Физиологические аспекты феромональной регуляции половой функции у животных

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФЕРОМОНАЛЬНОЙ РЕГУЛЯЦИИ ПОЛОВОЙ

ФУНКЦИИ У ЖИВОТНЫХ

О.Б. Сеин, Д.О. Сеин

Аннотация. В статье приводятся результаты многолетней работы в области физиологии феромонов млекопитающих, в частности сельскохозяйственных животных. Показана роль половых феромонов самцов в феромональной регуляции репродуктивной функции самок. Важное место отводится научно-производственным испытаниям препаратов натуральных половых феромонов самцов, изготовленных по технологии, разработанной авторами.

Ключевые слова: аттрактантная активность, биологическая стимуляция, обоняние, обонятельный эпителий, половая функция, самцы, самки, феромоны.

Прошло ровно 50 лет с того времени как в научную литературу впервые был введён новый термин «феромоны» ( от греч. «phero» -несу; «Ьогшао» - привожу в движение), который предложили немецкий биохимик Р. Карлсон и швейцарский энтомолог М. Люшер (Р. Karlson, М. Luscher, 1959) [1].

Однако, было бы не верным, если сказать, что до 1959 года исследователи ничего не знали

о феромонах. Так, в 1957 году русский эндокринолог Я.Д. Киршенблат предложил термин «телергоны» (or греч. «tele»- далеко, «erqon» - воздействие), что, по-нашему мнению, более правильно отражает биологическую сущность соединений той же функциональной группы [2]. Тем не менее термин «телергоны» не прижился и основоположниками учения о пахучих веществах, участвующих в химической коммуникации животных, считаются Р.Карлсон и М Люшер.

Так что же собой представляют феромоны? Согласно современным определениям феромоны - это биологически активные вещества, выделяемые животными в окружающую среду и специфически влияющие на поведение, физиологическое и эмоциональное состояние или метаболизм других особей того же вида.

Феромоны у млекопитающих выделяются преимущественно с экскретами: потом, мочой, слюной, секретом сальных и слёзных желез. При этом все феромоны делятся по механизму своего действия на «рилизинг-феромоны» - химические соединения, которые вызывают немедленный по-

веденческий ответ и «праймер-феромоны», которые действуют медленно.

Из всех сельскохозяйственных животных половые феромоны наиболее изучены у свиней. В 1968 году R.L. Patterson выделил из препуци-альной железы хряка вещество, обладающее феромональной активностью [3]. Этим соединением оказался стероид андростенон- 5а- анд-рост- 16 -ен-3-он. Затем был выделен соответствующий кетон - андростенол- 5а-андрост-16-ен-3-ол (D.R. Melrose et al., 1971) [4]. Впоследствии эти стероиды были обнаружены также в моче и слюне хряков.

Экспериментально было установлено, что половые феромоны у хряков синтезируются в семенниках и железах припуция, а затем с кровью разносятся по всему организму. Путём экскреции они проникают в слюнные железы, мочу и в придаточные половые железы самцов. Феромоны также могут депонироваться в жировой клетчатке и внутренних органах. Благодаря запаху половых феромонов мясо и сало хряков, если они не подвергались кастрации, практически непригодно к употреблению.

Установлено, что половые феромоны синтезируются не только в организме животных, но и в растениях. Если растереть пальцами листок сельдерея или пастернака, то можно ощутить неприятный запах хряка. Оказывается феромо-нальные стероиды, вырабатываемые в семенниках хряка, содержатся и в этих растениях.

Информация об авторах

Сеин Олег Борисович, доктор биологических наук, профессор, декан факультета ветеринарной медицины, заведующий кафедрой терапии и акушерства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова, тел. (4712) 53-14-04, E-mail: academy@kgsha.ru.

Сеин Дмитрий Олегович, кандидат биологических наук, ассистент кафедры терапии и акушерства Курской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора И.И. Иванова.

