Экология, 2020, № 2, стр. 156-159

Устойчивость популяций млекопитающих в пространстве и времени во многом определяется воспроизводством, для описания которого используют различные (от популяционных до суборганизменных) репродуктивные характеристики животных, например возраст вступления в размножение, плодовитость, продолжительность репродуктивного периода, морфофункциональное состояние репродуктивных органов и т.п. Исследования влияния различных (в том числе техногенных) факторов среды на репродуктивную сферу должны базироваться на оценках естественной изменчивости, в первую очередь онтогенетической. У мышевидных грызунов природных зон умеренного пояса можно рассматривать два аспекта онтогенетической изменчивости репродуктивных признаков: по вариантам онтогенеза и стадиям полового развития.

Первый из них связан с бивариантным развитием особей, при котором одна часть животных созревает в год рождения (I вариант), другая – на следующий год после зимовки (II вариант) [1, 2]. Реализация той или иной траектории развития зависит от времени рождения особи, состояния популяции и других факторов. Кроме продолжительности жизни (3–6 мес. у I варианта, 12–15 мес. – у II), этот тип изменчивости детерминирует различия многих признаков: метаболических [3], биоэнергетических [4], морфофизиологических [1], системы крови [5], возрастных изменений зубов [2] и др. Вариант онтогенеза также обусловливает различия в скорости роста и созревания, продолжительности репродуктивного периода и плодовитости, поэтому его учитывают при анализе динамики популяции [6–9]. Бивариантный онтогенез рассматривают как частный случай поливариантного онтогенеза, обеспечивающего перераспределение репродуктивных усилий в жизненном цикле особей [10]. Результат этого перераспределения – функциональную неоднородность популяции – отражает репродуктивно-возрастная структура, в которой обычно различают созревающих (половозрелых) и несозревающих (неполовозрелых) сеголеток и перезимовавших особей.

Второй аспект изменчивости связан со стадиями полового развития животных (неполовозрелость, созревание, половозрелость, угасание половой функции) и не зависит от варианта онтогенеза. Cамцов по комплексу экстерьерных и интерьерных признаков и дате поимки можно дифференцировать на группы неполовозрелых, созревающих, половозрелых (потенциально способных к размножению) и с угасанием репродуктивной функции, сопровождающейся инволюцией семенника. Оба аспекта изменчивости не конфликтуют между собой – всю совокупность онтогенетических (возрастных и репродуктивных) изменений можно исследовать, выделяя группы с учетом и варианта онтогенеза, и стадии полового развития.

Характеристики спермы животных – одни из наиболее важных в оценке мужской фертильности. Однако у млекопитающих из природных популяций их онтогенетическая изменчивость изучена слабо. Большинство исследований выполнено на человеке [11–13], в меньшей степени – на лабораторных и сельскохозяйственных животных [14–16], в редких случаях – на диких животных [17, 18]. Чаще всего регистрируют ухудшение качества спермы, в том числе ее морфологических характеристик, и снижение фертильности с возрастом [11, 12]. В других работах не выявлено ухудшения репродуктивных характеристик при старении [19–21].

Цель настоящей работы – оценить онтогенетическую изменчивость морфологических признаков сперматозоидов у широко распространенного вида мелких млекопитающих – рыжей полевки (Clethrionomys glareolus Schreber, 1780). Мы выясняли, нужно ли учитывать онтогенетическую изменчивость при анализе размеров нормальных сперматозоидов и частоты встречаемости клеток с дефектами.

В работе использовали материалы, полученные в ходе учетов численности мелких млекопитающих в Висимском заповеднике (2007–2017 гг., южная тайга, Средний Урал, 57°22′ с.ш., 59°46′ в.д.). Животных отлавливали с помощью трапиковых живоловок в течение весеннего (вторая половина мая–начало июня), летнего (вторая половина июля) и осеннего (конец августа–начало сентября) туров. Выборка самцов (n = 72) отражала структуру популяции в период отловов. Весной преобладали перезимовавшие особи, летом – перезимовавшие особи, половозрелые и неполовозрелые сеголетки, осенью – неполовозрелые сеголетки и сеголетки с инволюцией семенника. Созревающие сеголетки и перезимовавшие особи с инволюцией семенника практически отсутствовали, поэтому изменчивость сперматозоидов между репродуктивными стадиями рассматривали у сеголеток (половозрелых и с инволюцией семенника), а между вариантами онтогенеза – у половозрелых сеголеток и перезимовавших особей. Исследовали 7 половозрелых сеголеток (m), 9 сеголеток с инволюцией семенника (m/i) и 56 перезимовавших особей (ow). Календарный возраст определяли по возрастным изменениям зубов [2].

