Углеводы и термогенез у пчел Apis mellifera
(Carbohydrates and thermogenesis of honeybee Apis mellifera)
Выдержки из работы: Маршаков В.Г. «Биоэнергетика пчелиной семьи и проблемы практического пчеловодства» (готовится к печати)
4. Мощность субстратного цикла и возможные причины его появления
Вопрос о недостаточной мощности субстратного цикла для эффективной терморегуляции невозможно конструктивно обсуждать без определения целевой функции, то есть граничных условий относительно которых оценивается мощность процесса. Данные, относящиеся к термогенезу у насекомых, в том числе у пчел и шмелей, представлены в многочисленных работах с использованием разных единиц измерения. С целью облегчения проведения сравнительного анализа, все оценки исследуемых факторов отнесены к одной сравнительной единице – к массе грудных (летных) мышц в граммах в минуту (g-1•min-1), как это принято в биохимических исследованиях. При переводе объемов использованного при дыхании кислорода в количество вещества в молях, учитывалось, что объем моля кислорода при стандартных физических условиях (0°C, 273°K) равен 22,4 литра с коэффициентом увеличения 0,082 на градус. При оценке термогенеза на основе расхода кислорода при синтезе АТР в митохондриях и его последующего гидролиза в процессе мышечных сокращений, учитывалось, что на собственно механическую работу (mechanochemical coefficient) расходуется не более 30% энергии высвобождаемой при гидролизе (Askew et al., 2010; на один моль глюкозы расходуется 6 молей кислорода и синтезируется 36 молей АТР; энергия гидролиза АТР принята равной 42 кДж/моль).
При расчете удельной мощности термогенеза (Pm) использовалась удельная теплоемкость (specific heat) мягких тканей (3,35J•g-1•°C-1) и удельная теплопроводность грудного отдела (thoracic conductance) с учетом потерь на охлаждение (3,47J•g-1•°C-1) (по: Harrison J.M., 1987 – с изменениями).
Таблица 4. Активность ферментов, расход кислорода и мощность термогенеза у пчел.
Состояние
объекта
Активность
ферментов
(µmol•g-1•min-1)
Расход
(потребление)
кислорода
(ml•g-1•min-1)
(µmol•g-1•min-1)
Удельная
мощность
термогенеза
(J•g-1•min-1)
Pm
Tα °C
ΔT °C
HK
PFK
ml
µmol
1)Летающие пчелы
(free flying)
42,3
(39,6)
(68,4)(6,15)
254
44,8
22
+12,9
2)Пчелы на расплоде
(on brood area)
Пчелы вне расплода
(off brood area)
56,3
(32,8)
8,45
(0,89)
4,93
338
197
59,7
34,7
(15)
(15)
(+17,2)
(+10,0)
3)Активные пчелы
(walking)
Пассивные пчелы
(sitting)43,2
25,8
9,2
29,5
15,2
4,5
(6,13)
(3,78)
(1,40)
(4,18)
(2,23)
(0,68)
259
155
55
177
91
27
45,7
27,3
9,7
31,2
16,1
4,8
(15)
(25)
(40)
(15)
(25)
(40)
+13,2
+7,9
+2,8
+9,0
+4,6
+1,4
4)Пассивные пчелы
(29,0)
(20,0)
3,0
120
21,2
(22?)
+6,0
5)Полет на привязи
(tethered bee)
77,5
63,2
11,3
9,4
465
379
(82,1)
(66,9)
(24)
(30)
+23,6
+19,3
Ссылки в таблице:
1) Suarez et al., 1996; оценка расхода кислорода проводилась у пчел в полете при 22°C, оценка активности ферментов in vitro - при 37°C; масса тела – 78,25 мг, масса груди – 28,58 мг, масса мышц груди принята равной 75% массы груди (Heinrich, 1980);
2) Harrison, 1987; в опыте использовалась рамка с расплодом и около 1000 пчел, помещенных в термостат при 15°C;
3) Stabentheiner et al., 2003; для оценки потребления кислорода пчел помещали в сосуд Варбурга (Warburg vessel) с фиксированной температурой, визуально подразделив их на две группы: пчелы с высокой активностью и пчелы с низкой активностью, подразделение достаточно условно;
4) Newsholme et al., 1972; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темной комнате 1-2 часа до использования;
5) Nachtigall et al., 1989.
