ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СЕЗОННЫХ ЯВЛЕНИЙ

Периодические циклы представляют собой адаптацию к сезонной смене условий жизни. Приуроченность их к тем или иным срокам определяет адаптивный смысл этих процессов. Эволюционное закрепление фотопериода как ведущего фактора-синхронизатора «страхует* организм от нарушения циклов кратковременными незакономерными отклонениями условий среды от средних норм.

Каждый сезонный процесс (размножение, линька, миграции, спячка и др.) характеризуется специфическим комплексом морфофизиологических и экологических особенностей, связанных со спецификой деятельности организма в данное время.
Таким образом, годовой цикл жизнедеятельности представляет собой систему сменяющих друг друга сезонных физиологических состояний (В.Р. Дольник, 1975). Регуляция их на протяжении годового цикла важна не только в плане приуроченности каждого процесса к экологически оправданному сезону, но и в плане упорядоченного распределения физиологических состояний во времени. Это важно, так как совмещение энергоемких процессов биологически невыгодно. Кроме того, некоторые сезонные состояния физиологически несовместимы, и «настройка» организма на одно из них может прямо препятствовать проявлению другого[XXXII].
Размножение. У позвоночных животных циклы размножения контролируются довольно сложной системой взаимодействующих гормонов. Наиболее важное значение в развитии гонад и продукции половых клеток имеют гонадотропные гормоны гипофиза: фолликулостимулирующий гормон (ФСГ) и лютеинезирующий гормон (ЛГ). Эти гормоны стимулируют развитие фолликулов в яичниках и семенных трубочек в семенниках (главным образом ФСГ), а также регулируют дальнейший ход полового цикла, включая продукцию гормонов самими гонадами (г лавным образом ЛГ).
Активные гонады продуцируют гормоны группы половых стероидов: эстроген и прогестерон в яичниках и тестостерон в семенниках. Эти гормоны контролируют развитие вторичных половых признаков и специфических форм полового поведения.
Помимо гонадотропных гормонов в регуляции репродукции участвует еще один гипофизарный гормон —пролактин, который у млекопитающих контролирует деятельность генеративной системы. В частности, этот гормон обеспечивает сохранение желтого тела и, таким образом, регулирует лактацию, а также, по-видимому, стимулирует секрецию прогестерона в первой половине беременности. У птиц пролактин регулирует поведение, связанное с насиживанием и выкармливанием птенцов; действие этого гормона не опосредуется через половые железы.
Продукция гонадотропных гормонов и пролактина регулируется нейросекреторной системой гипоталамуса. В свою очередь, нейросекреторная функция гипоталамуса, как и гонадотропная функция гипофиза, контролируется количеством половых гормонов в крови по принципу обратной связи. При этом чувствительность гипоталамуса-к половым стероидам зависит от времени года, т. е. от фотопериода. На этой основе обеспечивается сезонный характер секреции гормонов полового цикла и приуроченность активации репродуктивных функций к наиболее благоприятному времени года.
Роль фотопериода в регуляции размножения известна давно. Первые экспериментальные работы в этой области проведены в 1925—1930 гг. американским исследователем В. Роуэном (W. Rowan). Искусственным увеличением длины дня этот ученый вызывал «досрочное» развитие гонад и начало сперматогенеза у самцов овсянки юнко. Позднее, аналогичные результаты получены в опытах с многими другими видами птиц. Чередованием длинных и коротких фотопериодов у ряда видов удавалось вызвать до пяти полных половых циклов за один год.
Позднее, подобные данные получены на других позвоночных животных. Так, у рыб Notropis hifrentus увеличение длины светового дня до 17 ч (в контроле в это время длина дна снижалась с 12 до 9 ч) вызвало развитие брачной окраски, специфического поведения и приводило к досрочной откладке оплодотворенной икры. Замедление светового режима (опыты с кижучем), напротив, задерживало время начала размножения.
У самцов прудовой лягушки непрерывное освещение в январе увеличивало концентрацию половых гормонов в плазме крови почти в три раза; летом такого эффекта не отмечалось.
Подобные данные получены в опытах с различными млекопитающими (грызуны, хищные, копытные). В частности, в опытах с джунгарскими хомячками Phodopus sungorus установлено, что, если при содержании на коротком дне (8С:16Т) середина темнового периода прерывается короткой (I—5 мин) вспышкой света, животные реагируют на Это как на увеличение фотопериода: начинается развитие гонад и линька (К. HofTmann, 1979). Такая реакция показывает, что механизм фотостимуляции сходен с описанным выше.
