Известия РАН. Серия биологическая, 2022, № 2, стр. 160-165

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Полевые сборы морфологического материала в природной популяции рыжих полевок (Clethrionomys glareolus) были проведены в пойме реки Пышмы (Среднее Зауралье) в 1975–1978 гг. Обилие оценивали методом отлова в ловушки Геро со стандартной приманкой на линиях (количество экземпляров на 100 ловушко-суток). Обследование животных и обработка морфологического материала были проведены по единой методике (Яскин, 2016; Yaskin, 1984). Массу надпочечников определяли с точностью до 0.2 мг. Относительная масса надпочечников по отношению к массе тела выражена в мг/г. Мозг животных без твердой мозговой оболочки взвешивали с точностью до 1 мг и затем фиксировали в 10%-ном формалине. Каждый мозг хранили в отдельной пробирке с этикеткой. Препарирование мозга и выделение гиппокампа проводили с использованием микроскопа МБС-2 не ранее чем через месяц с момента фиксации. Отделы мозга взвешивали с точностью до 0.2 мг. Через коэффициент пересчета, определенный отдельно для каждого мозга, полученные значения переводили в нативную массу (Яскин, 2016). Масса головного мозга и гиппокампа была определена у 597 рыжих полевок.

Все полевки были разделены на две группы: весенние – быстро созревали и участвовали в размножении в год своего рождения, к осени в основной массе вымирали; и осенние – в год своего рождения половой зрелости не достигали, составляли основную часть зимующей популяции и, соответственно, группы перезимовавших на следующий год (Яскин, 2020). Для статистической оценки достоверности различий признаков использовали t‑критерий Стьюдента. Нормальность распределения оценивали методом Колмогорова-Смирнова. При обработке материала была использована программа Statistica 8. Подсчитывали среднее и стандартную ошибку средней (M ± m), пределы, коэффициент вариации признаков (Cv, %). Относительная масса мозга по отношению к массе тела выражена в мг/г. Относительная масса гиппокампа по отношению к массе всего мозга выражена в промилле (‰).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Период сбора материала охватил периоды низкой, средней и высокой численности рыжей полевки (рис. 1). За весь период улов полевок колебался в пределах 4–35 экземпляров на 100 ловушко-суток. Минимальным этот показатель был в 1975 г. В 1976 г. происходило быстрое нарастание численности – с июня по октябрь она увеличилась в 4 раза. В 1977 г., в год наибольшей численности, с мая по июнь произошло двукратное увеличение численности. Во второй половине лета при попадаемости зверьков 30–35 экз. на 100 ловушко-суток рост численности остановился. На следующий год попадаемость полевок была заметно ниже. В период роста численности (1976 г.) обращала на себя внимание высокая интенсивность размножения молодых, в июне и июле половозрелые самцы составляли 62–67%, размножающиеся самки 58–65%. В год наибольшей численности (1977 г.) процент участвующих в размножении сеголеток был заметно ниже. Если в июне 1977 г. половозрелыми были 30% всех молодых самцов, что значительно ниже, чем в другие годы, то в июле их число сократилось до 5%. Участвующие в размножении молодые самки составляли в июне–июле года пика 8–30%, тогда как в предыдущий и последующий годы – 58–85%. Обусловлено это тем, что практически все зверьки из вторых пометов, в обычные годы участвовавшие в размножении, не достигали половой зрелости в год пика.

Рис. 1.

Динамика относительной численности рыжих полевок.

Следует отметить изменение размеров надпочечников в связи с динамикой плотности популяции. Известно, что в условиях перенаселенности у высших позвоночных происходит увеличение надпочечников в связи с социогенным стрессом и повышенной продукцией глюкокортикоидных гормонов в корковом слое (Шварц и др., 1968; Christian, 1971). В год пика численности масса надпочечников полевок оказалась заметно и статистически достоверно выше, чем в другие годы. Относительная масса надпочечников молодых осенних полевок в октябре года пика (0.198 ± ± 0.007 мг/г, n = 57) была на 41% выше (P < 0.001), чем в октябре года перед пиком (0.140 ± 0.005 мг/г, n = 91). Относительно более крупные надпочечники были также у весенних сеголеток в летние месяцы года пика.

