Сравнение зимних и летних значений энергетического метаболизма покоя и дыхательного коэффициента у лазоревок (Cyanistes caeruleus, Aves)

Введение

Энергетическому обмену птиц посвящено большое количество работ, начиная с XIX века. Однако в последнее время появилась точка зрения о необходимости ревизии данных об энергетическом обмене птиц, поскольку существует множество данных о фенотипической гибкости энергетического обмена и о его обратимых изменениях на коротких временных отрезках [5, 8, 9, 10].

В 1970 г. Ашофф и Поль [3] показали, что измерения энергетического обмена у птиц с дневной активностью, проведенные ночью, в целом на 25—40 % дают более низкие значения, чем измерения, проведенные днем, даже если птицы в это время находились в темноте. Другие исследования подтвердили эту закономерность, но было выяснено, что для воробьиных птиц эта разница составляет около 20 % [1, 4]. Кроме того, на небольшом количестве видов птиц, которые содержались в неволе, было показано, что энергетический метаболизм покоя имеет суточный ритм, который сохраняется при постоянных условиях [1, 4]. В настоящий момент все исследователи энергетического обмена птиц согласны с тем, что дневные значения метаболизма покоя выше, чем ночные. Однако величина этих различий, их постоянство в течение суток, наличие повторяющихся суточных ритмов, связь с другими физиологическими и экологическими характеристиками остается неопределенной. Так в частности взаимосвязь и взаимовлияние энергетического метаболизма в покое и дыхательного коэффициента практически не изучены.

Энергетический обмен птиц умеренной зоны имеет сезонную цикличность. Однако направление сезонных изменений энергетического обмена различное у разных видов. Возможно как повышение уровня энергетического обмена на зиму, так и понижение [1, 4].

Различные данные свидетельствуют, что для точной оценки энергетических затрат птиц в разных условиях и при разном питании необходимо одновременное измерение потребления кислорода и выделения углекислого газа [13]. При окислении разных субстратов выделяется разное количество углекислого газа [2]. Отношение количества образовавшегося в процессе метаболизма углекислого газа к количеству потребленного кислорода называется дыхательным коэффициентом, этот показатель играет важную роль в физиологии обмена веществ.

Цель исследования

Цель данной работы — измерить энергетический обмен и дыхательный коэффициент птиц, взятых непосредственно из природы, в покое, в термонейтральной зоне при стандартных условиях, но в разное время суток и в разные сезоны.

В качестве объекта исследования использованы синицы лазоревки (Cyanistes caeruleus), обитающие в Подмосковье круглый год.