Значения в круглых скобках взяты из цитируемого источника, остальные рассчитаны на их основе автором статьи.
Анализ данных таблиц 4 и 5 свидетельствует о способности пчел к активному термогенезу. Величина термогенеза зависит не только от внешней температуры, но и от наличия расплода, скученности (агрегированности) пчел или от их локомоторной активности. При наличии высокой локомоторной активности термогенез одиночных пчел может превосходить таковой у агрегированных, но неактивных пчел, при той же внешней температуре. Это хорошо видно при сравнении удельного термогенеза в табл. 4 и 5 относительно Tα=15°C. В таблице 5 для свободно передвигающихся пчел термогенез равен 48,1 Дж, что хорошо согласуется с интервалом значений термогенеза на фоне разной активности пчел в 31,2-59,7 Дж, рассчитанным по другим источникам (табл. 4).
Таблица 5. Мощность термогенеза пчел относительно внешней температуры (рассчитано по результатам опытов Blatt, Roces, 2001 с изменениями: в круглых скобках исходные данные, остальные рассчитаны автором)
Температура воздуха, °C (Tα)
10
15
20
25
30
35
39
•
V CO2 (ml h-1 на особь)
(независимо от концентрации сахара в растворе)
(9,58)
(8,28)
(6,97)
(5,66)
(4,36)
(3,06)
(2,01)
•
V O2 (µmol•g-1•min-1)
321,5
272,9
226,2
179,4
136,4
94,4
60,3
Расход глюкозы, обеспечивающий данный уровень метаболизма
(µmol•g-1•min-1)
53,6
45,5
37,7
29,9
22,7
15,7
10,1
Удельная мощность термогенеза
(J•g-1•min-1)
56,7
48,1
39,9
31,6
24,1
16,6
10,6
ΔT °C
+16,4
+13,9
+11,5
+9,1
+6,9
+4,8
+3,0
Следовательно, термогенез зависит не только и не столько от разности температур грудного отдела и внешней среды, но в значительной степени от поведенческой модели (функциональной нагрузки). Это, в свою очередь, позволяет соотнести целевую функцию поддержания необходимого температурного поля у зимующих пчел с расходом глюкозы и кислорода, и рассчитать все остальные теплофизические параметры для определения условий минимизации энергетических и биологических затрат.
В работе Harrison J.M. (1987) при расчете удельной мощности термогенеза использовались не крайние значения изотерм, а изотерма груди пчел и значение изотермы воздуха на расстоянии один сантиметр от груди, что повлияло на оценку. Необходимо брать крайние устойчивые значения изотерм, так как мощность процесса характеризуется величиной градиента температуры. Именно поэтому получена заниженная 0,89(ml•g-1•min-1) оценка расхода кислорода. Это тем более важно иметь в виду при расчете термогенеза зимующих пчел на основе их температурных полей в улье.
В некоторых случаях при оценке метаболизма использовалось термохимическое значение сгорания глюкозы в кислороде (Krogh, Zeuthen, 1941; Feller, Nachtigal, 1989), что приводит к существенным неточностям, поскольку энергия биохимического окисления глюкозы и гидролиза АТР в мышцах весьма далека от термохимической. Rothe, Nachtigal (1989) предприняли попытку экспериментально градуировать уровни метаболизма у пчел в состоянии покоя, при локомоции и в полете при разной температуре окружающего воздуха. Результаты имели столь огромный разброс, что какой-либо убедительной интерпретации такому состоянию дать не удалось. Результаты нисколько не напоминали данные полученные в опытах Stabentheiner et al. (2003), где пчелы также разбиты на группы по степени их активности. Тем не менее, авторы (Rothe, Nachtigal, 1989) справедливо указывают на определенные сложности в физиологическом плане при попытке дать определение состоянию покоя (resting) только по визуальным признакам. К этому можно добавить, что на разброс результатов внутри больших температурных интервалов, могла повлиять большая разнокачественность пчел, а именно возраст, состояние пищевых запасов и, что представляется не менее важным, их текущая функция в семье и время ее выполнения на момент отлова.