Таким образом, в год пика наблюдались характерные авторегуляторные популяционные механизмы, связанные предположительно с социальным стрессом: репродуктивная супрессия молодых полевок (в особенности самцов), ранняя остановка размножения, увеличение размеров надпочечников сеголеток.

При сравнении хронографических изменений массы мозга с динамикой популяции, следует отметить, что максимальных значений средняя масса мозга рыжих полевок достигала в летние месяцы года пика численности. Высоки значения массы мозга в год перед пиком численности. Заметно более низкая средняя масса мозга была у полевок в год после пика. Так, в июне 1978 г. масса мозга была на 4.5% (P < 0.001) ниже, чем в июне года пика (1977 г.), в октябре – ниже на 3.5% (P < 0.001). Различалась также и относительная масса мозга. Динамика этого признака больше отражает изменения массы тела нежели массы мозга (таблица). В однородных в возрастном отношении выборках рыжих полевок вариабельность массы тела и относительной массы мозга заметно выше (в среднем Cv = 15%) чем вариабельность абсолютной массы мозга (Cv = 5%). При сравнении динамики таких признаков как масса тела, масса головного мозга и относительная масса головного мозга можно отметить, что абсолютная масса головного мозга наиболее четко изменяется в соответствии с ходом популяционной численности.

Абсолютная и относительная масса гиппокампа у молодых осенних рыжих полевок, отловленных в октябре года пика (возраст 1–3 мес.), оказалась достоверно выше по сравнению с другими годами (табл. 1). Масса гиппокампа в октябре года пика (1977 г.) была больше, чем в октябре 1975, 1976 и 1978 гг. на 13.1, 7.3 и 11.3% соответственно, при P < 0.001. Относительная масса гиппокампа (по отношению к массе мозга) в октябре года пика была выше, чем в 1975 г. на 5.0% (P < 0.05) и выше, чем в 1976 и 1978 гг. на 7.6 и 7.8% (P < 0.001). Такая особенность осенних полевок, родившихся в год пика, сохраняется до весны следующего года. Абсолютная и относительная масса гиппокампа этих полевок в возрасте 6–8 месяцев, отловленных в конце зимы еще под снегом (март 1978 г.), была больше при сравнении с аналогичными выборками предыдущих лет. Различия по абсолютной массе гиппокампа с 1976 и 1977 гг. составляли 6.3 и 9.4% (P < 0.05; P < 0.001 ), по относительной 5.3 и 9.6% (P < 0.001). У более старших 9–11 месячных перезимовавших полевок родившихся в год пика (июнь 1978 г.), различий по абсолютной массе гиппокампа по сравнению с предыдущими годами уже не наблюдалось, но оставалась несколько более высокой относительная масса гиппокампа, – на 4.3 (P > 0.05) и 3.7% (P < 0.05) по сравнению с 1976 и 1977 гг. Эти различия по относительной массе гиппокампа при отсутствии их по абсолютной объясняются более низкой общей массой головного мозга перезимовавших полевок, родившихся в год пика численности, по сравнению с другими годами.

У весенних полевок значимых различий по абсолютной и относительной массе гиппокампа в летние месяцы разных лет не наблюдалось.

ОБСУЖДЕНИЕ

Данные об изменчивости мозга млекопитающих в связи с динамикой плотности популяции очень малочисленны. Вероятно, это связано с тем, что в зоологических полевых исследованиях приоритетным было сохранение черепов для коллекций. На песцах Ямала было показано, что при резких колебаниях численности масса мозга молодых самцов изменяется синхронно с массой тела, она выше в годы пика по сравнению с годами минимума численности (Дубравина, 1976). Отмечены изменения средней массы мозга узкочерепных полевок в связи с динамикой плотности популяции (Яскин, 1988). В целом, средняя масса мозга полевок в популяции повышается в фазу нарастания численности и заметно понижается при спаде численности.

