Исследование газообмена в эмбриональном развитии птиц — одного из важных показателей процесса обмена веществ и энергии — наряду с теоретическим интересом для понимания онтогенеза птиц имеет и практическое значение для решения некоторых вопросов инкубации.
Эмбрионы птиц — сложные объекты для исследования газообмена, так как количество метаболизирующей ткани по сравнению с инертной, недышащей массой питательного материала яйца очень мало, особенно на ранних стадиях развития. Вероятно поэтому, несмотря на издавна существовавший интерес к изучению газообмена эмбрионов птиц, достоверных данных имеется сравнительно немного. По данным Хассельбальха, общее количество потребленного O2 за период развития куриного эмбриона было равно 4.46 л. В другой работе установлено, что за период развития выделяется 3.022 л СO2. В первые дни инкубации ее выделяет скорлупа яйца; с 3-го до 17-го дня выделение СO2 за счет усиления дыхания эмбриона увеличивается, а затем до конца инкубации остается на постоянном уровне. Газообмен куриных эмбрионов, по данным Никита, имеет несколько большие величины: за период инкубации потребляется 5.53 л O2 и выделяется 4.16 л СO2. Сравнивая газообмен эмбрионов разных пород кур, автор отмечает, что интенсивность дыхания зависит от качества яиц и соответствует проценту вывода цыплят.
По данным Романова, прирост потребления кислорода куриными эмбрионами за сутки резко падает с 75% на 3-й день до 33% на 8-й; затем почти не изменяется до 14-го дня; потом резко падает до 5% на 18-й и снова повышается до 30% к 22-му дню инкубации. Автор наблюдал большие индивидуальные вариации в потреблении кислорода.
Большую серию исследований по развитию газообмена у куриных эмбрионов провел Ромейн с сотрудниками. Авторы отмечают, что данные о поглощении кислорода и выделении углекислоты на ранних стадиях эмбрионального развития не отражают действительного газообмена эмбриона, так как в течение первых 4—5 дней содержимое яиц выделяет большое количество углекислоты и кислорода. Быстрый подъем газообмена с 10-го до 14-го дня и, что особенно важно, увеличение интенсивности метаболизма на грамм ткани авторы объясняют включением функции щитовидной железы. Это было подтверждено исследованиями газообмена после инъекции тироксина и тиоурацила.
В сконструированном нами газообменном аппарате исследовался одновременно, но раздельно газообмен 6—7 объектов (эмбрионов и цыплят), с большей точностью, чем в имеющихся до сих пор газообменных приборах.
Потребление кислорода куриными эмбрионами, по нашим данным, несколько выше, чем это обнаружено другими исследователями. Мы предположили, что это различие обусловлено значительно меньшей вентиляцией респирационных камер в использованных этими исследователями приборах, чем в нашем газообменном аппарате. Специально поставленными опытами нам удалось достоверно показать, что сокращение вдвое вентиляции респирационных камер снижало потребление O2 в среднем на 20%. Следовательно, наши данные по газообмену эмбрионов более точны.
Прирост потребления кислорода, по нашим данным, протекает неравномерно, и особенное замедление его наблюдается с 15 до 18 дней инкубации, что совпадает во времени с появлением уплощения кривых содержания O2 и СO2 в воздушной камере яйца. После проклева скорлупы газообмен сильно увеличивается (на 32.9% на 19-й и на 31.0% на 20-й день инкубации), но настоящий «взрыв метаболизма», по образному выражению Митчелла с соавторами, наблюдается после выхода цыпленка из скорлупы. В среднем потребление O2 только что вылупившегося цыпленка на 55.8% выше, чем у 20-дневного эмбриона, проклюнувшего скорлупу, и на 104.1% выше, чем у эмбриона того же возраста, но до проклева. Какова же причина этого «взрыва метаболизма»? В какой-то мере он, вероятно, обусловлен и увеличением подвижности, хотя проклев скорлупы по кругу и выход цыпленка из яйца также требуют большой механической работы. Мы считаем основной причиной огромного увеличения газообмена после вылупления снятие в это время такого серьезного препятствия для газообмена, каким является скорлупа.
Потребление кислорода имеет большие индивидуальные колебания и зависит от условий инкубации. Следует отметить, что снижение газообмена в 16—18-дневном возрасте наблюдается не только у гибнущих затем эмбрионов, но и у тех, которые потом нормально вылупились. Газообмен эмбрионов, которые впоследствии становятся задохликами, в некоторых случаях становится значительно ниже, чем у нормально развивающихся эмбрионов, уже за несколько дней до гибели; у других потребление O2 снижается только в день гибели, а накануне оно практически такое же, как у тех, которые нормально вылупятся. Сравним эти наблюдения с нашими данными о составе газов воздушной камеры яиц, где эмбрионы погибали в последние дни инкубации. Эмбрионы с нормальным газообменом почти до конца инкубации сходны с теми, которые развивались в яйцах № 14 и № 54, имевших в воздушной камере к концу инкубации вследствие плохой проницаемости скорлупы для газов низкое содержание O2 и высокое СO2, т. е. были в полном смысле задохликами. У других — с газообменом, ослабленным задолго до вылупления (т. е. вне зависимости от проницаемости скорлупы), состав газов воздушной камеры оказывается к концу инкубации близким к нормальному. Для них, ослабленных в первые 16—17 дней инкубации, трудность перехода от аллантоисного к легочному дыханию является лишь доне:мнительным неблагоприятным фактором. Их по существу нельзя назвать задохликами.
