Воспроизводство крупного рогатого скота

Глава 3

Терморегуляция семенников

John P. Kastelic

Кафедра здоровья сельскохозяйственных животных, факультет ветеринарной медицины, Университет Калгари, Калгари, Альберта, Канада

Введение

Поскольку один бык может оплодотворить от 20 самок при естественной случке до тысяч самок при искусственном осеменении, плодовитость быков имеет исключительно важное значение. Хотя стерильные быки (полностью неспособные к размножению) встречаются редко, плодовитость быков может варьировать в широких пределах, особенно при отсутствии отбора по этому признаку.¹Хорошо известно, что для образования способных к оплодотворению сперматозоидов температура семенников быка должна быть на 2–6 °C ниже внутренней температуры тела; следовательно, повышение температуры семенников независимо от причины ухудшает качество спермы.²Хотя первопричина бесплодия быков часто остаётся неизвестной, я предполагаю, что во многих случаях ею является повышенная температура семенников.

Анатомия и физиология

Регуляция температуры семенников зависит от нескольких анатомических особенностей. Кожа мошонки обычно тонкая, с редким волосяным покровом и густой сетью подкожных сосудов, что способствует потере тепла путём излучения.³Шейка мошонки — самая тёплая её часть; длинная, хорошо выраженная шейка (и отвислая мошонка) способствует снижению температуры семенников, увеличивая площадь теплоотдачи путём излучения и позволяя семенникам находиться дальше от тела. Мясистая оболочка мошонки — тонкий слой гладких мышц под её кожей — находится под контролем симпатической нервной системы и соответственно сокращается на холоде и расслабляется в тепле.⁴Мышца, поднимающая семенник, также сокращается при низкой температуре окружающей среды, подтягивая семенники ближе к телу.⁴Дорсальнее семенника расположен сосудистый конус семенника,⁵состоящий из сильно извитой яичковой артерии, окружённой лозовидным сплетением — сложной венозной сетью. Сосудистый конус семенника действует как классический противоточный теплообменник, передавая тепло от артерии к вене и тем самым способствуя охлаждению семенника. Описаны особенности температуры поверхности мошонки и сосудистого конуса семенника у быков в возрасте 0.5–3 лет.⁶В недавнем исследовании на быках⁷было установлено, что диаметр сосудистого конуса семенника увеличивался с возрастом; кроме того, больший диаметр конуса и меньшее расстояние между артериальной и венозной кровью в нём были связаны с

большей долей нормальных сперматозоидов и меньшим числом сперматозоидов с дефектами.⁷В сравнительном исследовании качества спермы и терморегуляции мошонки и семенников у быков Bos indicus , Bos taurus, а также B. indicus / B. taurus — помесей этих видов — между тремя генотипами были выявлены значительные различия в расположении сосудов, характеристиках яичковой артерии (например, толщине её стенки) (e.g.) и толщине белочной оболочки; в целом у быков B. indicus способность к терморегуляции была наилучшей, а у быков B. taurus — наихудшей; помесные быки занимали промежуточное положение.⁸

Потоотделение и реакции всего организма также способствуют охлаждению семенников. У быков плотность потовых желёз наиболее высока в коже мошонки.⁹У баранов апокринные потовые железы мошонки выделяют секрет одновременно (до 10 раз в час), когда температура поверхности мошонки составляет около 35.5 °C.¹⁰У этих животных частота дыхания возрастает по мере повышения температуры поверхности мошонки и достигает 200 дыхательных движений в минуту при температуре поверхности мошонки 38–40 °C.¹¹

Поверхностная и внутренняя температура

У быков мясных пород средние значения температуры в верхней, средней и нижней частях составляли соответственно 30.4, 29.8 и 28.8 °C (на поверхности мошонки); 33.3, 33.0 и 32.9 °C (в подкожной ткани мошонки); 34.3, 34.3 и 34.5 °C (внутри семенника).¹²Таким образом, разница температур между верхней и нижней частями (температурный градиент) составляла соответственно 1.6, 0.4 и –0.2 °C для поверхности мошонки, её подкожной ткани и ткани семенника. В направлении сверху вниз мошонка становится холоднее, тогда как семенник (независимо от мошонки) — теплее. Эти температурные градиенты согласуются с особенностями кровоснабжения: мошонка снабжается кровью сверху вниз, а семенник — преимущественно снизу вверх. Яичковая артерия выходит из нижней части сосудистого конуса семенника, проходит вдоль семенника (под телом придатка) и у его нижнего конца разветвляется на множество ветвей, которые распространяются вверх и в стороны по поверхности семенника, прежде чем войти в его паренхиму.¹³Температура крови в яичковой артерии у верхнего и нижнего концов семенника была сходной, но в месте её входа в