Материалы и методы

Исследования проводили в 2009—2014 г.г. на территории Звенигородской биологической станции им. С. Н. Скадовского биологического факультета МГУ в западном Подмосковье. Свободноживущих птиц отлавливали паутинными сетями или западками, и, после соответствующих стандартных измерений, взвешивания и кольцевания, помещали в камеру газового анализатора, где определяли стандартный энергетический обмен методом непрямой калориметрии, который основан на измерении газообмена животного [6]. Измеряли потребление кислорода и выделение углекислого газа птицей с помощью проточного респирометра FoxBox-C фирмы Sable Systems Int. (USA). Одновременно регистрировали скорость протока воздуха через камеру, температуру в камере и концентрацию углекислого газа и кислорода. Скорость потребления кислорода и выделения углекислого газа определяли методом проточной респирометрии [6]. Уличный воздух в термостате разделялся на два равных по величине потока, один из которых поступал в герметичную респирационную камеру, в которой размещалась птица, а другой — в аналогичную пустую (контрольную) камеру. Через камеры непрерывно пропускали воздух независимыми насосами, установленными после камер. Интенсивность вентиляции респирометрических камер (скорость протока) устанавливали в пределах 600—850 мл/мин. Объем камер составляет около 2 л. Поглотители воды не использовались. Скорость потребления кислорода и выделения углекислого газа птицей вычислялась на основании измерения разности концентраций этих газов на выходе из респирационной камеры с птицей и на выходе из пустой аналогичной камеры. Скорость потребления кислорода и выделения углекислого газа равна разности этих концентраций, умноженной на скорость протока воздуха через камеры. Концентрацию углекислого газа и кислорода после респирационной камеры с птицей и аналогичной пустой камеры измеряли последовательно в одном приборе в течение 24—30 и 6—10 мин соответственно. Тем самым осуществляли калибровку газоанализатора. Частота снятия показаний прибором 1 раз в 10 с. Все объемы газов приводились к стандартным условиям (STPD) — газоанализатор FoxBox-C делает это автоматически. Измерения проводили днем в течение 2,5—3,2 ч. и ночью (8—10 ч) в затемненной камере при постоянной температуре 25^о С, которая соответствует термонейтральной зоне. Время от момента поимки птицы до помещения ее в камеру составляло 20—40 мин. Опыты начинали в разное время суток. Дыхательный коэффициент определяли во время опыта. Энергетический обмен птиц рассчитывали непрерывно на основе вычисленных значений дыхательного коэффициента в данный момент времени [6]. Для анализа использовали минимальные значения энергетического обмена птицы в опыте, которые обычно регистрировали через 1,0—1,5 ч. после начала эксперимента, или позже, когда желудочный тракт птицы был пуст. Усреднения делали на отрезке не менее 4 мин в программе MatLab после выделения минимальных значений. Аналогично использовали минимальные значения дыхательного коэффициента, полученные в опыте. После окончания опыта птицу отпускали. Некоторых птиц отлавливали и измеряли несколько раз. Всего проведено 86 опытов. Поскольку продолжительность экспериментов составила более 3-х часов для одного значения энергетического обмена птиц, то все время суток мы смогли разбить на 8 трехчасовых интервалов, для которых и были получены соответствующие значения метаболизма покоя и дыхательного коэффициента. Годовой цикл был разделен на 2 условных периода: зима — с середины ноября по начало апреля, и лето — с середины апреля по начало ноября. Цифры приводятся как среднее ± стандартное отклонение.

Результаты и обсуждение

Средняя масса тела лазоревок, использованных в опытах, существенно различалась: летом средняя масса лазоревок днем была 10,9 ± 0,7 г. (n = 25), ночью — 11,4 ± 0,6 г. (n = 14); зимой днем — 12,0 ± 0,8 г. (n = 28), зимой ночью -12,5 ± 0,5 г. (n = 19). Чтобы в дальнейшем исключить влияние массы тела на энергетический метаболизм покоя птиц, для всех энергетических данных, мы приводим значения удельной интенсивности энергетического обмена, то есть величину энергетического метаболизма в единицу времени и на 1 грамм массы тела птицы. Влияния массы тела птиц на дыхательный коэффициент ни в ночных, ни в дневных опытах не обнаружено.

Минимальные значения энергетического метаболизма покоя лазоревок были получены в ночные часы: с 2 до 5-ти часов (рисунок 1). Эти значения соответствуют всем условиям базального (стандартного) метаболизма птиц (BMR) и могут сравниваться между собой и с таковыми же, полученными в других работах. У лазоревок базальный метаболизм в зимний период достоверно ниже, чем в летний период — BMRзима = 1,57 ± 0,17 кДж/сут*г. (n = 19), BMRлето = 1,69 ± 0,16 кДж/сут*г. (n = 14) (p < 0,05, t-test).

Рисунок 1 — Суточные циклы энергетического метаболизма покоя лазоревок зимой и летом

