Взаємодія шкірних втрат води, газообміну та кровотоку у жаби, Буфо Вудхаусі

РЕЗЮМЕ

Жаби, які переживають умови зневоднення, виявляють складні фізіологічні та поведінкові реакції, деякі з яких можуть потенційно впливати на шкірний газообмін, важливий компонент загального газообміну. Ми виміряли вплив зневоднення на шкірний газообмін у пристосованій ксериком жабі Bufo woodhousei. Спочатку для стимулювання шкірного кровотоку використовували два фармакологічних засоби - фентоламін (α-блокатор) та ізопротеренол, β-стимулятор та потужний кардіоприскорювач - для визначення взаємозв’язку між шкірним кровотоком та втратою води. Обидва препарати збільшили частоту серцевих скорочень і артеріальний тиск, і спричинили візуально очевидне велике розширення судин шкіри. Для необроблених жаб у сухому повітряному потоці в середньому потрібно 10,1 ± 0,7 год для зневоднення до 80% маси тіла, тоді як тваринам, які отримували ізопротеренол та фентоламін, потрібно лише 7,2 ± 0,8 год та 7,4 ± 0,9 год відповідно. Регідратація, яка була швидшою, ніж дегідратація, була так само прискорена у жаб, що отримували фармакологічну обробку.

Вступ

Незважаючи на невизначену роль перфузії крові у регулюванні втрат води на шкірі земних земноводних, однаково добре оцінено, що шкірна перфузія у земноводних, особливо вентральної ділянки, знаходиться під вишуканим гормональним та нервовим контролем, і що кровотік шкіри у земних земноводних може показати величезні діапазони (наприклад, Burggren and Moali, 1984; West and Van Vliet, 1992; Malvin, 1993; Rea and Parsons, 2001; Viborg and Rosenkilde, 2004; Viborg and Hillyard, 2004). Такі зміни в перфузії шкіри, як передбачається, регулюють надходження води в навколишнє середовище через шкіру (особливо черевний ділянку), а не обмежують втрати води. Проте нещодавнє дослідження Viborg and Hillyard (2004) не показує зв'язку між шкірним потоком крові та поглинанням води у жаб буфонідів, а також ці дослідники не можуть виявити вплив на кровотік, що виробляється ангіотензином II (A II), на відміну від попередніх досліджень Парсонс та Шварц (1991), Парсонс та ін. (1993) та Slivkoff and Warburton (2001).

Дослідження черезшкірних потоків води у жаб додатково ускладнюється надзвичайно регіональними морфологічними та анатомічними характеристиками шкіри, причому основна частина поверхні шкіри на тильній і бічній поверхнях реагує зовсім інакше, ніж черевна `` пляма сидіння '' (див.Viborg and Hillyard, 2004). Більше того, поведінкові модифікації можуть зменшити `` функціональну '' поверхню шкіри, особливо черевної поверхні. Такі зміни, безумовно, є важливою частиною набору відповідей наземних земноводних, спрямованих на збереження води в тілі (див. Hillyard et al., 1998; Viborg and Rosenkilde, 2001).

На тлі складних, взаємопов’язаних та часом суперечливих висновків, мабуть, не дивно, що мало хто з досліджень одночасно досліджував як шкірний газообмін, так і шкірні втрати та поглинання води у земних жаб. Отже, ми використовували фармакологічні інструменти для дослідження взаємозв'язку між шкірним газообміном, втратою води в організмі, серцево-судинною діяльністю та шкірною перфузією в Bufo woodhousei, наземному анурані, який широко поширений по всій Північній Америці, включаючи посушливі умови пустелі Мохаве на південному заході. Сполучені Штати. Зокрема, ми перевіряємо гіпотезу, згідно з якою дегідратація викликає фізіологічні та/або поведінкові реакції, які порушують шкірний газообмін.

