REZUMAT

Broaștele care se confruntă cu condiții de deshidratare prezintă răspunsuri fiziologice și comportamentale complexe, dintre care unele pot avea impact asupra schimbului cutanat de gaze, o componentă importantă a schimbului total de gaze. Am măsurat efectul deshidratării asupra schimbului de gaze cutanate în broaștele de lemn Bufo de broască adaptate xeric. În primul rând, doi agenți farmacologici au fost folosiți pentru a stimula fluxul sanguin cutanat - fentolamina (un α-blocant) și izoproterenolul, un stimulat beta și un puternic cardio-accelerator - pentru a determina relația dintre fluxul sanguin cutanat și pierderea de apă. Ambele medicamente au crescut ritmul cardiac și tensiunea arterială și au provocat vasodilatație evidentă vizuală a pielii. Broaștele netratate într-un flux de aer uscat au durat în medie 10,1 ± 0,7 h pentru a se deshidrata până la 80% din masa corporală, în timp ce animalele tratate cu izoproterenol și fentolamină au necesitat doar 7,2 ± 0,8 h și respectiv 7,4 ± 0,9 h. Rehidratarea, care a fost mai rapidă decât deshidratarea, a fost accelerată în mod similar la broaștele tratate farmacologic.

dintre

Introducere

În ciuda rolului incert al perfuziei de sânge în reglarea pierderilor de apă pe pielea amfibiană terestră, este la fel de bine apreciat faptul că perfuzia cutanată la amfibieni, în special a plasturelui ventral, se află sub un control hormonal și neuronal rafinat și că fluxul sanguin al pielii în amfibienii terestri poate arăta game enorme (de ex. Burggren și Moali, 1984; West și Van Vliet, 1992; Malvin, 1993; Rea și Parsons, 2001; Viborg și Rosenkilde, 2004; Viborg și Hillyard, 2004). Se presupune că astfel de modificări ale perfuziei pielii reglează absorbția apei din mediu pe piele (în special plasturele ventral), mai degrabă decât limitează pierderea de apă. Cu toate acestea, un studiu recent realizat de Viborg și Hillyard (2004) nu arată nicio relație între fluxul sanguin cutanat și absorbția apei în broaștele bufonide și nici acești cercetători nu ar putea găsi un efect asupra fluxului sanguin produs de Angiotensin II (A II), spre deosebire de studiile anterioare. de Parsons și Schwartz (1991), Parsons și colab. (1993) și Slivkoff și Warburton (2001).

Investigația fluxurilor de apă transcutanate în broaște este complicată și mai mult de caracteristicile morfologice și anatomice ale pielii, cea mai mare parte a suprafeței pielii de pe suprafețele dorsale și laterale răspunzând destul de diferit de „plasturele scaunului” ventral (vezi Viborg și Hillyard 2004). Mai mult, modificările comportamentale pot reduce suprafața „funcțională” a pielii, în special a suprafeței ventrale. Astfel de schimbări sunt cu siguranță o parte importantă a pachetului de răspunsuri ale amfibienilor terestri care vizează conservarea apei corpului (vezi Hillyard și colab., 1998; Viborg și Rosenkilde, 2001).

În acest context de constatări complexe, interdependente și uneori contradictorii, este probabil puțin surprinzător faptul că puține studii au examinat concomitent atât schimbul de gaze cutanate, cât și pierderea și absorbția cutanată a apei, la broaștele terestre. În consecință, am folosit instrumente farmacologice pentru a testa relațiile dintre schimbul de gaze cutanate, pierderea apei corporale, performanțele cardiovasculare și perfuzia cutanată în casele de lemn Bufo, un anuran terestru care este larg distribuit în America de Nord, inclusiv condițiile aride ale deșertului Mojave din sud-vestul Regatului Unit. State. Mai exact, testăm ipoteza că deshidratarea determină răspunsuri fiziologice și/sau comportamentale care compromit schimbul de gaze cutanate.

Materiale și metode

Broaștele (Bufo woodhousei Girard 1854) au fost colectate de la Flamingo Wash din Las Vegas, Nevada în primăvara 1991 și 1992. Masa corporală medie (± s. D.) Din cele 23 de broaște utilizate în acest studiu a fost de 48,2 ± 20,85 g . Animalele au fost adăpostite la 25 ° C într-un acvariu mare de sticlă, cu acces gratuit la apă și substrat nisipos. Toate experimentele au fost efectuate la 23-25 ​​° C.