Энергетический метаболизм покоя у лазоревок в зимнее время имеет ярко выраженный суточный ритм, с минимальным значением в ночные часы (с 2 до 5-ти часов) и с одним пиком в дневные часы (с 8 до 11-ти часов) (рисунок 1). Несмотря на то, что все измерения энергетического метаболизма покоя лазоверок были сделаны в темной камере, из рисунка видно, что энергетический метаболизм лазоревок зависит от светового суточного ритма. Весь день в осенне-зимний период можно условно разделить на: ночь — с 20 часов вечера до 8 утра; день — с 8 утра до 17 часов; сумерки — с 17 до 20 часов. Энергетический метаболизм лазоревок низок весь ночной период, с минимумом примерно в середине ночи — с 2 до 5 часов, днем энергетический метаболизм резко возрастает, в поздние дневные часы и в сумерки энергетический метаболизм лазоревок плавно снижается от дневного уровня к ночному (рисунок 1). Энергетический обмен лазоревок в покое достоверно отличается в зависимости от времени измерения (p < 0,001, критерий Краскела-Уоллиса: H (7, N= 64) =45,16). При попарном сравнении минимальные значения энергетического метаболизма покоя, полученные с 2 до 5-ти часов, достоверно отличаются от значений, полученных с 8 до 11-ти и с 11 до 14-ти (p < 0,01, U-критерий Манна-Уитни). А максимальные значения энергетического метаболизма покоя, полученные с 8 до 11-ти часов, достоверно отличаются от всех значений, кроме тех, что были получены с 11 до 14-ти часов (p < 0,01, U-критерий Манна-Уитни).

Энергетический метаболизм покоя у лазоревок в летнее время также имеет ярко выраженный суточный ритм, с минимальным значением в ночные часы (с 2 до 5-ти часов). Однако единственный пик энергетического обмена приходится на другое время в дневные часы (с 11 до 14-ти часов) (рисунок 1). Энергетический метаболизм лазоревок летом низок весь ночной период, с минимумом примерно в середине ночи — с 2 до 5-ти часов, днем энергетический метаболизм возрастает, в поздние дневные часы и в сумерки энергетический метаболизм лазоревок плавно снижается от дневного уровня к ночному (рисунок 1). Энергетический обмен лазоревок в покое в летнее время также достоверно отличается в зависимости от времени измерения (p < 0,001, критерий Краскела-Уоллиса: H (7, N= 64) =41,86). При попарном сравнении минимальные значения энергетического метаболизма покоя, полученные с 2 до 5-ти часов, достоверно отличаются от значений, полученных с 8 до 11-ти и с 11 до 14-ти часов (p < 0,01, U-критерий Манна-Уитни). А максимальные значения энергетического метаболизма покоя, полученные с 11 до 14-ти часов, достоверно отличаются от всех ночных значений (с 23 до 8-ми часов) (p < 0,05, U-критерий Манна-Уитни) и не отличаются от других дневных значений.

Минимальные значения дыхательного коэффициента лазоревок (ДК) были получены в ночные часы: с 2 до 5-ти часов (рисунок 2). У лазоревок значения дыхательного коэффициента в зимний период (ДК = 0,74 ± 0,03 = 19) выше, чем в летний период (ДК = 0,72 ± 0,02 n = 14), но различия недостоверны (p > 0,05, t-test).

Рисунок 2 — Суточные циклы дыхательного коэффициента лазоревок зимой и летом

Минимальный дыхательный коэффициент свободноживущих лазоревок также и зимой и летом имеет ярко выраженный суточный ритм, с минимальным значением в ночные часы (с 2 часов до 5-ти часов) и с одним пиком в дневные часы (с 11 до 14-ти часов) (рисунок 2). При этом зимние значения дыхательного коэффициента всегда выше летних значений, а сами суточные ритмы практически совпадают.

Летом ритм дыхательного коэффициента лазоревок практически повторяет ритм энергетического обмена с незначительным отличием в позднее дневное и сумеречное время (рисунок 2). Как и энергетический метаболизм покоя, дыхательный коэффициент лазоревок достоверно отличается в зависимости от времени измерения, но достоверность различий меньше (p < 0,05, критерий Краскела-Уоллиса: H (7, N= 67) =16,72). При попарных сравнениях различия в значениях минимального дыхательного коэффициента следуют различиям энергетического метаболизма покоя, но достоверность различий несколько уменьшается (p 0,05, U-критерий Манна-Уитни). Небольшие отличия существуют только для времени с 14 до 17-ти и с 17 до 20-ти часов.

