809

ральной составляющей различных биосуб- стратов на функционирование антиоксидант- ных систем организма животных, т.к. некото- рые химические элементы являются неотъем- лемым звеном в реализации функции клеточ- ной защиты от негативного воздействия сво- бодных радикалов [6, 7]. Окислительный стресс представляет серьезную угрозу для нормального функционирования репродук- тивной системы живых организмов, по- скольку образующиеся свободные радикалы атакуют жизненноважные биомолекулы, из- меняя ферментативные системы, что приво- дит к серьезным повреждениям, вызывая ги- бель половых клеток [8]. Уникальное клеточ- ное строение сперматозоидов, а также высо- кое содержание полиненасыщенных жирных кислот, на фоне относительно низкой степени защиты, делает их особенно чувствительными к окислительному стрессу. Между тем, содер- жащиеся в семенной жидкости ферментатив- ные и неферментативные антиоксиданты яв- ляются важным инструментом в построении первичной системы предотвращения образо- вания и защиты сперматозоидов от свободных радикалов [9]. Как показал анализ литератур- ных источников, в настоящее время опублико- вано большое количество научных публика- ций, описывающих взаимосвязь между кон- центрациями минеральных веществ и антиок- сидантным профилем семенной продукции. Однако детальный анализ выявил, что инфор- мация, опубликованная в этих источниках, в основном относится к цельной сперме. Более того, практически полностью отсутствуют ре- зультаты исследований по оценке взаимо- связи между качеством семени и маркерами антиоксидантного статуса на фоне отклоне- ний концентраций отдельных химических элементов в семенной жидкости от установ- ленных норм.

В связи с этим, основной целью настоя- щего исследования являлась оценка влияния различных концентраций отдельно взятого элемента (Se) в семенной жидкости на каче-

ственные характеристики спермы и антиокси- дантный статус быков-производителей голштинской породы.

Методика. Экспериментальная часть работы осуществлялась на физиологически здоровых быках-производителях голштинской породы, разводимых в условиях Ленинград- ской и Вологодской областей. Возраст быков в период отбора образцов составлял 3-5 лет (n=40). Все быки-производители пребывали в одинаковых условиях кормления и содержа- ния. Рационы кормления подопытных быков- производителей были рассчитаны с учетом по- требностей в питательных и минеральных ве- ществах [10]. Элементный состав семенной жидкости определяли по 25 показателям (Al, As, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, I, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Se, Si, Sn, Hg, Sr, V, Zn) методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Полученные данные по концентрации химических элемен- тов в семенной жидкости сравнивались с ранее установленными нормами для быков-произво- дителей голштинской породы [11]. Согласно приведенному источнику, в качестве норм предлагаются следующие интервалы: Ca (480,0-559,5); K (2939-3208); Na (1673-1874); Mg (90,02-109,4); P (909,0-1239); Co (0,0097-0,0115); Cr (0,0389-0,0484); Cu (0,862-1,09); Fe (2,26-4,28); I (0,211-0,270); Mn (0,216-0,381); Se (1,25-1,33); Zn (7,86-9,27); B (0,337-0,473); Li (0,0636-0,0774); Ni (0,111-0,464); Si (1,12-1,51); V (0,0018-0,0024); Al (0,199-0,270); As (0,0024-0,0033); Cd (0,0003- 0,0004); Hg (0,0081-0,0134); Pb (0,0749-0,124); Sn (0,0012-0,0110; Sr (0,128-0,159) мкг/г. Критерием для отбора животных для эксперимента явля- лось выявленное отклонение от установлен- ных норм по содержанию элементов-маркеров (P, Cu, Se, Zn, Sr) влияющих на качественные характеристики семени, установленные в ра- нее проведенных экспериментах [12]. Как по- казали результаты анализа, 7 из 20 обследо- ванных быков-производителей, разводимых в Ленинградской области, характеризовались пониженными относительно нормы концен- трациями Se в семенной жидкости. При этом 5 из 20 быков-производителей, разводимых на

шерсти коров голштинской породы [13]. В ка- честве объяснения такой неординарной, на первый взгляд, закономерности, в статье при- водятся данные по оценке индивидуальных особенностей метаболизма металлсвязываю- щих белков и, в частности, металлотионеина на фоне одинакового по составу рациона у мо- лочных коров [14].

Примечание: * – разница достоверна при Р≤0,05

Рис 2. Активность сперматозоидов в свежей сперме быков-производителей голштинской породы, разво- димых в Ленинградской области, в зависимости рас- пределения концентраций Se в границах нормы

Fig. 2. Activity of spermatozoa in fresh semen of of bullsproducers of the Holstein breed, bred in the Leningrad Oblast, depending on the distribution of Se concentrations within the normal range

Сравнительный анализ качественных характеристик свежей спермы, полученной от быков-производителей из групп, сформиро- ванных по концентрации Se в семенной жид- кости, выявил значительные различия по вели- чине изучаемых показателей (рис. 2,3).

