CC BY
86
Замощина Т.А., Иванова Е.В.*
Томский государственный университет, ‘Сибирский государственный медицинский университет
ОСОБЕННОСТИ СУТОЧНОЙ ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ НАТРИЯ, КАЛИЯ, КАЛЬЦИЯ И ЛИТИЯ В КРОВИ, МОЗГЕ И МОЧЕ КРЫС В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СЕЗОНА ГОДА И РЕЖИМА ОСВЕЩЕНИЯ
Эксперименты выполнены в периоды зимнего (СТ 6:18) и летнего солнцестояний (СТ 18:6) и условиях постоянного освещения (СС 24). Содержание №+, К+, Са2+ и Ы+ в крови, мозге и моче крыс определяли на пламенном фотометре фирмы «Карл-Цейс» и выражали в ммоль/л. Статистическую обработку проводили однофакторным дисперсионным анализом и косинор-анализом, предназначенным для выявления статистически значимых гармоник в вариационных временных рядах. Установлено, что содержание животных на крайних световых режимах и на постоянном освещении сопровождается перестройкой изучаемых ритмов в свободно текущие. Это приводит к формированию разной степени выраженности десинхроноза. Показано, что циркадный ритм содержания эндогенного лития, по крайней мере, в указанных биологических средах, может играть роль системообразующего фактора
Известно, что большинство физиологических систем в организме человека и животных имеют сезонную и суточную динамику функционирования, которая нередко имеет ритмический характер. Макроэлектролиты натрий, калий и кальций обеспечивают все жизненно-важные процессы любой живой клетки. Целью настоящего исследования явилось изучение особенностей суточной динамики содержания натрия, кальция, калия и лития в крови, мозге и моче лабораторных крыс в зависимости от сезона года и режима освещения.
Материалы и методы
Три серии экспериментов выполнены в периоды зимнего (СТ 6:18) и летнего солнцестояний (СТ 18:6), а также в условиях постоянного освещения (СС 24) на 90 крысах-самцах Вистар массой 180-250 г. Содержание животных на режиме постоянного освещения проводили в период зимнего солнцестояния на протяжении 10 суток, включая экспериментальные. Для создания СС 24 режима использовали люминесцентные лампы, обеспечивающие с интенсивностью освещения 200 лк. Крыс содержали в группах по 7 особей на стандартном пищевом рационе при свободном доступе к пище и воде. За 18 ч до начала эксперимента крыс адаптировали к индивидуальным обменным клеткам [1]. Пробы мочи собирали каждые 4 часа (начало в 9.00) в течение 1 суток (6 проб в сутки для каждой крысы) согласно рекомендациям [5]. На следующие сутки животных декапитировали под эфирным наркозом каждые 6 ч по 7 особей, забирая в эти часы пробы крови и мозга. Кровь разводили в соотношении 1:2 дистиллированной водой, а затем центрифугировали в течение 10 мин при 1,5 тыс. оборотов/мин для отделения сгустка фибрина. У каждой крысы извлекали головной мозг и удаляли продолговатый мозг и мозжечок. Навески мозга животных под-
вергали влажному озолению в азотной кислоте (6 Н HNO3). Дальнейшее озоление осуществляли путем добавления концентрированной HCl. Содержание Na+, К+, Са2+ и Li+ в крови, мозге и моче крыс определяли на пламенном фотометре фирмы «Карл-Цейс» при давлении воздуха 0,4 атм. и давлении ацетилена 30 мм водного столба [4]. Статистическую обработку данных проводили с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA), метода линейных контрастов Sheffe и косинор-анализа, предназначенного для выявления статистически значимых гармоник в вариационных временных рядах [3]. По данным косинор анализа определяли основные характеристики ритмов - период в часах, среднесуточный уровень (мезор) в ммоль/л, амплитуду и время максимального значения показателя (акрофаза, ч. мин), а также их доверительные интервалы [M (m1 + m2)]. В работе обсуждаются только статистически значимые ритмы при Р<0.05. Корреляционные связи оценивали по Спирмену.
Результаты и их обсуждение
Установлено, что среднесуточное содержание натрия, калия, кальция и лития в крови, мозге и моче лабораторных крыс, а также особенности ритмической организации суточной динамики содержания указанных катионов в средах и тканях определяются сезоном года и условиями освещения. При содержании животных на крайних световых режимах, т. е. в периоды солнцестояний, а также при постоянном освещении большинство изучаемых ритмов перестраиваются в свободно текущие. Их периоды становятся околосуточными (20-23 ч), т. е. определяются эндогенным осциллятором.
Далее нами убедительно продемонстрировано, что в периоды солнцестояний перестройка ритмов обмена электролитов на эндогенный ре-
жим в первую очередь осуществляется в мозге и крови и в последнюю очередь - в моче, причем, в период короткой световой фазы переход осуществляется быстрее, чем в период короткой темной фазы.
