УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2010, том 130, № 1, с. 80-87
УДК 631.461.52:631.468.573.21
МЕХАНИЗМЫ УТИЛИЗАЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ КОРМОВ РЕЧНЫМ БОБРОМ CASTOR FIBER
© 2010 г. Е.И. Наумова, Г.К. Жарова, М.В. Вечерский, А.А. Варшавский, Т.Ю. Чистова
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва
С использованием комплексного методического подхода рассмотрены механизмы успешной утилизации клетчатковых кормов в пищеварительном тракте речным бобром. Показано, что адаптация речного бобра к потреблению грубых кормов реализуется путем формирования специфических структур пищеварительного тракта, сопряженных с функционированием кишечной микрофлоры. Дана оценка вклада азотфиксирующих и целлюлолитических микросимбионтов пищеварительного тракта в усвоение клетчатковых кормов речным бобром.
Питание и пищеварение речного и канадского бобров (Castor fiber и C. сапаёе^з) активно исследовалось еще в 60-х годах минувшего века всеми доступными в то время методами не только потому, что бобр - обладатель ценного меха и объект промысла, но и по причине его уникальной для грызунов пищевой специализации. Среди белкообразных грызунов (Sciuromorpha), характеризующихся без исключений однокамерным железистым желудком, только бобры успешно освоили кормовую нишу, сходную по содержанию волокнистых элементов в кормовых объектах с занимаемой высоко специализированными в этом отношении травоядными млекопитающими - жвачными и зайцеобразными.
Речной бобр питается исключительно вегетативными частями растений, в том числе и древесных, составляющих основу зимнего кормового рациона. В весенне-летний период речной бобр переходит к питанию преимущественно водной растительностью, которая остается более предпочтительной во все сезоны, но доля ее в потребляемых бобрами кормах колеблется неодинаково в разных регионах и от года к году. Например, в Марийской АССР кора деревьев в осенне-зимнем питании бобров в разные годы составляла от 31.8 до 60.6% [8]. Следует отметить, что потребляемые бобрами веточные и травянистые корма неравноценны по содержанию питательных веществ. По запасу валовой энергии веточные корма превосходят водные растения в 2-5 раз, а по протеину, напротив, водные растения почти в два раза богаче коры деревьев и кустарников [8]. Понятно, что наибольший интерес представляют адаптации к
зимнему, более скудному питанию бобра. Обобщение и анализ данных по питанию речного бобра показали, что доля клетчатки в веточных кормах и коре деревьев может колебаться от 13.8 до 37.6% [22].
По стратегии пищеварения бобры однозначно относятся к группе млекопитающих с кишечной ферментацией. Однокамерный железистый желудок, снабженный морфологически обособленной "большой желудочной железой" [27], объемная слепая и ободочная кишки указывают на то, что ферментация волокнистых фрагментов корма проходит исключительно в толстом отделе кишечника. Следует особо отметить, что в группе млекопитающих с железистым желудком, высоко специализированным к питанию целлюлозосодержащими кормами, вырабатывается специальный поведенческий акт - коп-рофагия, или поедание обогащенного микробами эвакуата из слепой кишки. Физиологически нормальная ритмичная копрофагия характерна и для бобров [23].
Исследование продукции летучих жирных кислот в слепой и ободочной кишках канадского бобра [25] показало, что преобладающей по концентрации кислотой является уксусная, которая образуется в результате функционирования целлюлозоразлагающих симбионтов. Не было обнаружено существенных различий между микроорганизмами рубца коровы и слепой кишки бобра по их способности расщеплять целлюлозу и общему количеству продуцируемых жирных кислот. Однако разное соотношение конечных продуктов брожения указывает на существова-
ние различий между этими фитофагами в типе ферментации. У канадского бобра следующей по концентрации кислотой после уксусной оказалась масляная, которая считается продуцентом протеинолитических бактерий, а затем пропио-новая. От жвачных этого грызуна отличает преобладание масляной кислоты над пропионовой в содержимом слепой кишки. Результаты культивирования симбионтов из слепой кишки бобра на коре осины и целлюлозе привели упомянутых авторов к выводу, что специфическое соотношение органических кислот характеризует тип ферментации в толстом кишечнике бобра. Уменьшение общего количества органических кислот от слепой кишки до нисходящей ободочной и исчезновение их в прямой кишке указывает на прекращение процессов ферментации и всасывание продуктов метаболизма симбионтов уже в ободочной кишке.
Данные по переваримости сухого вещества корма и целлюлозы бобрами несколько противоречивы. В опытах, проведенных в Воронежском заповеднике, было установлено, что переваримость сухого вещества корма у речного бобра составляет 69.7%, а сырой клетчатки - 52.8% [17]. Еще выше - до 81.8% была оценена переваримость клетчатки для речного бобра в бассейне Средней Вычегды [22]. Эти результаты сопоставимы с данными, полученными для крупного рогатого скота и диких жвачных, а также для травоядных грызунов. Для канадского бобра переваримость клетчатки определена лишь в 30% [25]. Однако, независимо от уровня переваримости клетчатки, потребление этого компонента корма бобрами очень велико. По приблизительным расчетам, в организм речных бобров при питании преимущественно травянистыми кормами ежедневно поступает 300-400 г сырой клетчатки, по крайней мере, половина которой усваивается.
