Нажмите здесь, чтобы открыть версию в формате PDF
Введение
На протяжении десятилетий одно из наиболее распространённых объяснений развития рубца у молодого телёнка было простым и убедительным: телёнок начинает потреблять стартерный корм, ферментируемые углеводы подвергаются ферментации в рубце, образуется бутират, а бутират стимулирует развитие эпителия рубца. По мере развития эпителий приобретает всё большую способность поглощать летучие жирные кислоты (ЛЖК) и превращать бутират (C4) в кетоновые тела, в частности в бета-гидроксибутират (BHBA). Поэтому повышение концентрации BHBA в крови часто рассматривают как свидетельство того, что телёнок становится функционально полноценным жвачным животным.
В этом объяснении есть значительная доля истины. Бутират, несомненно, влияет на рост и функцию эпителия рубца. Классическая работа Sander et al. (1959) показала стимулирующее действие бутирата натрия и пропионата на слизистую оболочку рубца молодых телят, а более поздние исследования выявили влияние бутирата на рост сосочков рубца, апоптоз, активность клеточного цикла, транспортёры ЛЖК и регуляцию внутриклеточного pH (Mentschel et al., 2001; Malhi et al., 2013; Niwińska et al., 2016). Однако более внимательное рассмотрение ряда ранних и современных исследований позволяет предположить, что привычное объяснение может быть неполным. В частности, оно может смешивать два взаимосвязанных, но различных процесса: рост эпителия рубца и метаболическую дифференцировку эпителиальной клетки.
Что мы понимаем под «развитием рубца»?
Развитие рубца часто рассматривают как единый процесс. Но это не так. Морфологическое развитие включает рост самого рубца, увеличение размеров сосочков и всасывающей поверхности, а также изменения толщины и структуры эпителия. Функциональное развитие включает способность поглощать ЛЖК, поддерживать внутриклеточный кислотно-щелочной баланс и метаболизировать поглощённые субстраты. Метаболическая дифференцировка включает переход от метаболизма эпителиальной клетки преджвачного животного к характерному метаболизму зрелого эпителия рубца, включая способность окислять бутират и образовывать BHBA и ацетоацетат.
Бутират может влиять на многие из этих процессов. Повышение концентрации бутирата в рубце связывают со снижением апоптоза, увеличением числа клеток, вступающих в фазу синтеза ДНК клеточного цикла, повышением экспрессии циклина D1 и усилением роста сосочков. Бутират также влияет на транспортные и гомеостатические белки, включая MCT1, MCT4, Na+/H+ обменники и протонные АТФазы (Niwińska et al., 2016). Это биологически важные эффекты. Однако они не обязательно означают, что именно бутират является сигналом, запускающим основную метаболическую дифференцировку клетки.
Подсказка от животных без нормальной ферментации в рубце
Наиболее серьёзный вызов простой модели, согласно которой развитие определяется бутиратом, дают эксперименты на ягнятах, у которых нормальная ферментация в рубце была сведена к минимуму. Giesecke et al. (1979) сравнили эпителий рубца ягнят, имевших доступ к твёрдому корму, с эпителием ягнят, содержавшихся на молочном кормлении. Как и ожидалось, у ягнят, получавших только молоко, эпителий рубца был морфологически слабо развит. Тем не менее к возрасту 9–10 недель этот «неразвитый» эпителий уже был полностью способен к значительному кетогенезу при добавлении бутирата in vitro. Более того, кетогенная способность существенно возрастала с возрастом даже в тех случаях, когда воздействие обычных продуктов ферментации в рубце было исключено.
Возрастной эффект был особенно выраженным. У ягнят на молочном кормлении образование BHBA из бутирата было относительно низким в возрасте одной недели и 3–4 недель, но резко возрастало к 9–10 неделям. Ткань приобрела метаболический аппарат, необходимый для использования бутирата, несмотря на то что животное не прошло обычную последовательность: потребление стартерного корма, развитие ферментации и устойчивое образование бутирата в рубце. Другими словами, наличие самого субстрата не было обязательным условием для того, чтобы ткань приобрела способность этот субстрат метаболизировать.
Lane et al. (2002) пришли к сходному выводу на основании изучения экспрессии генов. Они отслеживали экспрессию ферментов, участвующих в кетогенезе в рубце, включая HMG-CoA-синтазу — фермент, связанный с лимитирующим этапом образования кетоновых тел. Экспрессия этих ферментов увеличивалась с возрастом как у ягнят, выращиваемых традиционным способом, так и у ягнят на молочном кормлении. У животных, получавших молоко, экспрессия HMG-CoA-синтазы оставалась низкой в раннем возрасте, а затем резко увеличивалась примерно в 42–49 дней. К 84-дневному возрасту экспрессия кетогенных ферментов уже не различалась между вариантами кормления. Авторы пришли к выводу, что наличие ЛЖК в рубце не является обязательным условием для развития способности к кетогенезу.