В течение 20 лет на кафедре терапии и акушерства Курской ГСХА проводятся исследования по изучению половых феромонов у сельскохозяйственных животных. За этот период были изучены особенности феромональной активности у самцов крупного рогатого скота, свиней, овец и лошадей.

При исследовании половых феромонов мы столкнулись со сложностью их определения в тех или иных биологических субстратах. Это связано с тем, что половые феромоны с химической точки зрения являются не отдельным веществом, а представляют собой, образно говоря, «букет» различных веществ самой разнообразной химической структуры. Разделить этот «букет» на составляющие не всегда удаётся, даже при использовании современных масс-спектрометрических и хроматографических методов. Подтверждением вышеуказанного являются результаты эксперимента, проведённого нами. Как уже отмечалось, основой половых феромонов у хряков являются стероиды андро-стенон и андростенол, нами были инактивированы эти стероиды, содержащиеся в моче хряков. Тем не менее, моча всё равно обладала феромональной активностью. Учитывая это, мы использовали для определения содержания половых феромонов метод биологического тестирования, который основан на учёте поведенческих реакций у свиноматок при обнюхивании исследуемых субстратов. Для более полного восприятия свиноматками половых феромонов использовали специальный ольфактометр, разработанной нами конструкции.

Ольфактометр представляет собой устройство (рисунки 1;2), состоящее из основания с расположенными на нём тремя полыми цилиндрами, закрытыми крышками с отверстиями. Внутри каждого цилиндра находится поперечная перфорированная перегородка, к которой снизу подводится воздуховодная трубка, соединённая через воздуховодную магистраль с компрессором. Ольфактометр имеет две вертикальные стойки для закрепления электролампочки и радиодинамика, через которые подаётся дополнительный раздражитель в виде одновременного (2-3 сек) светового и звукового (воспроизведение магнитофонной записи звуков, издаваемых взрослым хряком) сигнала. Регулируется работа ольфактометра через пульт управления.

Перед использованием ольфактометра на перфорированную перегородку одного из ци-

линдров помещали ватно-марлевый тампон, обработанный испытуемым субстратом, в другие цилиндры помещали контрольные тампоны, пропитанные дистиллированной водой, отваром комбикорма или этиловым спиртом. Затем с помощью компрессора в воздуховодную трубку подавали воздух с расходом 0,5 мл/сек. Воздух, проходя через ватно-марлевые тампоны и увлекая за собой запахи веществ, которыми они обработаны, через отверстия в крышках выходил за пределы цилиндров.

Для проведения биотеста ольфактометр устанавливали в помещении, свободном от посторонних запахов и не имеющем движения воздуха. Затем в это помещение загоняли свиноматку и наблюдали за её поведенческими реакциями, которые оценивали по 4-балльной системе.

С помощью ольфактометра было установлено, что половые феромоны у самцов содержатся в моче, эякуляте, в смывах из препуци-ального мешка, в тканях семенников и стенке мочевого пузыря. При этом у хряков феромоны содержатся также в слюне, а у баранов в жиропоте.

Результаты наших исследований показали, что у самцов прослеживается определённая зависимость содержания половых феромонов от возраста. Например, у хряков присутствие половых феромонов в тканях семенников и моче отмечается уже в 2-3-месячном возрасте, но их уровень весьма низкий. К 5-месячному возрасту, то есть с приближением половой зрелости самцов, содержание феромонов в тканях и экскретах постепенно повышается. Однако стабилизация выработки половых феромонов у хряков наступает только в возрасте 10-11 месяцев.

Становление аттрактатной активности половых феромонов у быков завершается в 17-18 месяцев, у баранов - в 10-11, у жеребцов - в 2-летнем возрасте. При этом активность половых феромонов у самцов в определённой степени зависит и от породы животных.

Отмечено, что при исследовании материала, полученного от диких кабанов, аттрактантная активность половых феромонов, содержащихся в субстратах из семенников и мочи, была выше (в тканях семенников 85,5±3,2%, в моче -98,0±2,5%), чем у хряков домашних пород (73,0±2,3% и 87,5±2,0%).