Toate măsurătorile descrise mai jos au fost efectuate pe broaște neperturbate manipulate cu grijă pentru a preveni aerisirea vezicii urinare, permițându-le astfel în mod voluntar să transporte un volum nedeterminat de apă a vezicii urinare în funcție de starea lor fiziologică și comportamentală.

Debitul sanguin și pierderea apei

Broaștele au fost anesteziate (0,5% MS 222 tamponat la pH 7,6; Sigma Co., St Louis, MO, SUA) și apoi implantate cronic cu un cateter de arteră sciatică, prin care tensiunea arterială putea fi monitorizată și medicamentele injectate după recuperarea după operație și anestezie.

În prima zi a fost efectuată o deshidratare în condiții de control pentru fiecare broască. Pentru a imita creșterea mică a volumului de sânge cauzată de injecțiile medicamentoase în timpul perioadelor de deshidratare ulterioare, testul de control a fost efectuat după injectarea unui volum de 200 μl de soluție salină injectată sub formă de fals. După o perioadă de recuperare de 24 de ore în condiții de hidratare, experimentul a fost repetat în a doua zi folosind stimulente farmacologice ale fluxului sanguin cutanat. Fiecărui broască i s-a administrat o doză intra-arterială de fentolamină (5 mg kg -1; Sigma), un α-blocant puternic care duce la vasodilatație, iar întregul experiment s-a repetat ca pentru testul de control. În a treia zi, fiecărui broască i s-a administrat o doză intra-arterială de izoproterenol (2 mg kg -1; Sigma), un puternic β-stimulant cardiac, iar întregul experiment s-a repetat a treia oară. Ambele medicamente au fost injectate într-un volum purtător de 200 μl de soluție salină care, la fel ca injecția de soluție salină de control, ar avea un efect negativ asupra volumului de sânge în timpul experimentului.

Tensiunea arterială și frecvența cardiacă au fost măsurate la 1, 3 și 5 ore după injectarea de soluție salină, fentolamină sau izoproterenol. Experimentele preliminare au indicat că efectele cardiovasculare ale ambelor medicamente au fost în vigoare timp de aproximativ 16-18 ore, diminuând rapid după aceea până la revenirea la valorile de control în termen de 24 de ore de la tratament.

Eliminarea cutanată a dioxidului de carbon și capacitatea de difuzare a monoxidului de carbon

O mască de față pentru fiecare broască a fost construită prin metoda Glass și colab. (1978). Broaștele au fost anesteziate (0,5% MS222) înainte de a face impresia de tencuială a capului lor. Animalelor li s-a permis să se recupereze din anestezie timp de câteva zile, timp în care au avut acces gratuit la apă.

Determinări ale gazelor sanguine

Un grup separat de șase broaște au fost anesteziate și artera lor sciatică canulată ocluziv cu tuburi PE 50 umplute cu soluție salină heparinizată. După o perioadă de recuperare de 24 de ore în condiții de hidratare, o probă de sânge de 300 μl a fost apoi extrasă de la fiecare animal. PaO2 și PaCO2 arteriale au fost măsurate cu o celulă de sânge Cameron echipată cu electrozi CO2 și O2 (Microelectrozi; Bedford, NH, SUA) a căror intrare a fost afișată pe un Radiometru PHM 73 metru (Radiometru, Copenhaga, Danemarca). Electrozii au fost calibrați cu amestecuri de gaz de precizie. De asemenea, s-a determinat hematocritul. Broaștele au fost apoi deshidratate la 75% din greutatea corporală și s-au repetat măsurătorile gazelor din sânge și ale hematocritului.

Analiza datelor

Datele privind schimbul cardiovascular și de gaze au fost testate pentru efectele tratamentului cu un ANOVA urmat de teste t asociate (fiecare animal a servit drept propriul control). Nivelul de semnificație ales a fost P s. d .

