动物热应激的生理变化机制

1、 文献综述之马矢奏春创作 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 题 目：动物热应激的生理变更机制 动物热应激的生理变更机制 摘 要：随着畜牧业财产化和集约化的逐步深入 畜禽应激方面 的研究已成为动物研究领域中的一个热点，有关动物应激机理的 研究则更加引人注目。因此 只有完全弄清楚 HSPs 的调控机制才 有可能了解应激的作用实质，为应激的研究提供参考，从而为动 物生产中的应激监测系统提供科学依据。 热应激蛋白(heat shock proteins HSPs )是动物在不良因 素作用下所发生的一组特异性蛋白质，任何应激均可诱导机体的 HSPs 合成增加， 它能使动物迅速适应环境变更， 呵护机体不受

2、或 少受损害。 HSPs作为应激的调控蛋白对说明动物的应激机理有着 非常重要的作用。 热应激反应的最大特点是在应激蛋白( heat shock protei ns HSPs)合成增加，而正常蛋白质的合成则受到抑制。从而对机体 的生长代谢、免疫功能等造成影响。文章综述畜禽热应激发生机 制的国内外研究现状，运用系统动物营养学的思维方法，从动态 和整体的角度探讨畜禽热应激生理变更规律。 关键词：畜禽；热应激；生理变更；系统动物营养学 热应激是指动物机体处于高温环境中所做出的非特异性生理 反映的总和。随着集约化高密度饲养方式的迅速发展，热应激对 畜禽生产创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零

3、贰壹年柒月贰叁拾日 造成的危害越来越受到人们的关注。大量研究显示，热 应激严重影响机体呼吸、循环、消化、免疫和内分泌等系统的功 能，使机体新陈代谢发生改变。但有关畜禽热应激发生发展规律 的研究多从静态和局部的角度出发，少有以机体整体为研究对 象，动态的研究热应激发生发展规律的报导。文章运用系统动物 营养学的思维方法，以众多学者的研究成果为基础，从动态和整 体的角度探讨畜禽热应激生理变更规律。 1畜禽热应激生理变更规律探讨 在大量的试验研究中，对温热环境强度量化和统一的困难， 可能也是造成各试验结论纷歧致甚至相悖的原因之一。能量代谢 与物质代谢是机体新陈代谢的 2 个方面，热刺激下机体散热受阻

4、导致能量代谢失衡，引起物质代谢失衡，机体便做出一系列反映 来维持新陈代谢的动态平衡。运动着的事物都有一个发生、变更 和发展的过程，因此可推测机体对热应激的调节同样有一个发 生、变更和发展的过程。 开始阶段 只有能量代谢平衡受到破坏。当温热环境最开始作用于机体 时，抑制了机体的散热，在很短时间内（也许是数十分钟到数小 时）无法散发的热量在体内蓄积，引起体温的细微变更，作用于 体内的温度感受器（如颈动脉窦的温度感受器）感受器发出神经 冲动，与体表神经末梢由于温热刺激而发生的神经冲动一同传至 中枢神经；中枢首先从行为调节与加强机体散热上做出反映，机 体表示出一系列有利于散热的行为与生理变更，如静止、

5、伸展四 肢及轻微喘息等1。正如 Zhou 和 Yamamoto (1997)的研究标明， 温度升高使肉鸡呼吸频率升高，此时机体的物质代谢平衡没有受 到影响。 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 1.2 发展阶段 由能量代谢失衡导致物质代谢失衡。当上述调节不克不及有 效散热，机体散热仍然受阻时，体内热量会继续蓄积，体温持续 升高，正如大量报导显示，热应激下机体体温显著升高。此时， 温度效应器继续被刺激，于是中枢对散热的调节进一步加强，呼 吸频率剧烈上升，体表血管进一步扩张，血流进一步加快。此时 饮水的增加是与机体加强蒸发散热相适应的。有报导指出，高温 刺激时肉鸡的