Полет пчел на привязи можно сравнить с нагруженным полетом. Их метаболизм почти в два раза превышает метаболизм у греющих пчел на расплоде относительно нижней границы температур. Тезис о том, что термогенез является функцией работы, хорошо подтверждается в опытах по потреблению кислорода у механически обездвиженных пчел при наличии лишь дыхательных движений брюшка (Allen, 1959). Метаболизм находился на уровне чисто пойкилотермных животных, активный термогенез отсутствовал во всем диапазоне температур от 12 до 47°C. Весьма показательны данные по термогенезу у пчел на расплоде (Harrison, 1987). График распределения температур внутри выборки из 145 пчел характерен для негативного распределения признака (negative binominal distribution), что свидетельствует о том, что только около 10-15% пчел заняты активным термогенезом, а остальные в пассиве.
Таблица 6. Активность ферментов, расход кислорода и мощность термогенеза у шмелей.
Объект
Активность
ферментов
(µmol•g-1•min-1)
Расход
(потребление)
кислорода
(ml•g-1•min-1)
Удельная
мощность
термогенеза
(J•g-1•min-1)
(Pm) на основе:
Tα °C
ΔT °C
HK
PFK
FbPase
ml
µmol
FbPase
O2
B. rufocinctus1)
(107)
(57,5)
6,75
297
2,4
52,4
(4)
+15,8
B. vagans1)
(160)
(18,7)
19,3
848
0,8
149,6
(4)
+43,3
B. bimaculatus1)
(123)
(6,7)
15,9
698
0,3
123,1
(4)
+35,5
B. impatiens1)
(132)
(3,0)
17,6
774
0,1
136,5
(4)
+39,3
B. perplectus1)
(109)
(28,6)
11,0
482
1,2
85,0
(4)
+24,8
B. affinis1)
(66,7)
(4,7)
8,5
372
0,2
65,6
(4)
+19,0
B. terrestris1)
(99,0)
(54,9)
6,02
265
2,3
46,7
(4)
+14,1
B. terrestris2)
9,2
(1,35)
55,2
9,7
(25)
+2,8
B. terrestris3)
22,4
(3,60)
147
26,0
?
+7,5
B. affinis4)
1. Flying
2. Flying
1. Non-flying
2. Non-flying
3. Non-flying
(14,7)
(20,4)
(1,12)
(5,8)
(42,6)
(0,48)
(10,4)
(45,3)
1,97
2,74
88,2
122,4
3,8
?
?
0,02
0,24
1,8
15,6
21,6
0,67
?
?
(21)
(5)
(21)
(5)
(27)
+4,5
+6,2
+0,2
?
+0,52
B. terrestris5)
(86)
(41,0)
(41,5)
?
?
1,7
+0,49
B. agrorum5)
(109)
(33,5)
(34,7)
?
?
1,4
+0,40
B. pratorum5)
(105)
(50,7)
(67,8)
?
?
2,9
+0,84
B. hortorum5)
(89)
(27,5)
(18,1)
56,4
0,8
9,9
+3,1
B. lapidarius5)
(61)
(60,3)
(78,3)
?
?
2,5
+0,72
B. ruderarius5)
(95)
(42,3)
(71,6)
?
?
1,8
+0,52
B. lucorum5)
(92)
(55,0)
(84,0)
?
?
2,3
+0,66
B. terrestris6)
Терморегуляция
в пределах
одного цикла
(64,8)
или
(46,3)
(37,0)
(24,1)
(11,1)
(26)
+18,6
+13,3
+10,7
+7,0
+3,2
Ссылки в таблице:
1) Staples et al., 2004; шмели отлавливались в период с мая по сентябрь без регистрации Tα, после отлова содержались ночь при температуре 4°C; оценка активности ферментов in vitro - при 37°C; масса груди на 75% представлена массой летных мышц (Nachtigall et al., 1995);
2) Wolf et al., 1996; масса тела в среднем 250 мг, масса мышц груди принята равной 32,4% массы тела (Surholt et al., 1991), Tα=25°C, полет кратковременный, прерывающийся;
3) Ellington et al., 1990; уровень потребления кислорода соответствовал готовности к полету;
4) Clark et al., 1973; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темноте при Tα=27°C;
5) Newsholme et al., 1972; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темной комнате 1-2 часа до использования;
6) Schultze-Motel, Lamprecht, 1994; шмелей брали из наблюдательного гнезда (observation nest box) и помещали в калориметр.
