Анотація до роботи:

Солдатов О.О. Метаболічні механізми адаптації чорноморських риб до гіпоксичних станів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за фахом 03.00.10 – іхтіологія. Інститут гідробіології НАН України, Київ, 2007.

Досліджено кисневий режим скелетних м'язів морських риб і механізми його функціональної корекції при різних станах організму й умовах навколишнього середовища. Виявлено низьку дифузійну здатність м'язової тканини риб у відношенні О₂ у порівнянні з іншими хребетними. Показано, що це є основною причиною низьких значень тканинного РО₂ і малої ефективності утилізації О₂. Описані нові види гемічної і циркуляційної гіпоксії. Вперше виділяється дифузійна тканинна гіпоксія і гіпоксія гіподинамічного стану. Запропоновано класифікацію гіпоксичних станів для водяних організмів. Визначено механізми термінової і довгострокової корекції тканинного РО₂ у риб. Показано, що кров риб, толерантних до гострої зовнішньої гіпоксії, має одночасно високу спорідненість до О₂ і підвищену чутливість до рН. Досліджено гетерогенну систему гемоглобіну і виявлено компонент, з даними функціональними характеристиками. Встановлено спрямовані перебудови в цитохромному ланцюзі мітохондрій м'язів риб, що підвищують ефективність функціонування дихального ланцюга в умовах низького тканинного РО₂. Вперше виявлено участь і визначено значущість тканинного рівня ліпідів у корекції дифузійної здатності скелетных м'язів риб. Описано феномен метаболічного арешту на рівні циркулюючих еритроцитів у риб, здатних існувати в умовах гострого дефіциту О₂. Встановлено моноциклічність у функціонуванні кровотворної тканини у риб протягом річного циклу, що обумлвлює розвиток переднерестової анемії і метгемоглобинемії. Виявлено, що у теплолюбних риб в умовах гіпотермії судини м'язів втрачають здатність активно реагувати на функціональні навантаження, що пов'язано з підвищенням вмісту Ca²⁺ у м'язовій тканині. Показано, що еритроцити евригалінних риб, у порівнянні зі стеногалінними, мають підвищену стійкість до осмотичного шоку і більш ефективні Na⁺,K⁺-ATPази. У зазначених видів визначені процеси осморегуляції, які забезпечують ефективне функціонування їхніх клітинних систем в умовах гіпотонії плазми крові.

1. Для риб, у порівнянні з вищими хребетними, характерна низька дифузійна здатність гемато-паренхіматозного бар'єра при порівнянних швидкостях маспереносу кисню в скелетних м'язах. Це є основною причиною низьких значень тканинного РО₂ і малої ефективності утилізації кисню м'язовою тканиною у цієї систематичної групи організмів.

2. Скелетні м'язи риб не мають ефективних механізмів термінової корекції кисневого режиму, що свідчить про його нестійкість. Гіперемія і випорожнення кров'яних депо лише частково забезпечують необхідний адаптаційний ефект. Реакція судинної мережі м'язів спостерігається лише при зростанні рухової активності особин. В інших випадках вона не виражена і не перешкоджає розвитку тканинної гіпоксії.

3. Найбільший внесок у стабілізацію кисневого режиму м'язової тканини робить процес корекції положення кривих оксигенації гемоглобіну. В основі його лежать кількісні зміни гетерогенної структури пігменту і внутрішньоеритроцитарної концентрації NTP. Це доповнюється адаптивними перебудовами цитохромного ланцюга мітохондрій і зміною тканинного вмісту ліпідів.

4. Виявлено ряд нових механізмів, що лежать в основі розвитку стану тканинної гіпоксії у морських риб:

гіпоксія гіподинамічного стану;

гемічний вид гіпоксії, виявлений в умовах гіпотермії і пов'язаний з високим тепловим ефектом реакції оксигенації гемоглобіну;

тканинна гіпоксія, яка виникає в умовах гіпоосмії середовища, що зумовлюється гідратацією скелетних м'язів.

Зазначені стани специфічні для морського середовища і визначаються характером дифузії кисню у воді, а також особливостями функціональної організації організму гідробіонтів. Вперше запропоновано класифікацію гіпоксичних станів для водяних організмів.