Матеріали і методи

Ропухи (Bufo woodhousei Girard 1854) були зібрані з мийки «Фламінго» в Лас-Вегасі, штат Невада, весною 1991 і 1992 рр. Середня маса тіла (± с. Д.) З 23 жаб, використаних у цьому дослідженні, становила 48,2 ± 20,85 г. Тварин поселяли при 25 ° C у великому скляному акваріумі з вільним доступом до води та піщаного субстрату. Всі експерименти проводили при 23-25 ° C.

Всі описані нижче вимірювання проводили на непорушених жабах, з якими ретельно обробляли, щоб запобігти вентиляції сечового міхура, що дозволило їм добровільно нести невизначений об’єм води сечового міхура відповідно до їх фізіологічного та поведінкового стану.

Потік крові і втрата води

Жаби знеболювали (0,5% MS 222 буферизували до рН 7,6; Sigma Co., Сент-Луїс, Міссурі, США), а потім хронічно імплантували катетер сідничної артерії, за допомогою якого можна було контролювати артеріальний тиск і вводити ліки після відновлення після операції та анестезії.

У перший день проводили дегідратацію в контрольних умовах для кожної жаби. Для імітації невеликого збільшення об’єму крові, спричиненого ін’єкціями препарату під час наступних дегідратаційних циклів, контрольний цикл проводили після ін’єкції 200 мкл об’єму фізіологічного розчину, введеного у вигляді підробки. Після 24-годинного періоду відновлення в умовах зволоження експеримент повторили на другу добу з використанням фармакологічних стимуляторів шкірного кровотоку. Кожній жабі давали внутрішньоартеріальну дозу фентоламіну (5 мг кг -1; Sigma), потужного α-адреноблокатора, що призводить до розширення судин, і весь експеримент повторювали, як для контрольного циклу. На третій день кожній жабі давали внутрішньоартеріальну дозу ізопротеренолу (2 мг кг -1; Sigma), потужного серцевого β-стимулятора, і весь експеримент повторювали втретє. Обидва препарати вводили в 200 мкл носія сольового розчину, який, як і контрольний розчин фізіологічного розчину, мав би незначний вплив на об'єм крові протягом експерименту.

Артеріальний тиск та частоту серцевих скорочень вимірювали через годину 1, 3 та 5 год після ін’єкції фізіологічного розчину, фентоламіну або ізопротеренолу. Попередні експерименти показали, що серцево-судинні ефекти обох препаратів діяли приблизно протягом 16-18 годин, після чого швидко спадали до повернення до контрольних значень протягом 24 годин після лікування.

Шкірне виведення діоксиду вуглецю та дифузна здатність чадного газу

Маска для обличчя для кожної жаби була побудована методом Glass та ін. (1978). Ропухи знеболювали (0,5% MS222) перед тим, як робити голову гіпсовим відбитком. Тваринам дозволялося відійти від наркозу протягом декількох днів, і протягом цього часу вони мали вільний доступ до води.

Визначення газів у крові

Окрему групу з шести жаб знеболювали, а сідничну артерію оклюзійно канюлювали трубкою PE 50, наповненою гепаринізованим сольовим розчином. Після 24-годинного періоду відновлення в умовах зволоження від кожної тварини відбирали по 300 мкл крові. Артеріальні PaO2 і PaCO2 вимірювали за допомогою газової клітини крові Камерона, оснащеної електродами CO2 і O2 (мікроелектроди; Бедфорд, штат Нью-Йорк, США), вхід яких відображався на радіометрі PHM 73 (Радіометр, Копенгаген, Данія). Електроди калібрували за допомогою прецизійних газових сумішей. Також був визначений гематокрит. Потім жаби зневоднювали до 75% маси тіла і повторювали вимірювання газів та гематокриту.

Аналіз даних

Дані серцево-судинного та газообмінного тестування перевіряли на ефекти лікування за допомогою ANOVA з подальшим парним t-тестом (кожна тварина служила своїм контролем). Обраний рівень значущості був P s. d .