6、呼吸频率从 25 次/ min 猛增到 150 次/ min。 这时体温的明显升高破坏了机体内环境中温度的衡定，同时 呼吸率的上升引起呼吸性碱中毒，也破坏机体内环境中 PH 衡定， 大量研究都曾指出，热应激时鸡血液 PH 显著升高，而碱储(BE 下降。此时，由于内环境温度和酸碱度平衡遭到破坏，体内的生 命物质，如各种功能蛋白质、核酸等及与之相关的多种生化反应 处于不适宜的环境中，发生了一系列的变更，最明显的如细胞内 蛋白质变性、细胞凋亡加速及 HSPs 的迅速表达等。 Wang 等 ( 1998)， Zulkifli 等( 2002)的研究指出，畜禽在热应激状态 下 HSPs 家族得到高表达，

7、这时还可从超微组织结构观察到机体热创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 损，李静等（ 2004），宁章勇等（ 2003）的报导，热应激引起肉 鸡呼吸、消化、循环、泌尿、内分泌和免疫等系统的器官组织发 生充血、出血和水肿，实质细胞颗粒变性、水泡变性和脂肪变 性。此时由热应激造成的热代谢不服衡最终破坏了机体的物质代 1.3 严重阶段 机体对整体物质与能量代谢进行调节。在发展阶段的基础 上，由物质代谢紊乱而发生的异常或过量化学物质刺激着机体的 化学感受器。此时，中枢将接收到从温度与化学感受器传来的双 方面的神经冲动作用，机体将从整体的物质与能量代谢 2 方面来 维持其内

8、环境平衡。一方面，对热平衡的调节，由于散热已发挥 到极致，机体将从降低产热量来试图恢复热平衡。表示为降低采 食量，从而减少消化吸收产热；通过抑制 HPT 轴，降低血清甲状 腺浓度来降低基础代谢， 减少产热。 Brigmon 等 （ 1992） ， 呙于 明 （ 1998） ，赵芙蓉（ 1993）等都对热应激抑制鸡的甲状腺分泌 有过相似的报导。许多研究指出，耐过缓慢热应激的畜禽，甲状 腺明显萎缩。也许可推测，对高温能长期耐受的机体在根本上是 由于其基础代谢的降低。生长在热带地区的哺乳动物，其静止能 量代谢比温带和寒带地区的动物低，正是动物对热长期适应的结 果。另一方面，机体对物质代谢平衡的调节，

9、由于内环境遭破 坏，细胞内各种生命物质受损，影响着细胞内的各种生化反应， 威胁机体的生命。 HSPs 开始大量合成，作为分子伴侣介入蛋白质 的合成、折叠、装配、运输和通过降解及抗氧化、协同免疫和抗 细胞凋亡谢平衡 34 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 等作用对应激和再次出现的应激发生呵护和耐受，维持 着细胞内环境的稳定。此 时，各 种 蛋 白（ 大 量 的 HSPs， 一些由于变性必须弥补的功能蛋白质等）不竭合成，同时 HSPs 和 一些未知因子对内环境稳定起维持作用，这些都需要消耗大量能 量，而此时机体采食量却下降，营养物质供应缺乏，因此机体从 神经内分泌

10、的调节来抑制机体合成代谢，减少非必须的能量消 耗，加速分解代谢，为维持机体内环境稳定提供足够的能源。表 示为交感一肾上腺肾髓质系统兴奋， HPA 轴兴奋，HPT 轴兴奋， HPG 轴抑制等，这些都是机体在应激状态下的非特异性反应。从 而使血浆中儿茶酚胺类升高，肾上腺皮质激素升高，甲状腺素和 性激素降低，分解代谢加强，合成代谢降低，大量能量被用于机 体对抗热应激，维持内环境的稳定。 1.4 结束阶段 新平衡的获得或自身调节的失败。最后，当机体从整体的新 陈代谢（物质代谢与能量代谢）上对机体内环境的动态平衡进行 调节后，若热平衡得以恢复，则机体对温热环境表示出适应，采 食量、血液生化指标和组织损伤