5. Дифузійна здатність кисню в скелетних м'язах пелагічних риб у 1,9-3,4 рази вища, ніж у представників донної іхтіофауни. Розходження обумовлені високою щільністю капілярної мережі, особливостями м'язової композиції (висока частка червоних м'язів) і хімічного складу м'язової тканини (підвищений вміст міоглобіну, ліпідів, низький рівень гідратації).

6. Гемодинамічний еквівалент у пелагічних риб на 35-45 % перевищує значення, розраховані для донних видів. Це обумовлюється полегшеним характером дифузії кисню в м'язовій тканині і більш ефективною розрядкою артеріальної крові на тканинному рівні (висока концентрація гемоглобіну, низька спорідненість до кисню, підвищена чутливість до рН).

7. Обмеження рухової активності риб приводить до зниження середньотканинного PO₂, збільшення кількості гіпоксичних зон у тканині і закисленню внутрішнього середовища організму. Це супроводжується функціональними і структурними перебудовами молекулярних систем транспорту й утилізації кисню, які обмежують їхню потужність, а також спрямовані на зниження чутливості їх до pН і адаптацію до умов низького PO₂ у тканині:

зниження вмісту цитохромів у скелетних м'язах, нескомпенсований тип організації дихального ланцюга;

зменшення концентрації гемоглобіну в крові, зростання показника Р₅₀, низькі значення ефекту Бора.

8. У пелагічних риб в умовах зовнішньої гіпоксії спостерігається розвиток комплексу компенсаційних реакцій, спрямованих на підтримку вихідної швидкості окисного метаболізму в клітинах тканин. Адаптаційний ефект реалізується в області PO₂ , близьких до критичних.

Спочатку (1-2 доба) відзначається збільшення щільності функціонуючої капілярної мережі, підвищення швидкості тканинного кровотоку і випорожнення кров'яних депо, що підвищує кисневу ємність крові (термінова адаптація).

Потім (10-15 доба) відбуваються кількісні перебудови на рівні гемоглобінової і цитохромної систем, які приводять до збільшення спорідненості крові до кисню і зниження її чутливості до рН, а також адаптації дихального ланцюга мітохондрій скелетних м'язів до умов низького PO₂ (довгострокова адаптація).

9. В умовах зовнішньої гіпоксії в еритроцитах малорухливої скорпени відбувається збалансоване пригнічення метаболічних і мембранних функцій (зниження активностей Na⁺,K⁺-АТРази і гексокінази). Основні показники життєздатності клітин: градієнти за Na⁺ і K⁺ на мембрані, внутрішньоклітинна концентрація АТР не зазнають істотних змін. Реакція еритроцитів кефалі-сингіля прямо протилежна. При збереженні високих активностей Na⁺,K⁺-АТРази і гексокінази спостерігається зниження рівня АТР у клітині і значне зниження концентраційних градієнтів за Na⁺ і K⁺ між внутрішньоеритроцитарним середовищем і плазмою крові.

10. Донні види риб відрізняються підвищеною стійкістю до дефіциту кисню. В умовах зовнішньої гіпоксії в їхньому організмі не розвиваються компенсаційні реакції, спрямовані на підтримку кисневого гомеостазу тканини. Напруження кисню в крові і м'язах рівномірно знижується. Збереження життєздатності в умовах низьких РО₂ зумовлюється:

здатністю їхніх молекулярних систем транспорту й утилізації кисню функціонувати в умовах гострої гіпоксії: гемоглобінова система має компоненти, які сполучають високу спорідненість до О₂ з підвищеною чутливістю до рН, а дихальний ланцюг мітохондрій має нескомпенсований тип стехіометрії цитохромів;

стійкістю клітин тканин, які зберігають в умовах гіпоксії основні параметри життєздатності (рівень АТР, трансмембранні градієнти за Na⁺ і K⁺) на основі сполученого пригнічення мембранних і метаболічних функцій;

наявністю фізіологічних і біохімічних процесів, які виключають нагромадження токсичних сполук (лактат) у тканинах і циркулюючій крові.