паренхиму семенника была значительно ниже (температура внутри артерии в этих точках составляла соответственно 34.3, 33.4 и 31.7 °C¹⁴). Таким образом, и мошонка, и семенник наиболее тёплые в месте начала их кровоснабжения (верхняя часть мошонки и нижняя часть семенника), но по мере удаления от этого места становятся холоднее (то есть нижняя часть мошонки и верхняя часть семенника). Примечательно, что эти противоположно направленные температурные градиенты в совокупности обеспечивают почти однородную температуру внутри семенника in situ .¹⁵

У быков мясных пород внутренняя температура головки, тела и хвоста придатка семенника составляла в среднем 35.6, 34.6 и 33.1 °C (градиент — 2.5 °C).¹²То, что головка придатка была теплее паренхимы верхней части семенника, объясняли её близостью к сосудистому конусу семенника. Примечательно также, что хвост придатка, играющий важнейшую роль в хранении и созревании сперматозоидов, был холоднее паренхимы семенника.

Хорошо известно, что качество спермы у быков, получавших после отъёма рацион с умеренной энергетической ценностью, выше, чем у быков, получавших высокоэнергетический рацион. В одном исследовании у быков мясных пород, получавших после отъёма в течение 168 дней рацион с умеренной, а не высокой энергетической ценностью, градиент температуры поверхности мошонки был больше (3.9 против 3.4 °C, P < 0.02), доля морфологически нормальных сперматозоидов была выше (68.8% против 62.5%, P < 0.01), как и доля сперматозоидов с поступательной подвижностью (53.4% против 44.5%, P < 0.006).¹⁶Возможно, повышение энергетической ценности рациона уменьшало теплоотдачу, тем самым повышая температуру семенников и мошонки.

Источники тепла в семенниках

У восьми быков ангусской породы измеряли кровоток в семенниках и потребление ими кислорода, чтобы определить относительную роль кровотока и обмена веществ как источников тепла в семенниках.¹⁷Кровоток в яичковой артерии составлял в среднем 12.4 mL/мин. Артериальная кровь была теплее (39.2 против 36.9 °C, P < 0.001), а насыщение гемоглобина кислородом в ней было выше, чем в крови яичковой вены (95.3 против 42.0%, P < 0.001). На основании величины кровотока и насыщения гемоглобина кислородом было рассчитано, что кислород, потребляемый одним семенником (1.2 mL/мин), обеспечивает образование 5.8 калорий тепла в минуту, тогда как на долю кровотока приходится 28.3 калорий в минуту. Следовательно, основной источник тепла в семеннике — кровоток, а не обмен веществ.

В семеннике обычно поддерживается состояние, близкое к гипоксии.⁴Повышение температуры усиливает обмен веществ, одновременно увеличивая потребность в кислороде для поддержания аэробного метаболизма. Однако у баранов,⁴кровоток мало изменяется в ответ на повышение температуры семенников, вследствие чего в них развивается гипоксия. Повысить насыщение крови кислородом практически невозможно, поскольку в нормальных условиях кровь почти полностью насыщена им. Хотя усиление кровотока увеличило бы доставку кислорода, оно также принесло бы в семенники значительное дополнительное количество тепла. Поэтому наиболее целесообразной реакцией на повышение температуры семенников, по-видимому, было бы усиление теплоотдачи мошонки.

Патогенез изменений морфологии сперматозоидов, вызванных перегревом

В физиологических условиях семенник работает на грани гипоксии,¹⁸тогда как при повышении температуры мошонки и семенников обмен веществ и потребление кислорода

возрастают, но приток крови к семеннику остаётся неизменным, что приводит к выраженной гипоксии.¹⁹Чтобы определить относительный вклад гипертермии и гипоксии в вызванные перегревом изменения морфологии сперматозоидов, мышей содержали при температуре окружающей среды 20 и 36 °C и одновременно подвергали воздействию повышенной концентрации кислорода, чтобы предотвратить гипоксию, вызываемую повышением температуры семенников.²⁰Гипероксия, которая, как известно, повышает насыщение семенников кислородом, не предотвратила вызванного гипертермией ухудшения качества спермы. Кроме того, поскольку при 20 °C характеристики сперматозоидов у мышей, находившихся в условиях гипоксии, существенно не отличались от таковых у мышей в условиях нормоксии или гипероксии, можно было заключить, что повышение температуры семенников влияло на качество спермы вследствие самой гипертермии, а не гипоксии.²⁰Аналогичные результаты были получены при теплоизоляции мошонки у баранов (Kastelic и соавт., неопубликованные данные). Хотя для подтверждения этих результатов необходимы дальнейшие исследования, они ставят под сомнение давно устоявшееся представление о том, что повышение температуры семенников влияет на морфологию сперматозоидов вследствие гипоксии.