Примечание: * – разница достоверна при Р≤0,05

Рис 3. Концентрация сперматозоидов в свежей сперме быков-производителей голштинской по- роды, разводимых в Ленинградской области, в за- висимости распределения концентраций Se в гра- ницах нормы, млрд

Fig. 3. The concentration of spermatozoa in the fresh sperm of bulls-producers of the Holstein breed, bred in the Leningrad Oblast, depending on the distribution of Se concentrations within the normal range, billion

В частности, установлено, что у живот- ных с содержанием Se в семенной жидкости ниже установленной границы (Ленинградская область), отмечалась пониженная относительно группы с содержанием Se в пределах допусти- мых значений концентрация сперматозоидов на

11,6 % (Р≤0,05), показатель активности сперма- тозоидов при этом был ниже на 5,1 % (Р≤0,05). В качестве одной из возможных причин сниже- ния показателей качества спермы в нашем ис- следовании может рассматриваться положи- тельное влияние Se на реализацию функции ан- тиоксидантной защиты в семенной жидкости [15]. Так, в ранее проведенных исследованиях было обнаружено, что присутствие Se в семен- ной жидкости отрицательно коррелирует с уров-

нем перекисного окисления липидов в этом био- субстрате [16]. Кроме того, было обнаружено, что Se не только обладает прямыми антиокси- дантными свойствами, но также связан с актив- ностью антиоксидантной селенопротеиновой глутатионпероксидазы. Этот фермент участвует в восстановлении глутатиона (γ-l - глутамил - l- цистеинилглицин), который, как и Se, обладает прямыми антиоксидантными свойствами и участвует в активности ферментных антиокси- дантов, таких как супероксиддисмутаза и ката- лаза [17]. Косвенным подтверждением данного утверждения являются результаты по оценке ак- тивности ферментов первичной антиоксидант- ной защиты в семенной жидкости быков-произ- водителей, полученные в нашем эксперименте

(табл. 2).

Анализ полученных данных показал, что самая низкая активность ферментов супе- роксиддисмутазы и каталазы отмечалась в се- менной жидкости быков-производителей с уровнем Se в границах нормы (II группа). При этом, в группе с состоянием дефицита Se, ко- торое фиксировалось по его концентрации в семенной жидкости, наблюдалось снижение активности этих ферментов на 15,7 (Р≤0,05) и 13,8 % (Р≤0,05), соответственно. Считается, что основным негативным эффектом окисли- тельного стресса в семенной жидкости явля- ется перекисное окисление липидов (ПОЛ). ПОЛ вызывает угнетение синтеза аденозин- трифосфорной кислоты, что, в свою очередь, приводит к снижению подвижности сперма- тозоидов [18]. В результате совокупности всех этих повреждений, вызванных окисли- тельным стрессом, часть клеток сперматозо- идов подвергается апоптозу, и они теряют по- движность. Более того, даже после оплодо- творения эмбрионы, полученные от самцов с высоким уровнем окислительного стресса в семенной жидкости, имеют более высокую вероятность выкидыша, видимо, из-за повре- ждения ДНК и окисления белков [19]. Одним из часто используемых и информативных

маркеров окислительного стресса в биосуб- стратах считается малоновый диальдегид, ко- торый является одним из конечных продук- тов перекисного окисления полиненасыщен- ных жирных кислот в клетке [13]. Данные, полученные в нашем эксперименте, свиде- тельствуют о том, что у особей группы с не- достатком Se в семенной жидкости отмеча- лись повышенные на 18,4 % (Р≤0,05) уровни малонового диальдегида, что указывает на увеличение процесса ПОЛ у этих животных.

Таким образом, можно констатировать, что недостаток Se крайне негативно отража- ется на воспроизводительной способности быков-производителей [20]. Опираясь на эти данные, следовало ожидать повышения каче- ства спермы на фоне дальнейшего увеличе- ния уровня Se в семенной жидкости. Однако, как показали результаты нашего экспери- мента, для животных Вологодской популя- ции, в семенной жидкости которых был уста- новлен избыток Se (IV группа), фиксирова- лось снижение показателей качества спермы, что выражалось в достоверном уменьшении активности и количества сперматозоидов на

6,3 (Р≤0,05) и 5,7 % (Р≤0,05), соответственно по отношению к особям с нормальными зна- чениями (рис. 4, 5).

Примечание: * – разница достоверна при Р≤0,05

Рис 4. Активность сперматозоидов в свежей сперме быков-производителей голштинской породы, разводимых в Вологодской области,

взависимости распределения концентраций Se

вграницах нормы

Fig. 4. Sperm activity in fresh semen of Holstein bulls bred in the Vologda Oblast, depending on the distribution of Se concentrations within the normal range

Рис 5. Концентрация сперматозоидов в свежей сперме быков-производителей голштинской породы, разводимых в Вологодской области, в зависимости распределения концентраций Se в границах нормы, млрд

Fig. 5. The concentration of spermatozoa in the fresh sperm of bulls-producers of the Holstein breed, bred in the Vologda Oblasts, depending on the distribution of Se concentrations within the normal range, billion

