喜马拉雅旱獭对高原低氧环境的生理适应性研究

何 建 陈 芳 李海龙 赵延梅 杨汉青 余长升 马 英* 郭新建

(1.青海省地方病预防控制所，西宁，811602；2.青海省第五人民医院，西宁，810007；3.青海大学附属医院，西宁，810001)

高原低氧适应是指世居高原的人或动物为能在高原低氧环境中生存，经长期自然选择所产生的一种非可逆但能稳定遗传的形态结构及生理生化等方面的改变，是机体适应高原低氧环境的一种保护机制[1]。高原哺乳动物围绕氧气的获取、运输和利用通路在血液生理和生化方面的特征性变化，是低氧研究的重要基础性内容，其适应机制主要是围绕缺氧而建立起的一系列复杂的代偿，也是近几年研究的热点问题。

血液是机体重要的内环境，直接参与机体物质代谢、能量代谢和复杂的生化过程。动物血液生理、生化指标不仅能反映生理状况和健康状况，也是反映机体代谢状况最灵敏的指标之一。它是动物长期进化的结果，是对栖息环境长期适应的反映，因而具有物种特性，在研究动物适应性方面具有重要的参考价值[2]。高原动物低氧适应的生理与遗传机制一直是亟待解决的科学难题，而青藏高原哺乳动物具有良好的适应高原低氧环境的特性，国内关于青藏高原动物血液生理指标的研究报道很多，多见于家牦牛(Bosgrunniensgrunniens)[3]、藏野驴(Equuskiang)[4]、野马(Equuscaballus)[5]、藏绵羊(Ovisariessubsp.)[6]、藏猪(Susscrofasubsp.)[7]，小型啮齿类的研究有高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)和高原鼢鼠(Myospalaxbaileyi)等[8]。

喜马拉雅旱獭(Marmotahimalayana)属啮齿目(Rodentia)、松鼠科(Sciuridae)、旱獭属动物，广泛栖息于高寒草甸草原，主要分布在我国青海、西藏、云南德钦等地及与中国接壤的尼泊尔等国的青藏高原边缘山地。喜马拉雅旱獭作为青藏高原鼠疫的主要贮存宿主[9]，长期生活在低氧浓度环境中，对低温、低氧及强紫外线等高原环境具有良好适应，是研究高原低氧适应机理的理想实验动物。为更好研究喜马拉雅旱獭对高原低氧环境的生理适应性，本文测定了连续梯度海拔分布的喜马拉雅旱獭血液生理相关指标，对相应海拔段的喜马拉雅旱獭心肺标本做了病理组织切片并进行了镜检。旨在分析旱獭在高海拔低氧环境下的血液生理变化，发现高原动物低氧适应的血液生理和心肺机能适应特征，为高原低氧对动物组织造成的损伤提供参考资料，对进一步揭示青藏高原野生动物低氧适应分子遗传机制奠定基础。

1 样点选择

结合青海动物地理区划，选择本省境内西部荒漠亚区的乌兰县(3 200—3 400 m)、青海藏南亚区的囊谦县(3 600—3 800 m)、兴海县(3 800—4 000 m)、泽库县(4 000—4 200 m)作为现场采样点，采用圈套法捕获喜马拉雅旱獭。样点分布见图1。

图1 全球喜马拉雅旱獭的分布区域(蓝线标记区域，https：//www.iucnredlist.org/)和本研究喜马拉雅旱獭采样点分布图(采样点用红色圆点标记)Fig.1 Global distribution area of Marmota himalayana(distribution area was marked with blue line，https：//www.iucnredlist.org/) and sample sites for Marmota himalayana in this study(sample sites were marked with red dot)

2 材料与方法

2.1 血液采样

静脉注射5%戊巴比妥钠麻醉喜马拉雅旱獭后，心脏采血3—5 mL，置于抗凝管并存放于冰盒。共采集旱獭血样192份，其中乌兰46份、囊谦46份、兴海47份、泽库53份。

2.2 血液生理指标测定

轻轻混匀血样，采用PE6800 Vet全自动血液分析仪测定红细胞数(RBC)、血红蛋白浓度(HBC)、血细胞比容(HCT)、平均红细胞体积(MCV)等生理指标。生理指标用SPSS 18.0统计软件进行多个样本均数的两两比较分析，定量检测结果用均数±标准误表示。