Оценка температуры поверхности мошонки методом инфракрасной термографии

Инфракрасные термограммы мошонки быков с предположительно нормальной терморегуляцией мошонки были симметричными справа и слева, причём температура в верхней части была на 4–6 °C выше, чем в нижней.^21,22Менее упорядоченное распределение температуры, в том числе отсутствие симметрии по горизонтали и наличие участков с повышенной температурой поверхности мошонки, расценивали как признак нарушения терморегуляции семенников или придатков семенников. Почти у всех быков с отклонениями на термограмме качество спермы было снижено;^21,22и наоборот, отклонения на термограмме выявлялись не у каждого быка с низким качеством спермы. Таким образом, инфракрасная термография полезна при оценке племенной пригодности быков, хотя она не заменяет получение и исследование спермы. В одном исследовании 30 годовалых бычков мясных пород, каждый из которых был признан пригодным к воспроизводству по результатам стандартного обследования, предоставили по отдельности для спаривания примерно с 18 тёлками на 45 дней.²³Показатели стельности через 80 дней после окончания случного сезона были сходными (83 против 85%) у тёлок, спаривавшихся с быками с нормальным или сомнительным распределением температуры поверхности мошонки соответственно, но были выше (P < 0.01), чем у тёлок, спаривавшихся с быками с аномальным распределением температуры поверхности мошонки (68%).

Последствия повышения температуры семенников

Повышение температуры окружающей среды

Влияние повышенной температуры окружающей среды на качество спермы широко описано. В одном исследовании температура окружающей среды 40 °C при относительной влажности 35–45% в течение 12 часов приводила к снижению качества спермы.²⁴Кроме того, быки Bos taurus более восприимчивы к высоким температурам окружающей среды, чем быки Bos indicus.²⁴При воздействии высоких температур окружающей среды качество спермы у быков-помесей (Bos indicus × Bos taurus) снижалось в меньшей степени и позднее, а восстанавливалось быстрее, чем у чистопородных быков Bos taurus.²⁵

Теплоизоляция мошонки как модель повышения температуры семенников

Для повышения температуры семенников часто используют теплоизоляцию мошонки. В одном исследовании²⁶мошонку быков Bos indicus и × Bos taurusутепляли на 48 часов. Виды возникших морфологических аномалий сперматозоидов и сроки их появления (день 0 — начало теплоизоляции) были следующими: сперматозоиды без головки — дни 6–14; аномалии акросомы — дни 12–23; аномалии хвоста — дни 12–23; цитоплазматические капли — дни 17–23. Таким образом, нагревание мошонки повлияло как на сперматозоиды в головке придатка семенника, так и на сперматиды. Хотя суточная продукция сперматозоидов не изменилась, их запасы в придатках семенников сократились почти на 50% (9.2 против 17.4 млрд), особенно в головке (3.8 против 6.6 млрд) и хвосте придатка (3.7 против 9.5 млрд), возможно, вследствие избирательной резорбции аномальных сперматозоидов в сети семенника и выводящих протоках. В другом исследовании^27,28мошонку шести быков голштинской породы утепляли на 48 часов (день 0 — начало теплоизоляции). Число полученных сперматозоидов существенно не изменилось, но доля сперматозоидов с поступательным движением снизилась с 69% (до теплоизоляции) до 42% на день 15. Доля нормальных сперматозоидов существенно не менялась с дня –6 по день 9 (80%), резко снизилась на день 12 (53%) и достигла минимума на день 18 (14%). Хотя виды аномальных сперматозоидов и их доля значительно различались у отдельных быков, определённые аномалии появлялись в устойчивой хронологической последовательности: сперматозоиды без хвоста — дни 12–15; диадемный дефект — день 18; грушевидные головки и вакуоли в ядре — день 21; акросома с бугорком — день 27; дефект Дага — день 30. У сперматозоидов, полученных через 3–9 дней после теплоизоляции и исследованных сразу после получения, подвижность и морфология были сходны с показателями до теплоизоляции.²⁷По сравнению со спермой, полученной до теплоизоляции, после замораживания, оттаивания и инкубации при 37 °C в течение 3 часов²⁷наблюдалось значительное снижение доли сперматозоидов с поступательным движением (46 против 31% соответственно) и доли сперматозоидов с неповреждённой акросомой (73 против 63%). Замораживание с последующей инкубацией после оттаивания выявило изменения, возникшие в сперматозоидах, которые во время теплоизоляции мошонки находились в придатке семенника.