Возможно, телёнок готовится к C4
Эти наблюдения позволяют по-другому взглянуть на развитие эпителия. Возможно, бутират не является молекулой, которая «сообщает» незрелой эпителиальной клетке, что ей пора стать клеткой эпителия рубца. Вместо этого метаболическая дифференцировка может в значительной степени определяться онтогенетической программой. На определённом этапе постнатального развития — примерно в возрасте 4–7 недель в этих исследованиях на ягнятах — эпителий начинает активировать ферменты и метаболические пути, необходимые для формирования зрелого фенотипа рубца.
С функциональной точки зрения животное как будто заранее готовит рубец к субстрату, который вскоре станет доступен в больших количествах. Программа развития формирует способность метаболизировать C4 ещё до того, как значительные количества C4 обязательно появятся в рубце. Когда увеличивается потребление стартерного корма и усиливается ферментация в рубце, бутират поступает к эпителию, который уже приобретает способность его поглощать и метаболизировать. В этот момент бутират может служить источником энергии, трофическим фактором и регулятором транспорта и клеточной функции. С этой точки зрения доступность бутирата хорошо синхронизирована с процессом развития и может ускорять и усиливать его, но сам бутират, возможно, не является фактором, запускающим метаболическую дифференцировку.
Такое объяснение также помогает понять, почему рацион всё же имеет значение. Lane et al. обнаружили признаки того, что кормление влияло на сроки экспрессии HMG-CoA-синтазы примерно до 42-дневного возраста, хотя в конечном итоге программа развития продолжалась и у ягнят на молочном кормлении. Поэтому наиболее разумная модель, вероятно, не сводится к выбору между «возрастом или бутиратом». Скорее, существует зависимая от возраста программа развития, которую среда рубца может модифицировать и ускорять и которая благодаря этой среде получает функциональное выражение.
Бутират по-прежнему биологически важен
Всё это не означает, что потребление стартерного корма или образование бутирата в рубце не имеют значения. Важно различать запуск дифференцировки и влияние на уже развивающийся орган. Многократно показано, что бутират стимулирует рост сосочков и изменяет метаболизм эпителия. В обзоре Niwińska et al. (2016) обобщены данные о том, что бутират уменьшает апоптоз, ускоряет клеточный цикл, обеспечивает энергетические потребности пролиферирующих эпителиальных клеток и усиливает работу систем, участвующих в поглощении ЛЖК и поддержании внутриклеточного гомеостаза. Именно такие адаптации необходимы, когда ферментация становится основным источником питательных веществ.
В то же время не каждый эксперимент демонстрирует простую и однозначную реакцию на бутират. В исследовании на телятах Ceh (2019) не обнаружил явного влияния перорального введения бутирата натрия на площадь сосочков, концентрацию BHBA, пролиферацию эпителия или содержание MCT1 и MCT4. Исследование имело существенные ограничения, особенно неопределённость относительно того, попадал ли применяемый препарат непосредственно в рубец, поэтому эти результаты не доказывают отсутствие действия бутирата. Однако они показывают, что простое введение бутирата не обязательно воспроизводит весь процесс развития рубца.
Более современные исследования также позволяют предположить, что сам BHBA может участвовать в сигнальной сети, а не быть только конечным продуктом метаболизма или маркером в крови. Zhuang et al. (2026) добавляли натриевую соль BHBA в рацион молодых козлят и наблюдали увеличение высоты и ширины сосочков, а также изменения эпителиальных метаболических путей, связанных с обменом липидов, аминокислот и энергии. Интересно, что концентрации основных ЛЖК в рубце между группами не различались. Добавление BHBA также увеличивало потребление сухого вещества, поэтому однозначно разделить причину и следствие невозможно. Тем не менее исследование подтверждает представление о том, что развитие рубца определяется взаимодействием сигналов между метаболитами, эпителием, потреблением корма и микробиомом.
Что это означает для сухого корма и отъёма?
Практический вывод не состоит в том, чтобы уменьшить значение потребления стартерного корма. Телёнка невозможно успешно отнять от молока только благодаря онтогенетической программе развития. Твёрдый корм необходим для формирования ферментирующей микробной экосистемы, образования ЛЖК, увеличения содержимого рубца, стимулирования всасывающей и транспортной способности и обеспечения достаточного количества питательных веществ для замены тех, которые ранее поступали с молоком. Сухой корм создаёт ту метаболическую «работу», с которой развивающийся рубец должен научиться справляться.
