Механизмы изоляции у грызунов: от поведения к рецепторам.

 

Е.В. Котенкова, В.В. Вознесенская

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва, Россия, ekotenkova@yahoo.com

 

Репродуктивная изоляция (пре- или посткопуляционная) близкородственных форм служит одним из основных показателей их видовой самостоятельности. Прекопуляционная изоляция препятствует скрещиванию представителей таких форм, а посткопуляционная – рождению гибридов, либо приводит к их стерильности. Поэтому эволюционисты нередко сводят изучение видообразования к исследованию генетических основ и эволюции механизмов изоляции. Традиционно исследователи рассматривали видовое распознавание, выбор полового партнера и половой отбор как самостоятельные проблемы коммуникации животных. С начала 90-х годов наметилась тенденция к изучению этих проблем не только в тесной взаимосвязи (Ryan, Rand, 1993), но и в связи с анализом и разработкой концепции механизмов изоляции, причем с учетом влияния экологических факторов на эволюцию характеристик сигналов и воспринимающих их систем (гипотеза сенсорного драйва, Endler, 1992). Вместе с тем изоляция не всегда абсолютна и близкородственные формы нередко скрещиваются в природе. Цель настоящего сообщения – обобщение и анализ собственных и литературных данных по изучению прекопуляционных механизмов изоляции у грызунов и построение модели их действия на разных функциональных уровнях организации живых систем. Объектами наших исследований были близкородственные виды и формы домовых мышей (ДМ) надвидового комплекса Mus musculus s.l. и полевок группы «arvalis». ДМ включают в себя синантропные и дикоживущие формы, находящиеся на разных стадиях дивергенции: хорошие симпатрические виды (СВ), парапатрические таксоны, скрещивающиеся в зонах контакта; а также аллопатрические виды. Нами использованы СВ M. musculus и M. spicilegus, парапатрические  M. musculus и M. domesticus (лаборатоная форма), а также естественные гибриды двух последних видов. В качестве дикоживущих СВ в опытах использовались виды-двойники полевок Microtus rossiaemeridionalis (2n=54) и M. arvalis (2n=46), а в качестве форм, находящихся на самых ранних этапах дивергенции – хромосомные расы географически замещающие друг друга в восточной части Европейской России (2n=46, NF=84 - "arvalis"; 2n=46, NF=72 - "obscurus") и их гибриды. Анализ функционирования и степени надежности действия прекопуляционных механизмов изоляции у близкородственных форм и видов проводился с учетом степени их филогенетического родства и территориальных взаимоотношений (аллопатрия, симпатрия, парапатрия), а также образа жизни (синантропные или дикоживущие формы). Обонятельный анализатор является древнейшим хемосенсорным образованием. Ему принадлежит ведущая роль в формировании сложных форм поведения грызунов. Исследована реакция на обонятельные сигналы у представителей  аллопатрических, симпатрических и парапатрических близкородственных видов и форм посредством разных модификаций методики парного предъявления источников запаха или при одновременном предъявлении четырех источников запаха. Показано, что СВ, а в ряде случаев и аллопатрические, распознают представителей своего и близкородственных видов и предпочитают запах своего вида. Для СВ мышей M. spicilegus и M.musculus показано достоверное возрастание уровня тестостерона в плазме крови в ответ на присутствие самки своего (но не СВ) вида в состоянии эструса без непосредственного контакта с ней. В эволюционном плане дополнительная обонятельная система (ДОС) сформировалась как специализированная для восприятия и анализа феромонов своего вида. Основная и ДОС имеют независимые нейроанатомические проекции к высшим структурам головного мозга. Вомероназальная система тесно связана с миндалинами гипоталамуса, что хорошо объясняет эмоциональную и гормональную компоненту реакции на феромоны, тогда как основная система имеет кортикальные проекции и в большей степени аппелирует к сознанию. Эти две системы четко разделяются по своей морфо-функциональной организации, основным характеристикам рецепторных нейронов. В рецепторной ткани вомероназального органа выделяются две зоны: зона экспрессии генов V1RN и зона экспрессии генов V2RN, кодирующих рецепторы к феромонам. Рецепторные нейроны зоны V2RN проецируются только к каудальной части дополнительной луковицы. Нашими исследованиями на срезах выстилки вомероназального органа показана активация рецепторов в зоне V2RN в ответ на стимуляцию запахом своего вида (но не СВ) у ДМ. Аналогично зарегистрирована достоверно более высокая fos иммунореактивность в каудальной части дополнительной обонятельной луковицы (Voznessenskaya et al., 2005). На основании наших данных можно сделать вывод, что реакция на половые феромоны самки в значительной степени обусловлена контекстом, а именно видовой принадлежностью донора сигнала. Предлагается гипотеза о зависимости гормонального ответа на запах эстральной самки своего вида от исходного уровня тестостерона реципиента. Уровень тестостерона служит интегрированным показателем степени половой зрелости самца и его социального ранга и достаточно надежно сигнализирует о его готовности к спариванию. Приводятся экспериментальные данные в поддержку выдвинутой гипотезы. При сравнении поведенческих взаимодействий потенциальных половых партнеров одного и разных близкородственных видов показано, что половое поведение СВ дикоживущего M. spicilegu и  синантропного Mus musculus существенно различаются. Обсуждаются отличия поведения, которые могут препятствовать спариванию половых партнеров разных видов. Полученные данные сравниваются с результатами других исследований по изучению поведенческих и физиологических механизмов изоляции у грызунов. Таким образом, у нескрещивающихся в природе СВ надежность изоляции обеспечивается ее многократным дублированием на разных уровнях: от различий в поведении до разницы в рецепторном коде сигнала. Обсуждаются эволюционные сценарии формирования механизмов изоляции у СВ ДМ. В отличие от СВ, парапатрические синантропные таксоны ДМ скрещиваются в местах контакта, что приводит к образованию зон гибридизации разной структуры и протяженности. При этом четко прослеживается тенденция к постоянному «перемешиванию» генотипов разных синантропных таксонов за счет гибридизации при постоянных переселениях вместе с человеком, что приводит ни к дивергенции, а к «дедифференциации» видов (Котенкова, 2002). При такой ситуации не могут формироваться и механизмы прекопуляционной изоляции. Работа поддержана грантом РФФИ 04-04-48412.

