Физиологическая цена адаптаций к подземному образу жизни: обыкновенная слепушонка (ellobius talpinus pall.) в сравнении с наземными грызунами

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 03.00.08 - зоология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕНА АДАПТАЦИЙ К ПОДЗЕМНОМУ ОБРАЗУ ЖИЗНИ: ОБЫКНОВЕННАЯ СЛЕПУШОНКА (ELLOBIUS TALPINUS PALL.) В СРАВНЕНИИ С НАЗЕМНЫМИ ГРЫЗУНАМИ

Новиков Евгений Анатольевич

НОВОСИБИРСК - 2008

Работа выполнена в лаборатории физиологических адаптаций позвоночных животных Института систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор М. П. Мошкин

Официальные оппоненты: доктор биологических наук К.А. Роговин

ИПЭЭ РАН

доктор биологических наук Л.В. Осадчук

ИЦиГ СО РАН

доктор биологических наук В.Д. Гуляев

ИСиЭЖ СО РАН

Ведущая организация: Институт экологии растений и животных УРО РАН

Защита диссертации состоится 9 декабря 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.033.01 в Институте систематики и экологии животных СО РАН по адресу: Новосибирск, 630091, ул. Фрунзе, 11. Факс (383)2170973, e-mail: dis@eco.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систематики и экологии животных СО РАН

Автореферат разослан ____________ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук Л.В. Петрожицкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Возможность функционирования организма в определенном диапазоне значений экологических факторов определяется комплексом адаптаций, затрагивающих различные стороны его жизнедеятельности (Пианка, 1982). Однако любая адаптация в процессе своего формирования требует привлечения дополнительных энергетических и пластических ресурсов и, следовательно, имеет определенную физиологическую цену (Меерсон, Пшенникова, 1988). Ограниченность внутренних ресурсов организма неизбежно приводит к тому, что между различными его системами возникает конкуренция, результатом которой является достижение компромисса жизненных интересов (van Noordwijk, de Jong, 1986; Stearns, 1992; Ricklefs, Wikelski, 2002). В последнее десятилетие ведется активный поиск таких компромиссов, сформировавший новое направление эволюционной экологии (Stearns, 2000; Ricklefs, Wikelski, 2002). Однако большинство работ этого направления посвящено рассмотрению частных взаимоотношений между отдельными системами организма, тогда как для понимания механизмов, лежащих в основе формирования адаптационных стратегий, необходимо комплексное изучение всех жизненно-важных функций и их взаимосвязей. Эта задача технически представляется трудновыполнимой, однако методические сложности можно, по крайней мере, частично, устранить использованием сравнительно-экологического подхода. Действительно, для выяснения меры участия какой-либо функции в формировании адаптационной стратегии нам важны не столько абсолютные значения характеризующих эту функцию физиологических параметров, сколько диапазон и направление их изменчивости в градиенте экологических факторов.

Таким образом, на современном этапе развития экологии назрела необходимость выполнения работы по комплексному анализу ресурсной емкости основных жизненно-важных функций у видов различной экологической специализации. Однако, до сих пор сравнительный анализ функциональной активности систем организма с позиций их физиологической стоимости и ресурсоемкости у животных, относящихся к различным биологическим типам, не проводился. Поскольку данная задача в полной мере не выполнима силами одной исследовательской группы, мы вынуждены были сконцентрировать внимание на одном модельном виде с меньшей глубиной проработки остальных объектов. Анализ имеющихся в литературе данных об основных физиологических механизмах формирования адаптационной стратегии, которой следует изучаемый вид, позволил определить набор параметров, наиболее важных в контексте исследования.

В качестве основного (модельного) объекта исследования нами была выбрана обыкновенная слепушонка (Ellobius talpinus Pall.) - вид грызунов, экологически специализированный к обитанию в подземной среде. Объектами сравнительного анализа послужили симпатричные, таксономически- и размерно-близкие виды наземных грызунов, относящиеся к биологическим типам хомяков, полевок и мышей, т.е. имеющих различную экологическую специализацию.

Цель работы: на примере специализированного подземного вида, обыкновенной слепушонки, исследовать особенности распределения ресурсов организма на различные стороны жизнедеятельности как физиологическую основу формирования адаптационной стратегии.

Задачи исследования:

Сопоставить уровни функциональной активности различных систем организма: терморегуляторной, репродуктивной, иммунной и эндокринной у обыкновенной слепушонки и наземных видов грызунов.

У обыкновенной слепушонки проанализировать сезонную и эко-географическую изменчивость рассматриваемых показателей.

Положения, выносимые на защиту:

Обитание в стабильной подземной среде позволяет обыкновенной слепушонке минимизировать затраты на поддержание жизнедеятельности, развитие, размножение, терморегуляцию, иммунитет. Уменьшаются и мобилизационные возможности организма при действии стрессоров физической и популяционной природы. Ограничение функциональной активности жизненно важных систем организма высвобождает ресурсы, необходимые для энергетического обеспечения роющей деятельности.

Сезонные особенности биологии обыкновенной слепушонки, выявленные в северной части видового ареала (активация терморегуляторной функции в холодное время года и подснежное размножение), определяются состоянием кормовой базы. Увеличение доступности пищи в осенне-весенний период снижает затраты на роющую деятельность и обеспечивает ресурсами как терморегуляторную, так и репродуктивную функции организма. адаптационный слепушонка организм физиологический

В популяциях обыкновенной слепушонки, занимающих северо-восточную периферию видового ареала, при сохранении типичных для вида индивидуальных показателей плодовитости увеличивается доля размножающихся самок. Таким образом, повышенная смертность в экологически пессимальных условиях компенсируется увеличением репродуктивного выхода на уровне популяции.

