赵禹，张文才，刘成武，杨敏
(中国刑事警察学院警犬技术学院，辽宁 沈阳 110034)
低压低氧、低温和强紫外辐射是高原地区显著的气候特征，而低压低氧是影响动物在高原地区生存最重要的气候因素[1-2]。动物机体对高原环境适应是一个复杂的系统，涉及动物细胞分子、生理生化、组织器官、神经内分泌各个层面的从微观到宏观的调动响应。高原土著动物经过长期的自然选择与进化，在动物外形、组织器官形态结构和生理生化调节上获得了稳定的适应高原环境的遗传学特征。而居住在平原环境下的动物从低海拔常氧地区进入高海拔低氧环境，机体也会发生一系列的代偿适应性变化来适应高原低氧环境。一些动物能够通过机体代偿获得对高原环境的良好习服，一些动物机体代偿适应性反应不足或过于强烈发生习服不良，会出现高原反应。本文从外观及生长发育特点、组织器官形态结构、血液生理生化水平、细胞分子水平、动物肠道菌群、维生素及氨基酸、抗高原反应药物7个方面论述了动物机体对高原环境的适应性。
高原土著动物经过长期的自然选择进化，动物外形与平原地区生活的动物相比，皮毛较长且浓密，多为黑色或褐色[3]。
在高原环境对动物生长发育影响的研究中，研究人员认为体重和体尺的减小可能是动物对高海拔环境的适应之一[4]。张浩等[5]在研究海拔环境对鸡生长发育影响中发现，藏鸡(高原土著品种)和矮小隐性白肉鸡(平原地区品种)高海拔时的绝对生长速度和相对生长速度均比低海拔时低。高海拔生态环境会抑制鸡的生长速度，从而改变生长模式。在高原环境对人类生长发育影响的研究中，席焕久等[6]分析了海拔、年降水量、年均气温和年日照四种自然环境因素对儿童青少年生长发育指标的影响。分析结果表明，随着海拔升高，儿童青少年的生长发育指标逐步下降，得出的结论是海拔对儿童青少年生长发育的影响最大。Weinstein[7]研究对比了古安第斯高原人类与低海拔地区人类骨骼结构。结果表明古安第斯高原人类的体型较小，肋骨粗大，得出高原低氧环境的自然选择塑造了古安第斯高原人类的骨骼形态的结论。笔者所在研究团队在对云贵高原地区马里努阿犬(已在当地环境繁殖驯化20余年)与平原地区马里努阿犬生长发育特点研究中也发现，云贵高原地区马里努阿犬体型有减小的趋势。
高原土著动物经过长期高原环境的自然选择，呼吸系统和心血管系统组织器官的形态结构进化出适应高原低氧环境生存的特点。贾荣莉[8]研究了高原地区藏羊和平原地区小尾寒羊肺组织形态学的差异。结果表明，藏羊单位面积的肺泡数量多，肺泡小，肺泡隔厚，肺泡隔中毛细血管的充盈程度高。张晨[9]研究表明，藏羊心肺较小尾寒羊产生了适应高原环境的结构变化。如较厚的心肌壁、更大的心腔面积和粗长的心肌纤维等；
肺脏则出现末端支气管分级丰富、发达的支气管杯状细胞以及更厚的支气管平滑肌等现象。许永华等[10]在藏猪心脏、呼吸系统组织学观察中发现，藏猪心脏壁和心外膜厚，心内膜附近浦肯野纤维粗，组织中束细胞明显；
同时，心肌纤维排列规则且粗大，肌间血管丰富。呼吸系统中，鼻黏膜较厚，气管和支气管纤毛排列紧密、粗而长；
肺泡壁和肺间质毛细血管较丰富，并呈现扩张状态。
周大鹏等[11]在对藏獒肺组织观察中发现，藏獒的肺胸膜较厚，胶原纤维和弹性纤维含量丰富；
肺呼吸部肺泡管宽大且数量多，形成许多高低不平的皱褶，相邻肺泡间的肺泡隔内有着丰富的毛细血管和大量的红细胞。陈秋生等[12]在对牦牛肺脏高原适应性的结构研究中发现，牦牛肺脏结构具有特异性。
