动物营养代谢调控的数学模型化研究进展 (3)
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动物营养学的研究方法动物营养学是研究动物摄取、消化、吸收和利用营养物质的科学,因此,如何科学地进行动物营养学研究是十分重要的。
动物营养学研究方法多种多样,包括用于测定营养素的化学方法、测定疾病的生物学方法、测定细胞和分子水平的分子学方法等。
本文将介绍一些常用的动物营养学研究方法。
一、生物学方法生物学方法是一种研究动物对各种饲料的反应和生理代谢的方法。
这类方法通常涉及动物的生长速度、饲料摄入量、元素代谢率、泌乳量等指标的测定。
常用的生物学方法包括:1.生长研究生长研究是一种基本的动物营养学方法。
通过对动物生长曲线的测定,可以了解不同饲料对动物生长的影响,从而确定动物所需的饲料或营养素。
2. 元素代谢率测定元素代谢率(EMR)测定是研究代谢的重要方法,通常用于测定动物对不同饲料中矿物质的吸收情况。
测定EMR需要对饲料进行标记,然后测定动物体内的同位素含量,进而计算出EMR。
3. 泌乳研究泌乳研究是以母牛产奶量、奶脂率和奶蛋白质含量等为观测指标的研究方法。
通过对不同饲料组的牛奶产量和品质的比较,可以确定最适宜的饲料或营养素组合。
二、化学方法化学方法是一种量化营养素的方法。
这种方法通常基于测定动物组织或排泄物中的化学成分,从而研究不同饲料或营养素对营养物质的影响。
常用的化学方法包括:1. 量化饲料成分化学方法最基本的应用之一是分析不同饲料中的主要成分。
通过分析饲料中碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素和矿物质等主要成分,可以为动物研究提供重要的营养学信息。
2. 分析动物组织或排泄物中的化学成分化学方法也可以用于分析动物体内的化学成分。
例如,通过分析粪便、尿液、尿素和血清等样品中的蛋白质、氮、磷、钙等元素,可以确定动物对特定饲料的反应。
三、分子学方法分子学方法是一种研究营养素和基因之间关系的方法,它可以揭示营养素与基因之间的相互作用,从而为动物营养学研究提供更深入的信息。
常见的分子学方法包括:1. 分子生物学方法分子生物学方法主要研究营养与生物过程之间的关系。
动物的营养与代谢实验教学方法总结动物的营养与代谢实验是动物科学、生物学和医学等领域的重要教学内容。
通过实验,可以深入探究动物的营养需求、代谢过程以及相关疾病的发生机制等。
本文将总结动物的营养与代谢实验教学的一些常用方法,并阐述其优缺点及适用范围。
一、饲料成分分析法饲料成分分析是了解饲料中各种营养成分含量及比例的常用方法。
这种方法通过对饲料样品的化学分析,可以获得多种重要的营养数据,如粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维、无氮物质等。
通过对不同饲料样品进行分析,可以评估不同饲料对动物生长和代谢的影响。
优点:能够直接了解饲料的营养成分,并评估其适用性。
缺点:需要专业实验室进行化学分析,成本较高,需要较长时间。
适用范围:主要用于营养饲料研究、饲料配方设计等。
二、代谢率测定法代谢率测定是了解动物体内能量产生和消耗情况的常用方法。
通过测定动物在实验条件下的氧气摄入量和二氧化碳产生量,可以计算出体内的代谢率。
代谢率是评估动物能量代谢和营养状态的重要指标。
优点:能够客观准确地评估动物的代谢状况。
缺点:需要专业仪器设备以及对动物容器环境的严格控制。
适用范围:主要用于代谢研究、能量平衡评估等。
三、行为观察法行为观察是一种非常直观的实验方法,通过观察动物在特定环境下的行为表现,了解其对营养和代谢的反应。
比如观察动物的进食行为、活动情况、休息时长等信息,可以间接评估其获得营养和能量的效率。
优点:方法简单直观,不需要特殊实验设备。
缺点:结果受人为主观因素影响较大,可能存在误差。
适用范围:主要用于动物行为学、食性研究等。