Зимой ритм дыхательного коэффициента лазоревок отличается от ритма энергетического обмена (рисунки 1, 2). Зимой пик дыхательного коэффициента лазоревок приходится на период с 11 до 14-ти часов, а пик энергетического обмена на период с 8 до 11-ти часов. В другие периоды времени ритм дыхательного коэффициента лазоревок совпадает с ритмом энергетического обмена. Зимой дыхательный коэффициент лазоревок также достоверно отличается в зависимости от времени измерения (p < 0,05, критерий Краскела-Уоллиса: H (7, N= 67) =15,52). Пик дыхательного коэффициента с 11 до 14-ти часов, достоверно выше ночных значений дыхательного коэффициента (с 23 до 8-ми часов) (p < 0,05, U-критерий Манна-Уитни).

В литературе существует только одно значение базального метаболизма лазоревок, полученное для птиц в осенний период в Скандинавии: BMR = 1,5 кДж/сут*г. [7]. Значения, полученные в данном исследовании для свободноживущих птиц в Подмосковье, выше литературных данных. По единичному сравнению нельзя заключить, связаны ли эти различия с популяционными особенностями исследованных птиц или с различиями в методах исследования.

Можно сравнить энергетический метаболизм лазоревок из подмосковной популяции с другими птицами, используя обобщающие уравнения зависимости энергетического обмена от массы тела птиц, опубликованные в последнем крупном обзоре [10]. Энергетический метаболизм воробьиной птицы массой 11,4 г. по обобщающему уравнению составляет 1,55 кДж/сут*г., что близко к значению базального метаболизма лазоревок в зимний период.

Сезонная цикличность базального метаболизма у мелких воробьиных птиц (массой менее 200 г.), обитающих в умеренных широтах, обычно сильно выражена. Наиболее часто происходит повышение уровня базального метаболизма на зиму [1, 4]. Лазоревки, обитающие в Подмосковье, демонстрируют обратную зависимость.

Максимальная разница между значениями энергетического обмена покоя днем и ночью составила 45 % зимой и 15 % летом, что соответствует как выводам Ашоффа и Поля [3], так и выводам других авторов [1, 4]. Сравнивая значения, полученные в другие часы, получим значительно меньшие различия.

При исследовании ритма энергетического обмена покоя у других видов птиц, ранее была получена несколько иная картина. Ритмы энергетического метаболизма имели 2 пика в дневное время — утренние и вечерние часы, и один минимум с 2 до 4-х часов ночи [1, 4].

В предыдущих исследованиях неоднократно отмечалось, что дыхательный коэффициент у птиц ночью ниже, чем днем [11, 12, 13] при этом минимальные значения наблюдались при ночном голодании. Днем дыхательный коэффициент зависит от типа пищи и продолжительности периодов дневного голодания и, возможно, от характера активности птиц [13].

По величине дыхательного коэффициента можно судить об основных субстратах, используемых при окислении кислородом. Величина, близкая к 0,7, свидетельствует о преобладании жирового обмена, близкая к 0,8 — о преобладании белкового обмена, а близкая к 1 — о том, что используются главным образом углеводы [2]. Исходя из изменения дыхательного коэффициента лазоревок, можно судить, что в ночные часы окисляются преимущественно жиры, а днем-либо непосредственно белки, извлекаемые из пищи, либо смесь из основных окисляемых субстратов: белков, жиров и углеводов. Зимой пищу лазоревок в меньшей степени составляют жиры, а в большей белки или смесь из основных окисляемых субстратов: белков, жиров и углеводов.

Взаимосвязь и взаимовлияние энергетического метаболизма в покое и дыхательного коэффициента мало изучены у птиц. У лазоревок суточные ритмы энергетического метаболизма покоя и минимального дыхательного коэффициента практически совпадают. Птицы имеют низкие энергетические траты в покое при дыхательных коэффициентах, значения которых ближе к 0,7, а более высокие — при дыхательных коэффициентах, значения которых ближе к 0,9. Эти результаты свидетельствуют о том, что у лазоревок действительно существует связь между величиной дыхательного коэффициента и уровнем энергетических затрат. При этом наиболее низкие энергетические затраты и, можно предположить, более спокойное состояние соответствуют процессу окисления жиров, а более высокие энергетические затраты, более активное состояние требуют окисления белков и углеводов.