Дальнейший ход изучения этой проблемы показал, что действие света на развитие гонад и течение полового цикла не прямое: было показано наличие уже рассмотренных эндогенных цирканнуальных ритмов. Первые опыты были проведены с птицами; в дальнейшем эндогенные циклы размножения выявлены и у других животных. Так, партеногенетические ящерицы Cnemidophorus uniparens, которых поймали по окончании срока размножения и содержали при постоянной температуре и разных режимах освещения, начали очередное размножение в одно и то же время, притом синхронно, с началом размножения » природе (Н. Cuellar, О. Cuellar, 1977). Жесткие эндогенные циклы репродукции, не меняющиеся под влиянием внешних воздействий, выявлены у руинной ящерицы Lacerta sicula. Такие же результаты получены в опытах с антилоповыми сусликами Ammospermophilus leueurus (G. Kenagg, G. Bartholomew, 1979) и рядом других млекопитающих.
Сейчас хорошо известны цирканнуальные циклы гонадотропной функции гипофиза и гипоталамической нейросекреторной системы, что объясняет и эндогенную природу сезонного цикла репродуктивной функции в целом. Эта функция достаточно эффективно синхронизируется фотопериодом. Механизм такой синхронизации достаточно полно изучен только у птиц и может быть представлен следующей схемой.Информация о длине фотопериода преобразуется на уровне гипоталамуса (возможно, с участием экстраретинальных рецепторов). Фотостимуляция, совпадающая по фазе с темновой частью эндогенного околосуточного ритма, вызывает увеличение секреторной активности ядер гипоталамуса и выброс нейросекретов в гипофиз. Здесь нейросекреты стимулируют продукцию гонадотропных гормонов и выведение их в кровяное русло. Под влиянием гонадотропинов начинается развитие гонад и гаметогенез. Дальнейшее протекание полового цикла регулируется группой половых стероидов, взаимодействующих по принципу обратной связи с гипофизарными гормонами.
По современным данным, помимо гипоталамуса в регуляции репродуктивных циклов у позвоночных существенное значение имеет пинеальная железа — эпифиз, также относящаяся к структурам промежуточного мозга Эксперименты с млекопитающими, на которых этот механизм регуляции изучен наиболее полно, показывают, что гормон эпифиза —мелатонин —тормозит репродуктивные функции. Действие этого гормона осуществляется через гипоталамо-гипофизарную систему. Показано, что мелатонин повышает чувствительность гона- дотропин-секреторной системы к ингибирующему действию половых стероидов. Эффект торможения репродукции выражается в снижении продукции гипоталамических нейросекретов, стимулирующих выработку гонадотропных гормонов в гипофизе (J. Glass et al.,1988).
Активность эпифиза повышается в темноте, соответственно и ингибирующее влияние его на размножение связывается с короткими фотопериодами; у млекопитающих ингибирующее влияние мелатонина на репродукцию начинается осенью и достигает максимума в зимние месяцы. Удаление эпифиза снимает эффект подавления размножения 1HMoii и в опытах с искусственными короткими периодами. Введение экзогенного мелатонина подопытным животным повышает эффект торможения деятельности гонад. Весеннее развитие гонад связано, вероятно, с сезонной нечувствительностью нейроэндокринной системы к ингибирующему действию гормона эпифиза. Предполагают две модели механизма участия эпифиза в регуляции гонадного цикла. По первой из них — гипотеза продолжительности — регулирующим фактором является длительность суточного пика концентрации мелатонина. По второй гипотезе—модель внутреннего совпадения—блок размножения происходит при совмещении максимальной чувствительности к мелатонину с пиком его концентрации (R. Reiter, 1986). Вопрос находится в стадии изучения, но видно, что вторая модель весьма сходна с механизмом гипоталамической регуляции цирканнуальных ритмов с участием фотопериодической стимуляции[XXXIII].