Анализ научной литературы по данной проблематике показал неоднозначное влияние добавок Se на воспроизводительные качества самцов. В частности, было отмечено негатив- ное влияние селенсодержащих добавок на ко- личественные и качественные характеристики спермы [21]. Возможно, что при отсутствии норм содержания Se в биологически активных биосубстратах в организме крупного рогатого скота, указанные добавки вводились на фоне превышения его концентрации в организме. Как сообщается в отдельных источниках, из- быток Se, равно как и его недостаток у млеко- питающих, может рассматриваеться в качестве

фактора развития ПОЛ. В частности, было установлено, что селенид водорода, который является распространенным промежуточным звеном метаболизма Se, может активировать апоптоз половых клеток за счет накопления в митохондриях, что, в свою очередь, может со- провождаться нарушением их структуры и приводить к гибели [22]. В целом, наличие факта повышения уровня ПОЛ и снижения уровня антиоксидантной защиты у быков-про- изводителей на фоне избытка Se в организме согласуется с результатами, полученными в нашем эксперименте (табл. 3).

Таблица 3

Так, было установлено, что в семенной жидкости, отобранной от животных из группы с избытком Se, наблюдалась достоверно меньшая активность фермента супероксиддисмутазы на

7,4 % (Р≤0,05), а также увеличение уровня мало- нового диальдегида в семенной жидкости на 7,2 % (Р≤0.05).

Выводы. Таким образом, можно конста- тировать, что избыток или недостаток уровня Se в семенной жидкости быков-производите- лей голштинской породы, относительно уста- новленной нормы, сопровождается достовер- ным снижением качественных характеристик спермы и приводит к снижению активности

ферментов антиоксидантной защиты, которое фиксируется на фоне повышения уровня мало- нового диальдегида в семенной жидкости.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР за 2019-2023 гг. ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН (№ 0761-2019-0006)

относительные количества которых описыва- ются биохимическими формулами и имеют определенное математическое выражение.

При организованной биосистемной де- струкции потоки ферментов и количества мик- роорганизмов, выделяющих эти ферменты, от- вечают принципу пропорциональности числу целевых сайтов рестрикции, по которым про- исходит разложение органических молекул растительных субстратов. На генетическом уровне количества и расположение разнотип- ных сайтов рестрикции в органических моле- кулах подчиняются фрактальным закономер- ностям

Abramson, 1999). Фрактальный принцип явля- ется фундаментальным принципом (Богатых, 2012; Мандельброт, 2002; Гелашвили, 2010) и наследуется при формообразовании живых од- ноклеточных и многоклеточных организмов, включая самоорганизацию микробных сооб- ществ. Соотношение частот в частотном про- филе микробного сообщества в кишечнике птицы в идеальных условиях тоже должно подчиняться фрактальному принципу, а значит образовывать степенной ряд убывающих чи- сел (Шредер, 2001). В связи с этим нами была сформулирована фрактально-стохастическая математическая модель для описания частот- ного профиля групп микроорганизмов, разла- гающего растительные субстраты. Мы вы- брали в качестве фрактально-стохастической модели частотного профиля микроорганизмов следующий убывающий ряд чисел (si).

где i=1, 2, 3, … – порядковый номер группы микроорганизмов в убывающем ча- стотном профиле микробного сообщества.

Частотный профиль групп микроорга- низмов кишечника птицы можно в целом ха-

рактеризовать индексами, количественно от- ражающими его статистические характери- стики: индексами Шеннона (индексами био- разнообразия, IndShen), индексами Симпсона (индексами доминирования, IndSimp) (Город- ничев, 2019; Гришанов, 2010; Чернов, 2015) и фрактальными (IndBconF) и стохастическими (IndBconP) индексами биоконсолидации (ин- дексами фрактальности) (Старченко, 2005; Ла-

тыпова, 2020; Воробьев, 2021). IndBconF и IndBconP приобретают значения в промежутке 0…1 и зависят от величины отклонения, огиба- ющей частотного профиля групп микроорга- низмов от модельного ряда чисел (1). В насто- ящее время в мире созданы и внедрены в про- изводство сотни кормовых добавок с антимик- робной активностью. К антимикробным добав- кам относятся пробиотики, пребиотики, фито- биотики, подкислители, ряд кормовых фер- ментов и комплексные добавки с широким функционалом. Существует проблема выбора наиболее эффективных добавок в зависимости от условий на конкретном птицеводческом предприятии.

Целью исследования являлась разра- ботка математической модели с применением искусственной нейронной фрактальной сети для определения степени воздействия пробио- тиков, фитобиотиков и пребиотиков на микро- биом кишечника кур-несушек.

Методика. Фрактальный принцип само- организации микробных сообществ был учтен при создании искусственной вычислительной нейронной фрактальной сети (НФС, рис. 1) (Гафаров, 2018; Сергеев, 2017). НФС создава- лась для математической обработки частотных профилей микроорганизмов и определения степени организации микробных деструктив- ных биосистем с помощью индексов IndSimp, IndShen, IndBconF, IndBconP.