Научная новизна: Анализ комплекса физиологических параметров позволил установить, что в формирование энергосберегающего бюджета подземных грызунов вовлечены практически все системы организма. Впервые на фактическом материале показано, что уровень достижения компромиссов между иммунитетом и другими жизненно-важными функциями организма, терморегуляторной и репродуктивной, определяется экологической специализацией вида. Впервые установлено наличие сопряженной изменчивости эндокринной и метаболической реакции на стресс на межвидовом уровне. Сформулировано представление о роли стресса в модификации видовых онтогенетических программ. Анализ географической изменчивости физиологических параметров рассматриваемых видов показал, что более высокая стоимость жизнедеятельности в экологически пессимальных условиях приводит к снижению резервных возможностей организма. Впервые на основе многомесячной регистрации температуры тела обыкновенной слепушонки, зимующей в естественных условиях, получены прямые доказательства того, что зимняя спячка и торпор, как способы ресурсной экономии, не свойственны данному виду животных.

Практическая значимость: Результаты работы демонстрируют возможность использования обыкновенной слепушонки в качестве удобного модельного объекта для биомедицинских исследований, в частности, как вида с крайне низкой реактивностью механизмов специфического иммунитета, стресс-реакции и термогенеза. Выявление физиологических механизмов, обеспечивающих высокую продолжительность жизни подземных грызунов, может оказаться ценным вкладом в геронтологические исследования.

Изучение уровня функциональной активности иммунной системы и ее связи с социальным и физиологическим статусом животного в естественном и антропогенном паразитарном окружении является важным шагом в понимании механизмов циркуляции возбудителей ряда заболеваний, в том числе и особо опасных трансмиссивных инфекций, которое необходимо для построения научно обоснованных прогнозов и планирования профилактических мероприятий.

Результаты работы используются при чтении курса лекций по экологической физиологии в Новосибирском, Томском и Кемеровском университетах.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы были представлены на IV-й (Польша, 1993 г.), V-й (Марокко, 1995 г.), VI-й (Израиль, 1998 г.) и XI-й (Россия, 2008 г.) международных конференциях “Rodens & Spatium”, на XXV-й международной этологической конференциии (Австрия, 1997 г.), Международном симпозиуме по новым направлениям науки о животных в новом веке (Япония, 2001 г.), на IX международном териологическом конгрессе (Япония, 2005 г.), на 3 и 4 съездах физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1997, 2002 г.г.), на Сибирской зоологической конференции (Новосибирск, 2004 г.), на III Международной конференции "Актуальные проблемы экологии" (Караганда, 2004 г.), конференциях «Поведение и поведенческая экология млекопитающих» (Черноголовка 2005 г.), «Популяционная экология» (Томск, 2006 г.), VIII популяционном семинаре «Популяции в пространстве и во времени» (Нижний Новгород, 2005 г.). Основные результаты работы были представлены в виде пленарного доклада на VIII съезде Всероссийского териологического общества (Москва, 2007 г.) и пленарной лекции на Всероссийской конференции молодых ученых «От Арктики до Антарктики» (Екатеринбург, 2007 г.).

Публикации: По материалам исследований опубликовано 44 печатных работы, из них 7 статей в рецензируемых отечественных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций; 7 статей в рецензируемых зарубежных журналах, в т.ч. 4 - в журналах, включенных в международную систему цитирования “Web of science”; глава в коллективной монографии, выпущенной в издательстве “Springer ”и 5 статей в отечественных и зарубежных сборниках.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и библиографического списка, содержит 50 рисунков и 20 таблиц, изложена на 393 страницах машинописного текста. Список цитируемой литературы состоит из 834 источников, в т.ч. 619 иностранных.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 96-04-50113; 99-04-49927; 00-04-49210; 02-04-49253; 03-04-48768; 07-04-00871), фонда Сороса (гранты RAH-000 и RAH-300), интеграционных проектов СО РАН, гранта НШ-1038.2003.4, программы президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы» (Гос. контракт № 151). Неоценимую помощь в сборе и анализе материалов для работы автору оказали друзья и коллеги - сотрудники лаборатории физиологических адаптаций позвоночных животных ИСиЭЖ СО РАН: Д.В. Петровский, И.Е. Колосова, Е.Ю. Кондратюк, В.В Мак, В.В. Панов, Е.А. Литвинова, А.Е. Гармс, А.Е. Акулов, а также - ныне покойный сотрудник ИСиЭЖ СО РАН А.К. Добротворский, сотрудники Института экологии животных и растений УРО РАН Н.Г. Евдокимов и Н.В. Синева, студенты Новосибирского, Кемеровского и Томского университетов, учащиеся МСОШ «Диалог». Всем им автор выражает свою горячую благодарность. Автор благодарит А.В. Сурова, А.Ю Телицину, О.В. Осипову - за любезно предоставленных лабораторных животных, И.Ю. Баклушинскую и Л.В. Якименко - за помощь в видовом определении слепушонок, А.В. Осадчука, В.И. Евсикова, В.В. Глупова, Ю.Н. Литвинова и А.А. Никольского за труд по ознакомлению с работой и полезные замечания. Автор выражает благодарность своим Учителям и, в первую очередь, научному консультанту работы - доктору биологических наук, профессору М.П. Мошкину а также - профессорам И.В. Стебаеву, В.И. Евсикову и ныне покойному Б.С. Юдину. Автор благодарит всех коллег, поименное перечисление которых, к сожалению, не возможно в формате автореферата, поддержавших его словом и делом при подготовке диссертации.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕНА АДАПТАЦИЙ

Энергия, поступающая в организм с пищей, расходуется на обеспечение жизнедеятельности (основной обмен и затраты на добывание пищи), поддержание гомеостаза (терморегуляция и иммунитет), соматическую и генеративную продукцию (Wade, Schneider, 1992; Klein, Nelson, 1999). В соответствии с современными эволюционно-экологическими представлениями, оптимальное распределение ресурсов между функциями, обеспечивающими выживание и репродуктивный успех особей, является основой видовых адаптационных стратегий (Stearns, 1992). Однако в природе поступление энергии в организм крайне редко находится в точном соответствии с его потребностями. В случае, если суммарные затраты организма превышают количество доступной энергии, имеет место компромиссное ограничение активности отдельных функций, направленное на снижение общей потребности в ресурсах. При незначительном снижении поступления энергии снижаются затраты на локомоцию, рост и размножение, т.е. функции, не оказывающие прямого влияния на выживаемость особи. При остром дефиците энергии снижается ресурсное обеспечение терморегуляции и иммунитета, что может привести к снижению жизнеспособности (Wade, Schneider, 1992; Klein, Nelson, 1999). Перераспределение внутренних ресурсов организма в соответствии с меняющейся иерархией потребностей обеспечивается комплексом физиологических механизмов, среди которых важное место занимает стресс-реакция (Меерсон, 1981; Sapolsky et al., 2000).