11、等逐渐恢复，直至接近于正常， 但与热应激前相比。最显著的区别就是甲状腺的萎缩，意味着基 础代谢的降低。有报导指出，生长猪在环境温度为 33 C条件下饲 养，比饲养于 23C环境下甲状腺质量减轻 g/kg。 若机体的整体调节仍然缺乏，则其散热继续被阻碍，体内温 度持续创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 升高，内环境由于温度不竭升高受到越来越严重的破坏， 最终结果是细胞无法适应高温的内环境，无法完成必须的生命活 动而导致机体热死。从另一个角度看，机体死亡后，与环境自由 的进行热交换最终仍然是死亡的机体与环境的物质和能量的新平 衡。 2 畜禽热应激生理变更规律研究现状

12、 畜禽的热应激是机体整体对温热环境的反映，十分复杂。在 大量的试验中，经常对动物在热应激情况下的一些行为学、生理 学(生理、生化和内分泌激素)和免疫学指标或参数进行深入研 究。 动物在受到热应激后体温、呼吸频率和心率快速发生改变。 Zhou 和 Yamamoto( 1997 )的研究标明，温度升高使肉鸡呼吸频率升 高 。 Yanagi 等 ( 2002 ) 报 导 ， 急 性 热 应 激 时 肉 鸡 深 部 体 温 (DBT 逐渐升高，而且环境温度越高对 DBT 的影响越大问。 2.2 热应激对动物内脏器官组织形态与机体过氧化状态的影响 宁章勇等( 2003)，李静等( 2004)都报导，热应

13、激引起肉鸡 呼吸、消化、循环、泌尿、内分泌和免疫等系统的器官组织发生 充血、出血和水肿，实质细胞颗粒变性、水泡变性和脂肪变性 34 。鲍恩东等( 2004)报导， AA 肉鸡组织脏器在急性热应激初 期即开始出现较明显的组织病理学改变。 Aoyagi(1997) 报导，短期高温应激使鸡血浆和肝脏中的脂质创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 过氧化物 （LPO） 含量显著升高。林海等（ 2001 ）报导，急性热应 激下，（32C, 24h）,血浆和肝脏中脂质过氧化物（ LPO）显著 升高。而过氧化程度升高标明机体在热应激状态下受到损伤。 2.3 热应激对血液生化指标的

14、影响 PH Dridi （ 1993） ，李静等（ 2004）及其他一些研究者都曾指 出，热应及其他一些研究者都曾指出，热应激时鸡血液 PH 显著升 高，而碱储（BE）下降，在热流露一定时间后出现失代偿代谢性 酸中毒。然而也有纷歧致的报导。 Altan 等（ 2000）将 35 日龄肉 鸡在 38C左右热流露 2h 发现，肉鸡直肠温度升高，但酸碱平衡 未受到影响。刘凤华等（ 1998）研究认为，蛋鸡热应激后，血气 指标变更不显著。 热应激导致呼吸性碱中毒被认为是由于应激初期呼吸频率升 高引起血液中的 CO2 和H+浓度下降并导致酸碱不服衡而引起。 随后发生的失代偿代谢性酸中毒则是由于热应激后期

15、，分解代谢 加强，体内酸性物质积累，同时急促呼吸有所缓和，导致酸碱不 服衡而引起。 血糖和血清酶 热应激可导致血糖和血清酶活性变更。在正常情况下，组织特 异性酶在血液中的活性很低，热应激使组织器官受到损伤时，它 们从组织器官中溢出进入血液，使血液中浓度增加，活性提高。 Vecerek 等（ 2002）报导， 16 日龄肉鸡体内的血糖浓度随环境温 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 度的逐渐升高而显著增加 。Sandercock （ 2001）报导，32C, 相对湿创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 度 75%环境中 2h 应激使肉鸡血浆中肌酸激酶（CK）活性 显著增加，而且鸡的日龄越大， CK 浓