Теоретически эндогенный окологодовой цикл размножения может синхронизироваться с сезонным ритмом внешних условий постоянно, но автономность эндогенного ритма включает и чередование фаз чувствительности и нечувствительности к световым воздействиям. Таким образом, часть годового цикла осуществляется автоматически, без участия фотостимуляции, путем свободного отсчета времени от момента «коррекции» во время светочувствительной фазы. Исследования, проведенные на птицах, показывают, что фаза фоторефрактерности (нечувствительности к фотостимуляции) по механизмам контроля принципиально отличается от гормональной регуляции системой обратных связей: эта фаза наступает автоматически на основе эндогенного отсчета времени от момента весенней фотостимуляции (В.Р. Дольник, 1975). Биологическое значение фоторефрактерности заключается в том, что прекращение реакции на длинный световой день завершает размножение птиц среди лета, предупреждая возможность появления потомства в экологически неблагоприятные сроки (рис. 7.4); фоторефрактерная фаза особенно четко выражена у перелетных птиц.
После установления фоторефрактерность поддерживается длинными фотопериодами. Окончание фоторефрактерного периода — более постепенный процесс. У большинства исследованных птиц фотореф- рактерность прекращается поздней осенью, на фоне короткого дня. У видов, мигрирующих в экваториальную зону, окончание фоторефрактерности определяется скорее всего эндогенной программой отсчета времени. У этих видов окончание фоторефрактерной фазы, возможно, служит датчиком времени к началу полового цикла. У видов, зимующих в более высоких широтах, начало репродуктивного цикла происходит ранней весной, после окончания рефрактерности, и определяется прямым действием увеличивающегося светового дня.

/ // /// /I’ I I/ I// I BI п Л Л7 XH Месяцы gt;1

/ // /// /I I I/ I// I/// /л л V/ .V// Месяцы Б

Рис. 7.4. Соотношение массы гонал (I) и сроков размножения с длиной фотонериола (2) у видов птиц без рефрактерной фаны (А) и имеющих рефрактерную фазу (Б) (по D. i-'amer, 1970)

Конкретная роль фотопериодической регуляции репродуктивных процессов неодинакова у разных видов и групп животных. Так, среди птиц есть виды, у которых половой цикл полностью регулируется фотопериодом, а есть и такие (главным образом экваториальные мигранты), у которых этот процесс целиком основан на эндогенной программе, лишь в определенное время года корректируемой фотопериодом. Тропические Zonotrichia capemis размножаются круглогодично, но это регистрируется лишь на популяционном уровне. Каждая отдельная особь имеет свой половой цикл (чередование фаз сексуальной активности и покоя) протяженностью несколько менее года, т. е. типичный цирканнуальный ритм. Круглогодичное размножение всей популяции возникает в результате десинхронизации индивидуальных циклов.
У ряда видов тропических птиц и млекопитающих размножение определяется сменой сухого и дождливого периодов. Начало влажного сезона «запускает» цикл размножения, но подготовка к этому моменту идет с участием гормональных механизмов на основе внутренней окологодовой программы.
На фоне генеральной программы регуляции размножения действует сложный комплекс факторов внешней среды (метеоусловия, обилие корма, наличие мест для устройства гнезд и т. п.), которые модифицируют сроки и темпы размножения в соответствии с конкретными условиями, а подчас могут и полностью приостановить половой цикл. Сезонные и вызванные спецификой внутрипопуляци- онных отношений изменения чувствительности организма к внешним условиям еще более усложняют этот процесс. Интеграция всех этих механизмов обеспечивает реализацию размножения в экологически оптимальные сроки при самом широком разнообразии конкретных условий внешней среды.
Линька. Периодическая смена покровных образований —линька — свойственна многим группам животных. У членистоногих регулярная смена жестких наружных покровов напрямую связана с процессами
роста. У птиц и млекопитающих этот процесс имеет четко сезонный характер, что определяется его главным адаптивным значением — изменением уровня теплоизоляции в соответствии с сезонным циклом погодных (в первую очередь температурных) условий. Помимо этого у ряда видов линька определяет сезонную смену покровительственной окраски, а у многих птиц — приобретение яркого брачного наряда к началу сезона размножения и смену его на более скромный по окончании брачного периода.
Сложный комплекс физиологических механизмов, обусловливающих линьку и ее приуроченность к определенному сезону, полно изучен только у птиц. Именно на примере этого класса и будут рассмотрены физиология и регуляция линьки в дальнейшем тексте, так как при несомненной общности ряда ведущих процессов линьки конкретное их выражение у млекопитающих во многом специфично и еще слабо изучено.