Анализируя патогенные эффекты стресса, Ф. Меерсон (1981) ввел понятие физиологической цены адаптации, которая определяется тем, что при адаптации к чрезмерным для данного организма нагрузкам все приспособительные реакции организма имеют лишь относительную целесообразность. Цена адаптации проявляется в прямом изнашивании функциональной системы, на которую падает главная нагрузка и в т.н. отрицательных перекрестных эффектах - нарушениях функционирования систем, непосредственно не связанных с нагрузкой (Меерсон, Пшенникова, 1988). Очевидно, что данная концепция применима и для более обычных в природе ситуаций, когда снижение функциональной активности какой либо системы как следствие перераспределения ресурсов в процессе формирования адаптации не носит характера явной патологии.

Поскольку перераспределение ресурсов между функциями имеет место и при освоении животными нового экологического пространства, сопутствующие изменения функциональной активности жизненно важных систем организма можно рассматривать как физиологическую цену адаптаций популяционного и видового уровня. Данная работа посвящена выявлению закономерностей, определяющих изменчивость функциональной активности систем организма, обусловленную экологической специализацией вида и пространственно-временной неоднородностью параметров среды его обитания. В качестве примера будут рассмотрены адаптации млекопитающих к подземному образу жизни.

ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИИ ПОДЗЕМНЫХ ГРЫЗУНОВ

Эволюционная тенденция перехода к подземному образу жизни, характерная для животных аридной и семиаридной зон, связана с обитанием в открытых биотопах, что требует от животных строительства сложных подземных убежищ (Наумов, 1948). Кроме того, по мере аридизации ландшафтов снижается доля надземной фитомассы и уменьшается ее доступность для фитофагов. Для большинства подземных млекопитающих характерны общие морфологические и физиологические адаптации, облегчающие передвижение в почве (Орлов, 1978; Ar, 1987), которое требует в 360-3400 раз больше энергии, чем перемещение на то же расстояние по поверхности (Vleck, 1979). Во время рытья животные потребляют количество кислорода в 2,8-7,2 превышающее базальный уровень метаболизма (Vleck 1979). Вместе с тем интенсивность аэробного обмена почвенных животных ограничивается низким парциальным давлением кислорода и повышенным содержанием углекислого газа (Ar, 1987). Адаптация к этим условиям достигается за счет снижения уровня основного обмена (в 1,5-2 раза по сравнению с надземными видами такого же размера) и затрат на активную терморегуляцию (Kleiber 1975; McNab, 1979; Withers, Jarvis, 1980).

Отличительной особенностью почвы как среды обитания являются ее хорошие защитные свойства. Специфика среды обитания исключает почвенных животных из большинства паразито-хозяинных систем, в которые вовлечены наземные виды, а высокая степень изоляции особей (или отдельных внутрипопуляционных группировок) ограничивает поток паразитов на уровне популяции (Loehlie, 1995). Относительно низкая смертность в сочетании с ограниченными возможностями расселения определяет низкую плодовитость большинства подземных животных (Наумов, 1948) и стимулирует переход к семейно-групповому и даже (у грызунов сем. землекоповых) к эусоциальному образу жизни (Lovergrove, 1991). Как у общественных перепончатокрылых, в колониях эусоциальных землекоповых в размножении участвует только одна самка и несколько самцов. Неполовозрелые особи (не являющиеся, в отличие от перепончатокрылых, стерильными) выполняют функции «рабочих», «солдат» и заботятся о потомстве (Jarvis, 1981; Jarvis, Bennet, 1993). Репродуктивно активные особи отличаются большими размерами (O'Riain et al., 2000) и большей продолжительностью жизни (Damman, Burda, 2006).

Семейно-групповой образ жизни характерен и для слепушонок (р. Ellobius), широко распространенных в аридных и семи-аридных ландшафтах Евразии (Громов, Ербаева, 1995). Различным сторонам их биологии посвящено достаточно большое количество работ (Наумов, 1948; Сластенина, 1963; Якименко, 1984; Якименко, Ляпунова, 1987; Евдокимов, 2001; Шевлюк, Елина, 2008 и др.). Результаты этих исследований, использованные нами для сравнительного анализа, будут рассмотрены в соответствующих разделах. Однако физиологические адаптации слепушонок, обусловленные обитанием в подземной среде, изучены достаточно слабо. До сих пор они рассматривались, главным образом, в связи с географической изменчивостью частот окрасочных фенотипов, выявленной у обыкновенной слепушонки в северной части ареала (Большаков и др., 1982; 1989; Мошкин и др., 1991).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ

В работе использованы материалы, собранные автором в период с 1993 по 2007 годы. Отловы обыкновенной слепушонки проводили в Искитимском и Сузунском районах Новосибирской области, в Угловском, Локтевском и Тюменцевском районах Алтайского края. Всего было отловлено и протестировано 1180 особей обыкновенной слепушонки. Для сравнительного анализа использованы данные, полученные автором и его коллегами в 1984-1989 и в 2001-2007 г.г. при изучении красной полевки из популяции, обитающей в Прителецкой тайге (респ. Алтай, Турочакский р-н), рыжей полевки и мохноногих хомячков из лабораторных популяций, поддерживаемых в ИПЭЭ РАН и любезно предоставленных нам О.В.Осиповой, А.В.Суровым и А.Ю.Телициной, а в ряде случаев - и других видов грызунов (восточно-азиатская лесная и полевая мыши, красно-серая и водяная полевки). Животных, используемых в тестах, содержали в стандартных лабораторных условиях при комфортной температуре и естественном режиме освещенности: Слепушонок - группами по 4 особи, животных остальных видов - поодиночке. Пищу, воду и гнездовой материал давали ad libitum.

