Микроклимат животноводческих помещений существенным образом зависит от природно-климатических условий района, где расположено хозяйство. В зимний стойловый период при среднемесячных температурах наружного воздуха от -14º до -20ºС температура в обследованных помещениях не превышала 4º–10ºС при относительной влажности воздуха до 95%. Низкие температуры и высокая влажность воздуха вызывают напряжен ность адаптивных терморегуляторных реакций, от- рицательно влияют на общий жизненный тонус организма, уровень продуктивности и продолжительность периода хозяйственного использования животных. Установлено, что вынужденная теплоотдача и теплопотери организма также приводят к нерациональному расходу энергии корма и снижению молочной продуктивности. Во время прогулок в открытом загоне при температуре до -25ºС адаптивные терморегуляторные реакции у коров проявлялись в снижении частоты дыхания (на 10–40%) и уменьшении вентиляции легких, что сокращало связанные с дыханием на холоде теплопотери организма [27].

Установлено, что терморезистентность к высоким температурам среды снижается при увеличении продуктивности коров и высокоэнергетическом уровне кормления. В условиях плохо вентилируемых помещений при температуре выше 15ºС вынужденное повышение теплоотдачи с дыханием происходит за счет интенсивной вентиляции легких (корреляция с температурой среды составила r = 0,54-0,94) и учащения дыхания (r=0,64-0,88). Поддержание температурного гомеостаза организма в условиях некомфортных температур (низких или высоких) зависело от возраста животных, их физиологического состояния, уровня продуктивности, сезонных морфологических изменений шерстного покрова и всего комплекса зоогигиенических условий [27].

Физиология северного оленя

Северное оленеводство – было одной из основных отраслей сельскохозяйственного производства и являлось источником диетической мясной продукции для населения северных районов Республики Коми. Общее поголовье северных оленей в хозяйствах РК в 1951–1956 гг. составляло около 140 тыс. голов, в 1970–1972 гг. – 120–160 тыс., затем в 1976 г. наблюдалось снижение до 80 тыс. голов. Основным лимитирующим фактором продуктивности в оленеводстве является уменьшение кормовых запасов естественных тундровых пастбищ и при определенных погодных условиях затрудненная доступность корма из-за обледенения снежного покрова. Кроме того, потери продуктивной биомассы северных оленей зависят также от протяженности перегона стада до убойного пункта.

Особую научную ценность имеют полученные в лаборатории результаты исследований физиологических функций диких животных, которые находятся под непосредственным воздействием факторов Севера. Своеобразие среды обитания северных оленей определяет сочетание скудных кормовых ресурсов и суровости погодных условий в период длительного холодного сезона года (низкие температуры, осадки, ветер, влажность), а также резкой смены погоды. Изучение механизмов поддержания энергетического гомеостаза в организме диких животных является одной из актуальных проблем экологической физиологии.

Целостная картина обмена веществ в организме диких жвачных животных впервые была получена в экспериментах с использованием хирурги- ческих методик выведения системы внешних анастомозов и фистул на разных участках желудочнокишечного тракта, позволяющих проведение биохимического анализа химуса в сочетании с изучением состава биологических сред. Результаты уникальных исследований по физиологии пищеварения северных оленей в экспериментальных и естественных условиях обобщены и опубликованы в серии статей, тематических сборниках и монографиях [9, 13, 28–31].

Гомеостатирование обмена веществ у жвачных животных в избирательном ионообмене и депонировании питательных веществ выполняет отдел пищеварительной системы «рубец-сетка». Всасывание продуктов рубцовой ферментации в пищеварительном тракте северного оленя происходит путем сопряженного эквивалентного транспорта анионов с минеральными катионами и эквивалентного избирательного ионообмена [28–30]. Установлено, что в процессе интегрального механизма ионного равновесия в биологических жидкостях организма диких животных принимают участие метаболиты белкового, углеводного, жирового и минерального обменов.

Механизм энергетической адаптации диких жвачных к холодовому фактору Севера сводится к экономному расходованию резервных материалов организма и снижению образования воды – конечного продукта аэробного окисления веществ. Это способствует ограничению теплоотдачи и поддержанию температурного гомеостаза в организме северных оленей [37].

В ходе эволюции у диких животных Севера сформировались адаптивные механизмы, в основе которых лежит принцип минимизации энергетических затрат на поддержание температурного гомеостаза в экстремальных условиях. При проявлениях «жесткости» погоды и дефиците кормов совершенство морфофизиологической теплоизоляции северных оленей обеспечивает высокую эффективность адаптации без дополнительного расхода энергии для увеличения внутренней теплопродукции. Низкий уровень обмена веществ и теплопродукции северного оленя в этих условиях свидетельствует о переходе организма на режим энергетически экономного функционирования всех физиологических систем, поддерживающих жизнедеятельность и воспроизводство популяции в условиях Крайнего Севера [37, 38].

Заключение

К достижениям фундаментальной физиологической науки следует отнести большой объем новой информации, раскрывающей закономерности функционирования пищеварительной, репродуктивной и других систем организма жвачных животных. Результаты многолетних комплексных исследований обмена веществ и усвоения энергии корма были получены с использованием в качестве модельных объектов – продуктивных животных (коров, овец, северных оленей) в специфических природных условиях Севера. Для решения основной проблемы северного животноводства – получения высокой продуктивности при разработке научных основ оптимальной обеспеченности и эффективного использования кормов – были использованы выявленные закономерности белкового, углеводного и минерального обменов при различных по структуре рационах кормления животных.

Впервые раскрыты механизмы физиологических адаптаций и биохимического гомеостатиро-вания внутренней среды организма диких жвачных животных в условиях неравномерного сезонного поступления питательных веществ и энергии корма. Выявлена специфика румено-гепатической циркуляции азота и резервных белков в тканях в зависимости от типов корма. Показано, что одной из особенностей адаптации северного оленя к условиям холодового фактора на фоне совершенных механизмов теплоизоляционной защиты является снижение водного обмена и, как следствие, ограничение теплопотерь, что обеспечивает экономное расходование внутренней энергии организма.

На основе изучения различных уровней метаболического обеспечения репродуктивной цикличности установлены варианты оптимальных межфункциональных связей между обменом веществ, репродукцией и лактацией. Это является физиологическим обоснованием разработки технологий для повышения качественных характеристик воспроизводства высокопродуктивных животных.

Результаты исследований физиологии и биохимии продуктивных животных Севера были обобщены и на их основе защищены кандидатские и докторские диссертации: Н.Е.Кочанов, 1959, 1969; Г.М. Иванова, 1959; Л.И. Иржак, 1960; П.Н. Шубин, 1963; А.Ф. Симаков, 1970, 1996; Т.В. Симакова, 1972; Н.И. Чувьюрова, 1975; А.Э. Вебер, 1976; Г.В. Тулупов, 1980; Л.П. Бадло, 1984; Т.И. Кочан, 1986; А.В. Чалышев, 1987; М.Ф. Борисенков, 1989; Т.Ф. Василенко, 2008.

Природные ресурсы северных территорий и рациональное освоение их потенциала вселяют надежду на перспективы использования достижений фундаментальной физиологической науки в становлении и развитии сельского хозяйства на Европейском Севере.