学习笔记 | 高原哺乳动物对低氧环境的适应

摘要

我国的青藏高原被誉为世界屋脊,是平均海拔最高的区域,该区域的环境具有低氧、高寒等特征,生活在此的高原鼠兔、藏野驴等动物通过不同的途径适应了此类环境,如肺部结构的变化,基因表达的改变等。本文综述了高原哺乳动物对低氧环境适应策略的相关研究。

引言

青藏高原是全球海拔最高的区域,位于我国西南部,亚洲中心区域,被称为世界屋脊。青藏高原的平均海拔可以达到4000米以上,具有明显的低氧、低压、高寒的环境特征,平均氧含量不超过平原区域的60%[1]

青藏高原全年少云,日照时间长,由于大气层的保温作用弱,因此昼夜温差大,而年变化小,全年平均气温在3~4℃[2]。高原区域的降水分布不均匀,但是由于高山融雪的存在,导致诸多河流,如雅鲁藏布江、长江、黄河、澜沧江等均发源于或流经该区域,因此丰富的水源与阳光使得青藏高原的物种多样性也极其丰富,其中鸟类有678种,超过了全国鸟类种数的50%,哺乳类也有206种,占全国物种数目的41.3%。[3]

高原环境中,对动物考验最大的因素之一是低氧。氧气是需氧生物生长、繁殖和代谢必不可少的因素,受到温度、海拔等其他因素的影响。绝大多数动物在很大程度上无法耐受缺氧环境,缺氧会导致生物体内的活性氧(reactive oxygen species,ROS)增加,进而引发氧化应激(Oxidative Stress)[4, 5]。一般情况下,生物体内的抗氧化系统可以减弱这一不利影响,并通过无氧呼吸或者代谢率下降等途径维持能量的供应[6, 7, 8]

本文将从组织器官的形态结构、血液的生理生化指标和分子遗传机制三个不同的方面,介绍高原动物适应缺氧环境的策略。

高原小型哺乳动物适应缺氧的策略

青海田鼠

青海田鼠(Neodon fuscus)是一种分布在青海省海拔3700-4800米的高山草甸、半沙漠草原等区域的特有种。青海田鼠体内编码血红蛋白的Hbɑ和Hbβ基因具有明显上调迹象,这有利于提高其运输氧气的能力,从而增加骨骼肌的氧气供应,这一机制在棕色田鼠(Lasiopodomys mandarinus)上也有过发现,这表明Hbɑ和Hbβ基因的改变可能是耐受缺氧物种适应环境的常见策略之一。[9]

除此之外,参与催化血红素合成初始阶段的δ-氨基-γ-酮戊酸合成酶2(Alas2)和促进铁离子转化的Picalm(Phosphatidylinositol binding clathrin assembly protein)蛋白在青海田鼠的骨骼肌中也有明显上调,这有利于生物体内血红素和血红蛋白的合成。[9]

不过血红蛋白的增加也会提高血栓形成的风险,而缺氧引起的纤维蛋白的沉淀也会加剧这一风险,研究发现青海田鼠体内负责编码纤维蛋白原的FGA与FGB有下调,能够降低血栓形成的风险,但同时也降低了伤口的修复能力。[10, 11, 12]

高原鼠兔

高原鼠兔(Ochotona curzoniae),是青藏高原的特有种,生活在海拔3000-5000米的高山草甸地区,是高原地区生态系统的重要组成部分。高原鼠兔是一种高度耐受缺氧环境的哺乳动物,有一系列适应性改变。高原鼠兔的单个肺泡面积小,而单位面积内的肺泡数增多,这其实增大了单位体重的肺泡表面积,另外更高的毛细血管密度也能够帮助高原鼠兔充分进行氧气的交换。[13]

与肺泡类似,高原鼠兔的平均红细胞体积相对较小,而红细胞计数变多,增大了红细胞的表面积,利于氧气的交换。另外高原鼠兔血红蛋白对氧气的亲和力明显增强,可以在低氧环境中保证较高的血氧饱和度,并在组织中充分释放氧,提高血氧利用率。这一途径在南美安第斯山驼类、巴勒斯坦鼹形鼠等高原物种上也有发现。[14]

