Воспроизводство крупного рогатого скота

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,

находившиеся в придатке семенника во время нагревания мошонки, имели морфологические аномалии при получении вскоре после нагревания. В другом исследовании²⁷ изменения у этих сперматозоидов проявлялись только после замораживания, оттаивания и инкубации. Морфология сперматозоидов обычно возвращается к исходному состоянию примерно в течение 6 недель после теплового воздействия. Однако продолжительное и/или сильное повышение температуры семенников увеличивает время восстановления. В целом снижение качества спермы после повышения температуры семенников зависит от интенсивности и продолжительности теплового воздействия.

Литература

1. Cates W. Наблюдения за окружностью мошонки и её связью с классификацией быков. В: Материалы ежегодного собрания Общества териогенологии, Шайенн, штат Вайоминг , 1975, с. 1–15.

2. Waites G. Регуляция температуры и семенник. В: Johnson AD, Gomes WR, VanDemark NL (ред.) Семенник , т. I. Нью-Йорк: Academic Press, 1970, с. 241–279.

3. Dahl E, Herrick J. Сосудистый механизм поддержания температуры семенников посредством противоточного теплообмена. Surg Gynecol Obstet 1959;108:697–705.

4. Setchell B. Мошонка и терморегуляция. В: Setchell B (ред.) Семенник млекопитающих . Итака: Cornell University Press, 1978, с. 90–108.

5. Hees H, Leiser R, Kohler T, Wrobel K. Морфология сосудов семенного канатика и семенника крупного рогатого скота. Исследования артерии семенника и лозовидного сплетения методами световой и сканирующей электронной микроскопии. Cell Tissue Res 1984;237:31–38.

6. Cook R, Coulter G, Kastelic J. Сосудистый конус семенника, терморегуляция мошонки и их связь с продукцией сперматозоидов и качеством спермы у быков мясных пород. Theriogenology 1994;41:653–671.

7. Brito L, Barth A, Wilde R, Kastelic J. Развитие сосудистого конуса семенника и его связь с температурой мошонки, качеством спермы и продукцией сперматозоидов у быков мясных пород. Anim Reprod Sci 2012;134:135–140.

8. Brito L, Silva A, Barbosa R, Kastelic J. Терморегуляция семенников у быков Bos indicus , помесных быков и быков Bos taurus : связь с морфологией мошонки, сосудистого конуса семенника и семенника, а также влияние на качество спермы и продукцию сперматозоидов. Theriogenology 2004;61:511–528.

9. Blazquez N, Mallard G, Wedd S. Потовые железы мошонки быка. J Reprod Fertil 1988;83:673–677.

10. Waites G, Voglmayr J. Функциональная активность и регуляция апокринных потовых желез мошонки барана. Aust J Agric Res 1963;14:839–851.

11. Waites G. Влияние нагревания мошонки барана на дыхание и температуру тела. Q J Exp Physiol 1962;47:314–323.

12. Kastelic J, Coulter G, Cook R. Температура поверхности мошонки, подкожных тканей, внутри семенников и придатков семенников у быков. Theriogenology 1995;44:147–152.

13. Gunn S, Gould T. Сосудистая сеть семенников и их придатков. В: Greep RO (ред.) Руководство по физиологии , раздел 7, т. 5. Вашингтон, округ Колумбия: American Physiological Society, 1975, с. 117–142.

14. Kastelic J, Cook R, Coulter G. Вклад мошонки, семенников и артерии семенника в терморегуляцию мошонки и семенников у быков при двух температурах окружающей среды. Anim Reprod Sci 1997;45;255–261.

15. Kastelic J, Cook R, Coulter G. Вклад мошонки и семенников в терморегуляцию мошонки и семенников у быков и баранов. J Reprod Fertil 1996;108:81–85.

16. Coulter G, Cook R, Kastelic J. Влияние энергетической ценности рациона на температуру поверхности мошонки, качество спермы и продукцию сперматозоидов у молодых быков мясных пород. J Anim Sci 1997;75:1048–1052.

17. Barros C, Oba E, Brito L и др. . Оценка кровотока и снабжения кислородом семенников у быков абердин-ангусской породы. Rev Bras Reprod Anim 1999;23;218–220.