Рассмотрим данные о газообмене эмбрионов других видов птиц. Махинько с сотрудниками изучал дыхание утиных и голубиных эмбрионов. Авторы показали, что за период инкубации утиный эмбрион (26 дней) потребляет 4.9 л O2 и выделяет 4.2 л СO2, а голубиный (17 дней) — 1.4 и 1.1 л соответственно. Авторы отмечают, что потребление кислорода на единицу образовавшейся живой массы эмбриона у птиц разных видов примерно одинаково. Газообмен утиных эмбрионов, по данным Никита, имеет несколько большие величины: за период инкубации потребляется в среднем 7.84 л O2 и выделяется 5.95 л СO2; по наблюдениям Хаскина — 8.44 л O2 и 6.1 л СO2. Гусиный эмбрион потребляет в среднем за период инкубации 20.5 л O2 и выделяет 14.0 л СO2. Газообмен утиных эмбрионов, по данным Хаскина, протекает неровно: на 9-й, 13-й, 22-й и 25-й дни инкубации наблюдается замедление прироста потребления O2 и выделения СO2, совпадающие с колебаниями прироста внутрияйцевой температуры. В период вылупления в связи с началом легочного дыхания, усилением двигательной активности и облегчением доставки кислорода после проклева скорлупы потребление O2 увеличивается с 40 до 170 мл в час, т. е. более чем в 4 раза.
Кенди изучил газообмен эмбрионов восточного домашнего крапивника (из отряда воробьиных). Выяснено, что у них, так же как и у куриных эмбрионов, в первые два дня развития наблюдается большое преобладание (в среднем в 3.4 раза) выделения СO2 над потреблением O2. Следовательно, выделение СO2 из яйца в первые дни после снесения является закономерностью. Автор показал, что газообмен эмбриона зависит от температуры и увеличивается при повышении ее с 21.1° до 37.8°, но снова снижается при 40.6°. Кенди считает газообмен удобным индексом темпа роста и по нему определяет оптимальную температуру инкубации. Подтверждением того, что газообмен может быть критерием развития, является исследование Мариакуландай и Мак-Гинниса, показавших, что выделение углекислоты у эмбрионов с недостаточным содержанием витамина В12 значительно ниже, чем у нормальных.
Остановимся на данных о дыхательном коэффициенте в течение развития эмбриона. Напомним, что при окислении углеводов он равен 1.0, протеинов — 0.78, жиров — 0.7 и ниже. На основании большого количества литературных данных Нидхем сообщает, что дыхательный коэффициент у куриного эмбриона с 2.5 до 7 дней равен около 1.0, на 7—8-й день — 0.84, на 13-й — 0.71, а после этого редко поднимается выше 0.7, а обычно бывает ниже. Автор делает вывод, что до 8-го дня происходит в основном сгорание углеводов, с 8-го до 13-го — протеинов, а после этого срока — жиров. Нидхем считает, что катаболизм углеводов в первую неделю инкубации не обусловлен отсутствием в это время какого-либо механизма, необходимого для сгорания протеинов, так как при торможении распада углеводов флуоридом появляются продукты протеинового распада. По данным Хаскина, дыхательный коэффициент у утиного эмбриона до 9-го дня равен 0.8—0.9, потом до 18-го дня редко опускается ниже 0.7, а затем равен 0.7 или меньше при среднем за период инкубации 0.72.
Интересное наблюдение сделал Бэрнвелл. Поглощение кислорода куриным эмбрионом с 5-го по 7-й день инкубации при постоянном освещении, температуре, давлении и содержании кислорода и углекислоты в окружающей атмосфере оказывается различным в разное время суток: в утренние часы оно наименьшее, повышается в полдень и максимальное в 7 час. вечера.
Не обсуждая подробно вопроса о дыхании отдельных тканей, мы считаем необходимым все же остановиться на некоторых исследованиях. По данным Нидхема, потребление кислорода аллантоисом и желточным мешком на 6-й день инкубации составляет примерно 35% всего потребленного яйцом O2, а на 19-й — только 5%. Автор предполагает, что большее сродство эмбрионального гемоглобина к кислороду по сравнению с гемоглобином взрослых птиц обусловлено пониженным парциальным давлением кислорода в желтке и белке инкубируемого яйца в связи с недостаточной проницаемостью скорлупы для газов. Автор сравнивает это с тем, что у птиц, живущих в горах, гемоглобин имеет большее сродство к кислороду, чем у сходных видов на уровне моря. О’Коннор наблюдал, что интенсивность дыхания эритроцитов снижается в течение инкубации: на 3-й день потребление O2 равно 0.6 мм3 на 1 мм3 клеток, а на 8-й — 0.1. Махинько с сотрудниками наблюдал, что интенсивность дыхания различных эмбриональных тканей по-разному изменяется в течение инкубации; у некоторых тканей и органов (сердечная мышца, мозг) значительно повышается, у других (скелетная мышца, печень), наоборот, падает к концу эмбрионального развития. Авторы отмечают, что интенсивность дыхания эмбриональных тканей выше, чем у взрослых птиц.