Аттрактантная активность половых феромонов также зависит от условий содержания самцов. Результаты проведённых нами опытов

4 п .11 . -Л. / п 11 Й1

11 ' и 1! —г и н- н——с—

и/ ^ * І I 1—і і

J 1

1 [ 3 13 3 ЧУ и 7

Рисунок 1 - Схема ольфактометра для определения биологической активности половых феромонов хряка

1-основание ольфактометра; 2-цилиндр; 3-крышка; 4-перфорированная перегородка; 5-воздуховодная трубка; 6-воздуховодная магистраль; 7-компрессор; 8-стойка; 9-электролампочка; 10-радиодинамик; 11-магнитофон; 12-ватно-марлевый тампон; 13-пульт управления

Рисунок 2 - Определение биологической активности половых феромонов хряка с использованием

ольфактометра

свидетельствуют, что активность феромонов, содержащихся в моче, была наиболее высокой у хряков (98,5±3,7%) и баранов (80,9±2,2%), контактировавших в течение 24 часов соответственно со свиноматками и овцематками. Наименьшая активность феромонов регистрировалась у хряков (63,5±2,8%) и баранов (50,0±3,0%), содержащихся в группах совместно с другими самцами - производителями.

Нами было установлено, что аттрактантная активность половых феромонов, содержащихся в моче быков, хряков, баранов и жеребцов, зависит от гормональной активности семенников. Экспериментально было подтверждено, что показатели активности феромонов имеют тесную положительную корреляционную связь (г=0,70-0,79) с содержанием тестостерона в крови самцов. Результаты исследований показали, что у самцов с высокой концентрацией тестостерона в крови регистрировалась и высокая аттрактантная активность половых феромонов в моче. Наоборот, низкий уровень тестостерона в крови самцов сопровождался более низкой активностью феромонов.

В настоящее время получены синтетические аналоги половых феромонов хряка. Это такие препараты, как «Суидор» (производство Германия) и отечественный препарат «СтО-1», которые применяются в свиноводстве. Однако эти синтетические препараты содержат только два стероида - андростенон и андростенол.

Учитывая это, мы разработали несколько технологических процессов получения препаратов натуральных половых феромонов из тканей семенников и экскретов самцов сельскохозяйственных животных (НФ, НФ-1; НФ-2; НФ-3, НФН), а также из растительного сырья, содержащего стероиды, обладающие феромо-налыюй активностью (НФ-4). Эти препараты прошли научно-производственные испытания, и на них, а также способы их применения, были получены патенты на изобретения (№2034521, №204173 8, №2159597, №2195108).

Преимущество изготовленных нами препаратов по сравнению с синтетическими аналогами заключается в том, что они содержат все компоненты, свойственные для натуральных половых феромонов самцов. При этом, если искусственные половое феромоны дефицитны и имеют большую стоимость, то для изготовления натуральных половых феромонов по разработанной нами технологии не требуется дорогостоящего оборудования и квалифицирован-

ного обеспечения. Исходное же сырьё можно получить при убое самцов в условиях мясокомбината или на убойных площадках.

Проведённые научно-производственные опыты показали, что изготовленные нами препараты половых феромонов оказывают такое же биологическое действие на половую функцию самок, как и самцы - пробники. После стимуляции самок препаратами у них повышается в крови содержание лютеинизирующего гормона, усиливается сократительная активность матки.

В свою очередь, было установлено, что стимуляция ремонтных свинок препаратом НФ-4 позволила сократить период полового созревания на 10-15 суток по сравнению с животными, которые не подвергались подобной обрабогке. Препарат также положительно влияет на рост и развитие репродуктивных органов. Достоверные различия отмечались и со стороны гистологических показателей. Так, у свинок, подвергавшихся стимуляции феромонами, был хорошо развит эндометрий, в его толще содержалось больше маточных желёз, чем у животных контрольной группы.