11. Гіпотермія (5^оС і нижче) спричинює у теплолюбних видів риб розвиток тканинної гіпоксії. Вона носить вторинний характер і пов'язана зі зміною функціонального стану кровоносних судин і циркулюючих еритроцитів. При гіпотермії:

щільність капілярної мережі в м'язах зменшується; судини втрачають здатність активно реагувати на функціональні навантаження, що пов'язано з підвищенням вмісту Ca²⁺ у м'язовій тканині;

тепловий ефект реакції оксигенації гемоглобіну різко підвищується; це зумовлюється зміною характеру взаємодії пігменту з внутрішньоеритроцитарним мікрооточенням і приводить до надмірного зростання спорідненості цільної крові до кисню.

12. Гіпоосмія викликає у стеногалінних риб зменшення напруження кисню, збільшення кількості гіпоксичних і аноксичних зон у м'язовій тканині на фоні посилення анаеробних процесів. Це пов'язано з гідратацією скелетної мускулатури і, як наслідок, погіршенням її дифузійних характеристик відносно кисню.

13. Евригалінні види здатні підтримувати ізоосмотичність клітинних середовищ в умовах гіпоосмії внутрішнього середовища. Їхні клітини мають підвищену осмотичну стійкість і більш ефективні Na⁺, K⁺-ATPази. Стеногалінні види не здатні до активної осморегуляції на клітинному рівні.

14. Швидкість утилізації і характер дифузії кисню в м'язовій тканині у риб протягом річного циклу залежить від зміни щільності функціонуючої капілярної мережі, а також вмісту в ній ліпідів і води. Вирішальне значення має рівень капіляризації скелетних м'язів, який позитивно корелює зі зміною температури навколишнього середовища. Рівень ліпідів і ступінь гідратації м'язової тканини обумовлюється, головним чином, функціональним станом організму риб (нагул, нерест, міграції, зимівля). Вміст зазначених сполук може підсилювати чи послабляти температурну залежність дифузійних властивостей скелетних м'язів у цілому.

15. Протягом річного циклу в скелетних м'язах риб періодично підсилювались анаеробні процеси, що було наслідком розвитку тканинної гіпоксії. Цей стан пов’язаний з переднерестовим періодом і обумовлюється зниженням концентрації гемоглобіну і збільшенням частки окисленого пігменту (метгемоглобіну) у крові. Анемія і метгемоглобинемія переднерестового стану риб пов'язана з моноциклічністю функціонування кровотворної тканини. Активний еритропоез відбувається лише в післянерестовий період протягом 2-3 місяців. В інший час у системі червоної крові переважають деструктивні процеси, які відбиваються як на кількості циркулюючих еритроцитів, так і на рівні окисних процесів у них.

16. Донна іхтіофауна Чорного й Азовського морів включає групу видів, яка має функціональні і молекулярні системи, що дозволяють існувати в умовах гострого дефіциту кисню. При відповідній спрямованості природного добору вони здатні освоїти проблемні для чорноморського регіону акваторії північно-західного шельфу.

Публікації автора:

1. Маслова М.Н., Солдатов А.А., Тавровская Т.В. Сезонная динамика состояния системы красной крови некоторых черноморских рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1988. – Т. 24, N 4. – С. 516-521.

2. Солдатов А.А. Кислородосвязующая функция крови бычка-кругляка при адаптации к температурным условиям среды // Гидробиол. журн. – 1989. – Т. 25, N 2. – С. 58-62.

3. Солдатов А.А., Маслова М.Н. Концентрация метгемоглобина в крови рыб в течение годового цикла // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1989. – Т. 25, N 4. – С. 454-459.

4. Солдатов А.А., Сташков А.М. Эритропоэтическая активность сыворотки крови рыб различной естественной подвижности // Экология моря. – 1989. – Вып. 32. – С. 78-80.

5. Солдатов А.А. Активность НАДН₂-зависимой метгемоглобинредуктазы в эритроцитах бычка-кругляка при адаптации к низким температурам // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1989. – Т. 25, N 6. – С. 772-774.