除此之外,高原鼠兔通过更大的心脏、更小的心室隔膜质量来加强心肺功能,通过增大细胞线粒体密度和组织肌红蛋白浓度提高氧气的利用率,通过增加骨骼肌中的无氧糖酵解和肝脏中的糖异生来减少对氧气的依赖。[15, 16, 17, 18, 19]

高原大型哺乳动物适应缺氧的策略

藏猪

藏猪(Sus scrofa)在青藏高原地区的不同海拔区域(3000米的高山区,2000-3000米的半山区,2000米以下的河谷区)均有分布。藏猪的心、肺和血液为了适应缺氧的恶劣环境,均发生了较大的改变。

相较于低海拔猪,藏猪具有较厚的鼻黏膜,气管以及支气管的纤毛排列紧密,肺部的毛细血管密度高。另外,藏猪的心脏壁、膜厚度增大,心肌纤维粗大,肌间血管丰富,增强了心肺功能。藏猪的血液中,白细胞、红细胞和血小板单位面积计数增大,平均红细胞血红蛋白含量和红细胞浓度变高,血液中的γ-谷氨酰基转移酶、血糖和肌苷等生化指标也显著高于低海拔猪。[20, 21, 22]

藏野驴

藏野驴是体型最大的野驴,分布在青藏高原的高寒荒漠地区。针对藏野驴的粪便进行肠道微生物群的分析,研究人员在13个个体的粪便样本中发生了25个门的原核生物,其中占比超过5%的原核生物门有:拟杆菌门(44.92±6.32%)、厚壁菌门(33.57±5.80%)和螺旋菌门(8.45±2.58%)、纤维杆菌门(8.33±5.90%)。这一菌群结构与其他高原动物肠道微生物的研究结果高度相似。[23]

由于高原环境恶劣,氧气含量低,食物匮乏,所以高原动物需要通过低氧的方式尽可能从食物中获取能量。占比最高的两个门类中,拟杆菌可以产生丁酸盐,而这一类物质在以往的研究中发现具有抗肿瘤特性,在维持肠道健康方面发挥了一定的作用[24]。厚壁菌是许多动物肠道和瘤胃中的优势细菌,曾被发现与肥胖有关[25]。因此有研究猜测,高海拔地区的动物通过改变肠道菌群结构,使用一种更有效的方式来消化纤维素和半纤维素,转化短链脂肪酸以适应高寒、低氧和低能量的饮食结构[23]

藏人

藏族人是最适应高海拔缺氧环境的人群,相较于低海拔人群有更好的氧气运输和氧气运输能力,线粒体在其中扮演了重要角色。

线粒体是一种半自主的细胞器,受到线粒体与细胞核内DNA的共同调控。线粒体DNA(mtDNA)由环状双链DNA组成,分为编码区和非编码区,其中编码区有13个编码氧化磷酸化(OXPHOS)相关蛋白的基因、2个rRNA(12S和16S)以及22个tRNA。[26, 27]

研究发现,藏族人的胎盘线粒体呼吸控制率和OXPHOS比率等指标显著高于低海拔地区的移民。mtDNA中的部分变体在低海拔人群中很少见,而在藏族大约25%的人群中发现了这一变体,而且比例随着海拔升高而增大,被认为可以帮助藏族人适应高原低氧环境。[28]

总结

本文通过综述高原哺乳动物对低氧环境适应性的研究,从分子遗传、血液的生理生化指标和组织器官三个层次介绍了高原动物适应低氧环境的策略。

为了适应低氧环境,高原哺乳动物的基因发生了部分改变,而这些改变有提高线粒体使用能量的效率、增强血红蛋白对氧气的亲和性、增大红细胞的表面积和增强组织细胞对血氧的输送与利用能力等作用。在宏观层面,高原哺乳动物的心、肺也与低海拔物种有明显差异,普遍有肺泡大小缩小、密度变大,而毛细血管增粗等特点,以此来提高摄氧能力,在高原缺氧的环境下加强呼吸机能。

参考资料

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