Влияние глюкозы и некоторых гормонов на пищевое поведение рыб: На примере карася и карпа

Поведение представляет собой лабильную и необычайно важную систему приспособлений, позволяющих животным не только существовать в постоянно меняющихся условиях среды, но и входить в качестве составной части в организованные и регулируемые группы и сообщества. Поведение играет важную роль в регуляции численности популяции, выборе местообитания, территориальности, агрегации, взаимодействиях в системе «хищник— жертва», конкуренции, дифференциации по нишам, естественном отборе и других аспектах популяционной экологии (Одум, 1975). В связи с этим исследование поведения рыб занимает важное место при рассмотрении традиционных проблем экологии, таких как питание, размножение, миграции и других (Павлов, Касумян, 1987; Экспериментальные и полевые исследования., 1989).

Важнейшими биотическими факторами, определяющими успешное существование особи и вида в целом, являются питание и пищевые отношения животных (Ивлев, 1977). Пищевое поведение рыб традиционно изучается по двум основным направлениям— экологическому и физиологическому. В первом основное внимание уделяется спектру и интенсивности питания рыб (пищевым рационам), наполненности и скорости эвакуации пищи из желудка, конкурентным отношениям с другими видами, во втором — механизмам регуляции аппетита, моторно-секреторной функции желудочно-кишечного тракта и пищевого поведения в целом (Шпарковский, 1996). Питание и пищевые взаимоотношения рыб водохранилищ Волжского каскада изучены достаточно подробно (Житинёва, 1958, 1959, 1960; Фортунатова, Попова, 1973; Иванова и др., 1978; Столбунов, 2003; и др.). Закономерности пищедо-бывательного поведения рыб интенсивно изучаются в экспериментальных условиях (Ивлев, 1977; Герасимов, Линник, 1988; Михеев, 1984, 2001; Михеев, Пакульская, 1989; Герасимов, 2003; Gerasimov, 1996; Mikheev, 2000; и др.). Данные, касающиеся характера и способов питания, а также структуры пищевого поведения рыб, обобщены в ряде фундаментальных обзоров (Павлов, Касумян, 1998; Pavlov, Kasumyan, 2002).

В то же время, пищевое поведение является одним из важнейших регуляторов гомеостаза (Кассиль, 1990). Сложность и многокомпонентность системы регуляции той или иной формы поведения характерны не только для высших позвоночных животных, но и для рыб (de Pedro and Bjornsson, 2001). Современные представления о регуляции пищевого поведения животных весьма противоречивы и в настоящее время бесспорным представляется лишь то, что оно не может регулироваться каким-либо одним компонентом внутренней среды, а определяется сложной цепью превращений, затрагивающих разные звенья метаболизма (Кассиль, 1990). Один из аспектов регуляции пищевого поведения животных связан с содержанием различных химических соединений в крови животного, изменение концентрации которых может приводить к формированию состояний голода и сытости.

Проблема регуляции аппетита у млекопитающих имеет длительную историю (Павлов, 1951; Кассиль, 1959; Уголев, Кассиль, 1961; Кассиль и др., 1970; Анохин, Судаков, 1971; Кассиль, 1976; Уголев, 1978; Кассиль, 1990; и др.). Исследование физиологических основ пищевого поведения рыб начато лишь в 50-е гг. XX в., вследствие чего сведений по этому вопросу накоплено значительно меньше, и они менее систематизированы. В последние десятилетия возросло количество работ, посвященных изучению роли нейромедиато-ров, нейропептидов и гормонов, в регуляции потребления пищи у рыб (de Pedro et al., 1993, 1995a, b, 1997, 1998a, b, 2001, 2003; Schwartz et al., 1992, 1997; Silverstein et al., 1998, 1999; Johnsson et al., 1998 и др.). Однако в подавляющем большинстве работ традиционно исследуется влияние изучаемых агентов лишь на один критерий пищевого поведения рыб — количество потребляемой пищи. В то же время известно, что пищевое поведение рыб — сложная, состоящая из нескольких фаз, форма поведения (Павлов, Касумян, 1998). В связи с этим, большой интерес представляет изучение механизмов регуляции целостного пищевого поведения рыб, включающего комплекс вревременных характеристик питания и подвижности, интенсивности и скорости питания.