Важную роль в регуляции роста и размножения могут играть внутрипопуляционные, зависимые от плотности механизмы, связанные со стрессом. Многими авторами принимается предположение Кристиана о важном значении поведенческих взаимодействий в регуляции популяции у мелких млекопитающих (Роговин, Мошкин, 2007). В соответствии с гипотезой авторегуляции численности мелких млекопитающих Кристиана (Christian, 1971; Krebs, 2013) социогенный стресс рассматривается как причина смертности и репродуктивной супрессии особей в популяции. Вместе с тем стресс можно рассматривать с точки зрения выживания индивида при ухудшении условий его обитания за счет отказа животного от участия в размножении. Наблюдавшееся нами торможение созревания молодых рыжих полевок и увеличение надпочечников в год пика свидетельствует о включении зависимых от плотности популяции механизмов регуляции численности. Увеличение плотности животных сопровождается повышением функциональной активности надпочечников, связанной с социальным стрессом и повышением концентрации глюкокортикоидов (Шилов, 1977; Novikov, Moshkin, 1998). Зависящее от плотности (плотность социальной среды) поведение запускает и контролирует нейроэндокринные регуляторные механизмы, ведущие к замедлению темпа размножения, созревания, обусловливающие смертность из-за супрессии иммунитета, “болезней адаптации” (Роговин, Мошкин, 2007).

Ось гипоталамус–гипофиз–надпочечник играет ключевую роль в адаптации к стрессам окружающей среды. Лимбические области, такие как миндалина и гиппокамп, вовлечены во врожденное социальное поведение и реакцию на социальный стресс; они также участвуют при формировании агрессии (Rosell, Siever, 2015). Хотя более изучены функции гиппокампа в памяти и навигации, следует отметить, что этот отдел головного мозга также играет важную роль в регулировании реакции на стресс (Smulders, 2017). Гиппокамп, паравентрикулярное ядро гипоталамуса, передний гипофиз и кора надпочечников интегрированы во взаимозависимую систему, которая поддерживает внутренний гомеостаз. Вместо широко принятого термина – гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система, ГГНС (HPA – hypothalamic-pituitary-adrenal axis) – некоторыми авторами (например, Vázquez, 1998) в последнее время стал использоваться новый термин, подразумевающий участие в системе также и гиппокампа – limbic-hypothalamic-pituitary-adrenal axis (LHPA). В русскоязычной научной литературе соответствующий термин пока не получил распространения. Более высокая абсолютная и относительная масса гиппокампа у осенних полевок в год пика численности может быть связана с повышенным уровнем стресс-реакции, обусловленной высокой плотностью популяции. В экспериментальных работах показана пластичность гиппокампа в ответ на влияние стресса (McEwen, 1999, 2012; Sapolsky, 2003). Гиппокамп является особенно пластичной областью мозга, которая реагирует как на высокий, так и на низкий уровень стероидов надпочечников (Fuchs et al., 2001). Социальные факторы влияют на гиппокамп, который тесно связан с нейроэндокринной регуляцией и играет важную роль в эмоциональной обработке и в ключевых аспектах обучения и памяти (Fuchs et al., 2001). Острый стресс может увеличивать количество дендритных шипиков в гиппокампе у самцов; также стресс усиливает ассоциативное обучение и вовлекает нейронные механизмы улучшения памяти (Shors et al., 2001). Умеренный пренатальный стресс увеличивает нейрогенез в зубчатой извилине гиппокампа крыс, что может объяснить их более быстрое освоение пространственного обучения (Fujioka et al., 2006)

Адекватные реакции эндокринной системы, обеспечивающие адаптации организма к меняющимся условиям внешней среды, возможны только при участии в регуляции эндокринных функций центральной нервной системы. Значение некоторых центральных механизмов в активации гипофизарно-надпочечникововой секреции на пике численности продемонстрировано на красной полевке. В годы высокой численности (пик и спад) происходит повышенный синтез вазопрессина в нейросекреторных клетках паравентрикулярного и супраоптического ядер гипоталамуса, что может приводить к активации адренокортикотропной функции гипофиза, а в годы низкой численности (депрессия и рост) возрастает синтез окситоцина, играющего ключевую роль в стимуляции генеративной функции (Владимирова и др., 2006). Гиппокамп регулирует адренокортикальную активность на уровне гипоталамуса посредством экспрессии и секреции секретогенных агентов АКТГ (Jacobson, Sapolsky, 1991). Изменения в функционировании желез внутренней секреции, возникающие при первичной реакции центральной нервной системы на изменения внешней среды, в частности, плотности популяции, могут приводить по принципу обратной связи к вторичным более глубоким морфологическим изменениям мозга. Половые гормоны модулируют нейрогенез в гиппокампе взрослых самцов и самок грызунов (Galea, 2008).