Выводы

Таким образом, базальный метаболизм лазоревок в зимний период достоверно ниже, чем в летний период. Значения дыхательного коэффициента в зимний период недостоверно выше, чем в летний период. Энергетический обмен в покое и дыхательный коэффициент у лазоревок имеют суточные ритмы с минимальным значением в ночные часы (с 2 до 5-ти часов) и с одним пиком в дневные часы. Период, на который приходятся пики энергетического метаболизма и дыхательного коэффициента, может различаться в зависимости от сезона. В зимнее время пик энергетического обмена приходится на период с 8 до 11-ти часов. В летнее время пик энергетического обмена приходится на период с 11 до 14-ти часов. Минимальный дыхательный коэффициент свободноживущих лазоревок и зимой, и летом имеет пик в период с 11 до 14-ти часов. Зимние значения уровня энергетического обмена лазоревок ниже уровня летних значений, за исключением пика в период с 8 до 11-ти часов, который выше всех других значений. Зимние значения дыхательного коэффициента лазоревок, с учетом суточного ритма, всегда выше летних значений. Максимальная разница между значениями энергетического обмена покоя днем и ночью составила 45 % зимой и 15 % летом.

Энергетический метаболизм лазоревок, обитающих в Подмосковье, соответствует уровню энергетического обмена воробьиных птиц, однако влияние различных экологических и физиологических факторов на их уровень энергетического метаболизма требует дальнейшего изучения. Исходя из изменения дыхательного коэффициента лазоревок, можно судить, что в ночные часы окисляются преимущественно жиры, а днем-либо непосредственно белки, извлекаемые из пищи, либо — смесь из основных окисляемых субстратов: белков, жиров и углеводов. Зимой пищу лазоревок в меньшей степени составляют жиры, а в большей — белки или смесь из основных окисляемых субстратов: белков, жиров и углеводов. Можно предположить, у лазоревок существует связь между величиной дыхательного коэффициента и уровнем энергетических затрат: наиболее низкие энергетические затраты и более спокойное состояние соответствуют процессу окисления жиров, а более высокие энергетические затраты, более активное состояние требуют окисления белков и углеводов.

Благодарность

Исследование поддержано РФФИ, грант № 12-04-01288-а.

Литература

1. Гаврилов В. М., Гомойотермия — ароморфоз для освоения планеты Земля. Lap Lambert Academic Publishing GmbH & Co Saarbrucken, Germany, 2012. — 358 с.
2. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. Книга 1. Пер. с англ. М.: Мир. 1982. — 416 с.
3. Aschoff J., Pohl H. Rhythmic variation in energy metabolism // Federation Proc. 1970. Vol. 29. № 4. P. 1541—1552.
4. Kendeigh S. C., Dolnik V. R., Gavrilov V. M. Avian energetic // Granivorous birds in ecosystem / ed. by J.Pinowski & S. C. Kendeigh. Cambridge. Cambridge Univ. Press. 1977. P. 78—107.
5. Konarzewski M., Ksiazek A. Determinants of intra-specific variation in basal metabolic rate // J. Comp. Physiol. B. 2012. Vol. 183. P. 27—41.
6.  J. R. B. Measuring metabolic rates. A manual for scientists. Oxford, Oxford Univ. press. 2008. — 201 p.
7. Lindström A., Kvist A. Maximum energy intake rate is proportional to basal metabolic rate in passerine birds // Proc. R. Soc. Lond. B. 1995. Vol. 261. P. 337—343.
8. McKechnie A. E. Phenotypic flexibility in basal metabolic rate and the changing view of avian physiological diversity: a review // J. Comp. Physiol. B. 2008. Vol. 178. № 3.  235—247.
9. McKechnie A. E., Wolf B. O. The allometry of avian basal metabolic rate: good predictions need good data // Physiol. Biochem. Zool. 2004. Vol. 77. № 3. P. 502—521.
10. McNab B. K. Ecological factors affect the level and scaling of avian BMR // Comp. Biochem. Physiol. A: Physiol. 2009. Vol. 152. № 1. P. 22—45.
11. Powers D. R. Diurnal variation in mass, metabolic rate, and respiratory quotient in Anna’s and Costa’s hummingbirds // Physiol. Zool. 1991. Vol. 64. № 3. P. 850—870.
12. Prinzinger R., Schäfer T., Schuchmann K. - L. Energy metabolism, respirtory quotient and breathing parameters in two convergent small bird species: The fork-tailed sunbird Aethopyga christinae (nectariniidae) and the chilean hummingbird Sephanoides sephanoides (trohilidae) // J. Therm. Biol. 1992. Vol. 17. № 2. P. 71—79.
13. Walsberg G. E, Wolf B. O. Variation in the respiratory quotient of birds and implications for indirect calorimetry using measurements of carbon dioxide production // J. Exp. Biol. 1995. Vol. 198. P. 213—219.

