青藏高原高原鼠洞道内氧和二氧化碳含量的变化

青藏高原高原鼠洞道内氧和二氧化碳含量的变化

地下老鼠一生都生活在封闭的地下洞穴中。在世界不同的地区,由于气候、土壤等因素的差异,形成了广泛的适应辐射。全球共有地下鼠30余种,隶属于仓鼠科(Cricetidae)、囊鼠科(Geomyidae)、瞎鼠科(Spalacidae)、竹鼠科(Rhizomyidae)、八齿鼠科(Octodontidaet)、栉鼠科(Ctenomyidae)、滨鼠科(Bathyergidae)等。1高原鼠地下洞道许多研究表明,地下鼠洞道内氧和二氧化碳含量随降雨和土质的不同而大幅度波动,在降雨季节,黏土洞道内二氧化碳最高含量达6.1%,最小氧含量为7.2%,而在干旱季节,沙土洞道中二氧化碳含量只有0.43%,氧含量高达18.9%。并且地下鼠洞道中氧和二氧化碳含量随洞道深度不同发生显著的变化,洞道越深氧含量越少,二氧化碳含量越高。高原鼢鼠(Myospalaxbaileyi)隶属于仓属科(Cricetidae)鼢鼠属(Myosplax),广泛分布于青藏高原东部海拔2800~4200m的地区,是青藏高原特有种之一。研究表明,在地面下约18cm的高原鼢鼠洞道中,氧和二氧化碳含量在不同时期具有明显的差异,在降雨较多的草盛期洞内氧含量为17.04%,二氧化碳含量高达1.46%,而在降雨较少的草返青期洞内氧含量为18.02%,二氧化碳含量为0.22%。笔者在青海省湟中县高山地区(海拔2600~3000m)的实验结果表明,距离地面约18~30cm的高原鼢鼠地下洞道中,夏季最高二氧化碳含量为2.5%,最低氧气含量为18.5%;秋季最高二氧化碳含量为6.2%,最低氧气含量为14.8%(待发表)。另外,由于夏季地表高温影响,高原鼢鼠的地表挖掘活动基本停止而生活于地下深层洞道中,此时小鼠尚未分窝,氧气的消耗和二氧化碳的产生加剧。由于低温的影响,高原鼢鼠必需在地层深处的洞道(70~250cm)度过漫长而寒冷的季节(当年11月~翌年3月)。在此阶段,地表冻土层厚达30~40cm,地表浅层温度很低,高原鼢鼠挖掘取食活动停止,依靠秋季储藏的食物生活。此时土壤通气状况最差,加之生活在地层深处的洞道,推测洞内氧含量更低而二氧化碳含量很高。因此,高原鼢鼠洞道中氧气和二氧化碳含量在不同季节波动幅度可能更大。2不同地区动物的生理生化特征由于长期适应低氧高二氧化碳洞道环境,地下鼠对低氧高二氧化碳具有很强的耐受性。研究表明,地下鼠在安静状态下肺通气很低,轻度低氧高二氧化碳并不引起肺通气增加,只有当氧分压<35和二氧化碳分压>99时,肺通气才有所增加。3%氧和15%二氧化碳含量条件下,地下鼠在生存14h机体没有任何损伤,而褐家鼠(Aattusnorvegicus)在2~4h后死亡。研究发现,高原鼢鼠动脉血具有很高的氧分压和血氧饱和度,静脉血具有很低的氧分压和血氧饱和度,动脉血与静脉血血氧饱和度是同地区高原鼠兔的2倍,平原大白鼠的4.5倍,因此高原鼢鼠的血氧利用率高。说明地下鼠虽然生活在氧含量低而二氧化碳很高的封闭洞道中,但机体内并不缺氧。与地面啮齿动物相比,地下鼠表现出一系列适应地下生活的生理生化特征:心脏大、肺弥散容量大、红细胞数目多、血红蛋白(Hemoglobin,Hb)含量高、红细胞内Ⅱ型碳酸酐酶(CarbonicanhydraseII,CAll)缺乏,2,3-二磷酸甘油酸(2,3-diphosphoglyeerate,2,3-DPG)含量低,这不仅有利于血红蛋白(Hb)在肺部结合和运输较多的氧,而且有利于在组织释放氧,因此地下鼠动脉血血氧饱和度高,而静脉血血氧饱和度低,血氧利用率高。地下鼠骨骼肌毛细血管密度大,肌红蛋白(Myoglobin,Mb)含量高,肌细胞中线粒体丰富,缩短了氧气从血液到细胞的传递距离,能够在低氧分压下有效地传递氧。高原鼢鼠同样表现出上述一些生理适应特征。研究发现,高原鼢鼠心脏/体重比、血液中红细胞数和血红蛋白(Hb)含量、心肌和骨骼肌肌红蛋白(Mb)含量都显著高于同地区地面动物高原鼠兔和平原SD大鼠,尤其是高原鼢鼠骨骼肌肌红蛋白的含量极显著高于地面鼠,与自身心肌肌红蛋白含量接近。