Значения в круглых скобках взяты из цитируемого источника, остальные рассчитаны на их основе автором статьи.
Анализ данных таблицы 6 позволяет сделать несколько определенных выводов.
Во-первых, высокая активность фруктозо-бифосфатазы (FbPase) в субстратном цикле блокирует гликолиз и резко снижает возможности термогенеза у насекомых. Во-вторых, энергетическая эффективность термогенеза на основе субстратного цикла в 25 раз ниже, чем в свободном гликолизе. Во всех (Newsholme et al., 1972; Clark et al., 1973) или в части (Staples et al., 2004) результатов с высоким уровнем активности FbPase, положительная терморегуляция оказалась невозможна. В-третьих, терморегуляция имеет циклический характер с сокращением периодов и снижением амплитуды мощности термогенеза в течение цикла (Schultze-Motel, Lamprecht, 1994), периоды темогенеза разобщены краткими периодами покоя без заметной мышечной активности или ее отсутствием.
Помимо рассмотренных выше доводов разных авторов о невозможности существования субстратного цикла как такового в сокращающихся мышцах, рассмотрим возможные причины его появления. У всех насекомых существует нижний порог температуры тела, при котором мышечная активность прекращается, так называемая холодовая кома (chill-coma). При понижении температуры тела с 25 до 15°C, амплитуда потенциала возбуждения в мышцах всех исследованных видов насекомых уменьшается в два раза, а продолжительность увеличивается в два раза (Esch, 1988; Goller, Esch, 1990). Нижний порог, при котором потенциал возбуждения не фиксируется, достаточно специфичен для определенных групп насекомых. У шмелей он равен 7-8°C, у ос веспид 6-7°C, у рабочих особей медоносной пчелы 11-12°C. Холодовая кома влияет и на способ, которым осуществляется газообмен. У пчел при температуре тела ниже 12°C газообмен протекает непрерывно (continuous) за счет общей диффузии, при 12°C и выше газообмен переходит к прерывистому (discontinuous) дыхательному циклу, но лишь по достижении температуры более 15°C процесс дыхания сопряжен с активным сокращением брюшка и возможностью термогенеза (Lighton, Lovegrove, 1990). Это является причиной стабильного и низкого уровня метаболизма у пчел в интервале температур 7-15°C. Дыхательный коэффициент в указанном интервале температур RQ=0.864, что указывает на метаболизм смешанного типа, основанный не исключительно на углеводах, как это происходит в период активного термогенеза (Rothe, Nachtigall, 1989), но с использованием в окислительных процессах до 45% жирных кислот.
Если теперь обратить внимание на условия подготовки живого материала в работах, где обнаружен субстратный цикл, то с учетом сказанного, можно попытаться обосновать причины его появления. В опытах Staples et al. (2004) шмели после отлова содержались по меньшей мере 12 часов при температуре 4°C. В опытах Clark et al. (1973) шмели после отлова содержались в темноте при 27°C некоторое время, затем проводилась иммобилизация при -20°C в течение 4,5 минут, после чего в грудные мышцы проводилась инъекция меченной глюкозы.
В первом случае шмели оказываются в состоянии холодовой комы максимум через час, а во втором случае – в шоком режиме. При почти полном прекращении сокращений летной мускулатуры, ионы кальция до этого связанные тропонином, освобождаются, но ионный насос не работает (Lighton, Lovegrove, 1990; Sinclair et al., 2004; Koštál et al., 2004; McMullen et al., 2010), что приводит к угнетению дыхания и гликолиза (Jung et al., 2000), смене типа метаболизма и возрастанию активности фруктозо-бифосфатазы (Bosca et al., 1985). Таким образом, появление цикла PFK/FbPasa является, по-видимому, ответом на холодовой шок, а не процессом термогенеза в норме. Этому может способствовать критический недостаток свободных углеводов, переход на окисление жирных кислот с блокированием гликолиза.