Линька как сезонное состояние не ограничивается сменой оперения. He говоря уже о том, что при линьке сменяются и другие роговые образования (ороговевший эпителий, чешуи, когти, роговые пластинки на клюве), организм линяющих птиц испытывает специфические перестройки, затрагивающие многие стороны физиологии. В частности, в период линьки существенно изменяется состав тканей и органов: содержание жира в теле резко снижается и доходит до годового минимума, а количество воды в тканях, напротив, повышается до максимального в годовом цикле. Уровень белков в теле перед линькой повышается, в начальный ее период существенно уменьшается, а во второй половине линьки восстанавливается до исходной величины.
Соответственно этим изменениям смещается относительная роль различных веществ в общем энергетическом балансе организма. Во время линыш значение гликогена в энергетике, как и в другие сезоны, у птиц Небольшое (примерно 3—I % ночных затрат). Роль жира, поставляющего в другие сезоны до 90—95 % энергии, во время линьки снижается до 70—30 %, а значение белкового метаболизма, напротив, заметно возрастает: расщепление протеинов обеспечивает 35—70 % ночного расхода энергии (В.М. Гаврилов, В.Р. Дольник, 1974). Общий уровень расхода энергии во время линьки существенно повышается: потребление кислорода линяющей птицей на 30—50 % выше по сравнению с другими периодами.
Общие энергозатраты на линьку составляют 55—260 кДж; у разных видов в этот период имеют место заметные отличия в параметрах энергетики организма.
Усиление энергетических расходов и явно «белковый» профиль метаболизма во время линьки (особенно в ее начальном периоде) связаны с синтезом большого количества кератина. Так, у взрослых зябликов при полной послебрачной линьке образуется 1400 мг пера.
Для синтеза кератинов необходимо довольно большое количество незаменимых аминокислот цистина и цистеина: их количество в составе пера достигает 7—8 % от общей массы белков. Содержание же этих аминокислот в пище значительно ниже: в семенах — примерно 1,5 г, а в животной пшце — около 3 г на 100 г белков. Необходимость переработки большой массы белков пшци и лежит в оснойе усиления белкового обмена, увеличения потребления пищи и возрастания энергозатрат во время линьки[XXXIV]. В связи с усилением белкового обмена возникает еще одна особенность линяющих птиц: катаболизм белков остается высоким и ночью — за счет утилизации белков тела. Подсчитано, что количество белков тела, использованное за время линьки, превышает их общую массу в теле. Таким образом, в процессе линьки происходит обновление белков тела, т. е. общая реконструкция организма (В.М. Гаврилов. В.Р. Дольник, 1974).
Линька, как и другие периодические процессы в жизни птиц, регулируется сезонными изменениями фотопериода. Этот фактор синхронизирует эндогенную программу линьки с астрономическим календарем и конкретными условиями в каждом данном районе. Многообразие экологических условий и существование разных типов линек существенно усложняют характер фотопериодической регуляции линьки и взаимодействия фотопериода с другими механизмами контроля этого процесса (гормональный фон в организме, прямое влияние внешних факторов и др.).
Регуляция предбрачной линьки относительно проста и хорошо изучена. У мигрирующих видов линька начинается перед отлетом и контролируется теми же механизмами, которые определяют активацию гонад и развитие весеннего миграционного состояния. В основе этих механизмов лежит непосредственная фотопериодическая стимуляция. В экспериментах частичную смену оперения, подобную предбрачной линьке, удавалось получить, действуя на птиц поздней осенью или зимой удлиненным световым днем.
Послебрачная линька происходит, как правило, в наиболее благоприятное время года, когда корма достаточно, в том числе и животного (на питание животной пищей в этот период переходят и многие зерноядные птицы). В основе периодичности послебрачной линьки лежит эндогенная цирканнуальная программа, которая особенно отчетливо выявляется в экспериментах с содержанием птиц в условиях постоянного фотопериода. Так, серые славки Sylvia communis, зимующие на экваторе и южнее его и потому никогда не сталкивающиеся с коротким днем в природе, при содержании на коротких (9 ч света) фотопериодах в течение более чем года не меняли периодичности линек. На фотопериоде 12С:12Т мигрирующие в Центральную и Южную Африку пеночки-веснички Phylloscopus Irochilus более двух лет сохраняли естественные сроки линьки; пеночка-теньковка Ph. collybi- tus, зимующая в Северной Африке, в таких же условиях сохранила цикл линьки лишь один год, после чего начинались нарушения. Вообще, на фотоперисда, близком к весеннему, многие виды птиц по крайней мере в течение года удерживают естественный цикл линек.