四、生化指标测定法生化指标测定是通过分析动物体内生化物质的含量和活性来评估其营养状况和代谢活动的常用方法。
通过血液、组织或尿液样品的采集和化学分析,可以获得多种生化指标,如血糖、脂肪代谢产物、酶活性等。
优点:能够提供详细的生化数据,评估动物体内营养和代谢的变化。
缺点:需要专业实验室进行生化分析,操作较为复杂。
适用范围:主要用于动物体内代谢过程及相关疾病的研究。
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动物营养代谢调控的数学模型化研究进展易渺杨琴熊本海*(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,动物营养学国家重点实验室,北京100193)摘要:模型是现实情景的再现。
在营养、代谢和生物医学等领域,很早就开始利用数学模型来辅助进行相关研究了。
动物数学模型化技术作为一种行之有效的研究手段,不仅能总结动物营养学过去的科研成果、整合现有的理论知识,更能指明动物营养学未来研究的方向或具体的领域。
本文立足数学模型的内涵,详细介绍了动物数学模型的分类和动物系统的层次结构,通过阐释动物营养代谢模型中的调控理论和调控形式,总结了近30年来主要的动物营养代谢调控模型,尤其与激素有关的代谢调控模型的新进展,最后分析了营养模型化研究所面临的挑战和发展趋势。
数学模型在动物营养代谢调控中的应用,对于预测动物营养需要、绘制动物体内营养物质代谢调控通路具有重要意义。
关键字:数学模型;模型化;营养;代谢调控;激素模型是现实情景的再现。
早在二战之前,营养、代谢和生物医学等领域就已经开始利用模型来辅助进行相关研究了[1]。
作为一类描述现实情景的工具,很多模型将现有理论知识与生产实践相结合,从而预测动物的营养需要量、改善动物生长性能、减少养分排泄并最终降低生产成本[2]。
毫不夸张的说,自20世纪初开始,几乎所有动物营养学的研究成果都被直接或间接地用于营养需要量模型的构建、评估和改进[3]。
随着营养模型研究的发展,动物生理、生化、遗传及环境方面的知识渐成体系,面对海量的试验数据,能否通过模型化技术来量化并描绘出动物体内代谢反应中的细节,能否恰当地描述动物的代谢反应及其对营养需要量产生的影响,对经济动物的高效饲养至关重要。
1 动物数学模型分类和动物系统的层次结构1.1 动物数学模型分类数学模型依据不同的评价标准可划分为确定型(Deterministic)或随机型(Stochastic),静态型(Static)或动态型(Dynamic),以及经验型(Empirical)或机理型(Mechanistic)[4]。
<中国畜牧兽医学会养牛学分会2011年学术研讨会》论文集肉牛能量代谢及研究进展瞿明仁(江西农业大学动物科技学院,南昌,330045)摘要:能量是动物维持生命活动及生长、繁殖、生产等所必需的,是动物的第一营养需要。
各种动物对能量的消化、代谢和利用均有所不同。
本文阐述了肉牛能量代谢的特点、能量体系与研究进展进行综述。
以期促进我国肉牛能量代谢及需要量的研究。
关键词:肉牛,能量代谢,研究进展中图分类号:$823.4+9 文献标识码:AResearch Progress and Develop me nt of Beef Cattle Energy MetabolismQu Mi ngr en(College o f Animal Science and Te ch n ol og y,Ji a ng xi A gr i c ul t u ra l U n iv e r si t y,N an c ha n g,J i an g xi30045,P R.China)Abstra ct:E nerg y is necessary fo r animal to maintain the l ife,gr ow th,re pr odu ct io n an dpro