2.3 喜马拉雅旱獭组织病理学观察

将现场麻醉后的喜马拉雅旱獭解剖，取心、肺组织盐水冲洗后固定于4%甲醛溶液，常规组织脱水、浸蜡、石蜡包埋组织、组织切片(厚4 μm)，HE染色，光镜观察。

3 研究结果

3.1 喜马拉雅旱獭血液生理指标

本次实验的各项血液生理指标统计值见表1，乌兰县喜马拉雅旱獭血样测定的红细胞数(RBC)、血红蛋白含量(HGB)、血细胞比容(HCT)值最高，而囊谦县旱獭的RBC、HGB、HCT数值最低。平均红细胞体积(MCV)随海拔的升高而降低，MCV减小，使RBC总表面积增大，氧和二氧化碳等脂溶性气体通过RBC进行交换数量增多，这是旱獭为适应低氧而发生的血液生理改变。

表1 不同海拔喜马拉雅旱獭各项血液生理指标平均值

Tab.1 Average blood physiological indexes of different altitude himalayan marmot

表2 不同海拔喜马拉雅旱獭各项血液生理指标的单因素方差分析

Tab.2 One-way ANOVA analysis of variance of blood physiological indexes in marmot of different altitude

注：基于实测平均值，*平均值差值的显著性水平为0.05

Note：Based on the measured average value，* The significance level of the mean difference was 0.05

表2通过生理指标组间数据单因素方差分析，红细胞数、血红蛋白在乌兰、兴海、泽库3县的喜马拉雅旱獭之间无显著差异，囊谦县的这3项数值有显著差异；血细胞比容在兴海县和泽库县之间没有差异外，其他相互各县之间均有差异；平均红细胞体积在囊谦县和兴海县之间没有差异外，其他相互各县之间均有差异；血小板数值在各县之间均无显著差异。

贾荣莉[10]测定喜马拉雅旱獭的红细胞数量为(5.82±0.78)×1012/L，血红蛋白(145±17.0)g/L。陶元清[11]测得白化喜马拉雅旱獭血液生理指标，其红细胞数(5.98±0.74)，血红蛋白含量为(154.21±13.75)，血小板数(365.58±173.29)，本实验测得的红细胞数、血红蛋白含量及血小板数与文献大致接近。

3.2 心肺组织学观察结果

显微镜下观察喜马拉雅旱獭心肺组织的HE染色切片，4个地区的心肺切片中均有不同程度的损伤，详见图2、图3。

图2 不同海拔喜马拉雅旱獭心肺组织切片(HE染色)Fig.2 Cardiopulmonary tissue sections of Himalayan marmot at different altitude(HE staining)

图3 心肺组织切片局部放大图(HE染色)Fig.3 A partial enlarged view of the cardiopulmonary tissue section(HE staining)

乌兰县：部分区域心肌细胞肿胀变性，肌横纹模糊。肺间质有散在的炎症细胞浸润，终末细支气管散在的淋巴细胞浸润，血管充血，肺泡结构清晰。

囊谦县：心肌细胞变性，肌横纹模糊，细胞肿胀。肺间质内出血，部分区域有肺泡间隔增宽，肺泡腔内可见组织细胞，终末细支气管可见淋巴细胞浸润。

兴海县：心肌细胞肌横纹模糊，肌细胞萎缩，心肌间有散在的出血，心肌细胞浊肿变性。肺间质充血、出血，炎细胞浸润，肺间质增宽，肺泡上皮增生，部分脱落，肺泡腔内有液性渗出，组织细胞反应。终未细支气管衬覆的纤毛柱状上皮细胞脱落、变性坏死。

泽库县：心肌细胞间动脉血管充血，血管内皮损伤，静脉淤血，心肌细胞变性，心肌横纹模糊，细胞肿胀。肺泡间质内炎细胞浸润，肺泡间隔增宽，纤维组织增生，间质内出血，肺泡上皮细胞增生、脱落，较多肺泡腔内有组织细胞反应，液性渗出，终末细支气管衬覆的纤毛柱状上皮细胞变性，部分区域脱落。

从喜马拉雅旱獭心肺组织染色镜检结果发现，其心肌和肺泡细胞的形态结构、生理功能相应发生了一些变化，说明长期生长在海拔3 000 m以上的旱獭，已经适应了氧分压低、紫外线强、寒冷昼夜温差变化大等特点的高寒低氧栖息环境。