4. Мощность субстратного цикла и возможные причины его появления
Вопрос о недостаточной мощности субстратного цикла для эффективной терморегуляции невозможно конструктивно обсуждать без определения целевой функции, то есть граничных условий относительно которых оценивается мощность процесса. Данные, относящиеся к термогенезу у насекомых, в том числе у пчел и шмелей, представлены в многочисленных работах с использованием разных единиц измерения. С целью облегчения проведения сравнительного анализа, все оценки исследуемых факторов отнесены к одной сравнительной единице – к массе грудных (летных) мышц в граммах в минуту (g-1•min-1), как это принято в биохимических исследованиях. При переводе объемов использованного при дыхании кислорода в количество вещества в молях, учитывалось, что объем моля кислорода при стандартных физических условиях (0°C, 273°K) равен 22,4 литра с коэффициентом увеличения 0,082 на градус. При оценке термогенеза на основе расхода кислорода при синтезе АТР в митохондриях и его последующего гидролиза в процессе мышечных сокращений, учитывалось, что на собственно механическую работу (mechanochemical coefficient) расходуется не более 30% энергии высвобождаемой при гидролизе (Askew et al., 2010; на один моль глюкозы расходуется 6 молей кислорода и синтезируется 36 молей АТР; энергия гидролиза АТР принята равной 42 кДж/моль).
При расчете удельной мощности термогенеза (Pm) использовалась удельная теплоемкость (specific heat) мягких тканей (3,35J•g-1•°C-1) и удельная теплопроводность грудного отдела (thoracic conductance) с учетом потерь на охлаждение (3,47J•g-1•°C-1) (по: Harrison J.M., 1987 – с изменениями).
| Состояние объекта |
Активность ферментов (µmol•g-1•min-1) |
Расход (потребление) кислорода (ml•g-1•min-1) (µmol•g-1•min-1) |
Удельная мощность термогенеза (J•g-1•min-1) Pm |
Tα °C | ΔT °C | ||
| HK | PFK | ml | µmol | ||||
| 1)Летающие пчелы (free flying) |
42,3 (39,6) |
(68,4) |
(6,15) |
254 |
44,8 |
22 |
+12,9 |
| 2)Пчелы на расплоде (on brood area) Пчелы вне расплода (off brood area) |
56,3 (32,8) |
8,45 (0,89) 4,93 |
338 197 |
59,7 34,7 |
(15) (15) |
(+17,2) (+10,0) |
|
3)Активные пчелы (walking) Пассивные пчелы (sitting) |
43,2 25,8 9,2 29,5 15,2 4,5 |
(6,13) (3,78) (1,40) (4,18) (2,23) (0,68) |
259 155 55 177 91 27 |
45,7 27,3 9,7 31,2 16,1 4,8 |
(15) (25) (40) (15) (25) (40) |
+13,2 +7,9 +2,8 +9,0 +4,6 +1,4 |
|
| 4)Пассивные пчелы | (29,0) | (20,0) | 3,0 | 120 | 21,2 | (22?) | +6,0 |
| 5)Полет на привязи (tethered bee) |
77,5 63,2 |
11,3 9,4 |
465 379 |
(82,1) (66,9) |
(24) (30) |
+23,6 +19,3 |
|
Ссылки в таблице:
1) Suarez et al., 1996; оценка расхода кислорода проводилась у пчел в полете при 22°C, оценка активности ферментов in vitro - при 37°C; масса тела – 78,25 мг, масса груди – 28,58 мг, масса мышц груди принята равной 75% массы груди (Heinrich, 1980);
2) Harrison, 1987; в опыте использовалась рамка с расплодом и около 1000 пчел, помещенных в термостат при 15°C;
3) Stabentheiner et al., 2003; для оценки потребления кислорода пчел помещали в сосуд Варбурга (Warburg vessel) с фиксированной температурой, визуально подразделив их на две группы: пчелы с высокой активностью и пчелы с низкой активностью, подразделение достаточно условно;
4) Newsholme et al., 1972; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темной комнате 1-2 часа до использования;
5) Nachtigall et al., 1989.
Значения в круглых скобках взяты из цитируемого источника, остальные рассчитаны на их основе автором статьи.