В другом исследовании²⁹теплоизоляцию мошонки (4 дней) и введение дексаметазона (20 mg/day в течение 7 дней) использовали в качестве моделей нагревания семенников и стресса соответственно. Некоторые быки, по-видимому, были предрасположены к образованию сперматозоидов с определённой аномалией. Грушевидные головки, вакуоли в ядре, микроцефальные сперматозоиды и аномальная конденсация ДНК чаще встречались у быков с теплоизоляцией мошонки, чем у быков, получавших дексаметазон. В то же время введение дексаметазона раньше и сильнее влияло на сперматозоиды в придатке семенника, раньше вызывало более выраженное увеличение частоты дистальных загибов средней части хвоста и раньше приводило к увеличению числа проксимальных и дистальных цитоплазматических капель. В целом при обоих воздействиях виды дефектных сперматозоидов и сроки их выявления были сходными.

на день 5 сперматозоидов с цитоплазматическими каплями было в четыре раза больше; на день 8 было меньше нормальных сперматозоидов и в три раза больше сперматозоидов с дефектами средней части хвоста и цитоплазматическими каплями; на дни 15 и 18 было меньше нормальных сперматозоидов, а на дни 18 и 21 — больше сперматозоидов с дефектами головки. К дню 35 качество спермы у быков с теплоизоляцией мошонки почти вернулось к значениям до её применения. Во втором эксперименте³⁰через 48 часов после теплоизоляции шейки мошонки температура подкожных тканей мошонки у верхнего, среднего и нижнего участков семенника повысилась соответственно на 2.0, 1.5 и 0.5 °C, а температура внутри семенника в соответствующих трёх участках была на 0.9 °C выше, чем до теплоизоляции. Очевидно, шейка мошонки играет важную роль в отведении тепла.

Повышение температуры придатка семенника

У большинства млекопитающих хвост придатка семенника холоднее семенников,³¹что способствует хранению в нём сперматозоидов. Повышение температуры хвоста придатка нарушает его всасывательную и секреторную функции, изменяет состав содержащейся в нём жидкости (содержание ионов и белков) и увеличивает скорость прохождения сперматозоидов через хвост придатка примерно в три раза.³¹В результате число сперматозоидов в первом эякуляте снижается, а в последующих эякулятах сокращается ещё более резко. Кроме того, повышенная температура, по-видимому, ускоряет созревание сперматозоидов.³¹

Влияние повышенной температуры на клетки семенника

Хотя нагревание, по-видимому, влияет на функцию клеток Сертоли и Лейдига, наиболее чувствительны к нему половые клетки.³²Воздействию подвержены все стадии сперматогенеза, причём степень повреждения зависит от величины и продолжительности повышения температуры.³²Нагревание приводит к гибели сперматоцитов в профазе мейоза, тогда как у более зрелых сперматозоидов обычно возникают метаболические и структурные нарушения.¹⁸Нагревание семенника обычно снижает долю живых сперматозоидов и сперматозоидов с поступательным движением и повышает частоту морфологических аномалий, особенно дефектов головки.³³В недавнем исследовании на быках³⁴повышение температуры семенников вызывало недостаточную протаминизацию хроматина и малозаметные изменения формы головки сперматозоидов. Хотя характер и доля дефектных сперматозоидов значительно различаются у отдельных быков, последовательность появления конкретных дефектов относительно постоянна.^28,29Если сперматогонии не повреждены, период от прекращения нагревания до появления в эякуляте нормальных сперматозоидов соответствует периоду от начала их дифференцировки до эякуляции.³⁰После теплоизоляции мошонки у быков частота образования бластоцист была более чувствительным показателем, чем частота дробления (в in vitro-системе³⁵). Даже после восстановления нормальной морфологии сперматозоидов их использование может приводить к снижению частоты оплодотворения и повышению частоты гибели эмбрионов.³⁶

Теплоизоляция шейки мошонки

Шейку мошонки у пяти быков теплоизолировали на 7 дней (дни 1–8), моделируя состояние быков с избыточной упитанностью, у которых в шейке мошонки обычно имеются значительные жировые отложения. Наиболее выраженные изменения, по-видимому, наблюдались у сперматозоидов, находившихся во время теплоизоляции в придатке семенника, и у развивавшихся половых клеток на стадии формирования акросомы.³⁰ У быков с теплоизолированной шейкой мошонки сперматозоидов с дефектами средней части было вдвое больше, и

Обобщение данных о повышении температуры семенников

При повышении температуры мошонки или семенников, независимо от причины, морфология сперматозоидов сначала обычно не меняется в течение периода, соответствующего времени их прохождения через придаток семенника, но затем ухудшается.³³ В некоторых исследованиях^26,30 сперматозоиды,