du ct ion.Th ere ar e a lot of d if f er e nc e be tw ee n animals o f var ieti es in digesting,metabolism andnutrien ts.Wi th a vie w to pro mot in g Ch i n a's energy metabo li sm and requirements of beefutil iza tio n o fthis paper described t he f ea t ur es of en ergy metaboli sm,ene rgy systems and re s e a rc hcattle rese arch,beef cattleprogre ss inWords:beef ca tt l e,energy metabolis r e s e ar c h progressKey能量是动物维持生命活动及生长、繁殖、生产等所必需的,是动物的第一营养需要。
动物营养学的研究现状及前景动物营养学是研究动物饲料、饲养管理和动物消化代谢相关问题的学科。
它不仅关系到农业生产,还涉及到动物健康、食品安全和环境保护等领域。
随着科技的不断发展和人们对食品安全的重视,动物营养学的研究也越来越受到关注。
本文将就动物营养学的研究现状及前景进行探讨。
一、动物营养学的研究现状1.饲料成分的调整食品安全问题一直是人们比较关心的话题,而饲料作为动物生产的重要组成部分,其安全性也备受关注。
近年来,动物营养学的研究者们开始尝试调整饲料成分,以保证食品的安全性。
例如,将过量的植物蛋白和粗纤维减少,同时增加动物蛋白和能量成分的含量。
这样可以提高动物的生长速度和饲料利用率,同时减少环境污染和食品安全风险。
2.微生物的应用微生物在动物营养学中扮演着重要的角色,它们可以促进动物的消化和吸收,同时也能够增强免疫力。
近年来,研究者们开始关注并应用微生物,在改良饲料中的配方以及动物饲养管理中进行试验。
例如,利用酸化剂、益生菌等调节肠道微生物群落的组成,从而改善大肠杆菌、沙门氏菌等致病菌对肠道的侵袭。
3.研究代谢通路代谢通路是动物营养学中非常重要的研究方向。
它可以帮助解决一系列问题,例如饲料利用率低、肠道微生物紊乱等,同时也能够提高动物生产性能和食品质量。
目前,研究者们利用遗传学、生物化学、代谢组学等方法,对代谢通路的调节及其机制进行了深入的研究。
这些研究不仅对提高动物生产性能有重要的启示作用,同时也能够为人类健康提供指导。
二、动物营养学的未来发展方向1.绿色化饲料绿色化饲料是指在生产过程中减少化肥和农药等化学物质的使用,以及减少对土地、水源等生态环境的污染。
随着人们对环境保护意识的逐步提高,绿色化饲料的需求也越来越大。
研究者们将进一步深入探究绿色化饲料的研究方向,通过研究和实践,推动动物饲养业实现可持续发展,促进农业的绿色生态化。
2.精准营养精准营养是指根据动物的生长特点和环境因素,精确定量饲料中各种营养素的含量和比例。
代谢综合征大鼠模型的建立【关键词】代谢综合征代谢综合征(metabolic syndrome,MS)是一种涉及多种代谢异常、与心血管病紧密联系的疾病状态,其中以肥胖(超重)、血压、血糖和血脂异常四项为突出,MS患者DM风险增高5倍,CVD风险增高3倍,心血管死亡率增高2倍,总死亡率风险增高1.5倍[1]。
因此,研究代谢综合征的防治对于降低上述疾病的死亡率非常重要,而实验动物模型的建立是该研究工作的重要前提。
1 实验材料1.1 实验动物选用离乳健康性Sprague-Dawley(SD)大鼠100只,雌雄各半,体重49~70g,普通清洁级,购自山东中医药大学实验动物中心,动物生产许可证号:SCXK(鲁)20050015。
1.2 动物饲料基础饲料为山东中医药大学实验动物中心提供普通清洁级动物饲料,高脂高热量饲料参照文献[2,3]改进,配方为:普通饲料56%,猪油10%,白糖10%,奶粉10%,蛋黄12%,豆粉2%。