Анализ данных таблиц 4 и 5 свидетельствует о способности пчел к активному термогенезу. Величина термогенеза зависит не только от внешней температуры, но и от наличия расплода, скученности (агрегированности) пчел или от их локомоторной активности. При наличии высокой локомоторной активности термогенез одиночных пчел может превосходить таковой у агрегированных, но неактивных пчел, при той же внешней температуре. Это хорошо видно при сравнении удельного термогенеза в табл. 4 и 5 относительно Tα=15°C. В таблице 5 для свободно передвигающихся пчел термогенез равен 48,1 Дж, что хорошо согласуется с интервалом значений термогенеза на фоне разной активности пчел в 31,2-59,7 Дж, рассчитанным по другим источникам (табл. 4).
| Температура воздуха, °C (Tα) | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 39 |
| • V CO2 (ml h-1 на особь) (независимо от концентрации сахара в растворе) |
(9,58) | (8,28) | (6,97) | (5,66) | (4,36) | (3,06) | (2,01) |
| • V O2 (µmol•g-1•min-1) |
321,5 | 272,9 | 226,2 | 179,4 | 136,4 | 94,4 | 60,3 |
| Расход глюкозы, обеспечивающий данный уровень метаболизма (µmol•g-1•min-1) |
53,6 | 45,5 | 37,7 | 29,9 | 22,7 | 15,7 | 10,1 |
| Удельная мощность термогенеза (J•g-1•min-1) |
56,7 | 48,1 | 39,9 | 31,6 | 24,1 | 16,6 | 10,6 |
| ΔT °C | +16,4 | +13,9 | +11,5 | +9,1 | +6,9 | +4,8 | +3,0 |
Следовательно, термогенез зависит не только и не столько от разности температур грудного отдела и внешней среды, но в значительной степени от поведенческой модели (функциональной нагрузки). Это, в свою очередь, позволяет соотнести целевую функцию поддержания необходимого температурного поля у зимующих пчел с расходом глюкозы и кислорода, и рассчитать все остальные теплофизические параметры для определения условий минимизации энергетических и биологических затрат.
В работе Harrison J.M. (1987) при расчете удельной мощности термогенеза использовались не крайние значения изотерм, а изотерма груди пчел и значение изотермы воздуха на расстоянии один сантиметр от груди, что повлияло на оценку. Необходимо брать крайние устойчивые значения изотерм, так как мощность процесса характеризуется величиной градиента температуры. Именно поэтому получена заниженная 0,89(ml•g-1•min-1) оценка расхода кислорода. Это тем более важно иметь в виду при расчете термогенеза зимующих пчел на основе их температурных полей в улье.
В некоторых случаях при оценке метаболизма использовалось термохимическое значение сгорания глюкозы в кислороде (Krogh, Zeuthen, 1941; Feller, Nachtigal, 1989), что приводит к существенным неточностям, поскольку энергия биохимического окисления глюкозы и гидролиза АТР в мышцах весьма далека от термохимической. Rothe, Nachtigal (1989) предприняли попытку экспериментально градуировать уровни метаболизма у пчел в состоянии покоя, при локомоции и в полете при разной температуре окружающего воздуха. Результаты имели столь огромный разброс, что какой-либо убедительной интерпретации такому состоянию дать не удалось. Результаты нисколько не напоминали данные полученные в опытах Stabentheiner et al. (2003), где пчелы также разбиты на группы по степени их активности. Тем не менее, авторы (Rothe, Nachtigal, 1989) справедливо указывают на определенные сложности в физиологическом плане при попытке дать определение состоянию покоя (resting) только по визуальным признакам. К этому можно добавить, что на разброс результатов внутри больших температурных интервалов, могла повлиять большая разнокачественность пчел, а именно возраст, состояние пищевых запасов и, что представляется не менее важным, их текущая функция в семье и время ее выполнения на момент отлова.
