Влияние изменений температуры на вегетативные процессы у морских рыб.
С разной естественной подвижностью исследовано И. А. Шпарковским на примере трески, керчака, зубатки и ската. Рыб подвергали тепловому стрессу сразу после обездвижения и вживления электродов. В норме регистрировались выраженные сердечно-дыхательные аритмии. В идентичных условиях при 2 — 4°С частота дыхания и сердечного сокращения у зубатки оказывается в этих опытах 24 и 26 в минуту, у керчака — 16 и 18, у трески — 22 и 23, у ската — 10 и 16 в минуту. С повышением температуры до 12°С частотные показатели неоднозначно и нелинейно возрастают, затем стабилизируются при 12-16°С, но брадикардии и угнетения внешнего дыхания при экстремальной температуре (16°С) не обнаружено. Автор отмечает некоторые изменения формы, длительности отрезков и амплитуды зубцов электрокардиограммы у рыб, которые были обусловлены не только изменениями температуры.
Полное восстановление сердечной деятельности происходило за 40 — 50 минут. У свободноплавающих рыб описанные изменения физиологических показателей были менее выраженными. У исследованных видов морских рыб, так же как и у севанской форели, амплитуда дыхательных движений, и, вероятно, объем вентиляции уменьшаются. Между тем у гольяна, хариуса и окуня "глубина" дыхания в подобных условиях, напротив, возрастает, что косвенно свидетельствует об увеличении объема вентиляции. При резкой смене температуры у трески регистрировался "кашель", а у ската исчезала присущая ему в норме синхронность ритмов работы кардиореспираторного аппарата.
В противоположность накопленным к настоящему времени экспериментальным данным у всех рыб "в норме" ритм дыхания был на 6 — 8% ниже ритма сердечных сокращений, а при 16°С их соотношение было обратным. По мнению И. А. Шпарковского, выявленное ранее у большинства исследованных видов рыб соотношение оперкулярного и сердечного ритмов не свойственно им в норме и определяется "снятием обычных центральных влияний, идущих по холинэргическим волокнам блуждающих нервов". В доказательство он приводит результаты опытов на "антропинизированных рыбах" с выключенной вагусной иннервацией. У таких рыб частота сердечных сокращений ниже частоты дыхания в зоне адекватных температур (до 8°С), а при экстремальной температуре сердечный ритм становится выше оперкулярного.
С подобной трактовкой трудно согласиться прежде всего потому, что выполненное исследование имеет методические ошибки. Так, после манипуляционного стресса не было восстановительного периода, что не могло не отразиться на динамике регистрируемых показателей. Например, у ушастого окуня при 13 и 30°С частота дыхания выше частоты сердечных сокращений, но при 25°С ее соотношение меняется на обратное, и эта перестройка не сопряжена с нарушением функционального состояния рыб. Зона температурной толерантности у этого вида ограничена — 8 — 41°С. Кроме того, у форелевого и ушастого окуней наблюдалась обычная для костистых рыб динамика изменения внешнего дыхания, когда с повышением температуры с 8 до 41 °С линейно увеличивалась частота вентиляции жабр, а при экстремальной температуре дыхание прекращалось.
Следует отметить, что зависимость дыхательного ритма от температуры акклимации у ушастого окуня была нелинейной. Если сравнить данные, полученные И. А. Шпарковским на треске, с другими сведениями по этому виду рыб, то можно обнаружить существенные различия в функционировании кардиореспираторного аппарата у обездвиженных и свободноплавающих рыб. У свободноплавающих рыб, длительно акклимированных к 9°С (по И. А. Шпарковскому это экстремальная температура), частота сердечных сокращений в покое была равна 32 — 47 в минуту и мгновенно повышалась до 60 и более в минуту в период спонтанной двигательной активности.
Иными словами, у интактных рыб миокард способен усваивать ритм, в 2 раза превосходящий исходный или максимальный при температурном стрессе (16°С), и это не сопровождается "наиболее выраженными нарушениями сердечной деятельности". Кроме того, у свободноплавающих рыб не было аритмий ни в активном состоянии, ни в состоянии покоя, хотя отмечена индивидуальная изменчивость ритмов сердца и внешнего дыхания.