具体表现为牦牛的肺小叶结构明显，肺泡I型上皮薄，小叶间隔、肺泡隔和各级支气管管壁等结构内含有丰富的弹性纤维，可维持肺良好的伸缩状态。另外，肺毛细血管末端的气-血屏障的平均厚度较薄，有利于气体交换。Zhang等[13]研究结果表明，藏鸡的肺脏器官中肺泡体积小，总肺泡面积大，单位面积内肺泡数目和毛细血管多，并且肺泡隔厚。李双等[14]研究了高原鼠兔低氧性肺血管收缩反应钝化(bHPV)的组织学基础，研究结果表明，导致高原鼠兔bHPV发生的组织学基础可能是其肺组织中直径10～50 μm微血管平滑肌细胞数量少。
当平原动物进后入高原，平原动物一般在整体水平上进行代偿调节以适应高原低氧环境。如加快呼吸频率，增加肺通气量，加速肺泡—血液—组织的气体弥散，加强毛细血管持久性，加强心泵功能，代偿性心肌肥厚等，这些反应会增加动物机体组织供氧量。有些动物由于低压低氧的刺激，会引起肺动脉压力升高。长期的肺动脉高压导致右心肥厚，发生高原性心脏病等疾病。所以，动物对高原低氧的适应性很大程度上取决于其在高原环境中是否会出现肺动脉高压及出现肺动脉高压的程度。Tucker等[15]研究结果表明，不同哺乳动物对低氧引起的肺动脉高压反应差异显著；
试验比较了牛、绵羊、犬、猪、兔、大鼠和豚鼠7种动物，牛和猪对低氧最敏感，大鼠和兔对低氧中度敏感动物，绵羊、豚鼠和犬对低氧轻度敏感，其中犬最不敏感；
试验证明，造成动物对低氧敏感的种间差异的主要决定因素是肺血管平滑肌数量。平滑肌数量越多，对低氧越敏感，越容易造成动物肺动脉高压。而贾宁等[16]研究结果表明，藏獒的肺小动脉平滑肌数量相对较多，这与Tucker等[15]的结论并不一致，需要进一步研究论证。
血液生理生化水平是反映动物机体生理机能的重要指标。受高原低氧环境刺激，高原地区的土著动物和平原动物，血液生理生化水平都会随着海拔高度的不同而发生改变，尤其是与氧气运输、利用密切相关的一些指标，如：红细胞数量(RBC)、血红蛋白浓度(HGB)等。
一些研究者针对不同海拔同一品种的动物血液生理生化指标变化开展了研究。王志敏等[17]研究了不同海拔高度对藏鸡血液生理生化指标的影响，发现藏鸡红细胞数量、血液中血红蛋白浓度及平均红细胞体积(MCV)呈现出随海拔高度升高而升高的趋势。雷蕾等[18]对比了不同海拔地区牦牛血液生化指标差异，结果显示，较高海拔地区牦牛血液生化指标中谷丙转氨酶(ALT)、乳酸脱氢酶(LDH)、葡萄糖(GLU)等水平极显著升高。两个不同海拔地区的牦牛心肌酶活性、机体代谢功能及抗氧化能力存在一定差异。张春梅等[19]比较了3 200 m和1 500 m海拔的湖羊血液生理生化水平变化，结果表明，高海拔地区湖羊血液红细胞数量、血红蛋白浓度、红细胞压积、平均红细胞体积显著高于中海拔地区湖羊。蒋世海等[20]比较了不同海拔的白萨福克羊血液生理生化指标，结果表明，高海拔地区白萨福克羊的红细胞数量和红细胞比容等指标极显著高于低海拔地区白萨福克羊。
有些研究者针对不同海拔同一种属动物生理生化指标进行了比较。孔小艳等[21]比较了4个连续海拔分布猪种如藏猪(海拔3 700 m左右)、大河猪(海拔2 300 m左右)、明光小耳猪(海拔1 900 m左右)和滇南小耳猪(海拔550 m左右)血液生理指标，发现藏猪红细胞、血红蛋白和红细胞压积3个指标远高于明光小耳猪和滇南小耳猪，说明与氧气运输相关血液生理指标随海拔升高而升高，血红蛋白浓度高是藏猪低氧适应的生理表征。赵雪等[22]检测了4个连续海拔梯度上分布的德宏马、昭通马、丽江马、藏马，比较它们的氧气结合与运输相关血液生理指标、血液黏稠度。结果显示，高海拔地区马的血红蛋白浓度、红细胞压积和体积、红细胞血红蛋白(MCH)和红细胞平均血红蛋白含量(MCMH)都极显著高于低海拔地区。郭晓宇等[23]比较了来自高原的蕨麻小型猪与来自平原的巴马小型猪的血液生理生化指标，发现高原蕨麻小型猪的红细胞计数、血红蛋白、红细胞压积、红细胞血红蛋白、红细胞平均血红蛋白含量均极显著高于巴马小型猪；