另外,高原鼢鼠红细胞2,3-二磷酸甘油酸(2,3-DPG)含量极显著低于高原鼠兔,心、肝、肾和骨骼肌中乳酸脱氢酶(LDH)活性,不仅显著低于高原鼠兔,而且显著低于小白鼠和SD大鼠,其LDH同功酶电泳行为与高原鼠兔、小白鼠和SD大鼠也明显不同。3低氧诱导因子地下鼠不仅具有有效摄取、输送和利用氧的结构特征和生理机制,而且在分子水平上也表现出对低氧高二化碳洞穴环境的适应。与其他啮齿动物相比,地下鼠组织中具有高氧亲和力的血红素蛋白如血红蛋白(Hb)、肌红蛋白(Mb)、脑红蛋白(Neuroglobin,Nb)、细胞珠蛋白(Cytoglobin,Cb)和触珠蛋白(Haptoglobin,Hb)分子结构中多处氨基酸发生替代,这些功能蛋白在自然状态下表达量高,并且在模拟低氧状态下表现出与地面鼠不同的表达模式。这种结构变异可能进一步提高了这些功能蛋白对氧的亲和力。表达量的提高有利于组织储存更多的氧,从而对维持组织氧稳态(Homeostasis)起重要的作用。地下鼠在代谢特征上虽然表现出机体内并不缺氧,但是机体内许多低氧敏感基因表达仍然很高。低氧诱导因子-1(Hypoxia-induciblefactor-1,HIF-1)是哺乳动物体内主要的氧稳态调控因子。HIF-1是由HIF-1α(Hypoxia-induciblefactor-1α)和HIF-1β(Hypoxia-induciblefactor-1β)亚基组成,HIF-1α是低氧诱导性亚基,在转录和转录后水平上表达。HIF-1调节促红细胞生成素(Erythropoitin,Epo)基因(Epo)、内皮生长因子(Vascularendotheliumgrowthfactor,VEGF)基因(VEGF)、一氧化氮合酶(Nitricoxidesynthase,NOS)基因(NOS)、内皮素(Endothelin,ET)基因(ET)、脑红蛋白(Neuroglobin,Nb)基因(Nb)、细胞珠蛋白(Cytoglobin,Cb)基因(Cb)、转铁蛋白基因(transferrin)以及糖酵解有关基因的表达。研究表明,地下鼠机体组织低氧诱导因子1α(Hypoxia-induciblefactor-la,HIF-lα)mRNA,在各个发育期显著高于地面啮齿类,表达高峰期不在胚胎期,而在出生后7d内。促红细胞生成素(Erythropoitin,Epo)基因在两类鼠中随不同的发育期表达形式明显不同,胚胎期肝和肾中EpomRNA水平,地下鼠相应高于地面鼠,但在刚出生的幼鼠肝肾中,无论是模拟低氧状态下,还是在正常状态下,地面鼠EpomRNA水平明显高于地下鼠;成年鼠的肝脏中,在低氧和正常条件下,EpomRNA水平没有明显差异,但在模拟低氧状态下,地下鼠肾中Epo基因表达水平高于地面鼠2倍。近期研究表明,地下鼠骨骼肌中,内皮生长因子(Vascularendotheliumgrowthfactor,VEGF)表达水平很高,比地面鼠高出1.6倍,这与地下鼠骨骼肌具有高密度的毛细血管相一致,但在严重低氧条件下VEGF表达下降。说明地下鼠对低氧高二氧化碳洞道环境具有独特的分子适应机制。4低氧和高二氧化碳环境实验表明,在急性低氧和长期慢性低氧条件下,引起动物肺动脉高压,血管重建,右心室肥大,最终导致肺心疾病。关于低氧高二氧化碳协同对动物机体的作用存在两种相反的观点,一方面认为低氧高二氧化碳引起肺动脉内膜增厚,平滑肌细胞和纤维母细胞增生,内皮素(Endothelin,ET)分泌增加,从而引起肺动脉高压和右心肥大。另一方面认为,低氧高二氧化碳既有益于血流动力学的好转,又有利于血气的改善;抑制低氧诱导引起的肺血管重建和右心室肥大;提高一氧化氮合酶(Nitricoxidesynthase,NOS)活力,抑制低氧引起的肺血管收缩,降低肺动脉高压;保护内皮细胞因低氧引起的损伤;改善机体器官血液流量,减缓缺氧缺血引起的机体损伤。地下鼠虽然终生生活在低氧环境中,但机体并没有