По данным Г. Е. Самониной и других специалистов, частота сердечных сокращений у свободноплавающей трески равна 70 в минуту, т. е. миокард функционирует в ритме, в 2 раза превосходящем максимальный ритм при термострессе. О наличии брадикардиального рефлекса у трески свидетельствует кратковременное замедление ритма сердечных сокращений в ответ на внезапные стимулы (испуг, анестезия, предельная скорость плавания). Сердечный ритм у анестезированных рыб был меньше, чем у рыб, вынутых из воды. Частота вентиляции жабр при 9 — 10°С была действительно ниже частоты сердечных сокращений, но по абсолютной величине она была меньше минимальной при 2°С в опытах И. А. Шпарковского.
Вместе с тем и этот показатель в норме мог быстро изменяться даже в больших пределах (на 45%), чем при термострессе (на 30% при 9 — 15°С), без каких-либо неблагоприятных для рыб последствий. Например, у свободноплавающей кумжи дыхательная ритмика в естественных условиях также была ниже, чем в лабораторных, что положительно коррелировало суров нем метаболической активности рыб. У обездвиженной трески восстановление физиологических показателей после термостресса наблюдалось спустя 50 минут. После анестезии у интактных рыб вслед за прекращением естественной вентиляции жабр снижался сердечный ритм (с 58 до 20 в минуту), но он мгновенно восстанавливался при возобновлении вентиляции жабр или в ответ на принудительную перфузию дыхательного аппарата.
Отмеченные различия в работе кардиореспираторного аппарата у свободноплавающей и обездвиженной трески свидетельствуют не только о меньшей устойчивости стрессированных рыб к температурным нагрузкам.
Вероятно, быстрый перепад температуры на 14°С действительно оказался экстремальным воздействием, хотя резервные возможности системы транспорта газов у рыб не были полностью исчерпаны. Возможно, выживание рыб в данных условиях лимитировал другой фактор. Так, для некоторых костистых рыб, в том числе для пузанковой сельди, была установлена зависимость массовой гибели рыб в естественных водоемах при быстром изменении температуры от повышенной концентрации калия, обусловленной гемолизом эритроцитов. Гиперкалиемия выявлена при такой температуре, когда сердце продолжало нормально функционировать. Содержания К+ в крови было на 100% выше исходного после кратковременного нагревания воды до 30°С. Характерно, что перепад температуры от 16 до 26°С за 4 ч вызывал шок и гиперкалиемию у рыб, а медленное повышение температуры с 16 до 31°С за 5 сут не сопровождалось сдвигами электролитного равновесия. Сублетальное нагревание воды вызывало у радужной форели снижение концентрации К+ в крови.
Изучение влияния измененного температурного режима на функциональное состояние кардиореспираторной системы основного объекта прудового рыбоводства — карпа (сеголетки и двухлетки) выполнено Ю. Н. Дьяконовым. Частота сердечных сокращений у рыб нелинейно повышалась с 22 до 149 в минуту по мере подъема температуры с 7 до 27°С. В этих опытах использовали рыб, длительно акклимйрованных к определенной температуре в естественном водоеме, но спустя 2 ч после манипуляционного стресса. Обращает на себя внимание высокий темп работы миокарда у молоди карпа по сравнению со взрослыми рыбами, у которых частота сердечных сокращений при 15°С равна 18 в минуту, а у сеголетков - 50 в минуту. У свободноплавающих сеголетков при 22 — 25°С он изменялся в пределах 35 — 75 в минуту, а у фиксированных — в пределах 117 — 124 в минуту, вероятно, сразу после имплантации электродов.