4 讨论

血液生理特征是机体适应低氧环境的一个重要表现，血液生理指标能直接反应机体对低氧环境的适应性[12]。冯永志等报道[13]海拔3 700 m处空气氧含量仅为海平面的59.3%，为适应这种严重缺氧，依靠一般的血红蛋白携氧能力和心输出量的改变，已不能适应生理需要。冯信焰等[14]研究发现海拔越高，空气中含氧量越低，HGB水平就越高，海拔高度与HGB水平呈正相关，高原低氧环境是影响HGB水平变化的主要因素。红细胞数目(RBC)及血红蛋白(HGB)的作用是增强高原动物机体运载氧能力，其含量增多是许多高原动物的血液学特征，且数值随海拔升高而相应升高，原因可能是在缺氧环境下红细胞代偿性增加，通过增殖以及合成血红蛋白来提高携氧能力，以适应高海拔缺氧环境[15-16]。本研究中囊谦、兴海和泽库3县的采集样点生境均为草甸草原，并且喜马拉雅旱獭RBC、HGB、HCT数值也随着海拔的升高而呈上升趋势，说明同一生境中，随海拔的升高RBC、HGB、HCT值也会相应逐渐增加。乌兰县的生境类型为荒漠化草原，虽然海拔最低，但RBC、HGB、HCT值却很高，提示我们栖息生境可能也是旱獭血液生理指标值的一个影响因素。

高原动物在长期适应低氧环境的过程中，红细胞和血红蛋白的变化有相同点，但由于不同高原动物的生活环境和生活习性不同，其红细胞和血红蛋白存在不同的适应特征。王晓君等[8]研究发现鼠兔以低血细胞比容(HCT)和低平均红细胞体积(MCV)为特征，血氧利用率高。同时高原鼢鼠也表现出与鼠兔类似的血液性状。藏羚(Pantholopshodgsoni)也有着与高原鼠兔相似的血液学特征，表现为低HBC和低HCT[17]。而野牦牛(Bosgrunniensmutus)、家牦牛、藏绵羊和藏山羊(Caprahircussubsp. )的血液具有较高的红细胞数(RBC)和血红蛋白浓度(HBC)。通过研究可以看出[18]，RBC的总表面积增大，氧气和二氧化碳等通过RBC进行交换的数量增多，直接提高了单位体积血液的携氧能力。但HCT升高会增加血液黏稠度和血液循环阻力，增加了循环系统负担，以至于影响氧气供应，甚至损害机体[19]。为了避免这种损伤，机体MCV随海拔的升高而降低，适当降低了血浆的黏滞度，促进血流速度加快，从而提高机体氧代谢效率[20]。我们研究发现旱獭与藏绵羊、藏猪及牦牛等高原动物类似，适应高原低氧环境的生理特征主要表现为RBC和HGB增加，相对扩大的表面积使得更多的氧气易于与红细胞接触，提高了氧气运输效率，而MCV的减小意味着平均红细胞血红蛋白含量变化幅度变小，将红细胞内黏度维持在一个可接受的水平，从而一定程度上降低了高流速下的血液黏度，防止HCT的过度升高。同时MCV减小会增大红细胞的总表面积，提高了内环境的氧气交换效率，保证机体在低氧环境中机体氧气供应的需要，从而提高机体氧代谢机能，这种血液特征进一步揭示了喜马拉雅旱獭适应高原低氧环境的生理机制。

氧的利用和调节是高等生命生存的基本条件，低氧是许多重大疾病发生发展中的基本病理生理改变，而高原低氧存在于中国约220万km2的高原地区，涉及高原低氧习服和低氧适应的重要进化机制[21]。国外资料表明，高原低氧对心脏重构的作用主要是指右心室重构包括心肌实质的改变、心室壁增厚或心腔扩大、质量和体积增加[22]。本研究喜马拉雅旱獭的心肺组织HE切片显示，4个地区的心肺组织均有不同程度的病变，高原缺氧导致在本区域内生活的喜马拉雅旱獭心肺一定的损伤。说明喜马拉雅旱獭长期生活在高原低氧环境中，经受地下洞穴中低水平的氧气和高水平二氧化碳的环境，虽经过漫长的进化后存在一定的低氧适应，但这种适应并不足以替代缺氧对机体引起的损伤。