Таблица 1 - Гистологическая структура репродуктивных органов свинок, обработанных препаратом НФ-4 и имевших контакт с хряком-пробником

В ходе проведённых исследований было установлено, что у ремонтных свинок, подвергавшихся воздействию специфических нейро-

Показатели Группа

1 контакт с пробником 2 обработанные НФ-4 3 контроль

Толщина мышечной оболочки матки, мкм 742,8*28,0* 668,7*27,1 609,7*18,7

Толщина слизистой оболочки матки, мкм 1773,6*63,4* 1658,8*55,1* 1395,8*42,4

Число желез в слизистой матки: в поверхностной части в глубокой части 25,6*1,3* 24,7*1,1' 20,8*1,3

70,0*3,6* 67,7*3,6* 58,1*3,0

Примечание: *-при Р<0,05, по сравнению с контролем

сексуальных раздражителей в период выращивания, отмечены более высокие воспроизводительные возможности, чем у контрольных животных (таблица 2).

Таблица 2 - Воспроизводительные и продуктивные качества свинок, обработанных препаратом НФ-4 и имевших контакт с хряком-пробником

Как видно из данных, представленных в таблице 1 и 2, показатели, полученные у свинок, обработанных препаратом феромонов, отличались незначительно от таковых у свинок, контактировавших с хряком-пробником.

Известно, что действие феромонов самцов на организм самки начинается с её обонятельной выстилки, состоящей из обонятельного эпителия, который, в свою очередь, состоит из специализированных эпителиальных клеток, обладающих сенсорной способностью. Каждая сенсорная клетка покрыта мембраной и имеет наружный (жгутик) и внутренний сенсорный домен (тело клетки).

Плазматическая мембрана обонятельных клеток содержит рецепторы, представляющие собой рецептивные белки, встроенные в мембрану. Их особенность заключается в том, что они способы реагировать с летучими и даже малолетучими пахучими веществами - одоран-тами. В результате взаимодействия молекул феромонов с рецепторами в клетках происходят электрохимические изменения, сопровождающиеся изменением проницаемости клеточных мембран для катионов (натрия, кальция и калия) или анионов (хлора) за счёт активации (открывания) или инактивации (закрывания) ионных каналов. Все эти процессы приводят к тому, что в клетке генерируется сигнал, который передаётся на нервную систему. Такое

преобразование химического воздействия одо-ранта в микроскопический рецепторный потенциал получило название сенсорной трансдук-ции или, в данном случае, хемотрансдукции.

Сигнал, образующийся в эпителиальной клетке обонятельного эпителия, по нервным окончаниям передаётся в вомероназальный орган, представляющий собой специализированное сенсорное образование. От обонятельных клеток вомероназального органа отходят нервные окончания, которые собираются в виде нервных пучков, образующих тройничный нерв, проходят сквозь продырявленную пластинку решётчатой кости и заканчиваются в дополнительной обонятельной луковице.

Из обонятельной луковицы хемосенсорный сигнал попадает в гипоталамус, где вырабатываются люлебирины, воздействующие на гипофиз. В гипофизе повышается синтез гонадотропных гормонов, которые в свою очередь оказывают стимулирующее действие на гормональную функцию яичников. Яичники отвечают «выбросом» в кровь эстрогенов, участвующих в поведенческих реакциях у самки, повышают функциональную активность эндометрия, усиливают моторику матки.

Существование указанной функциональной «цепи», подтверждает тот факт, что если из неё исключить хотя бы одно звено, стимулирующий эффект феромонов резко снижается.

Нами был проведен следующий эксперимент: свиноматкам в носовую полость впрыскивали в виде аэрозоля 2%-ный раствор нитрата серебра, что приводило к разрушению обонятельного эпителия (рисунок 3). При предоставлении этим свиноматкам тампонов, обработанных мочой половозрелого хряка, они его не могли обнаружить.