Цель работыисследование роли глюкозы, инсулина и адреналина в регуляции целостного пищевого поведения и связанных с ним групповых отношений рыб в условиях, приближенных к естественным, а также его отдельных характеристик в упрощённых моделях питания.

Задачи исследования:

1. Оценить влияние глюкозы, инсулина и адреналина, введённых внут-рибрюшинно, на целостное пищевое поведение и латентное время питания трёх близкородственных видов рыб сем. карповых: серебряного карася Carassius auratus (L.), обыкновенного карася С. carassius (L.) и карпа Cypri-nus carpio L.

2. Сопоставить влияние различных доз глюкозы и гормонов на пищедо-бывательную и двигательную активность, а также латентное время питания рыб в различных схемах поведенческих экспериментов.

3. Оценить влияние исследуемых агентов на биохимические показатели, характеризующие интенсивность углеводного обмена (содержание резервных веществ в тканях рыб и концентрацию глюкозы в крови).

4. На основании сопоставления данных поведенческих экспериментов и биохимического анализа предложить физиологические механизмы, лежащие в основе изменения поведенческих реакций рыб под воздействием глюкозы и гормонов.

Научная новизна работы.

Впервые исследовано влияние глюкозы— важнейшего утилизона, а также инсулина и адреналина — гормонов, участвующих в регуляции метаболизма, накопления и расходования резервных веществ, на целостное пищевое поведение рыб. Впервые установлен зависящий от дозы и времени эффект экзогенных гормонов и глюкозы на пищедобывательную и двигательную активность рыб. Выявлено слабое стимулирующее действие малых доз адреналина и глюкозы на интенсивность питания рыб, и угнетающее — больших. Установлен выраженный дозозависимый эффект инсулина, проявляющийся в первоначальной гипофагии и последующей гиперфагии, сходный с наблюдаемым у млекопитающих. Показано стрессирующее действие адреналина в высоких дозах, а также процедуры инъекции на поведение рыб. Предложены метаболические механизмы, опосредующие влияние гормонов и глюкозы на интенсивность питания рыб. Показано принципиальное сходство последних с таковыми у млекопитающих.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Исследование механизмов реализации рыбами сложного комплекса биологических реакций, связанных с питанием, представляет значительный интерес для анализа закономерностей функционирования сообществ водных организмов. В частности, детальное изучение регуляции пищевого поведения рыб необходимо для понимания механизмов, лежащих в основе формирования рациона рыб и их распределения в пространстве. Разработка этой фундаментальной проблемы важна и для решения многих вопросов аквакультуры, таких как оптимизация и создание новых способов и технологий кормления, а также для выработки принципов и способов управления поведением рыб в рыбохозяйственных целях.

Работа выполнена в рамках программ, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований (проекты №№ 98−04−49 099, 01−449 120).

Апробация.

Материалы диссертационной работы доложены на XI Всероссийской конференции молодых учёных «Проблемы экологии и биоразнообразия водных и прибрежно-водных экосистем» (Борок, 1999) — International Symposium dedicated to Academician Ivan Pavlov’s 150-anniversary «Mechanisms of adaptive behaviour» (SPb, 1999) — VII Молодёжной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2000) — Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоно-сов-2000» (Москва, 2000) — IX Всероссийской конференции «Экологическая физиология и биохимия рыб» (Ярославль, 2000) — Юбилейной научной конференции, посвященной 30-летию Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова «Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук на пороге XXI века: Биология. Химия» (Ярославль, 2000) — Международной конференции, посвящённой 75-летию со дня рождения A.M. Уголева «Механизмы регуляции висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2001) — Всероссийской конференции «Физиология организма в нормальном и экстремальном состоянии» (Томск, 2001) — Международной конференции «Трофические связи в водных сообществах и экосистемах» (Борок, 2003) — Международной конференции «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов» (Петрозаводск, 2004).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ: 10 тезисов и 5 статейодна статья сдана в печать.

Благодарности.

