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作為恒溫動(dòng)物的小鼠和人類都要維持體溫恒定,環(huán)境溫度低時(shí)通過(guò)產(chǎn)熱,環(huán)境溫度高時(shí)通過(guò)散熱,來(lái)維持體溫的恒定。那么某種恒溫動(dòng)物何時(shí)需要產(chǎn)熱,何時(shí)開(kāi)啟散熱呢?這主要取決于該物種的熱中性溫度。
熱中性溫度是指生物體不必通過(guò)產(chǎn)生或散發(fā)熱量就可以維持體溫恒定的溫度值。當(dāng)環(huán)境溫度低于熱中性溫度時(shí),生物體會(huì)啟動(dòng)產(chǎn)熱;而環(huán)境溫度高于熱中性溫度時(shí),生物體則會(huì)啟動(dòng)散熱。產(chǎn)熱主要靠細(xì)胞代謝形成的熱量,因此與有機(jī)體的體積正相關(guān)(體積越大細(xì)胞數(shù)越多);而散熱則與機(jī)體的體表面積正相關(guān),體表面積越大,散熱越快。故恒溫動(dòng)物維持體溫平衡的能力可以用其體表面積與體積的比值來(lái)判定,比值越大,用以維持體溫平衡所需產(chǎn)生的熱量也就越多。進(jìn)化上,自然選擇會(huì)趨向于保留那些減少熱量散失的個(gè)體,以確保動(dòng)物盡可能減少在熱量上的消耗,因此散熱快的動(dòng)物相較于散熱慢的動(dòng)物,其熱中性溫度值會(huì)更高。如小鼠的體表面積與體積比大概是人類的15倍(0.3
vs
0.02)[1]。因此,雖然小鼠與人類具有相似的核心體溫都處在36-37°C范圍內(nèi),但小鼠的熱中性溫度約為30°C,要遠(yuǎn)高于人類22°C。熱中性溫度環(huán)境下,動(dòng)物的體感舒適,故在環(huán)境溫度為30°C的設(shè)施內(nèi),小鼠的體感最佳。>>>商務(wù)洽談,點(diǎn)此處,在線咨詢
然而,為了方便實(shí)驗(yàn)人員和管理人員開(kāi)展工作,并降低成本,小鼠通常被安置在低于其熱中性溫度的設(shè)施內(nèi)。如,我國(guó)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境設(shè)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14925就將小鼠飼養(yǎng)設(shè)施的環(huán)境溫度范圍定在了20到26℃之間。在國(guó)標(biāo)的指導(dǎo)下,各設(shè)施管理者通常會(huì)將環(huán)境溫度控制在22℃左右。這恰好是輕便著裝人類的熱中性溫度,故設(shè)施內(nèi)的工作人員感覺(jué)會(huì)非常舒適。當(dāng)然,只要食物充足、外加有可以筑巢的材料和適應(yīng)的時(shí)間,小鼠在20°C下也能很好地生存。但總是處于低于熱中性溫度的環(huán)境下,會(huì)不會(huì)對(duì)小鼠的身體狀態(tài)(福利)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響呢?如果會(huì),那么存在哪些影響呢?
首先,在行為上,成群飼養(yǎng)的小鼠會(huì)擠在一起以相互取暖,而小鼠熱衷于筑巢的部分原因也是為了抵御寒冷。其次,生理上也會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,如環(huán)境溫度在30°C時(shí),小鼠心率的平均值約為375次/分,而在22°C的設(shè)施內(nèi),其心率會(huì)增加至平均575次/分[2]。由于心率與血壓高度相關(guān),故隨著心率上升,血壓也會(huì)隨之升高。此外,環(huán)境溫度過(guò)低時(shí),動(dòng)物會(huì)通過(guò)增強(qiáng)交感神經(jīng)活性以促進(jìn)代謝來(lái)適應(yīng)寒冷的環(huán)境。交感神經(jīng)系統(tǒng)激活時(shí)能量會(huì)從免疫系統(tǒng)挪走用于生產(chǎn)熱量,因此會(huì)對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用。盡管這種反應(yīng)有利于生物體適應(yīng)短期的寒冷暴露,但交感神經(jīng)系統(tǒng)長(zhǎng)期激活則最終會(huì)導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的運(yùn)作方式發(fā)生改變。表現(xiàn)為,在冷應(yīng)急狀態(tài)下,免疫細(xì)胞代謝減少和通過(guò)提高體溫調(diào)定點(diǎn)(發(fā)燒)來(lái)抵御入侵的外來(lái)病原的能力減弱。由此可見(jiàn),22°C的設(shè)施環(huán)境溫度設(shè)置顯然會(huì)對(duì)小鼠的健康和福利產(chǎn)生了不利的影響。
有趣的是,人類的心率主要受迷走神經(jīng)調(diào)節(jié)。但在22°C冷應(yīng)急環(huán)境下飼養(yǎng)的小鼠中,卻無(wú)法觀察到迷走神經(jīng)對(duì)其心率有任何調(diào)控作用。只有把小鼠飼養(yǎng)設(shè)施的溫度提高到30°C時(shí),迷走神經(jīng)對(duì)其心率的調(diào)控作用才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)[3]。在現(xiàn)代世界中,人類大部分時(shí)間都是在接近熱中性的溫度下度過(guò)的,而作為探索人類疾病使用最多的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物——小鼠卻生活在遠(yuǎn)低于其熱中性溫度的環(huán)境設(shè)施中。過(guò)低的環(huán)境溫度顯然也會(huì)對(duì)以小鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展的藥物臨床前評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。例如,與22°C的室溫條件相比,在30°C下飼養(yǎng)的高脂飲食小鼠會(huì)獲得更多的脂肪組織,肝細(xì)胞會(huì)沉積更多脂質(zhì),葡萄糖不耐癥也會(huì)升高且會(huì)有更多的脂肪組織炎癥發(fā)生。因此,我們可以說(shuō),當(dāng)下有關(guān)小鼠的研究結(jié)果是其處在冷應(yīng)激下的展示,將這樣的研究結(jié)果外推到處于舒適生活下的人類顯然缺少合理性。
總之,當(dāng)下小鼠所處的設(shè)施環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于其熱中性(最適)溫度,這使得它們長(zhǎng)期處于冷應(yīng)急狀態(tài),不得不以激活交感神經(jīng)系統(tǒng)、提升心率和血壓,進(jìn)而燃燒更多的能量為代價(jià)來(lái)維持其體溫恒定。這種環(huán)境溫度設(shè)置顯然既降低了小鼠的福利,也影響著以其作為人類替難者而開(kāi)展的科學(xué)研究的有效性。然而,全面、一致和徹底地解決小鼠設(shè)施溫度過(guò)低問(wèn)題卻面臨著如下兩個(gè)障礙。首先,將設(shè)施溫度從22°C提高到30°C會(huì)面臨著巨大的投入和運(yùn)行成本增加(需要更多的取暖設(shè)備和能源花費(fèi));其次, 30°C室溫對(duì)動(dòng)物設(shè)施內(nèi)的工作人員來(lái)說(shuō)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性,在某些情況下甚至可能是危險(xiǎn)的。
顯然,在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利和科學(xué)研究結(jié)果有效性與經(jīng)濟(jì)成本增加和從業(yè)人員福利和安全受到威脅之間做出選擇是困難的。因此,目前這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有解決方案,或許我們可以從籠器具的設(shè)計(jì)上尋找突破口,比如開(kāi)發(fā)可單獨(dú)控溫的籠器具或者籠盒。
來(lái)源:實(shí)驗(yàn)動(dòng)物那些事兒公眾號(hào)
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