Для анализа морфологии сперматозоидов готовили мазковые препараты содержимого хвостовой части эпидидимиса семенника. Клетки фотографировали с помощью микроскопа и цифровой камеры (Leica Microsystems, Germany) при увеличении ×400. На изображениях различали нормальные сперматозоиды, клетки с дефектами головки и дефектами хвоста [22]. У каждого животного оценивали 200 сперматозоидов, затем подсчитывали долю аномальных клеток. У 30 нормальных сперматозоидов измеряли максимальные длину и ширину головки, длину средней и основной части хвоста.

Для анализа изменчивости размеров нормальных сперматозоидов и частоты встречаемости дефектов использовали обобщенные линейные модели (GLM) для непрерывных и дихотомических признаков (линейная и логит-регрессия). Отношения шансов (OR) и их 95%-ные доверительные интервалы (ДИ) приведены после потенцирования коэффициентов логит-регрессии – логарифмов отношения шансов (exp(lnOR) или 1/exp(lnOR)). В качестве референтной группы выбраны половозрелые сеголетки. Контроль над ожидаемой частотой ложных отклонений при множественных проверках статистических гипотез осуществляли с помощью поправки Беньямини–Йекутили (приведены скорректированные значения уровня значимости p). Статистический анализ выполняли в пакете Statistica 8.0 и среде R.

Различий морфометрических признаков сперматозоидов между репродуктивно-возрастными группами животных не обнаружено (рис. 1): для длины головки – p = 0.17, ширины головки – p = = 0.72, длины средней части хвоста – p = 0.99, основной части хвоста – p = 0.17. В то же время доля аномальных сперматозоидов различалась между группами: для дефектов головки – χ²(2) = 807.5; p < 0.0001, для дефектов хвоста – χ²(2) = 22.8; p < < 0.0001. Минимальная частота встречаемости аномальных сперматозоидов обнаружена у половозрелых сеголеток (рис. 2). Доля клеток с дефектами головки у этой группы оказалась в 4.7 (ДИ: 4.1–5.4) раза ниже по сравнению с сеголетками с инволюцией семенника (χ²(1) = 446.4; p < 0.0001) и в 1.7 (1.5–2.0) раза – с перезимовавшими (χ²(1) = 59.4; p < 0.0001). Доля сперматозоидов с дефектами хвоста у половозрелых сеголеток была ниже в 1.2 (1.1–1.3) раза, чем у сеголеток с инволюцией семенника (χ²(1) = 20.0; p < 0.0001), и в 1.1 (1.0–1.2) раза, чем у перезимовавших (χ²(1) = 6.2; p < 0.01).

Рис. 1.

Морфометрические признаки сперматозоидов (мкм, среднее и ДИ) рыжей полевки разных репродуктивно-возрастных групп: половозрелые сеголетки (m), сеголетки с инволюцией семенников (m/i), перезимовавшие самцы (ow); I, II – варианты онтогенеза.

Рис. 2.

Частота встречаемости аномальных сперматозоидов (среднее и ДИ) рыжей полевки разных репродуктивно-возрастных групп: половозрелые сеголетки (m), сеголетки с инволюцией семенников (m/i), перезимовавшие самцы (ow); I, II – варианты онтогенеза.

Отсутствие различий в размерах нормальных сперматозоидов у разных репродуктивно-возрастных групп свидетельствует о консервативности половых клеток. Высокая частота встречаемости дефектов головки сперматозоидов у сеголеток с инволюцией семенника, вероятно, связана со структурно-функциональными перестройками, сопровождающими сезонную/возрастную блокировку репродуктивной функции.

Обнаруженные различия частоты сперматозоидов с дефектами головки между половозрелыми сеголетками и перезимовавшими оказались сходными со значениями, полученными нами ранее для другой выборки самцов [22], что может свидетельствовать об их закономерном характере. Можно предположить, что они обусловлены разницей в календарном возрасте животных и “накоплением” поломок. В то же время большая частота встречаемости дефектов головки у сеголеток с инволюцией по сравнению с перезимовавшими особями свидетельствует о том, что эффекты блокировки репродуктивной функции намного сильнее эффектов, связанных с календарным возрастом животных.

Таким образом, для анализа морфологии нормальных сперматозоидов не существенно, на какой стадии зрелости/старения находятся животные и когда они достигают половозрелости – в год своего рождения или после зимовки. Этот же вывод можно сделать и в отношении частоты встречаемости сперматозоидов с дефектами хвоста, поскольку обнаруженные эффекты, несмотря на статистическую значимость, оказались слабыми. Наоборот, при оценке частоты сперматозоидов с дефектами головки необходимо учитывать репродуктивно-возрастной статус животных. Кроме того, пока остается неоцененной онтогенетическая изменчивость других параметров спермы – концентрации и подвижности сперматозоидов.

Авторы выражают благодарность Е.Л. Воробейчику за обсуждение работы, анонимному рецензенту – за ценные замечания, которые позволили улучшить изложение материалов. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-34-90004.