Во втором эксперименте также был разрушен обонятельный эпителий у неполовозрелых ремонтных свинок. Наблюдения показали, что у этих свинок половое созревания задерживалось на 25-30 дней по сравнению со свинками-аналогами, у которых обонятельный эпителий не был повреждён. При этом развитие репродуктивных органов у свинок с нарушенным обонянием значительно отставало по сравнению с контрольными животными. Таким образом, результаты наших экспериментов наглядно подтверждают, что обонятельные сигналы играют важную роль в процессах формирования половой функции у свиноматок.

Показатели Г руппа

1 контакт с пробником 2 обработан- ные нам 3 контроль

Оплодотворяе-мосгъ, % 88 84 78

Многоплодие, гол. 9,5±0,2* 9Д±0,2* 8,6±0,1

Масса поросенка при рождении, кг 1,14±0,02* 1,07±0,02* 1,03±0,01

Число мертворожденных поросят, гол. 5 5 7

Молочность (в 21 день), кг 50,1±1,0* 48,4±1,2* 45,1±0,6

Сохранность, % 86,0 86,0 82,5

Изготовленные препараты натуральных половых феромонов НФ-3 и НФН были также использованы для стимуляции свинок с задержавшейся половой зрелостью, синхронизации половой охоты и овуляции у свиноматок после отъёма поросят.

С целью более широкого применения половых феромонов в свиноводстве нами была разработана конструкция летнего лагеря для содержания ремонтных свинок, позволяющая проводить обработку животных феромонапь-ными препаратами. Лагерь представляет собой огороженные однотипные спаренные секции (рисунок 4), которые располагаются вдоль проезда для автотранспорта. Каждая секция оборудована кормушками, щитами с навесами для защищиты животных от господствующих ветров в ненастье и излишней инсоляции в жаркое время дня, а также разбрызгивающими устройствами для купания животных. Помимо этого в центре каждой секции находилось устройство для биологической стимуляции половой функции у свинок в виде Т-образной стойки, на противоположных концах которой на высоте 1 м от поверхности площадки располагались радиодинамики и аэрозольные генераторы типа САГ-1 или САГ-2. Все радиодинамики соединялись с магнитофоном, через который воспроизводилась запись звуковых сигналов взрослого хряка, а к аэрозольным генераторам по воздуховоду, проложенному под землей, от компрессора подавалось давление для распыления синтетических или натуральных половых феромонов хряка.

С целью апробации разработанной конструкции летнего лагеря были проведены научно-производственные опыты. Для этого в первой секции лагеря разместили 30 неполовозрелых ремонтных свинок-аналогов 6-месячного возраста крупной белой породы (первая группа). Во второй секции содержалось 30 ремонтных свинок 8-месячного возраста с задержавшейся половой зрелостью (вторая группа). Для контроля были сформированы группы-аналоги, соответственно третья группа (30 неполовозрелых свинок 6-месячного возраста) и четвертая группа (30 свинок 8-месячного возраста с задержавшейся половой зрелостью). Контрольные животные содержались в секциях лагеря, которые не были оборудованы устройствами для биологической стимуляции.

Кормление свинок соответственных групп было одинаковым. Ремонтные свинки первой и

второй группы подвергались биологической стимуляции половыми феромонами хряка по 15 мин два раза в день (утром и вечером). Для этого сначала воспроизводили звуковые сигналы хряка, что, привлекало внимание свинок, и они приближались к стимулирующему устройству. Затем включали компрессор и распыляли половые феромоны. За опытными и контрольными животными вели ежедневные наблюдения, половую охоту выявляли с использованием хря-ков-пробников.