Rezultate

Efectele generale ale deshidratării

Deshidratarea către 75-80% din controlul greutății corporale a determinat un nivel ridicat de activitate în casele de lemn Bufo. Aceste activități au continuat până când broaștele s-au apropiat de deshidratare la 80% din masa corpului de control, după care activitatea a scăzut și broaștele au adoptat o postură care a minimizat suprafața expusă.

Deshidratarea, fluxul sanguin cutanat și pierderea apei din corp

Isoproterenolul și fentolamina au produs fiecare o creștere importantă și semnificativă a ritmului cardiac, izoproterenolul având cel mai mare efect asupra ambilor parametri (Fig. 1A). Presiunea arterială a fost ușor urmată de blocarea α-adrenergică cu fentolamina, în timp ce o creștere a tensiunii arteriale a fost însoțită de tratament cu izoproterenol (Fig. 1B). Creșterea combinată a ritmului cardiac și a tensiunii arteriale sistolice și diastolice, fără scăderea presiunii pulsului, sugerează puternic o creștere a fluxului sanguin din izoproterenol, așa cum s-ar prezice din acțiunile cunoscute ale acestui medicament. Creșterea ritmului cardiac și scăderea tensiunii arteriale cauzate de fentolamină este probabil o consecință a vasodilatației periferice care duce la creșterea fluxului sanguin, mai degrabă decât la ajustări cardiovasculare centrale. Foarte important, pielea broaștei după fiecare tratament medicamentos a arătat roșeața foarte evidentă așteptată de la recrutarea capilară cutanată, în special în zona plasturii pelvini. Astfel, deși nu am putut măsura fluxul sanguin cutanat în mod direct, efectele cardiovasculare observate sugerează colectiv o creștere mare a fluxului sanguin cutanat.

Efectele injecției cu soluție salină, izoproterenol (5 mg kg -1) și fentolamină (2 mg kg -1) asupra ritmului cardiac (A) și a tensiunii arteriale sistolice și diastolice (B) în pădurile de bufnițe de la bufetul Bufo. Valorile pentru fiecare broască de la ora 1, 3 și 5 după injectare au fost calculate într-un singur punct de date pentru fiecare afecțiune, care au fost apoi mediate și reprezentate grafic ca media ± 1 s. d. (N = 5 broaște).

Broaștele martor (tratate cu soluție salină) plasate în condiții de deshidratare au necesitat o medie de 10,1 ± 0,7 ore pentru a se deshidrata până la 80% din masa corporală, echivalentă cu o rată de deshidratare de 1,98% din masa corporală h -1. Broaștele tratate cu izoproterenol și fentolamină au necesitat valori medii de numai 7,2 ± 0,8 h și respectiv 7,4 ± 0,9 ore, reflectând o rată de deshidratare cu aproximativ 40% mai rapidă decât la broaștele martor (Tabelul 1). FIG. 2 prezintă evoluția timpului de rehidratare și deshidratare în fiecare dintre condiții. Rețineți că, comparativ cu broaștele martor, cursul de timp al rehidratării a fost, de asemenea, mai rapid la broaștele tratate cu fentolamină și, într-o măsură mai mică, la broaștele tratate cu izoproterenol.

Ratele de deshidratare și rehidratare la broaștele tratate cu izoproterenol și fentolamină *

Evoluția în timp a ratelor de deshidratare și rehidratare în broaștele martor (case de lemn Bufo) și cele tratate cu izoproterenol sau fentolamină. Înseamnă ± 1 s. d. sunt complotate. Rețineți diferența de timp între cele două parcele, care relevă o rată de rehidratare mult mai mare decât deshidratarea (vezi și Tabelul 1). N = 11 broaște pentru fiecare dintre cele trei tratamente.

Efectele deshidratării asupra schimbului și difuziei gazelor

După o pierdere forțată de 20-25% a apei din corp, deshidratarea a fost însoțită de o scădere cu 42% a DSkinC 18 O de la 0,49 ± 0,03 μmol g masa corporală -1 h -1 kPa în broaștele complet hidratate până la 0,28 ± 0,09 μmol g - 1 h -1 kPa în broaștele deshidratate (Tabelul 2). Ipoteza noastră ar prezice astfel o scădere concomitentă a schimbului cutanat de gaze. Cu toate acestea, nu au existat diferențe semnificative (P> 0,05) față de valorile de schimb cutanat de gaze măsurate în broaște de broască complet hidratate, cu ṀO2 rămânând la aproximativ 1,4 μmol g -1 h -1, ṀCO2 rămânând la aproximativ 1,7 μmol g -1 h - 1 și R rămânând între 1.1-1.4 (Tabelul 2).

