Рассмотрим теперь дыхательную систему, которой птичий эмбрион пользуется непосредственно перед и во время вылупления — легочное дыхание.
Дыхательные движения у куриных эмбрионов, по Куо и Шен, проходят 3 стадии: 1) 16 дней инкубации — движения грудной клетки почти всегда сопровождаются движениями всего тела (движения грудной клетки на 14-й и 15-й день авторы не считают дыхательными движениями); 2) 17-й и 18-й дни — независимые движения грудной клетки; 3) 19-й и 20-й дни — начало истинного легочного дыхания. Авторы присоединяются к предположению Брандеса, что дыхание легкими начинается еще до прокола подскорлупной оболочки, добавляя, что это дыхание происходит за счет воздуха, имеющегося к этому времени в полости амниона. Это предположение имело некоторое подтверждение в наших неопубликованных наблюдениях. Вскрывая скорлупу над воздушной камерой, мы иногда наблюдали под непроколотой еще эмбрионом внутренней подскорлупной оболочкой и аллантоисом перекатывающийся пузырек газа объемом 0.5—1.0 мл. Нам удалось проанализировать состав газов этих пузырьков из трех яиц. На 15—16-й день инкубации там было 1.6—3.2% СO2 и 18.4—20.0% O2. Однако такие случаи были редки и пузырьки слишком малы, чтобы считать это началом легочного дыхания.
Куо и Шен наблюдали у 17-дневных эмбрионов 5 дыхательных движений в 1 мин., у 18-дневных — 17, у 19-дневных — 46, у 20-дневных — 84. По данным Уиндла и Баркрофта, спонтанные дыхательные движения куриных эмбрионов начинаются на 15-й день, но до 17-го, а иногда и до 19-го дня инкубации они неритмичны. Ромейн наблюдал дыхательные движения куриных эмбрионов только с 20-го дня инкубации, но все же до начала легочного дыхания из воздушной камеры. По нашим данным, спонтанные дыхательные движения начинаются не позднее 14-го дня. У 16-дневного эмбриона наблюдалось в среднем 4 дыхательных движения в 1 мин.; у 17-дневного — 8, у 18-дневного — 25—30. Настоящий, равномерный дыхательный ритм (50—55 дыханий в 1 мин.) устанавливается только в середине или конце 20-го дня инкубации — в первые часы легочного дыхания. Раздражения (щипок, укол, горячая вода) вызывают дыхательные движения. У утиных эмбрионов Уиндл и Нельсон обнаружили начало дыхания легкими за 3 дня до вылупления. В остальном же развитие легочного дыхания у утиных эмбрионов было примерно таким же, как у куриных.
Какие же факторы обусловливают начало дыхательных движений у птичьего эмбриона? Прейер считает, что в норме дыхательные движения начинаются под влиянием раздражения кожи у выросшего эмбриона о скорлупу, так как любое раздражение (укол иглой, толчок, щипок и т. д.) вызывает дыхательные движения. Автор отмечает, однако, что венозность крови повышает раздражимость дыхательного центра. Куо и Шен видят основную причину возникновения дыхательных движений в накоплении в крови углекислоты, а учащение их считают обусловленным высыханием кожи, так как вся амниотическая жидкость к этому времени поглощена эмбрионом. В опытах авторов после добавления 1—2 мл изотонического раствора в полость амниона дыхательные движения урежались. Ромейну удалось показать, что высокая концентрация углекислоты не является стимулятором дыхательного центра и не учащает дыхательных движений. Внезапное падение содержания СO2 и повышение O2 при искусственном расширении трещины проклева не вызывало изменения дыхательного ритма. Не изменялся он и при помещении яйца с проклевом скорлупы в газовую смесь с 7% СO2,12% O2 и 81% N2. А через 24 часа после вылупления помещение цыпленка в такую же газовую смесь вызывало у него диспноэ. Автор заключает, что у эмбриона перед вылуплением еще плохо развита химическая регуляция дыхания, а у вылупившегося цыпленка она уже есть.
Уиндл создал теорию развития функции легочного дыхания в эмбриональном периоде. Соматические мышцы и периферические нервы, связанные с дыханием, закладываются раньше, чем начинаются дыхательные движения; затем образуются нейроны, соединяющие дыхательный центр с соматической двигательной системой. Стимуляция центростремительных нейронов передается в дыхательный центр, и он может начать действовать преждевременно, что может быть обусловлено либо повышенной концентрацией СO2, либо подавлением порога дыхательного центра, вызванного пониженным содержанием кислорода в крови. Таким образом, по мнению автора, дыхательный механизм является спящей системой, снабженной потенциальными возможностями задолго до того, как он станет необходим эмбриону. В случае сильного снижения содержания кислорода в крови многочисленные двигательные нейроны активизируются, тонус мышц увеличивается и начинается слишком глубокое вдыхание, при котором в дыхательные пути попадает амниотическая жидкость (вместо нормального заглатывания ее в желудок). В норме же в конце эмбрионального периода наблюдаются быстрые, неглубокие дыхательные движения. Автор подчеркивает, что опасность «затопления» амниотической жидкостью невелика, так как дыхательный центр эмбриона имеет более высокий порог раздражения, чем у взрослых птиц. Автор отмечает также, что появление дыхательных движений происходит одновременно с уплощением кривых содержания O2 и СO2 в воздушной камере яиц. Аршавский придает особое значение дыхательным движениям, плода млекопитающих и считает, что «у эмбрионов птиц дыхательные движения точно так же осуществляют циркуляторную функцию, интенсифицируя желточное кровообращение».