Снижение активности миокарда отмечено при 28°С, но оно было недостоверным. Температура воды влияла на выраженность зубцов и длительность интервалов ЭКГ, подобно тому, как это имело место в опытах на хариусе. Понижение температуры до 7°С вызывало аритмию, брадикардию и снижение амплитуды зубцов ЭКГ. Подобного рода изменения отмечены у ильной церины в ответ на ступенчатое снижение температуры с 30 до 10°С. При этом линейно снижались частота и амплитуда оперкулограммы, происходили аномальные изменения в ЭКГ: уменьшалась амплитуда зубца R, интервалы R-P и Q-T удлинялись, зубец Т при температуре 10°С становился инвертированным. Эти изменения, по мнению авторов, являются одной из причин массовой гибели рыб при внезапном охлаждении водоемов.
Ю. Н. Дьяконов ограничил "благоприятную зону" жизнедеятельности сеголетков карпа 15 — 27°С. Вне этой зоны у большинства рыб регистрировались такие серьезные нарушения сердечной деятельности, как мерцание желудочка, блокада атриовентрикулярной проводимости. Однако имеются данные о том, что сеголетки карпа хорошо себя чувствуют при 16°С, а взрослые особи выживают при температуре 5 и 35°С.
По мнению Ю. Н. Дьяконова, у мелких сеголетков карпа угнетение сердечной деятельности начинается раньше, чем у крупных. Это может быть следствием большей травмированности мелких рыб при имплантации электродов, тем более, что число особей с нарушенной сердечной деятельностью среди мелких экземпляров больше, чем среди крупных (50% против 14% в норме).
Масса сеголетков варьировала от 5 до 15 г. При температуре 15-7°С у 90% сеголетков ритм сердца нестабилен, а максимальная частота сердцебиений при 27°С ниже, чем у двухлетков. Эта зависимость работы сердца от массы рыб, скорее всего, определяется различием в скорости теплового уравновешивания особей с разной массой, нежели онтогенетическими различиями регуляции гемодинамической функции сердца. Ю. Н. Дьяконов считает, что уровень обмена рыб положительно коррелирует с уровнем активности миокарда и, в частности с его ритмом. У наименее устойчивых к экстремальным кислородным условиям особей исходный ритм сердца был ниже, чем у более резистентных к дефициту кислорода. Частота дыхания была выше во второй группе рыб. Точно так же и устойчивость рыб к гипоксии зависела от уровня потребления кислорода. В этих опытах масса рыб варьировала от 23 до 77 г, что могло быть основным фактором, влияющим на частотные и амплитудные показатели. Например, для ушастого и форелевого окуней выявлена обратная зависимость ритма дыхания от массы, а еще ранее в опытах на осетровых нами была обнаружена обратная связь частоты дыхания и сердечных сокращений с массой тела -.
Имеется положительная корреляция интенсивности потребления киспорода и частоты сердечных сокращений у некоторых видов рыб массой от 1 до 20 г. Известно, что у подвижных оксифилов уровень функциональной активности кардиореспираторного аппарата выше, чем у донных и малоподвижных рыб. Многочисленными исследованиями установлена положительная корреляция частотных показателей работы системы транспорта кислорода у разных по уровню организации и экологии видов рыб с газообменом и двигательной активностью в зависимости от сезона и времени суток.
Повышенная двигательная активность радужной форели, например, сопряжена с высоким ритмом работы сердца в норме, а менее подвижные особи отличаются пониженной устойчивостью к дефициту кислорода и соответственно низким уровнем его потребления.
Частота сердечных сокращений у рыб первой группы варьирует в пределах 48 — 58 в минуту, а во второй группе она не превышает 38 в минуту при 10°С. Известно, однако, что терморезистентным и устойчивым к дефициту кислорода видам присущи низкий темп работы кардиореспираторного аппарата и относительно небольшая изменчивость его частотных показателей при различных экзогенных воздействиях. Поэтому результаты опытов на форели нуждаются в дополнительной проверке.
Перестройка деятельности кардиореспираторного аппарата представляет собой первичные мгновенные реакции рыб, направленные на удовлетворение растущего кислородного запроса организма. Максимальная активность системы транспорта газов у рыб может поддерживаться непродолжительное время. В норме она сопряжена с метаболической ком пенсацией, когда организм "настраивает" себя на измененную среду. Чем выше скорость изменения экзогенных факторов, тем выше энергозатраты на мгновенную адаптацию и тем быстрее исчерпывается пропускная способность дыхательной и сердечно-сосудистой систем и в большей мере выживание организма определяется лабильностью этих физиологических систем.