Viteza de schimb cutanată a gazelor în broaștele hidratate și deshidratate *

Deshidratare și sânge și gaze din sânge

Deshidratarea a produs o creștere semnificativă a hematocritului cu aproape 25% (Tabelul 3), probabil din cauza scăderii volumului de sânge din pierderea plasmatică din cauza deshidratării. PaCO2 a fost de 0,97 kPa la broaștele hidratate, crescând semnificativ (P 0,05) după hidratare.

Niveluri de hematocrit și presiuni parțiale arteriale de CO2 și O2, în broaștele hidratate și deshidratate *

Discuţie

Rol posibil de activitate și postură, în timpul rehidratării și deshidratării

Răspunsurile la deshidratare de către casele de lemn Bufo includ ajustări comportamentale și fiziologice importante. Creșterea activității locomotorii afișate de broaște în primele faze ale deshidratării este probabil un comportament de căutare a apei asociat cu stresul deshidratării, după cum au discutat numeroși autori (Heatwole și Newby, 1972; Putnam și Hillman, 1977; Brekke și colab. ., 1991; Jorgensen, 1994; Propper și Johnson, 1994; Hillyard și colab., 1998; Viborg și Rosenkilde, 2001; Dohm și colab., 2001). Pe măsură ce deshidratarea se apropie de 20-25% din greutatea corporală hidratată, sunt adoptate ajustări posturale pentru a reduce pierderile de apă prin evaporare prin reducerea suprafeței expuse. Nu am cuantificat activitatea în prezentele experimente. Cu toate acestea, este foarte posibil ca diferențele induse farmacologic în ratele de deshidratare pe care le-am măsurat să fi rezultat nu numai dintr-o combinație de efecte farmacologice asupra fluxului sanguin cutanat și/sau permeabilității pielii), ci și din diferențele comportamentale care duc la rate diferențiale ale pierderii de apă . Investigarea efectelor comportamentale ale acestor agenți farmacologici ar fi o urmărire interesantă a experimentelor actuale.

Mecanisme pentru modificarea permeabilității gazelor cutanate

Colectiv, datele noastre implică modificări reglementate ale fluxului sanguin cutanat cu dehirare/hidratare în broaște. Concluzionăm că o scădere a fluxului de sânge capilar, probabil combinată cu decrutarea capilară contribuie, dacă nu chiar, la scăderea observată a DSkinC 18 O în timpul deshidratării în pădurile Bufo. Astfel de scăderi ale fluxului sanguin cutanat reduc suprafața „funcțională” sau „fiziologică” a pielii - nu numai pentru schimbul de apă, ci și pentru schimbul de gaze (vezi Burggren și Moalli, 1984; Malvin, 1988).

Este important de indicat faptul că, deși apare o legătură între fluxul sanguin cutanat și schimbul de gaze cutanate, legătura dintre fluxul sanguin cutanat și fluxul de apă transcutanat rămâne ambiguă. Măsurătorile recente ale fluxului sanguin cutanat în Bufo alvarius și Bufo marinus de Viborg și Hillyard (2004) nu relevă nicio corelație semnificativă între fluxul sanguin ventral al pielii și absorbția cutanată a apei. Viborg și Rosenkilde (2004) au demonstrat că, în timpul rehidratării la broaște, arginina vasotocină (AVT) stimulează un flux de apă în interiorul pielii care este independent de modificările fluxului sanguin al pielii. Recent Hasegawa și colab. (2003) acvaporine localizate în întreaga membrană plasmatică a celulelor granulare de sub stratul cel mai exterior al pielii în peticul pelvin al broaștei Hyla japonica. Aceste acvaporine au fost suprareglate ca răspuns la vasotocină, sugerând un mecanism independent de fluxul sanguin care ar putea explica controlul endocrin puternic al permeabilității apei în locuri importante pentru fluxul de apă la amfibieni. În mod clar, sunt necesare experimente suplimentare pentru a examina interacțiunile potențiale antagoniste și sinergice dintre fluxul sanguin cutanat și modificările induse hormonal ale permeabilității pielii.