Literature

1. Gavrilov V. M., Gomojotermiya — aromorfoz dlya osvoeniya planety Zemlya. Lap Lambert Academic Publishing GmbH & Co Saarbrucken, Germany, 2012. — 358 s.
2. Shmidt-Niel’sen K. Fiziologiya zhivotnyx. Prisposoblenie i sreda. Kniga 1. Per. s angl. M.: Mir. 1982. — 416 s.
3. Aschoff J., Pohl H. Rhythmic variation in energy metabolism // Federation Proc. 1970. Vol. 29. № 4. P. 1541—1552.
4. Kendeigh S. C., Dolnik V. R., Gavrilov V. M. Avian energetic // Granivorous birds in ecosystem / ed. by J. Pinowski & S. C. Kendeigh. Cambridge. Cambridge Univ. Press. 1977. P. 78—107.
5. Konarzewski M., Ksiazek A. Determinants of intra-specific variation in basal metabolic  J. Comp. Physiol. B. 2012. Vol. 183. P. 27—41.
6. Lighton J. R. B. Measuring metabolic rates. A manual for scientists. Oxford, Oxford Univ. press. 2008. — 201 p.
7. Lindström A., Kvist A. Maximum energy intake rate is proportional to basal metabolic rate in passerine birds // Proc. R. Soc. Lond. B. 1995. Vol. 261. P. 337—343.
8. McKechnie A. E. Phenotypic flexibility in basal metabolic rate and the changing view of avian physiological diversity: a review // J. Comp. Physiol. B. 2008. Vol. 178. № 3. P. 235—247.
9. McKechnie A. E., Wolf B. O. The allometry of avian basal metabolic rate: good predictions need good data // Physiol. Biochem. Zool. 2004. Vol. 77. № 3. P. 502—521.
10. McNab B. K. Ecological factors affect the level and scaling of avian BMR // Comp. Biochem. Physiol. A: Physiol. 2009. Vol. 152. № 1. P. 22—45.
11. Powers D. R. Diurnal variation in mass, metabolic rate, and respiratory quotient in Anna’s and Costa’s hummingbirds // Physiol. Zool. 1991. Vol. 64. № 3. P. 850—870.
12. Prinzinger R., Schäfer T., Schuchmann K. - L. Energy metabolism, respirtory quotient and breathing parameters in two convergent small bird species: The fork-tailed sunbird Aethopyga christinae (nectariniidae) and the chilean hummingbird Sephanoides sephanoides (trohilidae) // J. Therm. Biol. 1992. Vol. 17. № 2. P. 71—79.
13. Walsberg G. E, Wolf B. O. Variation in the respiratory quotient of birds and implications for indirect calorimetry using measurements of carbon dioxide production // J. Exp. Biol. 1995. Vol. 198. P. 213—219.