白糖为山东省东方糖业有限公司生产的天园牌优级绵白糖,批号为GB1445,奶粉为内蒙古伊利实业集团股份有限公司生产的全脂甜奶粉,批号为81211F3,猪油、蛋黄、豆粉均由市场购买。
两种饲料组成及营养成分见表1。
1.3 主要试剂与仪器 Olypus Au2700全自动生化分析仪(日本东芝公司生产),奥林巴斯诊断产品有限公司提供的血糖、甘油三酯、总胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇试剂盒,批号:OSR6121。
电子天平YP600型(上海精科天平仪器厂),电子动物称(北京六一仪器厂),高速台式离心机TDL-5型(上海安亭科学仪器厂)。
2 实验方法2.1 分组喂养离乳SD大鼠100只,随机分为2组:对照组20只(雌雄各半)给基础饲料,高脂组80只(雌雄各半)给高脂高热量饲料喂养。
大鼠实验期间均自由摄食和饮水,饲料和水每日更换一次,饲养环境清洁,自然光照,温度20~25℃,湿度50%~70%,通风良好,共喂养8周。
动物营养代谢调控的数学模型化研究进展易渺杨琴熊本海*(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,动物营养学国家重点实验室,北京100193)摘要:模型是现实情景的再现。
在营养、代谢和生物医学等领域,很早就开始利用数学模型来辅助进行相关研究了。
动物数学模型化技术作为一种行之有效的研究手段,不仅能总结动物营养学过去的科研成果、整合现有的理论知识,更能指明动物营养学未来研究的方向或具体的领域。
本文立足数学模型的内涵,详细介绍了动物数学模型的分类和动物系统的层次结构,通过阐释动物营养代谢模型中的调控理论和调控形式,总结了近30年来主要的动物营养代谢调控模型,尤其与激素有关的代谢调控模型的新进展,最后分析了营养模型化研究所面临的挑战和发展趋势。
数学模型在动物营养代谢调控中的应用,对于预测动物营养需要、绘制动物体内营养物质代谢调控通路具有重要意义。
关键字:数学模型;模型化;营养;代谢调控;激素模型是现实情景的再现。
早在二战之前,营养、代谢和生物医学等领域就已经开始利用模型来辅助进行相关研究了[1]。
作为一类描述现实情景的工具,很多模型将现有理论知识与生产实践相结合,从而预测动物的营养需要量、改善动物生长性能、减少养分排泄并最终降低生产成本[2]。
毫不夸张的说,自20世纪初开始,几乎所有动物营养学的研究成果都被直接或间接地用于营养需要量模型的构建、评估和改进[3]。
随着营养模型研究的发展,动物生理、生化、遗传及环境方面的知识渐成体系,面对海量的试验数据,能否通过模型化技术来量化并描绘出动物体内代谢反应中的细节,能否恰当地描述动物的代谢反应及其对营养需要量产生的影响,对经济动物的高效饲养至关重要。
1 动物数学模型分类和动物系统的层次结构1.1 动物数学模型分类数学模型依据不同的评价标准可划分为确定型(Deterministic)或随机型(Stochastic),静态型(Static)或动态型(Dynamic),以及经验型(Empirical)或机理型(Mechanistic)[4]。
确定型和随机型模型的定义:按自变量和因变量之间是否有确定性关系,模型可以分为确定性模型或随机性模型。
对于确定性模型,它不包含任何随机元素,只要设定了自变量和各个自变量之间的关系,其因变量也是确定的;而随机性模型含有随机性成分,基于给定的自变量,只能得到因变量的概率分布。
静态型和动态型模型的定义:按是否含有时间变量,模型可以分为静态模型和动态模型。
动态模型将时间因素作为一个自变量整合进来,使用状态变量和速率变量来描述动物体内营养物质代谢的动态变化;而静态模型则没有时间变量,不能随时间的变化进行预测。
经验型和机理型模型的定义:按是否有生物机理性描述,模型又可分为经验模型和机理模型。