Rehidratarea și fluxul sanguin cutanat

Implicații respiratorii ale permeabilității cutanate reduse a gazelor

O reducere a permeabilității la apă a pielii care însoțește o reducere a permeabilității pielii la gaze ar permite unui anuran precum Bufo woodhousei, a cărui rază de acțiune se extinde în habitate uscate relativ (xerice), să petreacă mai mult timp hrănind departe de apă. Prin reducerea permeabilității apei pielii și a ratelor de pierdere a apei, apa din corp poate fi conservată și deshidratarea încetinită atunci când disponibilitatea apei este redusă. Cu toate acestea, permeabilitatea redusă a pielii afectează și schimbul de gaze cutanate, o cale principală în amfibieni pentru absorbția oxigenului și eliminarea dioxidului de carbon (pentru recenzii, a se vedea Feder și Burggren, 1985, 1992).

De ce eliminarea dioxidului de carbon și absorbția oxigenului pe piele nu scad la fel de precipitat la broaștele deshidratate? Creșterea dramatică a PaCO2 după deshidratare cu 20% oferă un gradient substanțial crescut pentru schimbul de gaze pe piele. Deoarece schimbul cutanat de gaze este privit în mod tradițional ca având o limitare mare de difuzie (vezi Feder și Burggren, 1985; Piiper, 1988), o creștere mare a gradientului PCO2 pe piele ar putea compensa cu ușurință scăderea documentată a capacității de difuzie a gazului pielii. În plus, creșterea măsurată a PaCO2 din sânge în timpul deshidratării ar fi putut stimula ventilația pulmonară (vezi Smatresk și Smits, 1991; Branco și colab., 1993; Wang și colab., 2004). În timp ce doar aproximativ 1/3 din eliminarea CO2 are loc în mod normal prin plămâni în bufonide, gradientul de presiune parțială a CO2 îmbunătățit pe membranele pulmonare în condiții de deshidratare ar acționa probabil în concordanță cu gradientul PCO2 îmbunătățit de pe piele, ambele fenomene asigurând CO2 continuu eliminare, în ciuda reducerii permeabilității pielii la acest gaz.

În cele din urmă, nu am măsurat volumul de apă al vezicii urinare și nici nu am interferat cu reținerea acesteia, deoarece unul dintre obiectivele noastre a fost de a examina efectele medicamentelor adrenergice asupra ritmului cardiac și a fluxului sanguin independent de orice apărare fiziologică sau comportamentală împotriva deshidratării care ar putea fi montată. Cu toate acestea, similitudinea aparentă a creșterii proporționale a hematocritului și a scăderii proporționale a apei corpului în timpul deshidratării sugerează că aceste broaște fie nu foloseau apă retrasă a vezicii urinare pentru a apăra dehirarea țesuturilor corporale, fie o astfel de utilizare a apei vezicale a fost ineficientă.

Concluzii

Bufo woodhousei reduce capacitatea de difuzie a gazelor pe piele în timpul deshidratării. Deși mecanismul este incert, există o reducere legată de pierderea de apă transcutanată care se corelează cu o reducere a fluxului sanguin al pielii. Conflictul fiziologic dintre necesitatea continuării schimbului cutanat de gaze în timp ce scade potențial pierderile de apă prin evaporarea redusă a debitului cutanat în Bufo woodhousei pare a fi eludat de creșteri compensatorii ale gradienților schimbului de gaze și, eventual, de modificări fortuite ale hematocritului. Atâta timp cât casele de lemn Bufo pot tolera implicațiile acid-bazice și alte implicații ale unui PCO2 sanguin și tisular considerabil crescut, atunci poate realiza simultan atât pierderi reduse de apă, cât și menținerea eliminării CO2 pe piele în timpul condițiilor de deshidratare. O astfel de eludare a conflictelor fiziologice percepute poate fi de fapt mai frecventă decât se presupunea anterior, dar necesită experimente cu mai multe fațete, care sunt concepute special pentru a testa astfel de ipoteze.