Искусственное изменение режима освещения вскрывает участие фотопериода в регуляции сроков и темпов линьки. Виды с единственной послебрачной линькой в экспериментальных условиях реагируют на укорочение светового дня в период половой активности регрессией гонад и началом линьки. Долгое выдерживание на длинном световом дне в конце концов приводит к таким же результатам (видимо, «срабатывает» эндогенный процесс). Увеличенный световой день во время линьки нередко прод левает ее срок, а укороченные фотопериоды ускоряют линьку и сокращают ее сроки.
Подробно механизмы регуляции линьки исследованы в экспериментах с зябликами на орнитологической станции Зоологического института РАН на Куршской косе. Эти эксперименты показали, что время начала послебрачной линьки не стимулируется конкретной величиной фотопериода, а отсчитывается как определенное число дней от окончания весенней фотостимуляции1. Таким же путем определяется программа сроков окончания линьки.
Иными словами, в основе регуляции сроков линьки лежит эндогенная программа, которая раз в году приводится в . соответствие с конкретными условиями с помощью фотопериодического контроля. При этом сроки начала и окончания линьки фиксируются в этой программе отдельно. Это имеет важное значение как фактор, определяющий одновременное окончание линьки у всех особей в популяции, независимо от различий в начале ее, вызванных десинхронизацией размножения. Таким образом создается одновременная готовность популяции к миграции —явлению, при котором десинхронизация невозможна.
Коррекция завершения сроков линьки возможна и под влиянием фотопериода. В описываемых опытах было установлено, что в начале линьки скорость ее увеличивается под влиянием коротких фотопериодов и не поддается влиянию удлиненного светового дня. Вторая половина линьки, напротив, не подвержена регуляции короткими фотопериодами, но замедляется действием длинных. Это означает что в природе птицы, закончившие размножение и начавшие линьку раньше средних сроков (т. е. при более длинных фотопериодах), будут линять медленнее, а начавшие линьку позднее пройдут ее в более сжатые сроки (действие укороченных фотопериодов). Такая реакция дополнительно участвует в синхронизации индивидуальных годовых циклов на рубеже окончания линьки и начала развития осеннего миграционного состояния (В.Р. Дольник, В.М. Гаврилов, 1974).
Фотопериодическая регуляция линьки прослежена и у некоторых млекопитающих. В частности, длительное (в течение года) содержание овец в условиях искусственно инвертированного суточного хода температуры, но при нормальном фотопериоде не изменяло сроков линьки. Напротив, двухлетнее содержание на инвертированном фотопериоде изменяло характер роста шерсти (L. Monis, 1961; J. Hutchinson, 1976). Содержание в условиях инвертированного фотопериода пятнистых оленей показало, что первое появление рогов определяется эндогенной программой, а их развитие и циклическая смена — фотопериодом.
Фотопериод воздействует на линьку через систему эндокринного контроля. У большинства птиц нормальная послебрачная линька начинается в фазе регрессии гонад и снижения уровня половых гормонов в крови. У птиц, не нашедших пары или потерявших кладку, линька может начаться раньше, чем у нормально размножающихся особей. Если размножение по каким-либо причинам затянулось, птицы, как правило, линяют позднее. У некоторых видов продолжительная линька прерывается на время размножения.

Это свойственно обитателям аридных районов,когда выпадение осадков стимулирует нерегулярное размножение. Во всех этих случаях обнаруживается обратная зависимость между количеством половых гормонов в крови и интенсивностью линьки. Совмещение линьки с размножением отмечено лишь у видов с продолжительной и вяло текущей линькой.
На основе этих данных логично предположить, что взаимоисключение послебрачной линьки и размножения основывается на ингибирующем действии на линьку половых гормонов. Экспериментальные данные подтверждают это; введение мужских половых гормонов замедляло или останавливало линьку, по крайней мере у видов, у которых в естественных условиях она не совмещается с размножением. Кастрация в ряде случаев приводила к более раннему, чем в норме, началу линьки или увеличивала ее продолжительность. Сходный эффект вызывала гипофизэктомия или фармакологическая блокада гипофиза. Во всех этих экспериментах выявляется отсутствие прямого влияния половых гормонов на линьку, имеет место лишь подавление уже начавшейся линьки высоким уровнем этих гормонов.