 

 

Сравнительный анализ полового поведения синантропных и дикоживущих домовых мышей надвидового комплекса Mus musculus s.l.

А.В. Амбарян, Е.В. Котенкова

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, kotenkova_elena@mail.ru

 

Надвидовой комплекс домовых мышей Mus musculus s. lato. включает в себя две дивергентные группы: синантропные виды - Mus musculus, Mus domesticus, Mus castaneus и дикоживущие виды - Mus spicilegus, Mus macedonicus, Mus spretus. Синантропные таксоны домовых мышей парапатричны и скрещиваются между собой в местах  контакта их ареалов, в то время как дикоживущие виды – аллопатричны. Популяции синантропных домовых мышей Закавказья характеризуются повышенной генной изменчивостью. Одни авторы рассматривают эти популяции как гибридные, возникшие при скрещивании musculus и domesticus (Orth et al., 1998; Mezhzherin et al., 1998), другие считают мышей Закавказья близкими к предковой форме M. musculus, не утратившей высокое генетическое разнообразие (Котенкова, 2002; Милишников и др., 2004). При этом различные гибридизационные процессы могли наложиться на ареал исходной предковой формы. Синантропные и дикоживущие виды симпатричны и не скрещиваются между собой в природе, но гибридизируют в лаборатории (Лавренченко и др., 1994).  Это свидетельствует в пользу наличия прекопуляционных механизмов изоляции между синантропными и дикоживущими таксонами.