Таблица 3 - Наступление полового созревания у ремонтных свинок, содержащихся в летнем лагере

Г руппа п Проявили первую охоту

1- 5 6- 10 11- 15 16- го 21- 25 26- 30 всего

1 30 7 9 6 2 2 - 26

2 30 7 6 5 4 - - 22

3 30 - 4 3 3 5 5 20

4 30 - 2 3 4 3 4 16

Результаты исследований показали (таблица 3), что в течение первого месяца содержания в летнем лагере у 87% свинок первой группы наступило половое созревания. При этом у 53% животных оно проявлялось в первые 10 суток нахождения свинок в летнем лагере. Из 30 животных третьей (контрольной) группы, содержавшихся на выгульной площадке, эти показатели соответственно составляли 67% и 13%. Отмечено, что у свинок первой группы к моменту их включения в воспроизводительный процесс регистрировалось в среднем 3-5 половых циклов, а у контрольных животных только

2-3 цикла. Из 30 свинок второй опытной группы в течение первого месяца содержания в лагере у 73% была выявлена половая охота. В четвертой (контрольной) группе за этот период половая зрелость наступила только у 53% животных.

В последующем было установлено, что у свинок, содержавшихся в секциях лагеря, где находились устройства для биологической стимуляции, была выше оплодотворяемость (81-83%), чем у животных, содержавшихся в секциях без устройств (58-72%).

Таким образом, содержание ремонтных свинок в летнем лагере разработанной нами конструкции, позволяет сократить период их непроизводительного выращивания и своевре-

Рисунок 3 - Гистологическая структура обонятельной выстилки у ремонтных свинок

а - неповрежденная; б - поврежденная

Рисунок 4 - Фрагмент летнего лагеря

1 - проезд для транспорта; 2 - дезбарьер; 3 - кормушка с бетонированной площадкой; 4 - навес; 5 - Т-образная стойка; 6 - аэрозольный генератор; 7 - радиодинамик; 8 - разбрызгивающее устройство; 9 - ванна для купания; 10 - компрессор; 11 - емкость для воды

менно включать в воспроизводительный процесс.

Подводя итог проведённых исследований, можно сделать заключение, что изучаемые нами вопросы химической коммуникации млекопитающих являются актуальным. Коммуникация животных с помощью зрения и слуха всегда оставалась первостепенной, отодвигая на второй план обоняние - древнейший канал общения животных между собой и окружающим миром. Тем не менее, вопросы феромональной активности у животных всегда интересовали исследователей.

При изучении половых феромонов у самцов разных видов сельскохозяйственных животных нас интересовали не столько поиски самих феромонов, сколько выяснение путей и механизмов их действия на репродуктивную функцию самок. Результаты использования изготовленных нами препаратов натуральных половых феромонов самцов подтвердили их биологическую активность. У самок, подвергавшихся стимуляции препаратами, наступало раньше половое созревание, усиливалась сократительная активность матки, были лучше развиты репродуктивные органы. Поэтому не вызывает сомнений, что разработка новых технологий

получения натуральных феромонов и их синтетических аналогов позволит создать избирательно действующие и экологически чистые средства регуляции репродуктивной функции у сельскохозяйственных животных.

Список использованных источников

1 Karlson P. «Pheromones» a new term for а class of bioloqically active substances / P. Karlson, M. Luscher//Nature. 1959.-V. 1983.-H. 55-56.

2 Киршенблат, Я.Д. Классификация некоторых биологически активных веществ, вырабатываемых животными /Я.Д. Киршенблат // Тр. Ленинградского общества естествоиспытателей, 1957. - Т.73. -С.225-228.

3 Patterson R.L. Identification of а За - hydroxyl - 5а -androst - 16 - en as a musk odour component of boar submaxillary salivary qland and its relationship to sex odour taint in pork meat / R.L. Patterson // J. Sci. Res Aqriculture. 1968. -V.19. -P.434-438.

4 Melrose D.R. Androqen steroids associated with boar odour as an aid to the detection of oestrus in piq artificial insemination / D.R. Melrose, H.C. Reed, R.L.S. Patterson // Brit. Vet. J. 1971. -V. 127. P.497-502.