血液生化指标中高原蕨麻小型猪γ-谷氨酰基转移酶(GGT)、葡萄糖、肌酐(CRE)均极显著高于巴马小型猪。
还有些研究者对相同海拔同一种属动物生理生化指标进行了比较。徐跃进等[24]对高原环境下的藏猪和大约克猪血液生理生化指标进行了比较，发现藏猪的红细胞、血小板数量(PLT)和血小板压积(PCT)指标显著低于同海拔的大约克猪。笔者认为，在同样高海拔环境下，开展同一种属动物生理生化指标比较研究，更有利于研究揭示高原土著动物的高原环境适应性进化机制，也更有利于选育适宜高原环境的动物新品系。
动物细胞分子水平对高原环境的适应性响应最主要是对低氧的响应。低氧适应相关基因是一类能够接受低氧信号调节并参与低氧适应性反应的基因群，是低氧适应机制极为重要的分子基础。研究发现，参与调控低氧适应性的大部分基因都集中在低氧诱导因子(HIF)通路，主要参与调控机体的RBC生成、血管舒缩、应激反应、糖代谢等生理过程[25]。HIF通路总共含有200多个相关基因，其中EPAS1和EGLN1基因最为关键。EPAS1与低氧诱导的正性调节有关，是慢性缺氧相关基因的关键调节因素，主要参与促红细胞生成素(EPO)、血管内皮生长因子(VEGF)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)相关基因的上游调节；
EGLN1作用刚好相反，它主要与正常氧分压下HIF-1ɑ和EPAS1蛋白的降解有关；
在缺氧时，EGLN1基因的改变导致降解能力下降，间接提高了EPAS1蛋白的表达水平，增加了与低氧调控有关物质的产量[26]。短期对高原环境的习服往往表现为较高的呼吸频率与血红蛋白浓度提升，机体通过增强无氧糖酵解能力缓解低氧低温能量代谢压力；
而机体对高原环境长期适应性演化则通过基因型变化，增强氧气运输与有氧代谢能力，以应对长期低氧高海拔环境[27]。
近年来，研究者开展了藏鸡、藏猪、牦牛、藏羊、藏马和藏獒等多种高原土著动物基因组、转录组和蛋白质组层面的工作，挖掘到一系列高原土著动物环境适应性的关键候选基因[3]。与心血管系统有关的基因如：血管内皮生长因子A(VEGF)、肌球蛋白轻链激酶(MLCK)等；
与低氧应答反应有关的基因如：内皮PAS蛋白1(EPAS1)、缺氧诱导因子α(HIF-1ɑ)、一氧化氮合酶1(NOS1)、血红蛋白β亚基(HBB)等。
近年来，研究者从表观遗传学层面开展动物或人类高原环境适应机制的探索。金龙[28]探索了藏猪高原适应性的表观遗传机制。首次构建了藏猪背最长肌的全基因组单碱基分辨率DNA甲基化图谱。结果显示，藏猪基因组中主要的甲基化位点为CpG二核苷酸，少量DNA甲基化发生在CHG和CHH序列环境下。平原藏猪与高原藏猪背最长肌之间的差异甲基化基因主要富集于代谢、转运、氧化磷酸化等各种生物学过程，以及ATP结合、核苷酸合成、转运酶等分子功能。这些通路与能量的代谢极其相关，该结果从基因甲基化层面印证了藏猪高原适应的独特能量代谢过程。Childebayeva等[29]以不同海拔健康成年人唾液样本为研究对象，研究了LINE-1, EPAS1, EPO, PPARa, 和RXRa基因的甲基化水平。研究结果表明，逐渐暴露于缺氧环境会影响表观基因组，表观基因组的变化可能是高原适应过程的基础。