经验模型是通过对大量动物试验数据进行拟合而建立起来的回归模型。
最典型的回归模型是正交多项式回归模型,它具有普适性。
作为数理统计的产物,它不说明收稿日期:基金项目:973计划课题(2011CB100805),863计划课题(2012AA101905)作者简介:易渺(1987-),男,湖南常德人,硕士研究生,主要从事动物营养与饲料科学研究。
E-mail: ym_caas@通讯作者:熊本海(1963-),湖北红安人,研究员,博士生导师,E-mail: Bhxiong@任何动物营养机理,不包含任何科学原理,模型中的参数没有生物学含义。
而包括动物营养学在内的机理模型在建模过程中对某些生物现象进行了一定程度的理解和阐释,整合了基本的生理生化和营养学理论,能从机理的角度对某些营养代谢过程进行描述而给出特定的模式模型,比经验模型更具有生物学意义。
机理模型中的参数(a、b或c等)或者这些参数的组合均揭示出研究对象的一些生理、营养或生产特性。
最典型的机理模型代表有Φrskov和McDonald[5]提出的饲料在瘤胃的降解模型,其中的参数A、B及K d 均具有生物学含义。
此外,熊本海等[6]也总结了3种典型的描述奶牛泌乳曲线的wood模型、Gompertz模型及Dijkstra模型中参数的含义,尤其基于这些参数派生出的奶牛泌乳特性参数,如起始泌乳产量y0、泌乳高峰日产量y m、出现高峰时的天数t m等,都可以通过上述3种模型中的参数去描述。
因此,在获得研究事物或研究对象的机理模型后,往往通过比较模型中的参数就可以获得一些规律性的结果。
基于上述对3组模型的定义,不难发现还存在1种比较典型的复合模型,这就是机理-动态型模型,即机理模型中的自变量为时间变量的模型。
上述的瘤胃饲料降解模型中的自变量一般为饲料在瘤胃的滞留时间(t,h),3种泌乳曲线模型的自变量为泌乳天数(DIM,d)。
因此,它们均为机理–动态型模型。
实际上,在目前已经给出的动物营养与生理的调控模型中,最主要的模型形式是机理–动态型模型。
1.2 动物系统的层次结构要真正认识到数学模型在动物营养学研究中所扮演的角色,不仅要了解动物数学模型的类型,还需要了解动物系统的层次结构(表1)[7]。
表1中任何一个层次都可以认为是一个系统,该系统以下的层次可以看做是它的子系统。
这种层次结构具有如下特征:第一,每一个层次都是由它下一个层次组成的系统性集合。
比如,比如i层次就是由i-1层次组成的集合体;第二,每一个层次都有自己独特的概念和描述方法。
比如在i+3和i+2层次,即动物群体和动物个体层次可以用营养水平或日增重来描述该层次的状态或变化,但是对i-1层次,即细胞层次,这两个指标对其状态和变化的描述毫无意义;第三,想要调控某一层次的状态和变化,就必须了解和优化它以下层次的功能才有可能。
比如,要想对奶牛(i+2层次)的乳品质形成进行解释、模拟和调控,就必须首先要对其瘤胃、小肠、肝脏和乳腺等器官(i+1层次)甚至脂肪组织、蛋白组织(i层次)的营养代谢过程进行较为细致地研究。
表1 动物系统的层次结构Table 1 Organizational hierarchy of biological system层次Level 层次结构说明Description of Level………i+3 动物群体Herd of animalsi+2 动物个体Animali+1 器官Organsi组织Tissuesi-1 细胞Cellsi-2 细胞器Organellesi-3 生物大分子Macromolecules………当研究集中在某个层次时,尽可能多地涉及相对低层次的一些过程,便会更多的接近机理。
从另一个角度上来说,描述“黑箱”的经验模型与描述“灰箱”的机理模型的界线并不明显,所谓的“机理”都是相对的。
随着理论研究的不断深入,知识的不断积累,现在的机理模型也有可能变成未来科研工作者眼中的经验模型。