Получены данные и о влиянии других гормонов на линьку. В частности, показано, что введение пролактина в чистом виде или комбинации с АКТГ может замедлить или даже полностью ингибировать линьку (куры, голуби, зяблики и др.). Такое же действие оказывает дезоксикортикостерон. Учитывая, что система гипофиз — кора надпочечников активизируется как при размножении, так и в период миграционного состояния, можно предполагать участие этого комплекса в интеграции всех фаз годового цикла, в том числе и линьки.
Непосредственное отношение к регуляции процессов, связанных с линькой, имеет функция щитовидной железы. Прежде считали, что естественная линька вызывается прямым действием гормона этой железы — тироксина. По современным данным, этот процесс более сложен: введение экзогенного тироксина не во всех случаях вызывает начало или ускорение линьки; тиреоэктомия или фармакологическая блокада щитовидной железы у птиц, начавших линьку, не вызывает ее прекращения. Предполагают, что тироксин необходим для регуляции подготовительных метаболических процессов, предшествующих началу смены оперения. Во время собственно линьки роль этого гормона менее значительна; линька может проходить и при низком уровне его секреции, нй основе эндогенной программы. В этом смысле щитовидная железа сохраняет свою генеральную функцию контроля энергетического обмена. Участие же тироксина в регуляции конкретных сроков линьки определяется влиянием ряда факторов на активность щитовидной железы. В частности, функция этой железы в определенной степени регулируется и длительностью фотопериода. При этом имеют место сезонные изменения типа реакции: во второй половине года секреция тироксина, по-видимому, усиливается короткими фотопериодами, а в первой половине года —длинными. Этого достаточно для стимуляции частичной линьки или для усиления уже начавшейся послебрачной линьки.
Щитовидная железа чувствительна к действию температуры: снижение ее во все сезоны года стимулирует секрецию тироксина. Возможно и воздействие других факторов.
В экваториальной зоне, где исключается действие фотопериода, линька регулируется четкой эндогенной программой в определенные сроки, независимо от хода размножения, если последнее определяется непериодическими условиями среды. Так, в аридных областях внутренней Австралии линька многих видов птиц строго периодична и более продолжительна, чем на побережье (адаптация к меньшему напряжению энергозатрат). В таких условиях линька может совпадать с активацией гонад, если нерегулярно выпадающие дожди приходятся на время уже начавшейся линьки. У некоторых видов такая ситуация прерывает линьку, но многие продолжают ее. То же отмечено у ряда обитателей аридных районов Африки и Юго-Восточной Азии.
В целом линька представляет собой специфическое сезонное состояние, характеризующееся особенностями морфогенеза, метаболизма, гормональной активности и определенным адаптивным значением в общем годовом цикле жизнедеятельности. В основе периодичности линьки лежит четкая эндогенная программа, которая у большинства видов синхронизируется с периодикой внешних условий с участием (^ютопериода. Синхронизация происходит один раз в году; в дальнейшем сроки начала и окончания послебрачной линьки отсчитываются свободным ходом биологических часов. Эта программа дополнительно уточняется после окончания репродуктивного периода действием длины светового дня и, возможно, температуры.
Сезонные миграции. Миграциями называют закономерные, направленные перемещения животных в пространстве. В отличие от передвижений иного рода миграции (по В.Р. Дольнику, 1975) характеризуются следующими особенностями: Строгая сезонность, вызывающая необходимость механизмов контроля календарных сроков миграции. Множественная перестройка физиологических систем организма в соответствии со специфическими задачами миграции (усиление энергозатрат, ориентация в пространстве и т. п.); в миграцию вовлекаются только особи с определенным физиологическим состоянием. Массовость: мигрируют не отдельные особи, а целые популяции или их структурные единицы. Массовость миграций обусловлена синхронизацией сроков развития миграционного состояния у всех особей.
Сезонные миграции известны для многих таксонов животных. Однако физиологические основы этого явления достаточно подробно изучены лишь у рыб (нерестовые миграции проходных форм) и у птиц.