6. Солдатов А.А. Кислородосвязующая функция крови бычка-мартовика и факторы ее регуляции при адаптации к температурным условиям среды // Экология моря. – 1991. – Вып. 38. – С. 80-84.

7. Солдатов А.А. Онтогенетические изменения активноти Na⁺, К⁺ -АТФазы и баланса одновалентных катионов в эритроцитах кефали-сингиля Liza aurata R. // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1991. – Т. 27, N 4. – С. 530-533.

8. Солдатов А.А. Формирование резервов депо крови в онтогенезе морских рыб // Экология моря. – 1992. – Вып. 42. – С. 46-55.

9. Солдатов А.А. Сравнительное изучение кислородосвязующей функции крови черноморских бычков (род Gobius) // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1993. – Т. 29, N 3. – С. 327-330.

10. Солдатов А.А. Кислородно-диссоциационные свойства крови черноморских и дальневосточных кефалей // Биология моря. – 1993. – N. 3. – С. 118-120.

11. Солдатов А.А. Формирование кислородной емкости крови в онтогенезе морских рыб. I. Пелагические виды // Экология моря. – 1993. – Вып. 43. – С. 26-31.

12. Солдатов А.А. Экспериментальное изучение распределения напряжения кислорода в мышечной ткани морских рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1993. – Т. 26, N 5,6. – С. 656-659.

13. Солдатов А.А. Локализация и пролиферативная активность очагов эритропоэза в онтогенезе кефали-сингиля Liza aurata // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1994. – Т. 30, N 4. – С. 567-573.

14. Солдатов А.А., Русинова О.С., Трусевич В.В., Звездина Т.Ф. Влияние гипоксии на биохимические показатели эритроцитов скорпены // Укр. биох. журн. – 1994. – Т. 66, N 5. – С. 115-118.

15. Soldatov A.A. The effect of hypoxia on red blood cells of flounder: a morphologic and autoradiographic study // J. Fish Biol. – 1996. – Vol. 48, N 3. – P. 321-328.

16. Солдатов А.А. Цитохромная система и напряжение кислорода в мышечной ткани морских рыб различной естественной активности // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1996. – Т. 32 , N 2. – С. 142-146.

17. Солдатов А.А. Кислородно-диссоциационные свойства крови и состав внутриэритроцитарной среды у морских рыб с различной двигательной активностью // Журн. эволюц. биох. физиол. – 1997. – Т. 33, N 6. – C. 607-614.

18. Солдатов А.А. Регуляция состава красной крови бычка-мартовика (Gobius batrachocephalus P.) при адаптации к высоким температурам // Гидробиол. журн. – 1998. – Т. 34, N 1. – C. 62-67.

19. Солдатов А.А. Особенности организации цитохромных систем и кислородный режим скелетных мышц морских рыб // Укр. биох. журн. – 1998. – Т. 70, N 4. – С. 46-51.

20. Солдатов А.А. Особенности осморегуляции циркулирующих эритроцитов у стено- и эвригалинных видов морских рыб в условиях гипоосмотической среды // Журн. эволюц. биох. физиол. – 2000. – Т. 36, N 1. – С. 40-44.

21. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Влияние температуры на устойчивость гемоглобинов морских рыб к окислению // Экология моря. – 2000. –Вып. 53. – С. 49-53.

22. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Уровень метгемоглобина в крови и устойчивость циркулирующих эритроцитов скорпены Scorpaena porcus P. к осмотическому шоку в условиях экспериментальной гипоксии // Журн. эволюц. биох. физиол. – 2001. – Т. 37, N 6. – С. 477-479.

23. Солдатов А.А. Особенности структуры, полиморфизм и устойчивость к окислению гемоглобинов рыб (обзор) // Журн. эволюц. биох. физиол. – 2002. – Т. 38, N 4. – С. 305-310.

24. Шульман Г.Е., Столбов А.Я., Солдатов А.А., Минюк Г.С., Ивлева Е.В., Трусевич В.В., Дробецкая И.В. Метаболические реакции черноморских рыб на долговременную экспериментальную гипоксию // Гидробиол. журн. – 2003. – Т. 39, N 1. – С. 21-30.