Однако если в период зимнего солнцестояния перестройка осуществляется равномерно для ритмов всех катионов, то в период летнего солнцестояния этот процесс протекает крайне неравномерно. В первую очередь он затрагивает кальциевые ритмы, которые оказываются свободными одновременно во всех средах. В последнюю очередь этот процесс отражается на литиевых ритмах.
Таким образом, наши исследования свидетельствуют о формировании в периоды солнцестояний между одноименными гармониками десин-хроноза, более выраженного в летний период. На это указывают и результаты корреляционного анализа, который показал слабую межсистемную корреляцию между одноименными ритмами. В зимний период эти взаимосвязи обнаружены между калиевыми ритмами в мозге и крови (г=0,45; Р=0,008) и литиевыми ритмами в тех же средах (г= - 0,38; Р=0,02). Летом корреляции наблюдались только между натриевыми ритмами в мозге и крови (г=0,69; Р<0,001).
На фоне слабых межсистемных связей между одноименными ритмами хорошо развиты внутрисистемные корреляции разноименных ритмов, причем, в период зимнего солнцестояния они выражены наилучшим образом. Зимой они более равномерно представлены во всех изучаемых биологических жидкостях и средах (4: 4: 4 = кровь: мозг: моча), чем летом (1: 3: 5 = кровь: мозг: моча).
Так, в период зимнего солнцестояния в крови коррелировали ритмы содержания в ней натрия и калия (г=0,46; Р=0,005), натрия и кальция (г=0,43; Р=0,008), лития и кальция (г=0,45; Р=0,005), а также лития и натрия (г=0,41; Р=0,01). В мозге аналогичные взаимосвязи обнаружены между ритмами содержания в ткани лития и натрия (г=0,65; Р<0,001), лития и калия (г=0,63; Р<0,001), натрия и калия (г=0,57; Р=0,0003) и лития и кальция (г=0,50; Р=0,002); а в моче - между ритмами выведения натрия и кальция (г=0,63; Р<0,001), лития и калия (г=0,63; Р<0,001), лития и натрия (г=0,54; Р<0,001), а также лития и кальция (г=0,46; Р=0,001). Очевидно, в условиях зимнего солнцестояния в крови наибольшее ритморганизующее значение имеет натриевый ритм, а в мозге и моче
- литиевый ритм, поскольку только эти гармоники были взаимосвязаны со всеми остальными ритмами (3 связи из 3 возможных).
В летний сезон в крови коррелировали ритмы концентрации натрия и калия (г=0,78; Р<0,001); в мозге - лития и калия (г=0,74; Р<0,001), калия и кальция (г=0,58; Р<0,001), а также лития и кальция (г=0,47; Р<0,001); а в моче
- лития и калия (г=0,84; Р=0,003), лития и кальция (г=0,69; Р<0,001), калия и кальция (г=0,59; Р<0,001), натрия и кальция (г=0,56; Р<0,001), лития и натрия (г=0,37; Р<0,05). По-видимому, в период летнего солнцестояния для каждой биологической среды определяется своя ритморга-низующая периодичность: для крови - натриевая или калиевая; для мозга - литиевая и калиевая; а для мочи - литиевая.
Круглосуточное освещение оказывает выраженное стресс-воздействие на грызунов, подавляя частоту и амплитуду эндогенного ритма, и вызывая даже аритмию некоторых показателей физиологических функций. В наших экспериментах перемещение животных с короткой световой фазы на постоянный свет (СС 24) сопровождалось замедлением перехода калиевых и литиевых ритмов на эндогенный режим, в то время как скорость перестройки натриевых и кальциевых ритмов не изменялась. При этом полностью сохранялись межсистемные связи одноименных ритмов (К+ и Ы+ в крови и мозге), но ослаблялись (в мозге), либо перестраивались (в крови) внутрисистемные связи разноименных ритмов.
Так, в крови изменение концентрации лития и калия (г=0,66; Р<0,001), кальция и калия (г=0,54; Р<0,001), натрия и калия (г=0,46; Р=0,005) в течение суток происходило однонап-равлено, причем концентрация калия, ритм которого становился ведущим, была наиболее сопряжена с концентрацией лития. В мозге наиболее сильная положительная корреляционная связь выявлена между динамикой содержания калия и натрия (г=0,84; Р<0,001) и менее сильная - между динамикой содержания лития и натрия (г=0,48; Р=0,003) и лития и калия (г=0,45; Р=0,007), причем, ведущим ритмом становился натриевый ритм. В моче обнаружена наиболее сильная положительная корреляционная связь между динамикой содержания натрия и кальция (г=0,70; Р<0,001). Менее сильная корреляция выявлена между литиевым и натриевым (г=0,43; Р=0,003) и литиевым и кальциевым ритмами (г=0,40; Р=0,005). Наименее выраженной оказалась корреляция между содержанием лития и калия в моче (г=0,33; Р=0,03), при всем при этом ведущим ритмом оставался литиевый ритм аналогично контролю, т. е. зимнему солнцестоянию.