Измерение стандартного и максимального обмена проводили методом непрямой калориметрии в установке закрытого типа (Калабухов, 1956). В качестве тестирующего охлаждения для оценки максимального потребления кислорода и эндокринно-метаболической реакции на холодовой стресс использовали 16 минутное охлаждение в гелиево-кислородной смеси при 7-8єС (Rosenmann, Morisson, 1974). По отношению максимального обмена к стандартному рассчитывали метаболический индекс. Для оценки текущей интенсивности метаболизма измеряли потребление кислорода или выделение углекислого газа проточным методом с использованием газоанализаторов ПГА-12 и ПЭМ 2М. При использовании углекислотного датчика дыхательный коэффициент принимали равным 0,95. Показатели энергообмена выражали в общепринятых единицах. Двигательную активность оценивали с помощью установки, состоящей из инфракрасных датчиков охранной сигнализации и компьютерного интерфейса. Ректальную температуру тела измеряли с помощью термисторного датчика. Для изучения терморегуляторных адаптаций слепушонки в зимний период использовали сконструированные Д.В. Петровским накопительные термодатчики, способные в течение 22 месяцев с интервалом в 1 час фиксировать температуру тела особи. Осенью 2006 г. отловленным в природе зверькам имплантировали датчики и выпустили их в точке олова. Весной 2007 г. зверьков отловили повторно, извлекли датчики и сняли с них показания.

Уровень агрессивности и величину адренокортикальной реакции на социальный конфликт оценивали в тесте попарного ссаживания на нейтральной территории (Krebs, 1970; Colvin, 1973). Содержание белка в моче определяли по методике Бредфорда с красителем Кумасси (Досон и др., 1991). Величину гуморального иммунного ответа на эритроциты барана оценивали по числу антителообразующих клеток (АОК) в селезенке в пересчете на 1 г. массы тела (Сunningham 1965). Анализ концентраций стероидных гормонов в крови проводили флюориметрическим (Юденфренд, 1965) и радиоиммунным (Yalow, Berson, 1960) методами. Поскольку у грызунов, характеризующихся преобладанием кортикостерона, базальный уровень глюкокортикоидов был значительно выше, чем у видов с преимущественной секрецией кортизола, сравнение адренокортикального ответа на стрессирующие воздействия проводили на основе глюкокортикоидного индекса - отношения концентрации гормона в условиях стресса к его базальному уровню.

Видовую принадлежность слепушонок определяли по строению коренных зубов (Громов, Ербаева, 1995; Павлинов и др., 2002). Цитогенетические исследования отловленных нами животных из Новосибирской области, проведенные сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН, подтвердили их принадлежность к виду Ellobius talpinus c хромосомным набором 2N=NF=54 (Romanenko et al., 2007).

Обработку и анализ результатов проводили, в зависимости от свойств исследуемых выборок, методами параметрической или непараметрической статистики.

ЗАТРАТЫ НА ПОДДЕРЖАНИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Непрерывная регистрация параметров жизнедеятельности у джунгарских хомячков и обыкновенных слепушонок, содержащихся в стандартных условиях, показала, что при сопоставимом уровне активности и среднесуточного потребления кислорода слепушонка затрачивает значительно больше энергии на каждый двигательный акт (табл.1), что связано, очевидно, с видовыми особенностями локомоторного аппарата.

Таблица 1 - Показатели, отражающие энергетическую стоимость двигательной активности у обыкновенной слепушонки и джунгарского хомячка: уровень активности (секунд в час), среднесуточная интенсивность метаболизма (АDMR; млCO2* г-1*час-1), обмен покоя (мл CO2*г-1*час-1) и энергетическая цена активности (Дж*г-1*сек-1).

Измерение метаболических и терморегуляторных характеристик мышевидных грызунов, проводившееся в летний период, показало, что среди протестированных нами видов слепушонка имеет минимальные значения стандартного и максимального обмена и обладает наименьшей способностью к поддержанию температурного гомеостаза (табл. 2.).

Таблица 2 - Величины стандартного и максимального обмена (мл*г-1*ч-1), метаболического индекса и падения температуры (ДТ°С) после холодовой экспозиции у обыкновенной слепушонки и наземных видов грызунов.

Примечания: Здесь и в табл.3 разными буквами отмечены значения одного и того же параметра, достоверно (критерий Тьюки; P<0,05) различающиеся между собой у разных видов.

Содержание свободных жирных кислот в крови, как до- так и после холодовой экспозиции у обыкновенной слепушонки оказалось достоверно меньшим, чем у наземных грызунов (критерий Тьюки; P<0,05). По содержанию глюкозы в крови протестированных животных такие различия отсутствовали (табл.3). Поскольку окисление жира дает меньший выход АТФ в пересчете на 1 моль потребленного кислорода, можно предполагать, что преимущественное использование в качестве субстрата углеводов является специфической адаптацией к условиям гипоксии.

Таблица 3 - Содержание основных биоэнергетических субстратов - глюкозы (ммоль*л-1) и свободных жирных кислот (СЖК; мкмоль*л-1) у слепушонки и наземных видов в покое и после холодовой экспозиции.

Как на стандартный, так и на максимальный обмен у слепушонки достоверное влияние оказывал сезон года (F56,4=8,9; P<0,001 и F56,4=18,9; P<0,001, соответственно). Значения обоих показателей снижались с апреля по июль и вновь возрастали к октябрю, оставаясь высокими у животных, отловленных в конце октября и протестированных в ноябре-декабре, т.е. в сроки, когда в природе устанавливается снеговой покров. Аналогичную динамику имело и снижение температуры тела после охлаждения (рис.1.).

Рис. 1. Сезонные особенности метаболической и терморегуляторной реакции на острое охлаждение у обыкновенной слепушонки. Темные столбики - стандартный обмен, светлые столбики - максимальный обмен, Черные круги - падение температуры тела после холодовой экспозиции. Значения одного и того же параметра, достоверно (критерий Тьюки; P<0,05) различающиеся между собой в разные месяцы, помечены разными буквами.