Миграции рыб. Годичный цикл рыб в наиболее полном виде включает три типа миграций: нерестовые (миграции к местам размножения), нагульные (кормовые) и зимовальные. He у всех рыб эти типы миграций выражены достаточно четко: например, в ряде случаев места нагула и зимовки или размножения совмещаются; нередко (особенно у пресноводных рыб) соответствующие перемещения имеют скорее «экологический», чем географический масштаб.
По направленности дальние миграции рыб принято делить на анадромные (из моря к берегам и далее вверх по рекам) и катадромные (в обратном направлении).
Все экологические формы миграций имеют адаптивную направленность, отражая приуроченность отдельных частей годового цикла жизнедеятельности к местам и сезонам с наиболее благоприятными для этого условиями. Помимо внешних факторов, важным среди которых оказывается температура воды, миграции определяются и внутренним физиологическим состоянием организма. Так, зимовальные миграции стимулируются некоторым пороговым уровнем упитанности и жироотложения. Нерестовая миграция обычно подготавливается определенной степенью зрелости половых продуктов и специфическим состоянием гормонального фона в организме. Однако последнее не столь обязательно: например, анадромная миграция «озимых» рас лососевых и осетровых рыб проходит при слабом развитии гонад и низком содержании гонадотропинов в гипофизе.
Физиологические особенности миграционного состояния лучше всего изучены у проходных рыб на примере анадромных нерестовых миграций. У этих рыб, а также у миног стимул к нерестовой миграции возникает после длительного (от I до 15—16 лет) периода морской жизни. Миграционное поведение может формироваться в различные сезоны и при неодинаковом состоянии репродуктивной системы. Примером могут служить так называемые яровые и озимые расы рыб и круглоротых. Наиболее обший показатель, стимулирующий миграцию у рыб,—высокая жирность. По мере приближения к нерестилищам жировые запасы уменьшаются, что отражает высокий уровень затрат энергии на передвижение и созревание половых продуктов. И в этом случае существуют различия между яровыми и озимыми расами: у яровых, входящих в реки весной, незадолго до икрометания, жирность не очень велика.
Важная характеристика состояния нерестовой миграции —функциональная активность гипоталамической нейросекреторной системы и гипофиза. Повышенная активность преоптико-гипофизарного комплекса наблюдается в начале анадромной миграции. Календарные сроки этого явления у яровых и озимых рас различны. Повышенная активность гипоталамо-гипофизарной системы связана, с одной стороны, с перестройкой типа осморегуляиии (см. гл. 5), а с другой — с подготовкой репродуктивной системы. Одновременно наблюдается усиление тиреотропной функции гипофиза и прогрессивное развитие щитовидной железы, что связано с интенсификацией энергетического обмена во время миграции. По прибытии на нерестилища активность щитовидной железы снижается.
Конкретные факторы, стимулирующие начало анадромной миграции, могут быть различными. Так, для яровых рас осетровых и лососевых рыб — это повышение температуры воды в реках и начало паводка. Озимые расы начинают миграцию при дальнейшем повышении температуры воды (осетровые) или же, напротив, при ее снижении (лососевые).
Следует иметь в виду, что начало миграционного состояния формируется еще в море; стало быть, указанные факторы способны лишь поддержать (или затормозить) уже начавшийся ход миграции. Первичная стимуляция, связанная с физиологической перестройкой организма и действующая на фоне такой перестройки, зависит от других причин. В качестве таковых основное значение имеют фотопериод и сезонные изменения температуры воды в море. Эти внешние стимулы действуют только на «подготовленный» организм. Состояние физиологической. готовности к миграции предшествует началу внешней стимуляции, поэтому один и тот же фотопериод (или его сочетание с температурой) действует по-разному: часть рыб на кормовых полях в море продолжает нагул, а другая часть изменяет поведение и начинает миграцию.
Основными связующими звеньями между сезонным ходом внешних факторов и внутренней физиологической перестройкой являются нервная и эндокринная системы. Повышение активности этих систем под влиянием фотостимуляции (возможно, дополненной другими сигнальными факторами) «настраивает» организм на переход в миграционное состояние. При этом реализуются специфические формы поведения, стимулируется ориентированная локомоторная активность, перестраивается система осморегуляции, организм повышает чувствительность к влиянию внешних факторов среды — температура, соленость, химизм воды, течения и др. (W. Hoar, 1965; И.А. Баранникова, 1975).