Полет пчел на привязи можно сравнить с нагруженным полетом. Их метаболизм почти в два раза превышает метаболизм у греющих пчел на расплоде относительно нижней границы температур. Тезис о том, что термогенез является функцией работы, хорошо подтверждается в опытах по потреблению кислорода у механически обездвиженных пчел при наличии лишь дыхательных движений брюшка (Allen, 1959). Метаболизм находился на уровне чисто пойкилотермных животных, активный термогенез отсутствовал во всем диапазоне температур от 12 до 47°C. Весьма показательны данные по термогенезу у пчел на расплоде (Harrison, 1987). График распределения температур внутри выборки из 145 пчел характерен для негативного распределения признака (negative binominal distribution), что свидетельствует о том, что только около 10-15% пчел заняты активным термогенезом, а остальные в пассиве.
| Объект | Активность ферментов (µmol•g-1•min-1) |
Расход (потребление) кислорода (ml•g-1•min-1) |
Удельная мощность термогенеза (J•g-1•min-1) (Pm) на основе: |
Tα °C | ΔT °C | ||||
| HK | PFK | FbPase | ml | µmol | FbPase | O2 | |||
| B. rufocinctus1) | (107) | (57,5) | 6,75 | 297 | 2,4 | 52,4 | (4) | +15,8 | |
| B. vagans1) | (160) | (18,7) | 19,3 | 848 | 0,8 | 149,6 | (4) | +43,3 | |
| B. bimaculatus1) | (123) | (6,7) | 15,9 | 698 | 0,3 | 123,1 | (4) | +35,5 | |
| B. impatiens1) | (132) | (3,0) | 17,6 | 774 | 0,1 | 136,5 | (4) | +39,3 | |
| B. perplectus1) | (109) | (28,6) | 11,0 | 482 | 1,2 | 85,0 | (4) | +24,8 | |
| B. affinis1) | (66,7) | (4,7) | 8,5 | 372 | 0,2 | 65,6 | (4) | +19,0 | |
| B. terrestris1) | (99,0) | (54,9) | 6,02 | 265 | 2,3 | 46,7 | (4) | +14,1 | |
| B. terrestris2) | 9,2 | (1,35) | 55,2 | 9,7 | (25) | +2,8 | |||
| B. terrestris3) | 22,4 | (3,60) | 147 | 26,0 | ? | +7,5 | |||
| B. affinis4) 1. Flying 2. Flying 1. Non-flying 2. Non-flying 3. Non-flying |
(14,7) (20,4) (1,12) (5,8) |
(42,6) |
(0,48) (10,4) (45,3) |
1,97 2,74 |
88,2 122,4 3,8 ? ? |
0,02 0,24 1,8 |
15,6 21,6 0,67 ? ? |
(21) (5) (21) (5) (27) |
+4,5 +6,2 +0,2 ? +0,52 |
| B. terrestris5) | (86) | (41,0) | (41,5) | ? | ? | 1,7 | +0,49 | ||
| B. agrorum5) | (109) | (33,5) | (34,7) | ? | ? | 1,4 | +0,40 | ||
| B. pratorum5) | (105) | (50,7) | (67,8) | ? | ? | 2,9 | +0,84 | ||
| B. hortorum5) | (89) | (27,5) | (18,1) | 56,4 | 0,8 | 9,9 | +3,1 | ||
| B. lapidarius5) | (61) | (60,3) | (78,3) | ? | ? | 2,5 | +0,72 | ||
| B. ruderarius5) | (95) | (42,3) | (71,6) | ? | ? | 1,8 | +0,52 | ||
| B. lucorum5) | (92) | (55,0) | (84,0) | ? | ? | 2,3 | +0,66 | ||
| B. terrestris6) Терморегуляция в пределах одного цикла |
(64,8) или (46,3) (37,0) (24,1) (11,1) |
(26) |
+18,6 +13,3 +10,7 +7,0 +3,2 |
||||||
Ссылки в таблице:
1) Staples et al., 2004; шмели отлавливались в период с мая по сентябрь без регистрации Tα, после отлова содержались ночь при температуре 4°C; оценка активности ферментов in vitro - при 37°C; масса груди на 75% представлена массой летных мышц (Nachtigall et al., 1995);
2) Wolf et al., 1996; масса тела в среднем 250 мг, масса мышц груди принята равной 32,4% массы тела (Surholt et al., 1991), Tα=25°C, полет кратковременный, прерывающийся;
3) Ellington et al., 1990; уровень потребления кислорода соответствовал готовности к полету;
4) Clark et al., 1973; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темноте при Tα=27°C;
5) Newsholme et al., 1972; шмелей отлавливали на цветах и содержали в темной комнате 1-2 часа до использования;
6) Schultze-Motel, Lamprecht, 1994; шмелей брали из наблюдательного гнезда (observation nest box) и помещали в калориметр.