也有研究者探究了小RNA在动物高海拔适应性中的作用。龙科任[30]研究绘制了鸡、牛、羊和猪4种动物较为全面的miRNA表达谱,并分析了4个物种miRNA的进化情况。各个物种均鉴定出了大量参与血管生成、细胞凋亡等生物学过程的高海拔适应性相关的miRNA。Feng等[31]研究了高原应激对山羊miRNA表达的影响。对不同海拔高度(600 m和3 000 m)山羊群体的6种缺氧敏感组织(心、肾、肝、肺、骨骼肌和脾脏)进行了miRNA转录组比较分析。获得了1 391个成熟的miRNAs，并鉴定了138个高海拔和低海拔地区差异表达的miRNA。揭示了miRNA不同海拔高度和不同组织间表达水平的变化，发现低氧习服存在着组织特异性和保守的机制。
热休克蛋白是机体对应激反应产生的物质，热休克反应中Hsp70的快速合成有利于维持应激时细胞的正常生理功能， 能促进机体对高海拔应激的适应。王晓临等[32]选择牦牛和家兔为试验动物，用Hsp70探讨哺乳动物对高海拔(缺氧)适应能力。结果表明高原土著哺乳动物和低海拔哺乳动物都具有热休克反应的基因，Hsp70可被高海拔(缺氧)诱导产生，Hsp70的表达存在着阈值，海拔5 000 m是热休克反应最佳的条件，超过海拔6 000 m时热休克反应减弱；
Hsp70生成量与细胞的耐缺氧能力成正比。李芳泽等[33]研究了人类Hsp70-1和Hsp70-2基因多态性与急性高原反应的关系。证明了携带Hsp70-2B/B基因型的机体应激能力较弱，易发生急性高原反应。
动物肠道微生态菌群在宿主营养摄入、生长发育和疾病免疫等功能中发挥着重要作用。近年研究发现，动物肠道菌群不仅本身受高原环境的影响，还作为重要的调控因子调节动物机体对高原环境的适应及习服。
Zhang等[34]在研究高原土著动物牦牛和藏羊瘤胃微生物群落趋同进化中发现，这两种高原反刍动物瘤胃甲烷含量显著低于低海拔普通牛和羊，而挥发性脂肪酸(VFA)产量却显著高于低海拔普通牛和羊。高原土著动物肠道菌群中的如普氏菌属等相关菌群种类和丰度显著增加，能够促进VFA生成，也能更好的利用VFA生成乙酸、丙酸等小分子代谢物为机体提供能量，能量利用更高效。通过瘤胃宏基因组测序，揭示了高原动物瘤胃内VFA形成通路基因富集，而平原动物甲烷形成通路基因富集；
通过胃黏膜转录组研究揭示了牦牛VFA运输和吸收基因显著上调，这预示宿主和肠道微生物间可能存在协同进化。MA等[35]使用16SrRNA基因测序的方法，研究了3种高海拔(4 300 m)高原土著食草动物藏羚羊、藏野驴和藏绵羊肠道微生物群落组成及与低海拔藏绵羊(3 000 m)和普通绵羊(1 800 m)肠道微生物群落组成的区别。结果表明，瘤胃球菌属 (Ruminococcus)、振荡杆菌属(Oscillospira)和梭状芽胞杆菌属(Clostridium)是3种高海拔高原土著动物共同的优势菌群。藏羚羊(4 300 m)肠道微生物群中瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、梭菌目(Clostridiales)、梭状芽孢杆菌属(Clostridia)、厚壁菌门(Firmicutes)富集程度比低海拔的藏绵羊(3 000 m)和普通绵羊(1 800 m)更高；
同时厚壁菌门(Firmicutes)与拟杆菌门(Bacteroidetes)的比值也更高。高海拔的藏羚羊和藏绵羊(4 300 m)肠道微生物群宏基因组功能注释显示超过80%的基因对代谢和遗传信息加工途径起作用。高海拔草食动物的肠道微生物组成相似，可以从食物中获得更多的能量，肠道菌群自身合成的各种酶和代谢产物、分解宿主肠道物质所生成的各种小分子物质，均有可能通过各种信号通路影响机体对高原环境的反应程度[36]。研究高海拔高原土著动物胃肠道微生物菌群组成及参与高原土著动物对高海拔环境适应的机制对于制备适宜高原环境生活的动物胃肠道微生态制剂及高原地区引种提供了一种新思路。