16、度变更也越大。关于热应激 使肉鸡血浆 CK 浓度增加有大量报导。 但也有报导称，有些热应激试验中，并没有发现组织特异性 酶的显著变更。可能作为应激源的温热环境与分歧动物对热应激 的反应都很复杂，二者通过多种途径影响血清中的酶活，有待于 进一步深入研究。 2.4 热应激对机体神经内分泌与免疫机能的影响 自从认识到机体应激现象后，对其的经典解释是：应激是机体 在各种刺激源作用下发生的非特异性反应。并进一步认为，动物 在受到应激时，包含交感神经肾上腺髓质系统，下丘脑垂体 肾上腺皮质轴（ HPA 轴），下丘脑垂体甲状腺轴（ HPT 轴），下丘脑一垂体一（ HPG 轴）等神经内分泌轴在内的神经内 分泌系

17、统，或兴奋或抑制，以最大限度调动机体的防御力来抵抗 刺激对机体的不良作用（杨明等， 2002）。 内分泌的变更 关于热应激对畜禽内分泌的影响有许多研究， 主要集中在甲状 腺素 （T3和 T4）与肾上腺皮质激素上，以此反映整个神经内分泌 系统的变更。在大量的研究中，一般都认为机体在热应激下 T3 浓 度显著下降，甲状腺明显萎缩或有萎缩趋向； 大多数赞同机体在 热应激下血清中皮质激素浓度升高。 Brigmon 等（ 1992），呙于 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 明（ 1998），赵芙蓉（ 1993）都对热应激抑制鸡的甲状腺分 泌 有 过 相 似 的 报 道。而 Geraert 等（ 1996

18、）许多研究者则都 对鸡热应激状态下肾上腺活动增强，肾上腺皮质类固醇分泌增加 以调节盐、糖、创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 蛋白质及脂肪代谢有过报导。 甲状腺激素几乎作用于机体所有的器官和组织，并主要是以 T3 发挥生物学效应，对生长、发育、代谢和组织的分化等各个方 面均有影响，它的分泌关系到机体的代谢和产热，是动物体维持 基础代谢的重要激素，也是动物调节产热以维持体内热平衡的重 要激素。而在热应激期间肾上腺分泌的皮质激素以由束状带分泌 的糖皮质激素皮质醇和皮质酮等为主。它们能维持循环系统对 儿茶酚胺的正常反映，抑制肌肉和脂肪组织对葡萄糖的摄取，促 进糖的异生和儿茶酚胺、胰高血糖素和生长素的脂

19、肪动员，及对 糖元分解起“容许作用”，从而引起相应代谢加强。 热应激时甲状腺素与肾上腺皮质激素浓度的变更被认为是分 别通过 HPT 轴和 HPA 轴来实现的：机体在热应激状态下，下丘脑 TRH 分泌减少，引起垂体 TSH 减少，HPT 轴的活动受到抑制，甲状 腺素分泌减少，最终降低机体的基础代谢，减少产热，维持内环 境平衡；同时下丘脑 CRH 分泌增多，并通过垂体门脉系统转运到 垂体前叶刺激 ACTH 分泌和释放，ACTH 可促进肾上腺皮质激素的 分泌，HPA 轴兴奋，最终大量的肾上腺皮质激素进入血液循环发 挥生理作用。 热应激时交感神经肾上腺髓质系统兴奋也是机体非特异性 创作时间：贰零贰壹年

20、柒月贰叁拾日 反映之一。有关该系统在畜禽应激反映中的机制研究较少。 热应激对机体免疫的影响 大量研究标明，在热应激情况下，机体免疫机能受到抑制。 蔡亚非，杜娟等（ 2005）在奶牛方面及章勇等（ 2004）在鸡方面 得出相似结论。 目前认为，热应激对免疫机能的抑制主要是由于肾上腺皮质 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 激素（GC 分泌增加，与淋巴细胞上受体结合形成复合物，并转 移到细胞核，结合在核酸基因的调节位点上，激活基因的转录， 转录的 mRNA 进入胞质后，核酸酶基因被翻译成核酸酶蛋白，然后 返回到细胞核并在核粒位点降解基因组，从而扰乱基因转录，导 致变异蛋白合成，最终引起淋巴细胞溶解，