Выражаю глубокую благодарность: д.б.н. В. В. Кузьминой — за предоставленную тему диссертации, руководство на всех этапах её выполнения и доброжелательную поддержкук.б.н. Ю.В. Герасимову— за помощь в техническом оснащении экспериментов, освоении математических методов обработки данных и консультативную помощьд.б.н. Г. М. Чуйко— за консультативную помощь и конструктивные замечания при подготовке текста диссертацииН.Н. Назаровой, Е. С. Смирновой, H.A. Смирновой, А. Г. Плюшкиной и Е. В. Яблочкиной — за техническую помощь при проведении экспериментовк.б.н. Э.В. Гарину— за помощь в оформлении работыП.Г. Гре-чанову и A.K. Смирнову — за помощь в получении материала для проведения экспериментов, а также всем сотрудникам лаборатории экологии рыб за поддержку и искренний интерес к работе.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

ВЫВОДЫ.

1. Впервые показано влияние глюкозы, адреналина и инсулина не только на конечную фазу пищевого поведения рыб (количество съеденной пищи), но и на фазу поиска пищи.

2. Продемонстрировано неоднозначное, зависящее от дозы, влияние периферически введённого адреналина и глюкозы на пищевое поведение карася и карпа: низкие дозы незначительно стимулируют пищедобывательную активность рыб, высокие — угнетают. Влияние инсулина, напротив, однозначно вне зависимости от дозы, а величина эффекта напрямую зависит от дозы гормона.

3. Глюкоза в дозе 3000 мг/кг и выше вызывает снижение двигательной активности рыб. При введении меньших доз, напротив, наблюдается незначительное увеличение времени подвижности рыб. Скорость плавания рыб снижается под воздействием только высоких доз глюкозы.

4. Выявлен двухфазный характер влияния адреналина на интенсивность питания рыб: кратковременное снижение через 1 ч после инъекции и увеличение в последующие часы наблюдения, максимальное через 2 сут. Наиболее выраженное увеличение рациона и суммарного времени питания во второй фазе наблюдается при меньшей дозе.

5. Периферически введённый адреналин и процедура внутрибрюшинной инъекции оказывают дозозависимое стрессирующее воздействие на поведение рыб, проявляющееся в снижении локомоторной активности, увеличении в общем балансе времени доли группового плавания, появлении «бросковых» движений. Возникновение стресса у рыб подтверждается характерным изменением показателей углеводного обмена: увеличением уровня гликемии и снижением концентрации гликогена в печени в первые часы после инъекции.

6. Периферическое введение инсулина оказывает наиболее значительное и пролонгированное влияние на пищедобывательную активность рыб. Наблюдается двухфазное изменение интенсивности питания: 1) снижение интенсивности питания, максимальное через 6—24 час после инъекции- 2) увеличение потребления пищи, максимальное на 9-е сутки. Влияния инсулина на двигательную активность рыб не выявлено.

7. Предполагается, что влияние адреналина на пищевую мотивацию рыб обусловлено двумя метаболическими эффектами: быстрым и медленным (увеличение биосинтеза белка в клетках). Воздействие высоких доз глюкозы опосредовано увеличением секреции инсулина. Эффекты экзогенного инсулина на пищевую мотивацию не зависят от уровня гликемии, а предположительно связаны с изменением концентрации резервных веществ (жира).

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключение необходимо отметить, что, несмотря на наличие фундаментальных знаний в области изучения закономерностей пищевого поведения рыб (Павлов, Касумян, 1990, 1998; Михеев, 2001; Pavlov, Kasumyan, 2002) и роли сенсорных систем в реализации поисковых реакций (Протасов, 1965, 1968; Нага, 1971, 1992; Sorensen, Caprio, 1998; Kasumyan, Doving, 2003; Kasumyan, 2004), до настоящего времени не раскрыты механизмы регуляции начальных этапов экзотрофии. Успехи, достигнутые при изучении физиологических аспектов пищевого поведения рыб (Пегель, 1950; Краюхин, 1963; Кузьмина, 1966; Himick, Peter, 1993, 1994; de Pedro et al., 1993, 1995, 1997, 1998, 2001, 2003; Silverstein et al., 1998, 1999; Шпарковский, 1991, 1996, 1999; de Pedro, Bjornsson, 2001), касаются, как правило, влияния метаболитов, нейротрансмит-теров и гормонов лишь на их рационы.