研究发现，某些种类的维生素具有改善机体低氧状态下的物质代谢、减轻高原反应的作用[37]。陈东升等[38]在观察大鼠在不同模拟高度微量营养素状态的变化中发现，随海拔高度上升，大鼠血清维生素C和维生素E有下降趋势。说明低氧状态下大鼠体内维生素C和维生素E的消耗量增加了。Goswami等[39-40]研究结果表明，补充合适剂量的维生素C和维生素E可阻止雄性大鼠由于高海拔低氧引起的免疫变化。白霜等[41]在综述维生素影响人类高原习服的研究进展中得出：大剂量补充某些种类的维生素具有促进高原习服的作用，但作用机制尚不明确。
黄文等[42]研究了两种含有氨基酸和维生素的复合制剂对高原官兵疲劳的预防和快速恢复作用，结果表明：氨基酸维生素制剂能明显提升高原官兵军事作业能力,有效对抗疲劳引起的弹跳力和握力下降,从而发挥预防和快速恢复疲劳的作用。王书祥[43]研究结果表明，给引入高原地区的荷斯坦奶牛饲喂含有N-氨甲酰谷氨酸的饲料，可以显著降低高原地区荷斯坦奶牛肺动脉高压的发病率，降低低氧对奶牛心血管系统造成的损伤。
开展维生素及氨基酸对动物机体适应习服高原环境中的作用及相关机制的研究，对于促进低海拔动物高原习服，预防或减轻高原反应具有重要意义，也为高原土著动物对高原环境的适应性研究提供了新思路。
抗高原反应药物一般分为化学合成类和中药类。中药由于效果好，不良反应小，在预防和治疗高原反应中应用较为普遍。目前发现的具有潜在抗缺氧损伤的中药有：红景天、胡黄连、灵芝、黄芪、枸杞、黄芩等[44]。目前大多数研究集中在对药效的研究，也有一些研究者开展了中药在动物机体抗高原反应机理的研究。李文华等[45]研究发现，藏药红景天可提高对大鼠肺组织HIF-1a mRNA表达,有利于减轻大鼠低氧性高原肺水肿。李云虹[46]研究发现，西藏芜菁块茎提取物中的正丁醇相是其抗缺氧的有效活性部位,对香豆酸及其葡萄糖苷为主要功效成分之一。对香豆酸预防缺氧性脑水肿的主要作用机制涉及HIF-lα、VEGF、ET-1和AQP4 mRNA水平及蛋白表达的降低,进而降低了脑组织屏障通透性,缓解了缺氧造成的星形胶质细胞水肿，达到预防小鼠缺氧性脑水肿的作用。
高原土著动物经过长期的自然选择，从外观、组织器官结构、生理生化水平到与高原低氧环境相适应的基因型，都发生了稳定的遗传。而低海拔动物移居高原后会调动机体应对高原低氧应激发生反应。高原低氧环境会刺激动物机体呼吸心率等生理指标发生变化，并引起神经内分泌、组织器官结构、生理生化水平、细胞分子水平一系列的应答反应。目前，对于高原土著动物高海拔低氧适应性在生理结构特点、高原耐低氧候选基因挖掘、耐低氧的表观遗传学特点、胃肠微生物菌群特征等方面都有很大的研究进展，对低海拔动物高原低氧习服或引发的高原反应的生理特征及分子机理也有较深入的研究，但仍未系统性揭示高原土著动物对于高原低氧环境适应性的分子机制，高原地区引种及育种工作进展也较缓慢。结合低海拔动物移居高原后的机体应答机制研究发掘高原土著动物适应高原低氧环境的本质，利用现代基因组学技术，揭示高原土著动物对于高原低氧环境适应性的基因调控网络，探究动物机体高原适应性的表观遗传机制，研究高海拔高原土著动物胃肠微生物群落参与宿主适应高原环境的作用机制，研究维生素、氨基酸及抗高原反应药物促进动物高原环境适应性机制，可为高原地区引种及培育适应高原环境的动物新品种提供理论依据。
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