25. Солдатов А.А. Физиологические аспекты действия уретанового наркоза на организм морских рыб // Гидробиол. журн. – 2003. – Т. 39, N 1. – С. 51-63.

26. Солдатов А.А. Влияние температуры, рН и органических фосфатов на гемоглобины рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. – 2003. – Т. 39, N 2. – С. 121-127.

27. Солдатов А.А., Парфенова И.А. Коношенко С.В. Гемоглобиновая система черноморского бычка-кругляка в условиях экспериментальной гипоксии // Укр. биох. журн. – 2004. – Т. 76, N 3. – С. 85-90.

28. Солдатов А.А. Особенности организации и функционирования системы красной крови рыб // Журн. эволюц. биох. физиол. – 2005. – Т. 41, N 3. – С.217-223.

29. Парфенова И.А., Солдатов А.А. Эритрограмма циркулирующей крови скорпены в условиях экспериментальной гипоксии // Морск. экол. журн. – 2005. – Т. IV, N 2. – С. 59-67.

30. Парфенова И.А., Солдатов А.А., Коношенко С.В. Кислородосвязующие свойства гемоглобинов рыб устойчивых к внешней гипоксии // Доп. НАН України. – 2005. – N 5. – С. 160-164.

31. Солдатов А.А. Кислородные режимы скелетных мышц стеногалинного бычка (Gobius cobitis P.) в условиях экспериментальной гипоосмии // Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-та. Серія: біологія. – 2005. – Т. 4, N 27. – С. 227-229.

32. Солдатов А.А. Органный кровоток и сосуды микроциркуляторного русла у рыб (обзор) // Ж. эволюц. биох. физиол. – 2006. – Т. 42, N 3. – С. 193-200.

33. Солдатов А.А. Эритропоэз и концентрация метгемоглобина в крови кефали-сингиля (Liza aurata Risso) на протяжении годового цикла // Совр. пробл. физиол. биохим. водных организмов. – Петрозаводск: Изд-во Ин-та биол. КарНЦ РАН, 2005. – С. 182-187.

34. Солдатов А.А. АТФ-азная активность фрагментов эритроцитарных мембран в онтогенезе кефали-сингиля // X Всесоюз. конф. по эволюц. физиологии: Тез.докл. – Л.: Наука, 1990. – С. 379.

35. Солдатов А.А. Особенности физиологии эритропоэза в раннем онтогенезе кефали-сингиля Liza aurata R. // V Всесоюз. конф. по раннему онтогенезу рыб: Тез. докл. (Астрахань, 1-3 окт. 1991 г.). – М.: Наука, 1991. – С.102-103.

36. Солдатов А.А. Изменение морфологического состава эритроидных элементов крови и кроветворной ткани в онтогенезе кефали // VIII Науч. конф. по экол. физиол. биох. рыб: Тез. докл. – Петрозаводск, 1992. – Т. 2. – С. 108-109.

37. Солдатов А.А. Напряжение кислорода в мышечной ткани кефали-сингиля // VIII Науч. конф. по экол. физиол. биох. рыб: Тез. докл. – Петрозаводск, 1992. – Т. 2. – С.109.

38. Солдатов А.А. Цитохромная система скелетных мышц рыб различной активности // I з'їзд гiдроекол. тов-ва України. Київ,16-19 лист. 1993.: Тез. доп. – Київ, 1994. – С. 271.

39. Soldatov A.A. The tissue hypoxia in sea fishes with adaptation to low temperature: mechanism of development // 31st European Marine Biology Symp.: Progr. Abstr. (St.-Petersburg, 9-13 Sept.1996). – St.-Petersburg, 1996. – P. 77.

40. Soldatov A.A. Comparison of adaptive strategy of marine fishes from normo- and hypoxic regions of Black Sea: biochemical aspects // BMB 15 and ECSA 27 Simp. 1997. Comparison of Enclosed and Semienclosed Marine Systems. Mariehamn, Aland, Finland, 9-13 June 1997.: Abstr. – Mariehamn, 1997. – P.23.