Возникает вопрос, какова же доля участия аллантоиса и легких в дыхании эмбриона в последние дни инкубации? Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели опыты по перевязке кровеносных сосудов, проходящих в стебельке аллантоиса. Осторожно извлекая эмбрион из яйца, чтобы не повредить аллантоисных сосудов, мы помещали его и скорлупу с аллантоисом на часовое стекло в условиях сохранения тепла и влаги и осуществления нормального обмена кровью между аллантоисом и эмбрионом. Каждые 3—7 мин. мы перевязывали ниткой стебелек аллантоиса, причем прекращалось на время, а затем снова восстанавливалось нормальное кровообращение между эмбрионом и аллантоисом. У эмбриона с перевязанным стебельком прекращаются дыхательные движения, иногда угасают и рефлексы, но после развязывания нитки эмбрион нередко оживает и начинает дышать. Обнаружилось, что у 17-дневных куриных эмбрионов гибель наступает в среднем через 11 мин., при перенесении одной 2-минутной перевязки; у 18-дневных длительность жизни такая же, но перевязка уже может быть перенесена в течение 3 мин.; у 19-дневных гибель наступает через 20 мин., с перенесением в среднем 2—3 перевязок общей продолжительностью 8 мин.; и только у 20-дневных зависимость от аллантоисного дыхания почти отсутствует, а если имеется проклев скорлупы, то после перевязки сосудов аллантоиса цыпленок обычно продолжает так же ритмично дышать. Итак, нами установлено, что даже в последние дни инкубации основную роль в дыхании эмбриона играет аллантоис.
Броди, Огородний и Ромейн вполне обоснованно, на наш взгляд, предполагают, что повышение смертности эмбрионов в последние 3 дня инкубации вызывается в основном сложностью перехода от аллантоисного к легочному дыханию. В практике инкубация эмбрионов, погибающих в это время, называют «задохликами». Огородний отмечает, что этот термин имеет основание, так как аллантоис к этому времени уже значительно дегенерирует, а начинающие функционировать легкие не в состоянии обеспечить необходимый газообмен в условиях повышенной потребности в кислороде.
Учитывая значение воздушной камеры в дыхании эмбриона в последние дни инкубации, мы приводим содержание кислорода и углекислоты в воздушной камере яиц, где эмбрионы погибли в один из этих дней.
Итак, состав газов в воздушной камере яиц, давших задохликов, неоднороден: в яйцах № 14 и № 54 наблюдался чрезвычайно низкий процент кислорода и высокое содержание углекислоты, а в яйцах № 64 и № 12 процент O2 несколько выше и содержание СO2 ниже, чем в яйцах с нормально развивающимися эмбрионами. В первой группе яиц скорлупа, по-видимому, недостаточно проницаема для газов (потеря веса этих яиц в течение инкубации тоже несколько меньше), что и является непосредственной причиной гибели эмбрионов. Во второй группе яиц ослабление эмбриона, очевидно, вызвано какими-либо причинами, предшествующими периоду перехода с аллантоисного на легочное дыхание, и когда он наступает, метаболизм эмбриона ниже обычного.
Недостаток кислорода в последние дни инкубации оказывается особенно неблагоприятным для нормального окончания процесса вылупления, так как именно в этот период эмбрион должен затратить большую механическую энергию на вылупление, для чего необходим кислород и запас энергии в виде богатых энергией соединений (АТФ и т. п.). Несоответствие между все возрастающей потребностью в кислороде и низкой реальной возможностью ее удовлетворения, еще больше понижающейся при плохой газопроницаемости скорлупы, обусловливает асфиксию эмбриона, оказывающуюся летальной для наиболее ослабленных эмбрионов вследствие различных эндо — и экзогенных факторов, а у других вызывает понижение жизнеспособности. Это привело нас к предположению о необходимости добавления кислорода в воздушную камеру яйца с целью облегчения перехода от аллантоисного дыхания к легочному. Введение кислорода в воздушную камеру куриных, индюшиных и утиных яиц за несколько дней перед вылуплением наполовину сократило гибель эмбрионов в этот период. Повышение жизненности у эмбрионов, получивших кислород, было подтверждено и опытами по перевязке у них аллантоиса. Длительность жизни у эмбрионов, изъятых из «кислородизированных» яиц, и способность переносить перевязки аллантоиса увеличивались примерно вдвое.
Наши опыты и наблюдения по физиологии дыхания птичьих эмбрионов (как приведенные, так и не упомянутые здесь) полностью подтверждают правильность гипотезы, что основной, хотя и не единственной, причиной повышения смертности эмбрионов перед вылуплением является трудность перехода от аллантоисного к легочному дыханию.