Результати

Загальні наслідки зневоднення

Зневоднення до 75-80% контрольної маси тіла викликало високий рівень активності у Bufo woodhousei. Ці заходи тривали до тих пір, поки жаби не наблизилися до зневоднення до 80% від маси контролю тіла, після чого активність знизилася, і жаби зайняли позу, яка мінімізувала відкриту поверхню.

Дегідратація, шкірний кровотік і втрата води в організмі

Ізопротеренол та фентоламін спричиняли значне та значне збільшення частоти серцевих скорочень, причому ізопротеренол мав найбільший вплив на обидва параметри (рис. 1А). Артеріальний тиск дещо знижувався після α-адренергічної блокади фентоламіном, тоді як підвищення артеріального тиску супроводжувало лікування ізопротеренолом (рис. 1В). Спільне збільшення частоти серцевих скорочень, а також систолічного та діастолічного артеріального тиску без зниження пульсового тиску настійно наводить на думку про збільшення кровотоку із ізопротеренолу, як можна було б передбачити з відомих дій цього препарату. Підвищення частоти серцевих скорочень та зниження артеріального тиску, спричинене фентоламіном, є, мабуть, наслідком периферичної вазодилатації, що призводить до посиленого кровотоку, а не центральних серцево-судинних регуляцій. Важливо відзначити, що шкіра жаби після будь-якої медикаментозної терапії демонструвала дуже очевидний рум'янець, який очікувався від набору шкірних капілярів, особливо в області тазових пластирів. Таким чином, хоча ми не змогли виміряти шкірний кровотік безпосередньо, спостережувані серцево-судинні ефекти в сукупності припускають значне збільшення шкірного кровотоку.

Вплив ін’єкції фізіологічного розчину, ізопротеренолу (5 мг кг -1) та фентоламіну (2 мг кг -1) на частоту серцевих скорочень (A) та систолічний та діастолічний артеріальний тиск (B) у жаби Bufo woodhousei. Значення для кожної жаби з години 1, 3 та 5 після ін’єкції усереднювали в одну точку даних для кожного стану, які потім усереднювали та наносили як значення ± 1 с. d. (N = 5 жаб).

Для контрольних (оброблених фізіологічним розчином) жаб, поміщених в умови дегідратації, потрібно було середнє значення 10,1 ± 0,7 год для зневоднення до 80% маси тіла, що еквівалентно швидкості дегідратації 1,98% маси тіла h -1. Жаби, оброблені ізопротеренолом та фентоламіном, вимагали середніх значень лише 7,2 ± 0,8 год та 7,4 ± 0,9 год відповідно, що відображає швидкість дегідратації приблизно на 40% швидше, ніж у контрольних жаб (табл. 1). 2 показує часовий хід регідратації та дегідратації в кожному з умов. Зауважимо, що порівняно з контрольними жабами, часовий курс регідратації також був швидшим у оброблених фентоламіном і, меншою мірою, у жаб, оброблених ізопротеренолом.

Швидкість зневоднення та регідратації у жаб, оброблених ізопротеренолом та фентоламіном *

Часовий курс дегідратації та швидкості регідратації у контрольних жаб (Bufo woodhousei) та тих, хто оброблений ізопротеренолом або фентоламіном. Означає ± 1 с. d. будуються в змові. Зверніть увагу на часову різницю між двома графіками, яка виявляє набагато вищу швидкість регідратації, ніж дегідратація (див. Також таблицю 1). N = 11 жаб для кожної з трьох обробок.