这种将动物系统划分为不同结构层次的“模块化”思维方法,避免了研究过程中对动物各个结构层次的过度延伸与拓展,能有效减少知识归纳的范围和难度;同时还可以保证较低结构层次的最新研究数据和理论不断地被整合补充进来,以优化较高结构层次的生理代谢过程,增加了整个知识体系的可塑性。
可以说,这是联系模型化研究与实验性研究的关键环节[8]。
2 营养代谢调控及其模型2.1 生理学的营养代谢调控理论营养代谢是机体生命活动的基本特征,机体通过营养代谢不断与外界环境进行物质交换,提供日常活动所需的能量,并将各种营养素吸收后完成各种功能活动[9]。
动物的的营养代谢主要包括碳水化合物代谢、蛋白质代谢及脂肪代谢,高等动物依靠神经–内分泌系统对营养物质的消化、吸收、分解、合成等过程进行干预,从而实现对营养物质代谢的调控。
从运行机制上看,动物机体营养调控功能是通过细胞水平调节、激素水平调节和整体水平调节3种调节方式来实现的[10]。
其中,细胞水平调节是基础,激素和神经系统对代谢的调节都是通过细胞水平的调节来完成的。
在中枢神经系统的控制下,通过生物电化学作用直接影响靶细胞,或借助特定激素的分泌来调节某些细胞的代谢和功能,并在各种激素的相互协调之下对机体内部的营养过程及其相关生理活动进行综合性调节。
2.2 动物模型常用的调控理论2.2.1 稳衡机制(Homeostasis)动物机体在受到内外环境扰动的情况下凭借稳衡应答机制(Homeostatic Response Mechanism)恢复到生理平衡状态的能力,是动物生存所必需的[11]。
机体通过稳衡作用将其内环境中的各种营养物质浓度控制在理想水平范围内,以维持机体正常的整体生理功能。
不同营养物质营养和代谢的稳衡控制运行机制有各自特点,但也有共同点,即在神经–体液系统的调节下,通过负反馈机制来实现对营养物质代谢的稳衡状态进行整体性调控[12]。
但动物的这种稳衡状态的调控能力也是有限度的,例如若奶牛在分娩前后的围产期处于不利的营养环境,便会发生许多代谢疾病[13]。
2.2.2 谐调机制(Homeorhesis)动物机体从外界获得的营养物质会按不同比例分配到各个组织器官,以满足不同生理功能的需要[11]。
早在1980年,Bauman等[14]研究奶牛妊娠期和泌乳期的营养物质分配时,提出了谐调控制(Homeorhetic Regulations)的术语,并将它作为营养物质分配的主要机制之一,将其内涵定义为“为了支持动物某一生理功能,机体组织代谢所必需的谐调或协同变化”。
动物通过谐调控制使动物机体内某些组织或某些生理功能获得营养物质供应的优先权[12],进而调控机体不同生理阶段营养物质分配的倾向性或流动的方向。
与稳衡控制在营养环境变化时表现出的被动调控或被动适应不同,谐调控制更多的是强调动物机体在营养代谢、分配过程中的主动调控[15]。
2.3 动物模型中的调控形式通常动物有机体可以看成一种由多个区间构成的系统,该系统含有两个主要的子系统——运转子系统和调控子系统[16]。
运转子系统由不同生理功能的组织器官和在这些组织器官之间流动的营养代谢物构成,而调控子系统则借助信息流对运转子系统的运作进行调控。
从前文对动物数学模型、动物系统层次结构以及营养代谢与调控的描述可以推测,想要调控动物个体、甚至群体的生产性能,就应该从低于动物个体水平的层次入手,对动物机体的神经–激素调控系统进行数学模型化。
Baldwin等[17–19]在构建代谢机理模型方面的开创性工作,开启了一种模型化研究的大体思路和框架,也让有兴趣者开始熟识这类用以解释实验数据的辅助工具。
该模型在构建过程中融入了生物化学理论和化学计量参数,通过改变血浆代谢物浓度的方式,获得了类似于激素的生物调控效果,进而影响诸如脂肪合成、脂肪分解和糖异生等代谢的反应速率。
Baldwin等人通过这种方法将动物数学模型中的调控模式固定了下来。
正是有了这种机理性的表述,在整合了大量生化调控过程的动物营养代谢模型中,才会慢慢出现动物生产性能上的差异,而不总是输出千篇一律的预测结果。