В год высокой плотности популяции мы не наблюдали существенного изменения массы всего мозга или массы гиппокампа у весенних сеголеток в летний период. Изменения отмечены только у осенних полевок в сентябре, октябре. Есть основания полагать, что различия в развитии мозга и комплексе интерьерных признаков закладываются на более ранних этапах онтогенеза – в период внутриутробного развития (Fujioka et al., 2006; Weinstock, 2008). Некоторые физиологические особенности осенних генераций могут быть объяснены особенностями их матерей (Шварц, 1980). Пренатальный стресс влияет на скорость полового созревания у рыжей полевки (Marchlewska-Koj et al., 2003). В ряде экспериментальных работ показано воздействие стресса при беременности на гиппокамп потомства (Weinstock, 2001; Роговин, 2019).

С изменчивостью гиппокампа в какой-то степени также могут быть связаны и плотностно-зависимые изменения агрессивности полевок. В некоторых случаях при удалении гиппокампа наблюдали снижение агрессивности животных (Blanchard, Blanchard, 1968). Хорошо известны изменения агрессивного поведения грызунов в связи с динамикой численности популяций (Krebs, 2013; Christian, 1971). Увеличение агрессивности на пике численности в природе отмечено у ряда видов мелких грызунов (Novikov, Moshkin, 1998; Krebs, 2013). Интересно отметить, что существенная редукция гиппокампа наблюдается у различных видов млекопитающих в процессе их доместикации; предполагается, что это связано с подавлением инстинкта агрессивности и с приспособлением к жизни в “условиях без стресса” (Kruska, Röhrs, 1974). При попадании домашних животных в естественную среду наблюдался обратный процесс, причем изменения эти происходили относительно быстро – за несколько поколений (Kruska, Röhrs, 1974). Наши данные свидетельствуют, что изменения размера мозга и гиппокампа могут происходить от поколения к поколению.

Была продемонстрирована параллельная изменчивость особенностей пространственного поведения, в том числе величины индивидуальных участков, и размера гиппокампа рыжих полевок в сезонном внутригодовом цикле природной популяции (Yaskin, 2013). Сезонная изменчивость гиппокампа диких видов мелких млекопитающих (Yaskin, 1984, 2013, 2019; Burger et al., 2013; Spritzer, 2017; Lázaro et al., 2018) связывается авторами исследований с влиянием таких факторов как участие в размножении и изменение гормонального фона организма, изменение пространственного поведения животных. Вместе с тем, влияние этих же факторов характерно и для многолетней динамики численности грызунов. Сопоставляя данные по размножению, скорости созревания весенних и осенних полевок на фазе нарастания и депрессии численности, И.А. Шилов (1977) отмечает: “… популяция в фазе роста численности как бы уподобляется по эколого-физиологическим свойствам весенней генерации, а в фазе спада численности – осенней” (с. 176). Подобное сопоставление можно провести и по закономерностям развития мозга и гиппокампа. Показаны различия в закономерностях роста мозга и гиппокампа у сезонных генераций рыжей полевки (Яскин, 2020). Выявленные хронографические изменения гиппокампа рыжих полевок вероятно могут быть связаны также с плотностно-зависимыми изменениями их поведения, в частности, уровнем агрессивности, особенностями пространственного поведения.

Хронографическая изменчивость массы мозга и гиппокампа полевок проявляет связь с динамикой плотности популяции. В год пика численности на фоне выраженной социогенной стресс-реакции, сопровождавшейся увеличением надпочечников полевок, и включением плотностно-зависимых механизмов регуляции численности, проявлявшимися в торможении полового созревания сеголеток, наблюдалось увеличение средней абсолютной и относительной массы гиппокампа рыжих полевок. Эта особенность морфологии головного мозга сохранялась у осенних полевок с возрастом, до весны следующего года и после перехода в группу перезимовавших.