21、抑制机体的免疫机 能。 可见热应激下 GC 大量分泌，在促进机体的分解代谢以抵抗应 激的同时也破坏了机体的免疫机能。 2.5 热应激蛋白（ HSPs） 热应激蛋白又称为热休克蛋白，是一切生物细胞在受热、病原 体和理化因素等应激原刺激后，所发生的一类在生物进化中最守 旧发生的一类在生物进化中最守旧的 （Buchmeier ， 1990） 7 并由热 休克基因编码的陪伴细胞蛋白质 （Hatayama 等， 1997） 8 。 Ritossa （ 1962）在果蝇的热应激试验中首次发现，按相对分子质量大小 及同源程度可划分为分歧的家族，如 HSP70 家族和 HSP90 家族 等。其中最主要的是 H

22、SP70（王鹏举等，2000） 9 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 Wang 等（ 1998 ）， Zulkifli 等（ 2002）及相关的大量研究标 明，畜在热应激状态下 HSPS 家族得到高表达，而且机体热耐受力 的形成与 HSPS（特别是小分子 HSPS 的表达有密切关系。 现在认为，HSPS 主要是作为分子伴侣介入蛋白质的合成、折 叠、装配、运输和通过降解及抗氧化、协同免疫和抗细胞凋亡等 作 用 ， 对 应 激 和 再 次 出 现 的 应 激 发 生 呵 护 和 耐 受 （Welch,1993） 10 。创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 显然，机体在热应激情况下，神经内分泌，免 疫

23、机能，HSPS 表达之间发生着密切的联系。它们是机体为了对抗 温热环境的不良影响、维持自身平衡而在整体上对新陈代谢进行 的调控。因此 , HSPS 又称应激蛋白 （stress protein,SP） , 但习 惯上仍称热应激蛋白。它是目前已知的最守旧的分子 同一家族内 高度同源 11 。 3 小 结 大量事实证明，热应激严重影响畜禽的生产性能，降低采食 量、日增质量、胴体品质、饲料转化率、产奶量和存活率等，给 畜牧生产造成巨大损失。寻找有效的热应激防制措施是众多畜牧 工作者的共同追求。在大量的研究与实践当中，对畜禽热应激的 防制措施可归纳为 2 个方面： 1）对畜禽生存小环境的控制，目标 是

24、较快降低小环境的温度。如对畜禽舍进行隔热和遮阴（使用隔 热建筑资料、搭建凉棚、在建筑物周围植树等）的处理；通过机 械通风与自然通风相结合，加强舍内气流速度；使用湿帘或喷雾 装置降温及装置空调等。这类措施大多只能在一定程度上降低小 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 环境温度，无法从根本上消除热应激的发生。 2)通过各类添加剂 或改变日粮营养浓度对畜禽机体进行调控。关于这方面有大量研 究，如弥补电解质和各种维生素，补铬，饮水中加入葡萄糖，调 整日粮能量、蛋白的浓度及在日粮中添加中草药和镇静剂等。但 这类措施对畜禽热应激的缓解效果纷歧，缺乏效果明显、具有普 遍可操纵性的防制措施。 到目前为止，对畜禽

25、热应激发生机制，发生发展过程的认识 不敷清晰透彻，是热应激防制措施研究的阻碍之一。要在热应激 防制措施研究上有创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 新的突破，有待于对畜禽热应激机制更深入的 认识。 畜禽热应激是机体对不良环境做出的整体反映，在畜禽热应激 机制研究中，从动态与整体的角度来掌控，运用系统动物营养学 的思维方法，是否会更有利于深入揭示禽热应激的发生机制。 参考文献： 1 蔡亚非 , 杜娟, 张利军 , 等.热应激奶牛外周血淋巴细胞凋亡相 关基因表达达及血液学分析 . 动物学 报J.2005,51(2):286-293. 2 林海,杜荣 ,等.,2001,13(2):30-32. 3 李静.37 C持续热应激对肉鸡血流动力学和酸碱平衡的影 响.D.北京：中国农业大学，2004. 4 宁章勇 , 刘思当 , 赵德明 , 等. 热应激对肉仔鸡呼 , 消化和内分泌 器 官 的 形 态 和 超 微 结 构 的 影 响 . 畜 牧 兽 医 学 报 创作时间：贰零贰壹年柒月贰叁拾日 J.2003,34