41. Солдатов А.А. Кислородно-диссоциационные свойства крови у рыб различной естественной подвижности // II з'їзд гiдроекол. тов-ва України. Київ, 27-31 жовт. 1994: Тез. доп. – Київ, 1997. – Т.2. – С. 95-96.

42. Солдатов А.А., Столбов А.Я. Трусевич В.В. Минюк Г.С. Комплексная оценка физиологического состояния рыб различной экологической специализации в условиях экспериментальной гипоксии // II з'їзд гiдроекол. тов-ва України. Київ, 27-31 жовт. 1994: Тез. доп. – Київ, 1997. – Т. 2. – С. 98-99.

43. Shulman G.E., Stolbov A.Y., Soldatov A.A., Ivleva I.V., Minyuk G.S., Trusevich V.V. The features of metabolism in Black Sea fishes under extreme conditions // 33rd Eur. Mar. Biol. Symp. Wilhelmshaven (Germany), 7-11 Sept. 1998: Progr. and Abstr. – Wilhelmshaven, 1998. – P. 93.

44. Soldatov A.A. The reasons of high resistance of Neogobius melanostomus P. to external hypoxia: comparative investigations // Baltic Sea Sci. Cong. Stockholm (Sweden), Nov. 25-29, 2001: Abstr. – Stockholm: Mar. Res. Center, 2001. – P. 304.

45. Солдатов А.А., Коношенко С.В., Парфенова И.А. Сравнительная оценка устойчивости к гипоксии черноморских рыб // Ecological Studies, Hazards, Solutions. – 2004. – V. 7. – P. 91.

46. Soldatov A.A., Parfyonova I.A., Konoshenko S.V. Nuclear erythrocytes of marine fishes under experimental hypoxia conditions: morphological and biochemical investigations // First (Inaugural) Ukr. Congr. Cell Biol. Lviv, April 25-28, 2004: Abstr. – Lviv, 2004. – P. 229.

47. Солдатов А.А., Парфенова И.А., Коношенко С.В. Цитохромная и гемоглобиновая системы бычка-кругляка Neogobius melanostomus (P.) в условиях внешней гипоксии // Совр. пробл. физиол. и биох. водных организмов. Мат. Межд. конф. 06-09 сент. 2004. – Петрозаводск, 2004. – С. 131-132.

48. Солдатов А.А., Парфенова И.А., Коношенко С.В. Молекулярные системы транспорта и утилизации кислорода у морских рыб в условиях экстремальной гипоксии // XIX Съезд физиол. об-ва им. И.П. Павлова (Мат-лы съезда). 19-24.09.04. Екатеринбург (Россия). – Екатеринбург, 2004. – С. 204-205.

49. Солдатов А.А., Парфенова И.А., Коношенко С.В. Молекулярные основы устойчивости организма некоторых морских рыб к условиям экстремальной гипоксии // Научн. тр. I Съезда физиологов СНГ. Сочи. Дагомыс (Россия), 19-23 сент. 2005. Т. 1. – М.: Медицина-Здоровье, 2005. – С. 168.

50. Soldatov A.A. Oxygen status of skeletal muscles in marine fishes during an annual cycle // Aquat. Ecol. Dawn XXI Century. Prof. G.G. Winberg 100^th Anniversary. 03-07. Oct. 2005, Zool. Inst. St.-Petersburg (Russia). – St.-Petersburg, 2005. – P. 90.

51. Солдатов А.А. Кислородный режим и цитохромные системы скелетных мышц морских рыб в норме и условиях экспериментальных нагрузок // XIII Межд. совещ. по эволюц. физиол., 23-25 янв. 2006, С.-Петербург (Россия). Тез. докл. – С.-Петербург, 2006. – С. 204.

52. Солдатов А.А., Головина И.В., Гостюхина О.Л., Андреенко Т.И., Столбов А.Я., Парфенова И.А., Коношенко С.В. Молекулярные и функциональные основы адаптации черноморских гидробиотов к гипоксии, аноксии и различным видам окислительных нагрузок // Межд. научн. конф. «Пробл. биол. океанографии XXI века», Севастополь, 19-21 сент. 2006: – Севастополь, 2006. – С. 166.