Таким образом, при постоянном освещении степень десинхроноза, возникающего в период зимнего солнцестояния, усиливалась.
Обращает на себя внимание тот факт, что в условиях постоянного освещения у животных происходило перераспределение катионов между средами. Среднесуточная концентрация натрия, калия, кальция и лития в мозге повышалась (Р<0,05). В крови не изменялось содержание натрия и лития, но повышался уровень калия и кальция (Р<0,05). С мочой увеличивалось выведение калия и уменьшалось выведение лития (Р<0,05). Таким образом, в постоянных условиях освещения все катионы устремлялись из тканей в мозг, при этом выведение из организма К+ увеличивалось, а Ы+ уменьшалось (р<0,05).
Результаты наших экспериментов требуют анализа с точки зрения современных представлений об организации циркадианной системы у млекопитающих. Согласно мультиосцилляторной концепции в организме млекопитающих имеется иерархическая система циркадианных ритмов [2, 5, 6]. Первый иерархический уровень контролируется главными осцилляторами У и X, находящимися в мозге. Второй иерархический уровень соответствует вторичным осцилляторам, контролирующим ритмы суточной динамики содержания №+, К+, Са2+ и Ы+ в биологических средах и тканях крыс, то есть в крови, мозге и моче. Вторичные осцилляторы подчиняются какому-либо главному осциллятору прямо или косвенно. Например, обмен Са2+ контролируется на втором иерархическом уровне паращитовидной железой, а №+ и К+ -минералокортикоидами надпочечников. «У» осциллятор находится в супрахиазматических ядрах переднего гипоталамуса и контролирует ритм двигательной активности, чередование сна и бодрствования, ритмы экскреции №+ и Са2+ почками. Локализация «X» осциллятора неизвестна, но полагают, что им могут быть супраоптическое
или паравентрикулярное ядра гипоталамуса. «X» осциллятор контролирует ритмы температуры тела, содержания кортизола в плазме крови, почечную экскрецию К+ и диурез. Оба центральных пейсмекера связаны между собой посредством серотонинэргических, норадреналинэрги-ческих и других связей [2, 6].
В рамках этой концепции в наших экспериментах действительно обнаружено, что у лабораторных животных в период зимнего (СТ6:18) и летнего (СТ 18:6) солнцестояний и в постоянных условиях освещения (СС24) выявлены сильные корреляционные связи между ритмами содержания №+ и Са2+ в моче (3 корреляции из 3 возможных). Очевидно, такие сильные корреляции определяются тем, что оба ритма контролируются неким общим осциллятором. В крови и мозге наиболее сильно оказались связанными ритмы суточной динамики содержания №+ и К+ и только в период зимнего солнцестояния в крови наблюдаются равнозначные корреляции ритмов содержания №+ и Са2+; Ш+ и К+.
Следует подчеркнуть, что в мозге и моче наибольшее количество взаимосвязей с катионами дают литиевые ритмы, а в крови - натриевые. Создается такое впечатление, что в этих тканях и средах ритмы содержания лития являются неким связующим звеном между ритмами других катионов и именно они объединяют циркадные ритмы содержания электролитов в средах в единую систему. По-видимому, циркадный ритм содержания эндогенного лития, по крайней мере, в указанных биологических средах может играть роль системообразующего фактора. Возможно, углубление межсистемного и внутрисистемного десинхроно-за в обмене электролитов, возникающее при содержании животных на постоянном освещении, связано с тем, что в мозге, в силу каких-то причин, ослаблялась значимость катиона лития как системообразующего фактора.
Список использованной литературы:
1. Берхин Е. Б., Иванов Ю. И. Методы экспериментального исследования почек и водно-солевого обмена. - Барнаул: 1972. - 199 с.
2. Владимиров С. В., Угрюмов М. В. Супрахиазматическое ядро гипоталамуса: роль в регуляции циркадианных ритмов, строение, нервные связи, развитие в онтогенезе // Успехи совр. биологии. - 1995. - Т. 115, №2. - С. 185-195.
3. Ерошенко В. М., Сорокин А. А. Пакет прикладных программ Косинор-анализа и методические указания по его использованию. Алгоритмы и программы // Информ. Бюл. ГфАп СССР. - 1980. - №70. - С. 38.
4. Иванова Е. В., Баранова О. В., Кашкан Г. В. Определение лития в органах морских свинок // Медико-биол. аспекты нейро-гумораль-ной регуляции: Труды конф. / Томский мед. ин-т. - Томск, 1990. - Вып. 1. - С. 29-31.
4. Комаров Ф. И. Хронобиология и хрономедицина. - М.: Медицина, 1989. - 399 с.
5. Мур-Ид М., Салзмен Ф. Внутренняя временная упорядоченность // Биологические ритмы: в 2 т. / под ред.Ю. Ашоффа. - М.: Мир, -1984. - Т. 1, Гл. 12. - С. 240-274.