Однако формулировка имеет значение. Вместо утверждения, что потребление сухого корма вызывает развитие рубца потому, что при его ферментации образуется бутират, возможно, точнее сказать, что сухой корм подвергает развивающийся рубец воздействию субстратов и метаболической нагрузки, которые ускоряют и завершают его адаптацию к рубцовому пищеварению. Возраст формирует часть необходимой способности; ферментация обеспечивает нагрузку и субстрат.
Это различие может также повлиять на интерпретацию BHBA. Концентрация BHBA в крови отражает не только потребление стартерного корма или образование бутирата в рубце. Она зависит от доступности бутирата, массы эпителия и его всасывающей способности, возраст-зависимой экспрессии кетогенных ферментов и использования кетоновых тел периферическими тканями. Поэтому BHBA является полезным показателем перехода к метаболизму жвачного животного, но его не следует рассматривать как простой индикатор того, насколько сухой корм «развил» рубец.
Основной вывод
Традиционная схема — потребление стартерного корма приводит к ферментации, образованию бутирата, развитию рубца и образованию BHBA — в целом полезна, но, вероятно, слишком линейна. Бутират является важным источником энергии, трофическим фактором и регулятором метаболизма. Однако данные, полученные на ягнятах при молочном кормлении, показывают, что значительная часть метаболической дифференцировки эпителия рубца происходит с возрастом даже при отсутствии нормального воздействия ЛЖК, образующихся в рубце.
Более подходящая рабочая модель заключается в том, что у молодого жвачного животного существует внутренняя программа развития, которая подготавливает эпителий рубца к периоду, когда C4 и другие продукты ферментации станут поступать в больших количествах. Потребление стартерного корма и ферментация не создают эту программу; они взаимодействуют с ней, ускоряют морфологическую и функциональную адаптацию и в конечном итоге делают рубец способным обеспечивать потребности телёнка после отъёма от молока. Это более сложная история, чем простое утверждение «бутират развивает рубец», но, возможно, именно поэтому она и более полезна.
Литература
Ceh, C. A. 2019. Environmental, Biochemical, and Dietary Factors that Influence Rumen Development in Dairy Calves. M.S. thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA.
Giesecke, D., U. Beck, S. Wiesmayr, and M. Stangassinger. 1979. The effect of rumen epithelial development on metabolic activities and ketogenesis by the tissue in vitro. Comparative Biochemistry and Physiology Part B 62:459–463. https://doi.org/10.1016/0305-0491(79)90118-4.
Lane, M. A., R. L. Baldwin VI, and B. W. Jesse. 2002. Developmental changes in ketogenic enzyme gene expression during sheep rumen development. Journal of Animal Science 80:1538–1544.
https://doi.org/10.2527/2002.8061538x.
Malhi, M., H. Gui, L. Yao, J. R. Aschenbach, G. Gäbel, and Z. Shen. 2013. Increased papillae growth and enhanced short-chain fatty acid absorption in the rumen of goats are associated with transient increases in cyclin D1 expression after ruminal butyrate infusion. Journal of Dairy Science 96:7603–7616. https://doi.org/10.3168/jds.2013-6700.
Mentschel, J., R. Leiser, C. Mülling, C. Pfarrer, and R. Claus. 2001. Butyric acid stimulates rumen mucosa development in the calf mainly by a reduction of apoptosis. Archives of Animal Nutrition 55:85–102. https://doi.org/10.1080/17450390109386185.
Niwińska, B., R. Klebaniuk, and K. Bilik. 2016. The role of butyric acid in the functional development of rumen epithelium in calves. Roczniki Naukowe Zootechniki 43(2):113–123.
Sander, E. G., R. G. Warner, H. N. Harrison, and J. K. Loosli. 1959. The stimulatory effect of sodium butyrate and sodium propionate on the development of rumen mucosa in the young calf. Journal of Dairy Science 42:1600–1605. https://doi.org/10.3168/jds.S0022-0302(59)90772-6.
Zhuang, Y., G. Liu, C. Jiang, M. M. Abdelsattar, Y. Fu, Y. Li, N. Zhang, and J. Chai. 2026. Dietary beta-hydroxybutyrate sodium alters rumen microbiome and nutrient metabolism in the rumen epithelium of young goats. Journal of Integrative Agriculture 25(4):1619–1635.
https://doi.org/10.1016/j.jia.2024.11.016.