Данные, полученные совместно с Д.В. Петровским, показывают, что в летний период у слепушонки снижается способность к поддержанию постоянной температуры тела и при умеренном охлаждении. Калоригенная реакция на норадреналин, отчетливо выраженная в холодное время года, летом практически отсутствует. Амплитуда спонтанных колебаний температуры тела составляет летом более 8°С, тогда как осенью - не превышает 4°С (Мошкин и др., 1999; Novikov et al., 1996; Moshkin et al., 2001).

Интенсивность метаболизма слепушонки в летние месяцы оказывается значительно ниже ожидаемой для грызуна такой массы тела исходя из линии регрессии, построенной нами на основании собственных результатов, полученных на разных видах с использованием единого методического подхода (рис.2). В холодное время года обыкновенная слепушонка по своим метаболическим и терморегуляторным возможностям не отличается (с учетом различий в массе тела) от наземных видов бореальных грызунов. В октябре величина максимального обмена у обыкновенной слепушонки оказывается даже выше, чем ожидаемая исходя из полученной нами эмпирической зависимости (рис.2).

Рис. 2. Зависимость средних для вида величин стандартного (светло-серые кружки, пунктирная линия) и максимального (темно-серые кружки, сплошная линия) обмена от массы тела для 9 видов мышевидных грызунов (мохноногие хомячки, лесные полевки, лесная и лабораторная мыши, обыкновенная слепушонка, водяная полевка), представленная в логарифмических координатах. Для обыкновенной слепушонки приведены летние (обозначены черным цветом) и осенние (белым цветом) значения показателей. За исключением отмеченных случаев стандартные ошибки средних значений не выходят за пределы точек-маркеров.

Вопрос о зимних терморегуляторных адаптациях вида до сих пор оставался открытым. Исходя из количества запасаемого на зиму корма и динамики роста корней зубов Н.Г. Евдокимов (2001) высказал предположение о том, что обыкновенная слепушонка является зимоспящим видом. Для проверки этого предположения в период с октября 2006 по май 2007 года у 5 особей обыкновенной слепушонки проводили непрерывную регистрацию температуры тела в естественных условиях. Ни в одном из 4739 измерений, полученных для каждой особи, температура тела животных не опускалась ниже 30°С, что означает отсутствие эпизодов спячки или торпора, для которых характерно падение температуры до 20°С и ниже.

Достоверный вклад в изменчивость стандартного обмена (F2,89=3,1; P<0,05) и метаболического индекса (F2,82=3,4; P<0,05) вносит окраска меха слепушонок. В Западно-Сибирских популяциях, полиморфных по окраске меха, бурые особи имеют достоверно более высокий уровень стандартного обмена, чем черные особи в этих же популяциях и бурые из южных популяций, где черная морфа отсутствует (1,89±0,13, 1,59±0,08, 1,46±0,38 мл*г-1*ч-1, соответственно (Критерий Тьюки; P<0,05)). Метаболический индекс у бурых особей в северной части зоны их обитания (в полиморфных популяциях) оказывается достоверно более низким, чем в южной (2,8±0,3 и 4,0±0,3, соответственно; критерий Тьюки, P<0,05). Снижение резервных возможностей метаболизма у бурых особей в северной части зоны их обитания, является, очевидно, одним из факторов, ограничивающих распространение данной окрасочной морфы на север (Novikov et al., 1996).

ЗАТРАТЫ НА СОМАТИЧЕСКУЮ И ГЕНЕРАТИВНУЮ ПРОДУКЦИЮ

У самок млекопитающих основные затраты на репродукцию связаны с вынашиванием плодов и лактацией (Gittleman, Thompson, 1988). Так, у мышевидных грызунов увеличение потребления энергии беременными самками по сравнению с небеременными составляет 18-25% (Kaczmarski, 1966; Migula, 1969; Mattingly, McClure, 1982). Во время лактации количество ассимилируемой энергии увеличивается на 45-90% (Weyner, 1987). У самцов, приспособленность которых определяется, главным образом, успехом в конкуренции за репродуктивные ресурсы (Maynard Smith, 1977; Clutton-Brock, Harvey, 1978), прямые затраты на размножение (продукция гамет и спаривание) оказываются значительно меньшими, чем затраты на сопутствующие формы поведения (Gittleman, Thompson, 1988). В таблице 4 приведены наши данные, в ряде случаев дополненные литературными (Башенина, 1977; Юдин и др., 1979; Летицкая, 1984; Евдокимов, 2001; Gкbczyсski, 1983), которые позволяют сопоставить прямые и непрямые затраты на размножение, соматическую и генеративную продукцию у слепушонок, красной полевки и джунгарского хомячка.

Одним из ключевых факторов, определяющих не только репродуктивный успех особи, но и структуру ее энергобюджета, является уровень секреции половых гормонов (Kenagy, 1980; Beatty, 1992; Wade, Schneider, Li, 1996). Концентрации тестостерона в крови у половозрелых самцов обыкновенной слепушонки в сезон размножения были значительно ниже, чем у наземных мышевидных грызунов (табл. 4), причем только у 65,1% самцов уровень тестостерона был выше порога обнаружения. Вне сезона размножения тестостерон в крови самцов находился в следовых количествах. Обыкновенная слепушонка значительно уступает наземным видам грызунов по величине весового индекса семенников. Семенные пузырьки и препуциальные железы у самцов слепушонок не развиты.

При попарном ссаживании на нейтральной территории только что отловленные особи обыкновенной слепушонки практически не проявляли агрессии (Большаков и др., 1989; Мошкин и др., 1991; Мошкин и др., 1999). Однако в тестах, проведенных в апреле на самцах (8 пар), отловленных в октябре предыдущего года (т.е. содержавшихся в виварии в течение всей зимы), среднее количество драк превышает аналогичный показатель у полевок и сопоставимо с таковым у джунгарских хомячков (табл.4).

Таблица 4 - Показатели соматической и генеративной продукции у сравниваемых видов.