Результаты данной работы подтверждают важную роль мотивационной компоненты в осуществлении сложного комплекса биологических реакций рыб, связанных с питанием. Известно, что внутренние факторы, взаимодействуя с внешними, являются определяющими в поиске и потреблении пищи рыбами (Шпарковский, 1991). В настоящей работе показано, что периферически введённые глюкоза, адреналин и инсулин вызывают неоднозначные по характеру и величине изменения пищедобывательной активности карася и карпа, зависящие как от дозы, так и от времени, прошедшего после введения препарата. Эти факты хорошо согласуются с высказанной ранее гипотезой, что «долговременные механизмы поиска и потребления пищи <у рыб> связаны с метаболизмом» (Шпарковский, 1996: 107).

Обнаружено снижение пищедобывательной активности рыб под воздействием глюкозы в дозе 3000 мг/кг массы тела и выше, в то время как величины рациона и суммарного времени питания под воздействием меньших доз глюкозы в ряде случаев даже несколько превышают соответствующие значения у контрольных особей. Полученные данные свидетельствуют об угнетении пищевой мотивации рыб под воздействием высоких доз глюкозы и незначитель-^ ном стимулировании — под воздействием низких. При этом латентное время питания рыб увеличивается лишь под воздействием высоких доз этого моносахарида. На основании данных, касающихся изменения уровня гликемии в условиях глюкозной нагрузки (Кузьмина, 1971а, б) и собственных наблюдений высказано предположение о том, что увеличение концентрации глюкозы в плазме крови не играет ключевой роли в угнетении аппетита рыб. Снижение пищедобывательной активности под воздействием высоких доз глюкозы обусловлено, по-видимому, иными причинами, предположительно, увеличением уровня инсулина в крови, как это происходит у млекопитающих (Комаров и др., 2001). Сделана попытка объяснить изменения в характере двигательной активности рыб (снижение подвижности при наибольшей дозе, и, напротив, её незначительное усиление — при двух меньших дозах). Высказано предположение, что первый факт может быть обусловлен: 1) возникновением у рыб состояния, близкого к «сытости», и снижением вследствие этого их поисковой активности, щ.

4 что совпадает с данными литературы (Зданович, Пушкарь, 2004) — 2) снижением скорости плавания в результате изменения реактивности нервной системы рыб, на что указывают данные по измерению латентного времени питания. Напротив, увеличение подвижности рыб под воздействием низких доз глюкозы может быть вызвано усилением пищевой мотивации.

Заслуживает внимания влияние периферически введённого адреналина на пищедобывательное поведение карася и карпа— снижение пищедобывательной активности рыб как под воздействием инъекций адреналина во всех изученных дозах, так и раствора Рингера. Примечательно, что интенсивность и время питания рыб под воздействием низкой дозы адреналина были выше таковых у рыб остальных опытных и даже контрольной групп, приближаясь к значениям у интактных особей. Анализ динамики характеристик питания карася под воздействием адреналина и «ложной» инъекции позволил выявить ха-* рактерный феномен — кратковременное снижение пищевой мотивации рыб через 1 ч после инъекции и увеличение в последующие часы наблюдения, максимальное через 2 сутпри этом наиболее выраженное увеличение наблюдалось при меньшей дозе. На основании данных, известных из литературы (Розен, 1994), высказано предположение о наличии двух метаболических эффектов адреналина, опосредующих соответствующие изменения пищевой мотивации рыб: быстрого и медленного, или отставленного эффекта. Последний эффект, вероятно, связан, как и у высших позвоночных, с усилением биосинтеза белка в клетках. Обнаружено характерное двухфазное увеличение латентного времени питания рыб под воздействием адреналина: через 1 час и 8—24 час после инъекции. Отсутствие корреляции динамики изменения латентного времени питания с таковой рационов даёт основание считать, что изменение этого показателя не связано с уровнем пищевой мотивации, а обусловлено лишь изменением состояния нервной системы рыб под воздействием адреналина (Pavlov et al., 1994). Стоит отметить, что все изученные дозы препарата, а также сама процедура внутрибрюшинной инъекции оказывают дозозависимое стрессирующее воздействие на рыб, проявляющееся в снижении локомоторной активности, увеличении в общем балансе времени доли группового плавания, а также появлении «бросковых» движений (Флёров, 1989). Это предположение подтверждается характерным для первичного стрессового ответа гипергликемическим эффектом, аналогичным таковому у млекопитающих (Плисецкая, 1975; Pavlov et al., 1994). Результаты экспериментов по влиянию адреналина можно интерпретировать в рамках представления о конкурирующем взаимоотношении двух основных поведенческих доминант: пищевой и оборонительной (Мантейфель, 1980). Так, в случае инъекций больших доз адреналина и раствора Рингера у рыб преобладает оборонительная мотивация, подавляющая пищевуюнапротив, при введении низкой дозы возросшая в результате метаболических сдвигов пищевая мотивация существенно усиливает пищедобывательную активность стрессированных рыб, выравнивая их характеристики питания до уровня ин-тактных особей.