Значения в круглых скобках взяты из цитируемого источника, остальные рассчитаны на их основе автором статьи.
Анализ данных таблицы 6 позволяет сделать несколько определенных выводов.
Во-первых, высокая активность фруктозо-бифосфатазы (FbPase) в субстратном цикле блокирует гликолиз и резко снижает возможности термогенеза у насекомых. Во-вторых, энергетическая эффективность термогенеза на основе субстратного цикла в 25 раз ниже, чем в свободном гликолизе. Во всех (Newsholme et al., 1972; Clark et al., 1973) или в части (Staples et al., 2004) результатов с высоким уровнем активности FbPase, положительная терморегуляция оказалась невозможна. В-третьих, терморегуляция имеет циклический характер с сокращением периодов и снижением амплитуды мощности термогенеза в течение цикла (Schultze-Motel, Lamprecht, 1994), периоды темогенеза разобщены краткими периодами покоя без заметной мышечной активности или ее отсутствием.
Помимо рассмотренных выше доводов разных авторов о невозможности существования субстратного цикла как такового в сокращающихся мышцах, рассмотрим возможные причины его появления. У всех насекомых существует нижний порог температуры тела, при котором мышечная активность прекращается, так называемая холодовая кома (chill-coma). При понижении температуры тела с 25 до 15°C, амплитуда потенциала возбуждения в мышцах всех исследованных видов насекомых уменьшается в два раза, а продолжительность увеличивается в два раза (Esch, 1988; Goller, Esch, 1990). Нижний порог, при котором потенциал возбуждения не фиксируется, достаточно специфичен для определенных групп насекомых. У шмелей он равен 7-8°C, у ос веспид 6-7°C, у рабочих особей медоносной пчелы 11-12°C. Холодовая кома влияет и на способ, которым осуществляется газообмен. У пчел при температуре тела ниже 12°C газообмен протекает непрерывно (continuous) за счет общей диффузии, при 12°C и выше газообмен переходит к прерывистому (discontinuous) дыхательному циклу, но лишь по достижении температуры более 15°C процесс дыхания сопряжен с активным сокращением брюшка и возможностью термогенеза (Lighton, Lovegrove, 1990). Это является причиной стабильного и низкого уровня метаболизма у пчел в интервале температур 7-15°C. Дыхательный коэффициент в указанном интервале температур RQ=0.864, что указывает на метаболизм смешанного типа, основанный не исключительно на углеводах, как это происходит в период активного термогенеза (Rothe, Nachtigall, 1989), но с использованием в окислительных процессах до 45% жирных кислот.
Если теперь обратить внимание на условия подготовки живого материала в работах, где обнаружен субстратный цикл, то с учетом сказанного, можно попытаться обосновать причины его появления. В опытах Staples et al. (2004) шмели после отлова содержались по меньшей мере 12 часов при температуре 4°C. В опытах Clark et al. (1973) шмели после отлова содержались в темноте при 27°C некоторое время, затем проводилась иммобилизация при -20°C в течение 4,5 минут, после чего в грудные мышцы проводилась инъекция меченной глюкозы.
В первом случае шмели оказываются в состоянии холодовой комы максимум через час, а во втором случае – в шоком режиме. При почти полном прекращении сокращений летной мускулатуры, ионы кальция до этого связанные тропонином, освобождаются, но ионный насос не работает (Lighton, Lovegrove, 1990; Sinclair et al., 2004; Koštál et al., 2004; McMullen et al., 2010), что приводит к угнетению дыхания и гликолиза (Jung et al., 2000), смене типа метаболизма и возрастанию активности фруктозо-бифосфатазы (Bosca et al., 1985). Таким образом, появление цикла PFK/FbPasa является, по-видимому, ответом на холодовой шок, а не процессом термогенеза в норме. Этому может способствовать критический недостаток свободных углеводов, переход на окисление жирных кислот с блокированием гликолиза.
В.Г. Маршаков,
e-mail: volmar_georg@mail.ru