Примечания: В верхней строчке ячеек приведен объем выборок

* - литературные данные

Эффективность химической коммуникации грызунов во многом определяется содержанием в моче белков, связывающих летучие молекулы (Vandenbergh et al., 1975; Lombardi et al., 1976). Продукция основного белка мочи определяется уровнем секреции андрогенов (Finlayson, et al., 1965) и составляет у самцов мышей 5-10 мг в сутки - до 10% всего азотного обмена особи (Berger, Szoka, 1981; Cavaggioni, Mucignat-Caretta, 2000). У красной полевки достоверное влияние на содержание белка в моче оказывали месяц наблюдений (F1,53=13,1; P<0,001) и пол животных (F1,53=7,4; P<0,01). В июне содержание белка в моче было выше, чем в августе, самцы имели более высокое его значение (табл.4), чем самки (t53=2,6; P<0,01). У самцов концентрация белка в моче коррелировала с массой репродуктивных органов (r=0,47; P<0,01 для семенников и r=0,71; P<0,001; N=31, для препуциальных желез). Половозрелые самки по содержанию белка в моче не отличались от неполовозрелых. Обыкновенная слепушонка имеет, в целом, более низкие, чем красная полевка, концентрации основного белка мочи (табл.4). В отличие от последней, концентрации белка в моче у слепушонки не подвержены сезонной изменчивости, не различаются у самцов и самок и не зависят от репродуктивного статуса особей.

Наблюдение за размножением восточной (Летицкая, 1984; Якименко, Ляпунова, 1987) и обыкновенной (наши данные) слепушонок в неволе показало, что эти виды характеризуются значительно более продолжительной, чем у наземных грызунов сопоставимого размера беременностью (30 дней) и столь же продолжительной лактацией (не менее 25 дней). В северной части ареала обыкновенной слепушонки самки приносят в год не более двух пометов (Евдокимов, Позмогова, 1993, Евдокимов, 2001). Н.Г. Евдокимов и В.П. Позмогова (1993), исследовав несколько сотен семей в разных частях ареала, пришли к выводу, что в каждой из семей размножается только одна самка, вследствие чего многие особи в течение нескольких лет жизни остаются яловыми. По данным Н.Г.Евдокимова (2001), сеголетки вообще не участвуют в размножении, а основной пик репродуктивной активности самок приходится на возраст 2-4 года. Самки могут размножаться до 6 сезонов и приносить, в общей сложности, до 57 детенышей, однако только небольшой (15,2%) части их удается в течение жизни принять участие в размножении (Евдокимов, 2001).

Отловы обыкновенной слепушонки, проводившиеся в Новосибирской области в период со второй половины апреля по средину ноября, показали, что размножение на северо-восточной периферии ареала вида полностью прекращается к началу лета (табл. 4). Средняя плодовитость обыкновенной слепушонки соответствует типичным для вида (Евдокимов, 2001) значениям. В весенних отловах доля самок, участвующих в размножении, колеблется в разные годы от 13 до почти 40%, в целом составляя 24,2±3,3% (10,9±1,6% от общего числа особей в популяции), что несколько превышает показатели, приведенные в работе Н.Г.Евдокимова (Евдокимов, 2001). В изучаемой нами популяции из одного гнезда удавалось одновременно отловить до 3-х участвующих в размножении самок. Среднее число размножающихся самок в 36 обследованных семьях составило 1,40,1 самки на семью.

У слепушонок, отловленных в октябре и содержащихся в виварии в течение зимы, размножение начиналось в конце января и заканчивалось в конце апреля. Размножающиеся самки приносили по 1-2 помета, состоящих, в среднем, из 2,80,4 детенышей. При содержании группами по 4 особи (2 самца и 2 самки) потомство приносили обе самки. Таким образом, как в изучаемой нами популяции, так и в популяциях Урала и Зауралья, ежегодный репродуктивный выход самки составляет, в среднем, 6-8 детенышей.

В популяциях обыкновенной слепушонки, обитающих в Уральском регионе, отчетливо выражен сдвиг соотношения полов в сторону самцов, связанный очевидно с большей смертностью и большей миграционной активностью самок (Евдокимов, 2001). В популяциях, обитающих в Новосибирской области, соотношение полов у взрослых особей достоверно не отличалось от 1:1 (ч2=3,6; df=1; P=0,06).

Несмотря на то, что детеныши обыкновенной слепушонки при рождении имеют более крупные, чем у наземных грызунов размеры, их удельная скорость роста, а следовательно, и удельные затраты энергии матери на выкармливание, меньше, чем у наземных грызунов (табл. 4).

Непосредственные наблюдения за меченными животными, проведенные в Уральском регионе, показывают, что в природе продолжительность жизни обыкновенной слепушонки может достигать 6 лет (Евдокимов, 1997; 2001). Согласно оценкам, сделанным Н.В.Синевой на основании возрастной шкалы, разработанной Н.Г.Евдокимовым (2001), в Новосибирской области особи старше 2-х лет в отловах отсутствовали.

ЗАТРАТЫ НА ЗАЩИТУ ОТ ПАРАЗИТОВ

Помимо отклоняющих воздействий физической природы практически любой организм в процессе своей жизнедеятельности неизбежно сталкивается с риском внедрения в него паразитов (в широком смысле этого слова, т.е. организмов, существующих за счет хозяина). Соответствующая защитная функция включает в себя широкий спектр конституциональных (структурных) адаптаций, неспецифические поведенческие и физиологические реакции и собственно иммунитет (Ройт и др. 2000). Среди врожденных защитных реакций наиболее ощутимым для энергобюджета является, очевидно, синдром болезни, который выражается в снижении количества ассимилируемой энергии, повышении температуры тела (Kruk et al., 1998; Akins, et al., 1996) и снижении двигательной активности (Van Damm et al., 1985; Stettler et al., 1992; Dantzer, 2001). Приобретенный иммунитет, связанный с определенными затратами энергетических и пластических ресурсов на пролиферативные процессы и синтез белковых антител (Buttgereit et al., 2000), также оказывает значимое влияние на энергобаланс организма (Behnke, et al., 1992; Shudo, Iwasa, 2001; Ots et al., 2003). Однако реальная физиологическая цена иммунного ответа до сих пор является предметом дискуссий (Lochmiller, Deerenberg, 2000; Raberg et al., 2002; Derting, Compton, 2003; Schmid-Hempel, 2003). Видоспецифичность патогенного действия паразитов и неодинаковая устойчивость к ним хозяев делает проблематичным использование экспериментального заражения животных в качестве инструмента для сравнительной оценки затрат на поддержание и активацию иммунитета. Поэтому в качестве показателя этих затрат мы использовали величину физиологического ответа животного на стандартные иммуногенные факторы - бактериальные липополисахариды (ЛПС), активирующие неспецифическую защитную реакцию (синдром болезни), и эритроциты барана, стимулирующие выработку специфических антител.