Однако наибольший интерес представляют данные, полученные при исследовании влияния инсулина на пищедобывательную активность рыб. Так, обнаружено чёткое дозозависнмое усиление интенсивности питания рыб, проявляющееся в возрастании рационов и скорости питания, снижении времени, затраченного на поиски пищи. Анализ динамики рациона и времени питания под воздействием инсулина выявил двухфазное изменение пищевой мотивации рыб, сходное с наблюдаемым под воздействием адреналина: первоначальное снижение интенсивности питания, максимальное через 6—24 час после инъекции, впоследствии сменяется значительным повышением, максимальным на 8—9-е сутки. При этом величина как снижения, так и последующего возрастания интенсивности питания напрямую зависит от дозы гормона. При введении инсулина совместно с глюкозой гиперфагия не наблюдается. Результаты экспериментов полностью соответствуют данным, полученным на млекопитающих (Кассиль, 1990). Анализ возможных механизмов влияния гормона на пищевое поведение рыб с привлечением данных литературы (Кузьмина, 1971аРозен, 1994; Willing, 1995) позволил предположить, что эффекты инсулина не связаны с возникающей гипогликемией. Первоначальное снижение потребления пищи вызвано, по-видимому, ранними эффектами инсулина, направленными на усиление поступления в клетки аминокислот и глюкозы, что наблюдается при естественной выработке инсулина после приёма пищи (Бакл, 1986). Очевидно, развивающаяся в дальнейшем гиперфагия обусловлена поздними эффектами инсулина и связана с депонированием резервных веществ (жира) в органах и тканях рыб. Значимых изменений двигательной активности и скорости плавания не наблюдается. Вследствие этого скорость питания рыб под воздействием гормона растёт при возрастании дозы пропорционально усилению их пищевой мотивации.

Обнаруженные закономерности влияния гормонов и глюкозы на метаболизм рыб указывают на их значительное сходство с таковыми у млекопитающих. Однако влияние этих агентов на пищевое поведение рыб, в силу его специфики, имеет характерные особенности. Данные поведенческих экспериментов указывают на более сложный характер пищевых реакций рыб, питающихся группой в условиях, приближенных к естественным, по сравнению с поведением одиночных особей в опытах с упрощенными моделями питания. Так, в ряде ^ случаев изменения рациона под влиянием препаратов в опытах по изучению целостного пищевого поведения рыб оказываются менее выраженными, чем в опытах с одновременной регистрацией латентного времени питания и рационов. Это может быть обусловлено конфликтом мотиваций: пищевой, оборонительной, социальной (Михеев, 2001). На примере экспериментов с введением глюкозы показано, что о снижении пищевой мотивации рыб можно судить не только по интенсивности и затратам времени на питание, но и усилению других (оборонительной и социальной) мотиваций. Показаны также значительные сезонные отличия в интенсивности питания рыб, а также в силе реакции рыб на стрессирующее воздействие, что согласуется с данными литературы (Лебедева и др., 1988). Приведённые факты свидетельствуют о чрезвычайно тесном взаимодействии как эндогенных, так и экзогенных факторов биотической и абиотической природы в осуществлении биологических реакций рыб, связанных с питанием, и значимости последних для успешного существования вида и сообществ водных организмов.