18. Setchell B, Voglmayr J, Hinks N. Влияние местного нагревания на скорость течения и состав жидкости сети семенника у бодрствующего барана. J Reprod Fertil 1971;24:81–89.

19. Setchell B. Лекция имени Паркса. Тепло и семенник. J Reprod Fertil 1998;114;179–194.

20. Kastelic J, Wilde R, Bielli A, Genovese P, Bilodeau-Goeseels S, Thundathil J. Гипертермия играет более важную роль, чем гипоксия, в нарушении сперматогенеза. Reprod Domest Anim 2008;43(доп. 3):166.

21. Коултер Г. Термография семенников быков. В: Материалы 12-й технической конференции по искусственному осеменению и воспроизводству . Колумбия, штат Миссури: Национальная ассоциация животноводов-селекционеров, 1988, с. 58–63.

22. Пурохит Р., Хадсон Р., Ридделл М., Карсон Р., Вулф Д., Уокер Д. Термография мошонки быков. Am J Vet Res 1985; 46:2388–2392.

23. Лунстра Д., Коултер Г. Связь распределения температуры мошонки по данным инфракрасной термографии с плодовитостью быков мясных пород при естественной случке. J Anim Sci 1997;75:767–774.

24. Скиннер Дж., Лоу Г. Тепловой стресс и сперматогенез у крупного рогатого скота Bos indicus и Bos taurus. J Appl Physiol 1966;21:1784–1790.

25. Джонстон Дж., Наэлапаа Х., Фрай Дж. Физиологические реакции быков голштинской и швицкой пород и помесей красной синдхи при воздействии высоких температур и влажности. J Anim Sci 1963;22:432–436.

26. Уилдеус С., Энтвистл К. Спермиограмма и запасы сперматозоидов у гибридных быков Bos indicus × Bos taurus после теплоизоляции мошонки. J Reprod Fertil 1983;69:711–716.

27. Фоглер К., Саакке Р., Бейм Дж., ДеДжарнетт Дж., Макгиллиард М. Влияние теплоизоляции мошонки на показатели жизнеспособности криоконсервированной спермы быков. J Dairy Sci 1991;74:3827–3835.

28. Фоглер К., Бейм Дж., ДеДжарнетт Дж., Макгиллиард М., Саакке Р. Влияние повышенной температуры семенников на морфологические характеристики сперматозоидов в эякуляте быков. Theriogenology 1993;40:1207–1219.

29. Барт А., Боуман П. Последовательность появления аномалий сперматозоидов у быков после теплоизоляции мошонки или введения дексаметазона. Can Vet J 1994;35:93–102.

30. Кастелич Дж., Кук Р., Коултер Г., Саакке Р. Теплоизоляция шейки мошонки влияет на качество спермы и температуру мошонки и семенников у быков. Theriogenology 1996;45:935–942.

31. Бедфорд Дж. Влияние повышенной температуры на придаток семенника и семенник: экспериментальные исследования. В: Зорньотти А. У. (ред.) Влияние температуры и факторов окружающей среды на семенник . Нью-Йорк: Plenum Press, 1991, с. 19–32.

32. Waites G, Setchell B. Физиология семенника млекопитающих. В кн.: Lamming CE (ред.) Физиология размножения Маршалла , 4-е изд., т. 2. Эдинбург: Churchill Livingstone, 1990, с. 1–105.

33. Barth A, Oko R. Аномальная морфология сперматозоидов крупного рогатого скота . Эймс, Айова: Iowa State University Press, 1989, с. 139.

34. Rahman M, Vandaele L, Rijsselaere T и др. . Теплоизоляция мошонки и её связь с аномальной морфологией, протаминированием хроматина и формой ядра сперматозоидов у быков голштино-фризской и бельгийской голубой пород. Theriogenology 2011;76:1246–1257.

35. Fernandes C, Dode M, Pereira D, Silva A. Влияние теплоизоляции мошонки у быков породы неллор ( Bos taurus indicus ) на качество спермы и его связь со способностью к оплодотворению in vitro. Theriogenology 2008;70:1560–1568.

36. Burfening P, Ulberg L. Выживаемость эмбрионов после культивирования сперматозоидов кролика при температурах 38° и 40°. J Reprod Fertil 1968;15:87–92.