Вплив зневоднення на газообмін та дифузію

Після сильної 20-25% втрати води в організмі зневоднення супроводжувалося зниженням на 42% DSkinC 18 O з 0,49 ± 0,03 мкмоль г маси тіла -1 год -1 кПа у повністю гідратованих жаб до 0,28 ± 0,09 мкмоль г - 1 год -1 кПа у зневоднених жаб (табл. 2). Таким чином, наша гіпотеза передбачає одночасне зменшення обміну шкірного газу. Однак не було значущих відмінностей (Р> 0,05) від значень обміну шкірного газу, виміряних у повністю гідратованих жаб, причому ṀO2 залишався приблизно 1,4 мкмоль г -1 год -1, ṀCO2 залишався приблизно 1,7 мкмоль г -1 год -1, і R, що залишається між 1,1-1,4 (таблиця 2).

Шкірний обмін газу в гідратованих та зневоднених жабах *

Дегідратація і крові, і газів крові

Дегідратація призвела до значного збільшення гематокриту майже на 25% (табл. 3), мабуть, через зменшення об'єму крові від втрати плазми внаслідок зневоднення. У гідратованих жабах PaCO2 становив 0,97 кПа, значно зростав (Р 0,05) після гідратації.

Рівні гематокриту та артеріальний парціальний тиск CO2 та O2 у гідратованих та зневоднених жабах *

Обговорення

Можлива роль активності та постави під час регідратації та зневоднення

Реакції на зневоднення з боку Bufo woodhousei включають важливі поведінкові та фізіологічні зміни. Збільшення локомоторної активності, проявляється жабами на ранніх фазах зневоднення, є, мабуть, поведінкою пошуку води, пов'язаною зі стресом зневоднення, як обговорювали численні автори (Heatwole and Newby, 1972; Putnam and Hillman, 1977; Brekke et al. ., 1991; Jorgensen, 1994; Propper and Johnson, 1994; Hillyard et al., 1998; Viborg and Rosenkilde, 2001; Dohm et al., 2001). Оскільки дегідратація наближається до 20-25% гідратованої маси тіла, застосовуються постуральні корекції, щоб мінімізувати втрати води, що випаровуються, за рахунок зменшення відкритої поверхні. Ми не підрахували кількість активності в цих експериментах. Однак цілком можливо, що фармакологічно індуковані відмінності в швидкості дегідратації, які ми вимірювали, могли бути результатом не тільки деякої комбінації фармакологічних ефектів на шкірний кровотік та/або проникність шкіри), але й поведінкових відмінностей, що призводять до різної швидкості втрати води . Дослідження поведінкових ефектів цих фармакологічних засобів було б цікавим продовженням сучасних експериментів.

Механізми зміни проникності шкірного газу

У сукупності наші дані передбачають регульовані зміни шкірного кровотоку з дегідратацією/гідратацією у жаб. Ми прийшли до висновку, що зменшення капілярного кровотоку, ймовірно, в поєднанні з відкладенням капілярів, сприяє, якщо не причинам, спостережуваному зменшенню DSkinC 18 O під час зневоднення у Bufo woodhousei. Таке зменшення шкірного кровотоку зменшує `` функціональну '' або `` фізіологічну '' поверхню шкіри - не тільки для водообміну, але і для газообміну (див. Burggren and Moalli, 1984; Malvin, 1988).

Важливо зазначити, що, хоча зв'язок між шкірним кровотоком та шкірним газообміном представляється ймовірним, зв'язок між шкірним кровотоком та черезшкірним потоком води залишається неоднозначною. Недавні вимірювання шкірного кровотоку в Bufo alvarius та Bufo marinus, проведеними Виборгом та Хілліардом (2004), не виявили значної кореляції між вентральним шкірним кровотоком та поглинанням шкіри через шкіру. Viborg і Rosenkilde (2004) продемонстрували, що під час регідратації у жаб аргінін вазотоцин (AVT) стимулює внутрішній потік води через шкіру, який не залежить від змін у шкірному кровотоці. Нещодавно Хасегава та ін. (2003) локалізували аквапорини у всій плазматичній мембрані зернистих клітин під самим зовнішнім шаром шкіри в тазовій ділянці жаби Hyla japonica. Ці аквапорини були регульовані у відповідь на вазотоцин, що передбачає механізм, незалежний від кровотоку, який міг би пояснювати потужний ендокринний контроль проникності води у важливих місцях потоку води у земноводних. Очевидно, що для вивчення потенційних антагоністичних та синергетичних взаємодій між шкірним кровотоком та гормонально обумовленими змінами проникності шкіри потрібні додаткові експерименти.

Регідратація та шкірний кровотік

Наслідки для органів дихання зниженої проникності шкірного газу

Зниження водопроникності шкіри, що супроводжує зменшення проникності шкіри для газів, дозволить такому анурану, як Bufo woodhousei, чий ареал охоплює відносно (ксеричні) сухі середовища існування, проводити більше часу, виїжджаючи з води. Зменшуючи проникність води для шкіри та швидкість втрати води, можна зберегти воду в організмі та уповільнити зневоднення, коли доступність води зменшується. Однак знижена проникність шкіри також впливає на шкірний газообмін, головний шлях у земноводних для засвоєння кисню та елімінації вуглекислого газу (огляди див. Feder and Burggren, 1985, 1992).

Чому елімінація вуглекислого газу та надходження кисню через шкіру не зменшуються однаково стрімко у зневоднених жаб? Різке збільшення PaCO2 після зневоднення на 20% забезпечує суттєво збільшений градієнт газообміну через шкіру. Оскільки шкірний газообмін традиційно вважається великим обмеженням дифузії (див. Feder and Burggren, 1985; Piiper, 1988), значне збільшення градієнта PCO2 через шкіру може легко компенсувати задокументоване зменшення газодифузійної здатності шкіри. Крім того, виміряне підвищення рівня PaCO2 у крові під час зневоднення цілком могло стимулювати вентиляцію легенів (див. Smatresk and Smits, 1991; Branco et al., 1993; Wang et al., 2004). Хоча лише близько 1/3 елімінації СО2 зазвичай відбувається через легені в буфонідах, посилений градієнт парціального тиску СО2 через легеневі мембрани в умовах дегідратації, ймовірно, діятиме у поєднанні з посиленим градієнтом РСО2 через шкіру, причому обидва явища забезпечують постійний СО2 елімінація, незважаючи на зменшення проникності шкіри для цього газу.

Нарешті, ми не вимірювали об’єм води сечового міхура і не перешкоджали її утриманню, оскільки однією з наших цілей було вивчити вплив адренергічних препаратів на частоту серцевих скорочень та кровотік, незалежно від будь-якого фізіологічного або поведінкового захисту від зневоднення, який можна встановити. Проте очевидна подібність пропорційного збільшення гематокриту та пропорційного зменшення води в організмі під час зневоднення свідчить про те, що ці жаби або не використовували жодної затриманої води сечового міхура для захисту дегідратації тканин тіла, або таке використання води сечового міхура було неефективним.

Висновки

Bufo woodhousei зменшує здатність шкіри до дифузії під час зневоднення. Хоча механізм є невизначеним, пов'язане з цим зменшення черезшкірних втрат води, яке корелює зі зменшенням шкірного кровотоку. Фізіологічний конфлікт між необхідністю продовжувати шкірний газообмін, одночасно потенційно знижуючи втрати води при випаровуванні через зменшення шкірного потоку в Буфо Вудхаузіс, подолано компенсаційним збільшенням градієнтів газообміну та, можливо, випадковими змінами гематокриту. Поки Bufo woodhousei може терпіти кислотно-основні та інші наслідки значно підвищеного рівня PCO2 у крові та тканинах, тоді він може одночасно досягти як зменшення втрат води, так і постійного виведення CO2 через шкіру під час зневоднення. Таке обхід сприйнятих фізіологічних конфліктів насправді може бути більш поширеним, ніж передбачалося раніше, але вимагає багатогранних експериментів, спеціально розроблених для перевірки таких гіпотез.