Введение бактериального липополисахарида (использовали промышленный препарат липополисахарида E. сoli L-4005, серотип 055:B5, «Сигма») джунгарским хомячкам (16 особей) и обыкновенной слепушонке (8 особей) вызывало у обоих видов типичные проявления синдрома болезни. В первые сутки после инъекции у животных снижались двигательная активность и среднесуточный уровень метаболизма. Удельные энергозатраты на один акт двигательной активности (которые можно рассматривать как энергетическую цену локомоции) в 1-2 сутки после инъекции ЛПС у обоих видов были достоверно выше, чем до инъекции (рис.3). Температура тела, оцененная у ЛПС-стимулированных животных обоих видов через 3 часа после инъекции, была достоверно выше, чем у контрольных, которым вводили физиологический раствор. У ЛПС-стимулированных хомячков она равнялись 37,3±0,1°С у контрольных - 36,2±0,2°С (t14=5,7; P<0,001). У слепушонки соответствующие значения показателей составляли 37,0±0,3°С и 36,2±0,04°С (t6=2,7; P<0,05). Введение подопытным животным обоих видов эритроцитов барана не вызывало у них достоверных изменений метаболической и двигательной активности.

Рис.3. Удельная стоимость двигательной активности у обыкновенной слепушонки (сплошная линия) и джунгарского хомячка (пунктирная линия) до- и после введения бактериального липополисахарида. Для каждого вида значения, достоверно (критерий Тьюки; P<0,05) различающиеся между собой, помечены разными буквами.

Анализ величины гуморального иммунного ответа на введение эритроцитов барана у грызунов, отловленных в природе, показывает, что слепушонка имеет минимальные в ряду рассмотренных видов значения этого показателя (рис.4). В отличие от наземных грызунов, для которых характерно снижение величины гуморального иммунного ответа при достижении половозрелости (Мак и др., 2002; Moshkin et al., 1998; Saino et al., 2000), у обыкновенной слепушонки в сезон размножения иммунный ответ размножавшихся самок практически не отличался от такового у не размножавшихся (10,±1,6 и 12,1±1,0 АОК*г-1, соответственно). Корреляция между весенней массой семенников самцов и величиной гуморального иммунного ответа также отсутствовала (rs= -0,11; N=72; P=0,40).

Таким образом, величина гуморального иммунного ответа на незнакомый антиген у обыкновенной слепушонки оказывается значительно ниже, чем у наземных грызунов. Однако в отличие от последних, иммунореактивность у слепушонки не зависит от функционального состояния организма и видимо не конкурирует за ресурсы с репродуктивной функцией.

Рис. 4. Величина гуморального иммунного ответа у обыкновенной слепушонки в сравнении с наземными видами грызунов. Значения, достоверно (критерий Тьюки; P<0,05) различающиеся между собой, помечены разными буквами.

РОЛЬ СТРЕССА В ФОРМИРОВАНИИ АДАПТАЦИОННОЙ СТРАТЕГИИ

Стресс-реакция является основным неспецифическим механизмом мобилизации энергетических и пластических ресурсов организма и их перераспределения в пользу приоритетной функции для компенсации внешних воздействий, нарушающих гомеостаз (Горизонтов, 1976; Меерсон, 1981). Универсальный характер организменного ответа на стрессирующие воздействия и многообразие физиологических эффектов гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (ГГНС) позволяют ей эффективно регулировать распределение ресурсов между различными функциями: локомоторной, терморегуляторной, репродуктивной и иммунной (Селье, 1960; Хаскин, 1975; Коренева, Шхинек, 1988; Weber et al., 2002).

В качестве показателя мобилизационных возможностей организма обычно используется величина адренокортикальной реакции на стандартные стрессирующие воздействия - отношение концентрации глюкокортикоидных гормонов после воздействия к их фоновой концентрации, которая, в свою очередь, отражает кумулятивный эффект предшествующих стрессов и, следовательно, может рассматриваться как индикатор «благополучия» животного (Boonstra, 2004). Экспериментальное моделирование стрессовых ситуаций различной природы (глубокое охлаждение, иммобилизация, социальный конфликт, антигеная стимуляция) показало, что по сравнению с наземными грызунами обыкновенная слепушонка имеет пониженную адренокортикальную реактивность на все типы стрессоров (рис. 5).

Рис. 5. Величина адренокортикальной реакции на стандартные стресс-стимулы у обыкновенной слепушонки и наземных грызунов. Знаком «*» отмечены случаи достоверных (критерий Тьюки; P<0,05) различий соответствующих показателей у слепушонки и наземных видов грызунов.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что на определенных этапах онтогенеза уровень функциональной активности ГГНС может оказывать влияние на темпы полового созревания особи (Novikov, Moshkin, 1998; Marchlewska-Koj et al., 2003), ее функциональное место в пространственно-этологической структуре популяции (Sapolsky, 1982; Сreel, 2001) и выживаемость в экстремальных условиях (Romero, Wikelski, 2001; Rogovin et al., 2003). Контролируя уровень ресурсных «инвестиций» в репродуктивную функцию, стресс, тем самым, определяет продолжительность различных этапов онтогенеза животного и, следовательно, может рассматриваться как универсальный механизм модификации онтогенетических программ в рамках видовой адаптационной стратегии.