Результаты предшествующих исследований позволяют рассматривать речного бобра как живую модель успешной утилизации целлюлозосо-держащих объектов, конкретное знание функционирования которой позволило бы использовать отдельные ее составляющие в практических целях. Чтобы приблизиться к решению этого вопроса, нами было предпринято детальное исследование микрофлоры пищеварительного тракта речного бобра (состава и численности бактерий симбиоценоза толстого отдела кишечника, активности бактериальных ферментов, участвующих в расщеплении структурных углеводов растительных кормовых объектов), а также условий обитания и результативности функционирования симбионтов. Особое внимание уделяется
участию микроорганизмов пищеварительного тракта в процессах азотного цикла, о котором имеются лишь фрагментарные сведения. Недавнее обнаружение азотфиксирующей активности в пищеварительном тракте некоторых грызунов-фитофагов - полевок, песчанок, слепышей [2, 3, 9, 16] делает этот аспект исследуемой проблемы особенно актуальным. Особенностью этих животных является использование кормов с низким содержанием диетарного азота, что позволяет рассматривать микробную азотфиксацию как возможный источник "биологического азота", позволяющий животным существовать на бедных азотом кормах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Морфологический, микробиологический и биохимический материал был получен от пяти взрослых речных бобров, добытых в осенний и весенний сезоны в Московской (пос. Лотошино) и Калужской (пос. Неботово) областях. Для расшифровки механизмов успешного использования целлюлозосодержащих кормов речным бобром исследовали морфологические адаптации пищеварительного тракта, характер активности микробных ферментов целлюлазного комплекса и вклад азотфиксирующих микроорганизмов в обеспечение организма хозяина азотом.
Для морфологических исследований пищеварительный тракт фиксировали 4% формалином с предварительной инъекцией фиксатора в полости желудка и кишечника. Для исследования архитектоники слизистой образцы тканей каждого отдела пищеварительного тракта размером 0.5*0.5 см проводили по спиртам и ацетону, высушивали на воздухе и напыляли золотом. Эпителиальную поверхность исследовали на сканирующем электронном микроскопе JSM 840 А (Япония).
Для исследования активности бактериальных ферментов диазотрофно-целлюлолитического комплекса производили вскрытие животных через 10-12 ч после отстрела и стерильным инструментом отбирались образцы содержимого ЖКТ из следующих отделов: желудка, тонкого кишечника, вершины слепой кишки, тела слепой кишки, ампулы ободочной кишки, проксимальной и дистальной частей ободочной кишки.
Оценку функционирования азотфиксирующего симбионтного звена выполняли путем измерения актуальной нитрогеназной активности в образцах содержимого пищеварительного тракта, которое проводили непосредственно после отбора проб с использованием метода ацетиленредукции
[11]. Интенсивность анаэробных процессов оценивали по активности метаногенеза. Масса каждой навески составляла 2 г, время инкубации -2 ч, температура инкубации - 37 °С. Количество выделившегося этилена определяли на газовом хроматографе "Chrom-41" (Laboratorni Pristroje, Чехословакия) с пламенно-ионизационным детектором; длина колонки 2 м, наполнитель Spherosil, газ-носитель - Ar под давлением в 2 атм. Измерения проводили в пяти повторностях.
Содержание азота и углерода в образцах определяли в трех повторностях на элементном анализаторе VarioEL III CHNS (Elementar, Германия). Образцы содержимого кишечника массой 0.1 г перед измерением высушивали и измельчали.
Структуру аэробного бактериального комплекса оценивали методом посева на плотные питательные среды (глюкозо-пептонно-дрожжевой агар, среду Эшби с глюкозой, среду Эшби с карбо-ксиметилцеллюлозой). Идентификацию бактерий проводили по микроморфологическим и физио-лого-биохимическим признакам [10, 18]. Общую численность микроорганизмов определяли методом прямого счета с помощью люминесцентной микроскопии [11].
Оценку функциональных особенностей микробных сообществ содержимого пищеварительного тракта проводили методом мультисубстрат-ного тестирования (МСТ) [6]. Эндоглюканазную активность определяли вискозиметрическим методом [21]. Пробы содержимого ЖКТ помещали в эппендорфы, содержащие 86% глицерин, экстрагирующий ферменты, и хранили в холодильнике. Активность целлобиогидролазы измеряли флуоресцентным методом на анализаторе "Флюо-рат-02-Панорама" (Россия).
Результативность утилизации целлюлозы оценивали по степени редукции клетчатковых волокон в процессе продвижения корма по пищеварительному тракту. Образцы содержимого разных о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.