Катадромные миграции молоди могут быть разных типов. Лососевые мигрируют к морю активно, что определяется закономерными онтогенетическими изменениями обмена, осморегуляции и других процессов, объединяемыми понятием смолтификация. Эти изменения регулируются на уровне гипоталамо-гипофизарной системы и стимулируемых этой системой эндокринных комплексов. Именно определенное физиологическое состояние, а не абсолютный возраст определяет начало миграции. На примере семги показано, что смолтификация происходит в зависимости от фотопериода в его сезонном аспекте. При экспериментальной продолжительности цикла длины светового дня в 6,8 и 10 мес смолтификация начиналась раньше соответственно на 5, 3 и I мес; при цикле 16 мес смолтификация задерживалась (М. Thrush, N. Bromage, 1988). Аналогичные данные получены в опытах с атлантическим лососем: увеличивающийся фотопериод в зимнее время стимулирует смолтификацию, а постоянное освещение нарушает ее (S. Mc Cormick et al., 1987).
У осетровых миграция молоди к морю имеет пассивный характер и может происходить при разном состоянии. На самых ранних стадиях развития личинок пассивно сносит течением. Позднее может возникнуть более активная реакция с участием нейрогормональных факторов, но в целом нейросекреторная и эндокринная системы у осетровых в полной мере начинают функционировать относительно поздно (И.А. Баранникова, 1975).
Миграции птиц. Сезонные миграции птиц — одна из форм приспособления к меняющимся на протяжении года погодным и кормовым условиям. По внешней выраженности миграции могут быть довольно несходными. У многих видов протяженность миграций не-1 велика, перемещение осуществляется постепенно, без длительных беспосадочных перелетов. Миграции такого рода похожи на обычные осенне-зимние кочевки, отличаясь от них лишь большей ориентированностью и направленностью. У ближних мигрантов такого рода сроки перелетов фиксированы нежестко и в значительной степени определяются сочетанием изменений длины светового дня с обеспеченностью кормом. При благоприятных условиях погоды и обилии корма осенний отлет может задерживаться, а в отдельных случаях даже не состояться совсем. Таких птиц называют иногда погодными мигрантами, подчеркивая этим существенную роль конкретных условий в стимуляции перелетов.
По-иному выражены миграции у видов, которые совершают дальние перелеты, сопровождаемые преодолением обширных пространств морей, пустынь и других «экологических барьеров». Для таких дальних мигрантов характерны четкие сроки миграций (даты прилета и отлета отдельных видов используются как надежные фенологические параметры), длительные беспосадочные перелеты, хорошо выраженная способность к ориентации и навигации и ряд специфических черт физиологии. Таких птиц нередко называют инстинктивными мигрантами. Именно при изучении этой группы видов был выявлен сложный комплекс физиологических приспособлений, обеспечивающих эффективное осуществление миграций и контроль их сроков в соответствии с сезонными условиями (в первую очередь в гнездовой части ареала).
Выяснено, что для перелета необходима определенная физиологическая подготовка организма, предшествующая началу собственно миграции. Комплекс физиологаческих перестроек, характеризующих этот процесс, определяют как миграционное состояние, занимающее строго определенное место в общем цикле сезонных изменений жизнедеятельности организма. Весеннее миграционное состояние развивается после предбрачной линьки (у видов, имеющих таковую), частично совпадая с началом развития гонад. Осеннее миграционное состояние формируется сразу по OKOH[XXXV]IaHHH послебрачной линьки (у некоторых видов прерывая ее).
Характерные проявления миграционного состояния заключаются в возникновении гиперфагииувеличении массы тела в связи с интенсивным жиронакоплением, повышении локомоторной активности и ее ориентации в компасном направлении перелета[XXXVI]. Характерно также формирование специфического распределения различных форм деятельности в суточном ритме, при котором пишевое поведение и направленная локомоторная активность разделены во времени.
Метаболизм птиц в этот период характеризуется угнетением углеводного обмена и усилением жирового. При этом жировой и углеводный обмен оказываются в антагонистических отношениях, в силу которых снижение сахара в крови во время кормежки стимулирует гиперфагию, несмотря на увеличение жировых отложений. Накопление жира — функция, очень важная для миграции. