Век млекопитающих - Age of Mammals

Клетки крови утконоса обладают следующими размерами: эритроциты — в среднем 5,6 ± 1,6 мкм (от 4,8 до 7,2 мкм) в диаметре, лимфоциты — 10,7 ± 2,8 мкм (7,2-20,4 мкм), нейтрофилы — 12,3 ± 1,1 мкм (9,6-14,4 мкм), моноциты — 14,6 ± 1,4 мкм (12,0-18,0 мкм), эозинофилы — 14,5 ± 1,2 мкм (13,2-16,8 мкм), базофилы — 13,0 ± 0,6 мкм (12,6-14,0 мкм), тромбоциты — 2,0-5,0 мкм (2,0-8,0 мкм). Как и у других млекопитающих (за исключением верблюдовых (Camelidae)), эритроциты имеют двояковогнутую форму и лишены ядра. Тромбоциты тоже сходны с таковыми у прочих представителей класса. Напротив, лейкоциты примечательны наличием телец Деле в сегментоядерных нейтрофилах. Сходным образом, несегментированный характер ядер эозинофилов и базофилов необычен по сравнению с большинством млекопитающих. Подобно ехиднам, эритроциты характеризуются очень низким уровнем аденозинтрифосфата (АТФ), составляющим только 0,06 мкмоль/мл. Тем не менее, столь небольшое его количество все же является достаточным для транспортировки катионов через мембраны эритроцитов.

В гематологических показателях утконоса не выявлен половой диморфизм, но возрастные различия очевидны. Среднее количество эритроцитов значительно выше у детенышей (12,5 × 1012/л), чем у подростков (9,6 × 1012/л) и взрослых (9,7 × 1012/л). Объем эритроцита у взрослой особи составляет 54 ± 1,5 куб. мкм, общий объем эритроцитов в крови (гематокрит) — 52 ± 1,0 %, концентрация гемоглобина в эритроците — 353 ± 6,0 г/л, уровень гемоглобина в крови — 175 ± 4,0 г/л. Благодаря довольно высокому содержанию гемоглобина, 100 мл крови может переносить порядка 23 мл кислорода. Перечисленные гематологические показатели сопоставимы с таковыми у других роющих и плавающих млекопитающих, способных справляться с гипоксией и гиперкапнией в тесных подземных ходах и связывать в гемоглобине достаточное количество кислорода для подводных погружений. На протяжении 2 минут после выныривания содержание кислорода и углекислого газа в крови животного полностью возвращается к норме. Утконос обладает и другими физиологическими адаптациями к нырянию — так, для него характерны четко выраженные брадикардия и эффект Бора. 

    Кривые кислородной диссоциации крови утконоса (Ornithorhynchus anatinus). Показатели парциального давления диоксида углерода (CO2) при 4, 6 и 15 мм рт. ст. свидетельствуют о проявлении эффекта Бора. (По Johansen et al.,1966.)

Погружаясь на дно водоема, утконос может задерживать дыхание на срок до 11 минут. Физиология этого процесса изучалась в лабораторных условиях. Было обнаружено, что до, во время и после погружений изменяется частота сердечных сокращений. В спокойном состоянии она составляет 140-150 уд/мин, а во время сна — 75-120 уд/мин. В начале погружения частота сердцебиения быстро снижается, ее самый низкий уровень — 30 уд/мин — достигается через 15 секунд нахождения под водой. В предвкушении всплытия при активном погружении длительностью менее 1 минуту частота сердечных сокращений увеличивается (тахикардия). После выныривания она обычно выше, чем в состоянии покоя до погружения и может достигать 230 уд/мин (а по некоторым данным, даже 300-400 уд/мин). При нырянии на срок от 1 до 3,5 минут частота сердечных сокращений может снизиться до 10 уд/мин, если животное под водой неактивно. Не наблюдается увеличения сердечного ритма в конце погружения, а после выныривания нет признаков тахикардии. 

Перед погружением утконос быстро делает глубокий вдох, вероятно, заполняя воздухом примерно половину объема относительно крупных легких, а после всплытия совершает выдох. По сравнению с большинством водных млекопитающих, для него характерен низкий уровень кислородосвязывающего белка миоглобина — около 5,6 мл на 1 кг массы тела. Как уже было указано, 100 мл крови переносит примерно 23 мл кислорода. Согласно грубой оценке, в начале погружения в легких животного находится около 5 мл кислорода, в мышцах — порядка 5 мл, в крови — приблизительно 15 мл. Судя по всему, этого количества кислорода вполне достаточно для активного погружения продолжительностью около 60 секунд или неактивного в 3-4 минуты. Судя по всему, при более длительном нахождении под водой существенно уменьшается кровоснабжение тканей.

Падение частоты сердцебиения во время погружения подтверждает предположение об ограниченном кровоснабжении, а короткий восстановительный период после выныривания указывает на слабую проявленность анаэробного метаболизма. Оценка кислородной емкости тканей и скорости потребления кислорода показывает, что при погружениях небольшой и средней длительности (сроком примерно до 40-60 секунд) необходимость в анаэробном обмене практически отсутствует. Уровень изоферментов мышечной лактатдегидрогеназы также свидетельствует о небольшой зависимости от анаэробного гликолиза и о использовании организмом аэробно окисленной молочной кислоты. Кроме того, мышцы утконоса имеют низкую буферную емкость для размещения метаболических кислот, накапливающихся в процессе анаэробиоза.

У свободноживущих утконосов наблюдается высокий уровень лейкоцитов (для взрослого в среднем 42,8 × 109/л) с преобладанием лимфоцитов над нейтрофилами. Судя по всему, лимфоциты высоко чувствительны к стрессу, вызванному поимкой. У неанестезированных животных спустя несколько часов после отлова сокращение числа лимфоцитов на 10-58 % от их исходного количества (для взрослого в среднем 27,8 × 109/л) приводит к значительному снижению общего числа белых клеток. Смерть наступает, когда уровень лимфоцитов падает ниже 5 × 109/л вследствие бактериальной инфекции. Напротив, особи, подвергшиеся эфирному наркозу, демонстрируют увеличение количества лимфоцитов. Таким образом, подсчет лимфоцитов в периферической крови может являться полезным средством контроля стрессовой реакции недавно отловленных,  неанестезированных утконосов.

Вызванный поимкой стресс также характеризуется быстрым увеличением концентрации в плазме глюкокортикоидов, катехоламинов и свободных жирных кислот. Как ни странно, средняя концентрация глюкозы в плазме после поимки возрастает лишь незначительно и на короткое время. Судя по всему, утконос в стрессовых ситуациях в меньшей степени зависит от запасенных углеводов и в большей — от запаса жира. У самок участие в реакции глюкокортикоидов наиболее значительным является во время беременности и в начале лактации, тогда как у самцов — перед спариванием, что указывает на связь между размером надпочечников и размножением.

    Забор крови из кровеносного сосуда в передней части клюва утконоса (Ornithorhynchus anatinus). 

По мере взросления увеличение в плазме крови доли глобулинов ведет к возрастанию в ней общего количества белка. По сравнению со взрослыми, молодые особи демонстрируют более низкий уровень глобулинов и высокий альбуминов, а следовательно, относительно низкий уровень плазменного белка. Из-за высокой остеобластической активности растущая молодежь характеризуется повышенным уровнями щелочной фосфатазы и неорганического фосфата, которые снижаются с возрастом. По-видимому, уровень плазменного холестерина также зависит от возраста. У детенышей, отловленных в январе, в пищеварительном тракте содержалось молоко, а уровень триглицеридов в плазме крови был самым высоким. У подростков, попавших в ловушки в марте, отсутствовало молоко и уровень плазменных триглицеридов не отличался от такового у взрослых. Из этого можно заключить, что переход молодых к самостоятельному питанию приводит к понижению уровня триглицеридов в кровяной плазме. Вероятно, высокий уровень триглицеридов в плазме крови детенышей связан с потреблением ими материнского молока. Уровень триглицеридов снижается между периодами молочного кормления, тогда как уровень холестерина остается высоким, но после завершения лактации он тоже падает.

Уровни витаминов A и D в крови утконоса гораздо ниже, чем у большинства других млекопитающих. Это может быть связано с тем, что большую часть времени он проводит под водой или в норе. Вследствие этого животное подвергается весьма ограниченному воздействию солнечный лучей, что является важным фактором для продуцирования этих витаминов. В то же время, уровень витамина Е в крови находится в пределах привычного для млекопитающих диапазона.

Селезенка, тимус и связанная с кишечником лимфоидная ткань хорошо развиты и по гистологическому строению сходны с таковыми у териев. Лимфоидная ткань содержит все необходимые типы клеток, включая Т- и В-лимфоциты и плазмоциты. При столкновении с чужеродным антигеном они обеспечивают иммунный ответ.

Поскольку строение гипофиза у утконоса и ехидны практически неотличимо, можно предположить, что сходны друг с другом и их нейрогипофизарные гормоны. Из задней доли гипофиза утконоса идентифицированы 2 пептида. Один из них по своему аминокислотному составу и времени хроматографического удерживания идентичен аргинин-вазопрессину. Этот прессорный пептид имеется в количестве примерно в 4 раза большем, чем обнаруженный окситоцический пептид. Аминокислотный состав последнего пептида пока не определен. Подобно териям, передняя доля гипофиза секретирует гонадотропные гормоны — фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ).

Надпочечники достигают около 1,8 см в длину и 0,8 см в ширину, что делает их относительно крупными (257 ± 41 мг кг-1) и сопоставимыми по размерам с таковыми у плацентарных млекопитающих. В периферической крови утконоса выявлено 4 надпочечниковых кортикостероида и установлены уровни их содержания. Это кортизон (8,2 мкг/100 мл плазмы), кортизол (5,4 мкг/100 мл) и комбинированный кортикостерон и 11-дегидрокортикостерон (1,8 мкг/100 мл). Общий уровень кортикостероидов находится в пределах показателей, установленных для плацентарных, но основным глюкокортикоидом является кортизон, который в крови других млекопитающих обычно присутствует лишь в незначительной концентрации. По сравнению с ехиднами, надпочечники крупнее, а секреция кортикостероидов и уровень их содержание в крови выше. Очевидно, это свидетельствует о большей значимости этих желез в регуляции обмена веществ утконоса. 

Щитовидная железа развита хорошо. Наблюдаются небольшие сезонные отличия в уровнях содержания сывороточного тироксина (Т4) и трийодтиронина (Т3). Для самцов характерен значительно более высокий уровень T3, чем для самок. Неполовозрелые особи по сравнению с взрослыми демонстрируют более высокий уровень как Т3, так и Т4. Полученные показатели 37-136 нмоль/л для Т4 и 0,3-1,7 нмоль/л для Т3 выше, чем у ехидн и сумчатых, что может быть связано с относительно высоким уровнем обмена веществ и интенсивными темпами роста утконоса.   

6 видов эндокринных клеток идентифицировали в проксимальном отделе тонкой кишки утконоса и 5 типов нейропептидов обнаружили в интрамуральных нервных элементах этой области. Функциональное значение этих эндокринных клеток и нейропептидов у рассматриваемого вида неизвестно, но вещества, управляющие гладкими мышцами могут быть связаны с сокращением и расширением кишечных складок, по-видимому, компенсирующих отсутствие ворсинок.

Подобно плацентарным млекопитающим, беременность у самки поддерживается прогестероном и 17β-эстрадиолом. Эти гормоны секретируются функциональным эквивалентом желтого тела, которое развивается из фолликула левого яичника, по-видимому, напоминающего фолликул завропсид. В прибрежных районах Нового Южного Уэльса и Виктории уровень прогестерона достигает пиковых значений в августе и сентябре, затем снижаясь в течение октября. В крови беременной самки было выявлено 10,4 нг/мл прогестерона и 0,16 нг/мл эстрадиола. Рост фолликулов левого яичника и увеличение дистального отдела соответствующего яйцевода начинается в конце июня и достигает своего максимума в августе; обратное развитие процесс претерпевает к декабрю. Левый яичник тоже достигает своего максимального веса по отношению к массе тела в августе и регрессирует в течение лета. В правом яичнике аналогичных изменений не наблюдается, но несколько изменяется гистология правого яйцевода.

Аналогичные изменения претерпевает и половая система самца. В вышеупомянутой части Австралии семенники начинают увеличиваться в размере примерно в конце июня, достигают своего максимального веса по отношению к массе тела в августе - сентябре (27 г, около 16 г/кг) во время сезона спаривания и заканчивают инволюцию в январе (1,7 г, примерно 1 г/кг). Семенники вырабатывают андрогены, продукция которых значительно возрастает в течение сезона спаривания. Главным мужским гормоном, обнаруженном в плазме сперматической венозной и периферической крови, является тестостерон. Его уровень в сперматической венозной крови гораздо выше в период размножения (400 нг/мл), чем в остальное время года (10 нг/мл). Аналогичным образом, в периферической крови наблюдается концентрация тестостерона 12 нг/мл в период спаривания и 0,3 нг/мл в прочее время. Таким образом, размеры семенников положительно коррелируют с уровнем тестостерона. Параллельно его повышение вызывает увеличение придатков семенников и бедренных желез, начинающих интенсивно секретировать ядовитые вещества. В это время самец также становится более агрессивным. До конца непонятно, что именно инициирует выработку гормонов; как и у других животных, на репродуктивный цикл влияют сезонные изменения окружающей среды.

    Изменение веса семенников и ядовитых желез самца утконоса (Ornithorhynchus anatinus) на протяжении года. Черными кружками отмечен средний вес семенников в граммах на 1 килограмм веса тела, а заштрихованная область демонстрирует границы вариабельности данного признака. Белыми квадратами обозначен средний вес ядовитых желез, линиями — отклонения от него. Цифрами отмечен размер выборки для каждого месяца. (По Grant, 2007.)

У самки молоко вырабатывается парой млечных желез необычайно крупных размеров. При общей длине тела от морды до кончика хвоста 43 см длина лактирующих желез может достигать 13,5 см, т. е. почти 1/3 общей длины. Каждая железа представляет собой расположенную под кожей группу булавовидных долек, связанных соединительной тканью в веерообразную структуру. Эти дольки заполнены многочисленными альвеолами — полыми мешочками, покрытыми, словно сетью, миоэпителиальными клетками. Еще один слой эпителиальных клеток выстилает альвеолы изнутри, и именно эти клетки секретируют различные компоненты молока — казеиноген (предшественник казеина), сывороточные белки, углеводы, капельки жира и минеральные соли. Из альвеол молоко поступает в выводные протоки и выделяется на поверхности кожи через расширенные поры. Эти поры собраны в 2 округлых и плоских млечных поля, покрытые шерстью и расположенные по бокам средней части брюха. 

    Старинные рисунки млечного поля самки утконоса (Ornithorhynchus anatinus)

У большинства самок млечные железы находятся в состоянии полного покоя с мая до середины июля. В этот период они значительно регрессируют, достигают не более 2,5 см в длину и с трудом обнаруживаются невооруженным глазом. В конце июля железы начинают разрастаться посредством митотического деления клеток и вскоре дифференцируются в описанные выше веерообразные структуры, состоящие из долек около 5 см в длину. Они занимают большую часть брюшной поверхности и могут даже простираться к спине. Соединительная ткань вокруг желез разрастается, становится гиперклеточной, и нити мезенхимы, образовавшиеся из гиперклеточной ткани, замещают находящуюся в области желез жировую ткань. Когда происходит откладка яиц, лишенные просветов канальцы образуют периферические ответвления, проникающие во вновь сформировавшуюся соединительнотканную матрицу, после чего новая система канальцев приобретает просветы. Когда детеныши вылупляются, канальцы расширяются с образованием тонкостенных альвеол, секретирующих молоко. Такое состояние железы сохраняют на протяжении всей лактации, примерно с октября по январь. Если беременность не наступает, к январю они регрессируют.

В 100 г молока утконоса содержится 39,1 г сухих веществ, из которых 22,2 % составляют жиры, 8,2 % — белки, 3,3 % — гексоза, 0,43 % — сиалиллактоза и 0,5 % — минеральные вещества. Молочный жир на 98,5 % состоит из триглицеридов, остальное — фосфолипиды и свободные жирные кислоты. Эти кислоты утконос получает из беспозвоночных, которыми питается. Присутствует также очень небольшое количество эфиров холестерина. Полиненасыщенные вещества составляют 29 % триглицеридов жирных кислот в молочном жире и 32 % от общего количества жирных кислот в липиде пищи. Основными полиненасыщенными веществами в пище и молоке являются линолеат, арахидонат и эйкозапентаеноат, тогда как докозапентаеноат присутствует преимущественно в молоке. Молоко чрезвычайно богато белком; по уровню его содержания оно сравнимо с молоком кролика, морской свинки, крысы и некоторых сумчатых, но уступает в этом отношении молоке ехидны. Моносахаридный состав кислотных гидролизатов водорастворимых углеводов составляет 33 % L-фукозы, 29 % D-галактозы, 20 % глюкозамина, 11 % D-глюкозы и 7 % сиалиллактозы. Основным нейтральным углеводом в молоке утконоса является тетрасахарид дифукозиллактоза. Имеются лишь следы свободной лактозы. Концентрация в молоке железа составляет 21,1 мг/л. 

Геном утконоса сравнительно небольшой и состоит из примерно 2,3 млрд. азотистых оснований. Они образуют 18 527 генов, кодирующих белки, что сопоставимо с этой цифрой у других современных млекопитающих. Более 80 % генов утконоса общие с прочими млекопитающими, геномы которых уже секвенированы. Довольно большое количество его генов характерно также для рептилий. Наконец, имеется несколько генов, раньше выявленных лишь у амфибий и рыб. Для 15 312 из 18 527 упомянутых генов были обнаружены ортологи у 5 других видов исследованных млекопитающих. Они имеют свои аналоги в соотношении 1 : 1 и отвечают в основном за обмен веществ, репликацию ДНК и белковый сплайсинг. Гены, связанные с оплодотворением яйцеклетки, общие с таковыми у рептилий и млекопитающих. 

По сравнению с большинством млекопитающих, у утконоса наличествует вдвое меньше генов для кодирования белков обонятельных рецепторов носовых раковин (примерно 700), но зато неожиданно много генов, кодирующих белки вомероназальных рецепторов (порядка 1030). Большинство последних имеет монофилетическое происхождение и возникло в результате дупликации; согласно молекулярной оценке, это произошло около 160 млн. лет назад. Рецепторы большой семьи V1R не являются эквивалентами таковых у чешуйчатых рептилий и птиц. 

В отличие от других млекопитающих, имеются характерные отличия в генах, ответственных за работу иммунной системы. Наличествует 214 генов, кодирующих рецепторы NK-клеток, или естественных киллеров. Для сравнения, у крысы их 45, у человека — 15, а у опоссума всего 9. Подобно последнему, для утконоса характерны кателицидины — антимикробные пептиды, участвующие во врожденном иммуннитете. Также отмечено наличие гена, кодирующего белок CD163. 

В кариотипе самца и самки утконоса по 52 хромосомы. У него имеется 10 половых хромосом, а не 2 (X1X2 или X1Y2), как у большинства других млекопитающих. Все половые хромосомы связаны в цепь, которая ведет себя в мейозе как единое целое. Поэтому у самцов образуются сперматозоиды, имеющие цепочки X1X2X3X4X5 и Y1Y2Y3Y4Y5. Когда сперматозоид X1X2X3X4X5 оплодотворяет яйцеклетку X1X2X3X4X5, рождается детеныш женского пола, если сперматозоид Y1Y2Y3Y4Y5 — мужского пола. Соответственно, комбинация X1X1X2X2X3X3X4X4X5X5 характеризует самку, а комбинация X1Y1X2Y2X3Y3X4Y4X5Y5 — самца. 

Хотя хромосома X1 имеет 11 генов, которые обнаруживаются во всех X-хромосомах млекопитающих, а хромосома X5 обладает геном, который называется DMRT1 и встречается в Z-хромосоме у птиц, являясь ключевым полообразующим геном птиц, в целом геномные исследования показали, что 5 половых X-хромосом утконоса гомологичны Z-хромосоме птиц. У утконоса не обнаружен ген SRY — ключевой ген определения пола у млекопитающих. Пол определяется геном антимюллерова гормона (АМГ) на самой старой Y-хромосоме. Характерна неполная дозовая компенсация, описанная у птиц. Таким образом, генетический аппарат утконоса демонстрирует промежуточный характер между XY-определением пола млекопитающих и системой ZW, свойственной рептилиям и птицам.