Потребление кислорода у эктотермных позвоночных при постоянной температуре может возрастать не более чем в 5-10 раз по сравнению сего минимальным уровнем в покое. Видимо, как быстрый, так и медленный перепад температуры также сопряжен с изменением интенсивности газообмена в этих пределах. В ответ на различные воздействия скорость вентиляции жабр и циркуляции крови у рыб может повышаться в 5 — 10 раз. Метаболическая мощность анаэробиоза далеко превосходит аэробные возможности низших позвоночных. Высокие и умеренные уровни физиологической активности у этих животных достигаются при обязательном включении анаэробных процессов, которые способны некоторое время обеспечивать энергией мышечную активность.
Анализ накопленных к настоящему времени фактов показывает, что в экстремальных температурных условиях даже при максимальной функциональной активности СОКРО кислородный запрос организма остается неудовлетворенным, и в случае продолжающегося стрессорного воздействия наступает гибель рыб от кислородной недостаточности, скорость развития и глубина которой определяются множеством экзогенных и эндогенных факторов. Видимо, чем ближе уровень газообмена и активности кардиореспираторного аппарата рыб к предельному (в среде с измененной температурой), тем ниже резервные и адаптивные возможности организма и его устойчивость к неблагоприятным изменениям.
Конечно, причины смерти рыб при действии высоких и низких температур не ограничиваются одной лишь гипоксией, скорее всего, это вторичный эффект действия экстремальных температур. Они весьма многообразны и могут быть различными на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях. Известно, что диапазон переносимых температур наиболее узок для целостного организма, несколько шире для тканей и клеток и значительно шире для изолированных ферментов. Однако оптимальный температурный диапазон для ферментов, при котором имеет место максимальное сродство к субстрату, значительно уже. Хотя повышение температуры вначале ведет к повышению уровня активности ферментов, однако превышение температурного оптимума оказывает ингибирующее действие. Изменяется состояние липидов и увеличивается проницаемость клеточных мембран, снижается сродство гемоглобина к кислороду.
Понижение температуры воды, ведущее к охлаждению рыб, ведет и к увеличению проницаемости мембран, которые теряют способность поддерживать ионные градиенты.
При этом нарушается сопряженность ферментативных реакций, перестают работать ионные насосы, нарушается работа центральной и периферической нервной системы, угнетается работа кардиореспираторного аппарата, что в конечном счете может привести к развитию гипоксии. При перегреве или охлаждении рыб, возникающих в результате резкого изменения температуры в ограниченное время, определенная роль принадлежит осмотическим стрессам вследствие нарушения способности организма поддерживать определенную концентрацию ионов и белков в крови. Так, например, снижение температуры с 25 до 11°С вызывает у тиляпии, содержавшейся в пресной воде, развитие коматозного состояния, сопровождающегося снижением концентрации ионов натрия и хлора и общего белка крови. По мнению авторов, гибель рыб наступает из-за развития осморегуляторного коллапса и угнетения функции почёк. Косвенным подтверждением этого предположения может служить предотвращение температурной комы у рыб, содержащихся в разбавленной морской воде, что согласуется с более ранними наблюдениями повышения терморезистентности рыб вследствие добавления в воду ионов натрия, кальция и магния. Следует, однако, иметь в виду, что причины гибели рыб при повышенных или пониженных температурах различны и зависят от продолжительности и интенсивности температурного воздействия.
Итак, мы рассмотрели физиологический уровень реакций, возникающих в организме рыб при повышенных и пониженных температурах. Они развиваются в течение короткого периода времени (секунды, минуты, часы) и представляют собой наряду с изменением поведения прямые ответы на температурные воздействия. Амплитуда таких прямых реакций зависит от величины и скорости изменения температуры, а характер ответа и его выраженность — от видовых и экологических особенностей рыб.