С целью изучения этологических механизмов прекопуляционной изоляции у домовых мышей надвидового комплекса Mus musculus s.l. проведены внутри- и межвидовые ссаживания самцов и самок в состоянии эструса. Синантропные таксоны были представлены  гибридной формой мышей из Закавказья и Mus musculus, дикоживущие –  Mus spicilegus. Эксперименты продолжительностью 1.5 часа проводились на нейтральной территории. Всего проведено 234 опыта, из них для статистической обработки отобрано 20 опытов прямого и перекрестного вариантов ссаживания. Необходимым условием отбора опытов было наличие в них элементов полового поведения (садок, садок с интромиссиями, экуляций и т.д.). Проведена видеозапись экспериментов с помощью цифровой видеокамеры с последующим анализом видеоматериала с применением лицензионной программы “The Observer Video Pro, Version 4.1” – профессиональная система для сбора, анализа и презентации поведенческих данных. В ходе проведения экспериментов выяснилось, что самки как синантропных, так и дикоживущего видов (Mus spicilegus) домовых мышей спариваются с самцами только на ранней стадии эструса. По нашим наблюдениям физиологическое состояние эструса является необходимым, но не достаточным условием рецептивности. Однако в отличие от представителей Mus spicilegus, у синантропных пар домовых мышей (включая перекрестные ссаживания самцов и самок мышей из Закавказья и Mus musculus) вне периода рецептивности самок также наблюдалось неполное половое поведение, которое характеризуется  наличием большого количества садок с интромиссиями, а также с интромиссиями и толчками. Тем не менее, такое поведение не завершалось эякуляцией. Мы предполагаем, что наличие элементов полового поведения вне периода рецептивности самок у синантропных форм домовых мышей обусловлено большей стереотипностью в проявлении комплекса полового поведения и меньшей его зависимостью от фазы физиологического цикла самки. Ритмичность всего комплекса полового поведения у представителей Mus spicilegus наблюдалась и во время самой фазы рецептивности. Обычно самец совершал несколько садок с интромиссиями (4 – 8 интромиссий), после которых у него наблюдалась эякуляция. После 8-10 минут отдыха партнеров цикл полового поведения возобновлялся,  заканчиваясь эякуляцией. В течение 1.5 часов наблюдений общее количество полных циклов полового поведения составляло в среднем 6.6. У самцов синантропных таксонов домовых мышей, как в ссаживаниях самцов и самок мышей из Закавказья, так и Mus musculus, среднее число эякуляций за 1.5 часа опыта не превышало 1. Иначе говоря, в этих ссаживаниях весь комплекс полового поведения завершался одной эякуляцией, после которой партнеры теряли интерес друг к другу. При этом предваряющие ее садки с интромиссиями (обычно около 13-15 у самцов Mus musculus и от 2-5 до 20 и более у самцов из Закавказья) могли непрерывно следовать друг за другом каждые полминуты в течение почти всего времени ссаживания. Если у самца наблюдалось несколько эякуляций, то периодичность их следования была выражена слабее, чем у Mus spicilegus; при этом сами циклы отличались большой вариабельностью.

Таким образом, проявление полового поведения синантропных видов домовых мышей в меньшей степени зависит от индивидуальных биологических ритмов отдельной особи и, следовательно, более схематично. Такая схематичность комплексов полового поведения подтверждается и относительной вариабельностью отдельных фаз и циклов этого поведения, что подразумевает наличие большей координации в действиях половых партнеров во время спаривания. В целом следует отметить, что половое поведение дикоживущего (M. spicilegus) и симпатричного синантропного вида (M. musculus) существенно различаются.

Работа поддержана грантом РФФИ 04-04-48412.

 

 

Реакция видов-двойников Microtus rossiaemeridionalis  и M. arvalis на обонятельные сигналы представителей своего и близкородственного видов.

 

Липина Н.С., Кузовова Н.А.,  Котенкова Е.В.

Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва, Россия, ekotenkova@yahoo.com

 

Уже в течение многих лет полевки группы «arvalis» служат удобной моделью для изучения целого ряда проблем систематики и эволюционной биологии. Особый научный интерес к этой группе возник после того, как был открыт вид -двойник обыкновенной полевки Microtus arvalis Pallas, 1779 (Мейер, 1968). В 1969 - 1972 годах по данным хромосомного анализа в российских популяциях вида с таким же, как в Западной Европе диплоидным числом (2п=46) хромосом, была найдена 54-хромосомная форма обыкновенной полевки. Позже в результате комплексного таксономического анализа, данная форма была описана как самостоятельный вид - М. subarvalis Meyer et al., 1972 (Мейер и др., 1972а, 19726). Но латинское название было признано nomina praeocceupata и заменено на М rossiaemeridionalis Ognev, 1924 (Малыгин, Яценко, 1986). Русское же название - восточноевропейская полевка - было предложено В.Е. Соколовым (1977). Внешне виды-двойники очень похожи. По размерам, окраске и массе тела M. arvalis и M. rossiaemeridionalis практически не отличаются. Надежная идентификация возможна на основании кариотипирования и «экспресс-метода» по электрофорезу гемоглобина. В ряде районов виды-двойники не только симпатричны, но и симбиотопичны. Вместе с тем они не скрещиваются в природе, что указывает на наличие надежных прекопуляционных механизмов изоляции. Показана роль поведенческих различий в половом поведении видов-двойников как возможных механизмов этологической изоляции (Зоренко, Малыгин, 1984).

Цель настоящей работы - определить способность видов-двойников M. rossiaemeridionalis и M. arvalis (форма obscurus) распознавать особей своего и близкородственного видов по комплексному запаху и запаху мочи. Такое распознавание может лежать в основе изоляции близкородственных видов.

Исследования были проведены в июле - ноябре 2003 года на научно-экспериментальной базе «Черноголовка» ИПЭЭ РАН. В первой серии опытов использовано 11 самцов и 5 самок М. rossiaemeridionalis и 8 самцов и 5 самок М. arvalis. В опытах зверькам предъявляли две чашки Петри с запахом мочи представителей своего и близкородственного видов. Реакцию на запахи оценивали по времени их исследования. Во второй серии опытов использовано 4 самца M. rossiaemeridionalis. Эксперимент проводили в Y- образном лабиринте. Лабиринт был изготовлен из оргстекла и состоял из камеры и двух рукавов. К рукавам с помощью трубочек присоединяли две малые камеры, которые с другого конца широким шлангом соединялись с вентилятором. Внутри камеры имелись три перегородки: между начальным отсеком и основной камерой, и между рукавами и основной камерой. В малые камеры помещали источник запаха. В нашем эксперименте источниками запаха служили живые животные. Запах подавался в струе воздуха, создаваемой вентилятором. Продолжительность опыта - 10 минут. За это время наблюдатель фиксировал: число заходов и время нахождения в каждом рукаве камеры (в секундах с помощью секундомера). При исследовании реакции самок восточноевропейской полевки на запах самцов своего вида и вида-двойника различия во времени были незначительными и результаты не достоверны. По среднему времени обнюхивания наблюдалась тенденция к предпочтению запаха самцов обыкновенной полевки. При исследовании реакции самцов восточноевропейской полевки на запах самок наблюдалась тенденция к более длительному обнюхиванию мочи самок своего вида. Достоверные различия отсутствовали и при предъявлении самцам обыкновенной полевки запаха самок своего и близкородственногог видов. При изучении реакции самок обыкновенной полевки на запах мочи самцов было установлено, что они достоверно дольше обнюхивали мочу самцов своего вида. В лабиринте самцы восточноевропейской полевки предпочитали рукав лабиринта с запахом самок своего вида (по количеству заходов и по времени нахождения в рукаве). Полученные данные свидетельствуют о возможности распознавания особей своего и близкородственного видов по запаху у видов-двойников полевок. Работа поддержана грантом РФФИ 04-04-48412.