Не имея возможности обсудить здесь весь энзиматический механизм дыхания, мы считаем необходимым остановиться на исследованиях об угольной ангидразе — энзиме, играющем основную роль в выведении углекислоты из организма. Как сообщает Крепе, угольная ангидраза в сотни раз ускоряет реакцию растворения СO2 в воде. Без этого энзима из организма человека могло бы выделиться не более 2% фактически выделяющейся в легких углекислоты, так как реакции связывания и отдачи гемоглобином 02 происходят в сотые доли секунды, а эти же реакции с СO2 протекали бы значительно медленнее, если бы они не ускорялись угольной ангидразой. По данным Ван Гроора, угольная ангидраза в крови куриного эмбриона появляется на 11-й день, достигает уровня взрослой птицы на 15-й и почти в 3 раза превышает его на 19-й. Тотю и Вуакюле нашли, что синтез угольной аигидразы в крови куриного эмбриона начинается на 7-й день инкубации. Резкое повышение активности угольной ангидразы в тканях куриного эмбриона со 2-го до 10-го дня инкубации наблюдал Шепард. Большую роль угольной ангидразы в жизненно важных процессах в нервной системе подчеркивает Пигарева. Автор наблюдала корреляцию между сроками изменения активности угольной ангидразы и сроками развития того или другого отдела мозга. Так, у зрелорождающихся птиц (кур) сразу после вылупления активность энзима высока, а у незрелорождающихся (грачей) она устанавливается на высоком уровне позже, когда птицы становятся способными к сложным формам деятельности. Но у взрослых грачей, с высокой способностью к полету, активность угольной ангидразы во всех отделах головного мозга выше, чем у нелетающих кур. У обоих видов максимальная активность угольной ангидразы наблюдалась в наиболее деятельных частях головного мозга — мозжечке и больших полушариях.
Благодаря возможности одновременно и в одинаковых условиях исследовать газообмен 6—7 эмбрионов при помощи нашего газообменного аппарата, нам удалось обнаружить различия в потреблении кислорода эмбрионами разного пола. Начиная с 10-дневного возраста потребление кислорода эмбрионами мужского пола становится выше, чем женского, и такое превышение продолжается в течение всего инкубационного периода (за исключением 18-го дня, по неизвестной нам причине). В среднем потребление кислорода эмбрионами мужского пола с 10- до 19-дневного возраста на 7.4% выше, чем женского. По нашим данным, вес эмбрионов самцов в среднем за тот же период на 5.5% больше веса самок. Таким образом, часть превышения газообмена самцов обусловлена большей интенсивностью у них потребления кислорода на грамм ткани. Наши данные о различии газообмена эмбрионов разных полов с 10-дневного возраста подтверждают предположение Мицкевича, что к 11-му дню инкубации начинается выделение половых гормонов в кровь. Как сообщает Кагияма, куриные эмбрионы мужского пола имеют большую окислительную способность с 14-дневного возраста. В этой связи интересно, что Ридль наблюдал меньшую гибель голубиных эмбрионов мужского пола при высокой концентрации кислорода, а при низкой — эмбрионов женского пола.
Проводя исследования газообмена, мы натолкнулись, как нам кажется, на интересный феномен. В проведенных нами трех сериях наблюдений по газообмену, несколько различавшихся по температуре инкубирования яиц (но в пределах оптимума), был обнаружен разный ход кривых потребления кислорода эмбрионами. В 1-й серии, с наиболее высокой (в амплитуде оптимума) температурой инкубирования, потребление кислорода с 9-го до 14-го дня инкубации было наибольшим, во 2-й, со средней температурой, — более низким, а в 3-й, с наиболее низкой температурой, — наименьшим. Но на 14-й день газообмен эмбрионов всех трех серий уравнивался, а в последующие дни развития величины потребления кислорода эмбрионами разных серий менялись местами: наибольший газообмен наблюдался в 3-й серии, ниже — во 2-й и наименьший — в 1-й. Общее количество потребленного кислорода (с 10-го по 19-й день) было практически одинаково во всех трех сериях: в первой — 3429.6 мл, во второй — 3432 мл, в третьей — 3507.1 мл. Таким образом, различие в крайних величинах составляет всего 2.2%. Этот феномен регулирования величины эмбрионального газообмена в течение периода инкубации мы назвали закономерностью биологической компенсации.