Одним из наиболее известных примеров такой модификации является индивидуальная изменчивость мышевидных грызунов по срокам вступления в размножение и общей продолжительности жизни (Оленев, 2002). Наши данные показывают, что одной из возможных причин задержки полового созревания сеголеток красной полевки при высокой плотности популяции является их повышенная стрессированность (Novikov, Moshkin, 1998). Данные, полученные при изучении голого землекопа, свидетельствуют о том, что наименее стрессированной особью в семейной группе является размножающаяся самка (Faulkes, Abbot, 1997). Однако у обыкновенной слепушонки в сезон размножения половозрастные различия между членами одной и той же семьи по уровню стрессированности отсутствовали. В то же время, в семьях, где осенью животные имели базальные концентрации глюкокортикоидов ниже 200 нг*мл-1, к следующей весне сохранилось 85,7±9,7% самцов, тогда как в семьях с концентрациями гормонов свыше 400 нг*мл-1 - только 33,3±11,4% (различия достоверны, t30=3,3; P<0,01). Следовательно, не влияя непосредственно на участие в размножении, активация ГГНС у слепушонки стимулирует миграционную активность либо гибель части особей, регулируя тем самым, численность семейных групп (Новиков и др., 2008).

В целом, базальные концентрации глюкокортикоидов в изучаемой популяции (347,2±38.5 нг*мл-1) оказываются достоверно выше (критерий Тьюки; P<0.05), чем у особей, отловленных в Северном Казахстане (100,3±6,2 нг*мл-1), и на Южном Урале (196,1±8.9 нг*мл-1) (Большаков и др., 1989; Мошкин и др., 1991). В отличие от популяций Уральского региона, животные из которых реагировали на получасовую иммобилизацию достоверным (t136=5,2; P<0.001) увеличением концентраций глюкокортикоидов, у слепушонок из Новосибирской области концентрации глюкокортикоидов после иммобилизации (368.2±35.1 нг*мл-1) достоверно не отличались от базальных (t65=0,4; P>0,05). Таким образом, как и у красной полевки (Мошкин и др., 1993; Novikov et al., 1993), у обыкновенной слепушонки уровень стрессированности увеличивается в экологически пессимальных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный нами сравнительный анализ основных параметров жизнедеятельности организма - интенсивности метаболизма, соматической и генеративной продукции, терморегуляции, затрат на защиту от паразитов и величины адренокортикальной реакции на стресс у мышевидных грызунов различной экологической специализации показал наличие значительной межвидовой изменчивости по большинству рассмотренных показателей.

Обыкновенная слепушонка - семисоциальный вид, ведущий подземный образ жизни, среди рассмотренных нами грызунов занимает исключительное положение. Специфика среды обитания определяет низкую интенсивность обменных процессов социальных подземных грызунов и редуцированную способность к активному поддержанию постоянной температуры тела в покое (McNab, 1979; Withers, Jarvis, 1980). Однако, в отличие от тропических подземных видов, низкий уровень обмена и подавление активной терморегуляции у слепушонки отмечаются только в теплое время года. В холодное время года по своим терморегуляторным и метаболическим характеристикам этот вид не отличается от симпатричных наземных грызунов. Можно предполагать, что летнее снижение затрат на поддержание температурного гомеостаза связано не только с проблемами его ресурсного обеспечения, но и с подавлением механизмов несократительного термогенеза, высокая реактивность которых сочетается со снижением КПД мышечной работы (Якименко и др., 1971). Последнее обстоятельство имеет большое значение в теплое время года - период наиболее интенсивной роющей деятельности.

Слабая метаболическая и терморегуляторная реакция на охлаждение сочетается у обыкновенной слепушонки с низкой адренокортикальной реактивностью как на физические так и на эмоциональные стрессоры. Это хорошо согласуется с представлением об адаптивном снижении стресс-реактивности в условиях, когда эмоциогенные воздействия преобладают над физическими (Беляев и др., 1977; Ganem, 1991; Moshkin et al., 2002).

В отличие от наземных мышевидных грызунов, обыкновенная слепушонка имеет значительно меньшую скорость пре- и постнатального развития, более поздние сроки вступления в размножение и значительно более низкую репродуктивную активность. Даже на периферии видового ареала, где высокая смертность приводит к увеличению числа размножающихся самок, размер и количество приносимых за сезон выводков у слепушонки оказываются меньше, чем у наземных грызунов. Половозрелые самцы в сезон размножения у слепушонки имеют значительно меньшую, чем у наземных видов массу репродуктивных органов и значительно более низкую концентрацию тестостерона в крови. Специфика образа жизни и пространственно-этологической структуры популяций позволяет обыкновенной слепушонке снижать затраты на маркировочное поведение, обусловленные экскрецией низкомолекулярных белков, экономя тем самым пластические ресурсы организма,.

Относительная изоляция семейных группировок в сочетании со спецификой паразитарного окружения определяют низкую функциональную активность адаптивного иммунитета. В отличие от наземных грызунов с высокой интенсивностью размножения, у обыкновенной слепушонки отсутствует репродуктивная иммуносупрессия. В то же время, по характеру физиологического ответа на введение бактериальных липополисахаридов слепушонка не отличается от джунгарского хомячка. Можно предполагать, что данная неспецифическая реакция, представляющая собой первую линию защиты от паразитов, при семейно-групповом образе жизни играет решающую роль в предотвращении распространения инфекций.

Таким образом, помимо морфологических адаптаций к роющему образу жизни, обыкновенная слепушонка характеризуется рядом уникальных физиологических особенностей, соответствующих единой адаптационной стратегии, которая состоит в минимизации затрат на все стороны жизнедеятельности. «Экономное» расходование ресурсов организма в сочетании с хорошими защитными свойствами среды позволяет обыкновенной слепушонке достигать высокой для грызуна такой массы тела продолжительности жизни (Евдокимов, 1997; 2001) и обеспечивает достаточное количество ресурсов для высокозатратной локомоторной активности. Прямой оценки энергозатрат на роющую деятельность у слепушонок не проводили, но вряд ли они принципиально отличаются от таковых, измеренных у других видов подземных грызунов (Vleck, 1979). Кроме того, морфологические особенности локомоторного аппарата слепушонки увеличивают и стоимость перемещения по твердому субстрату.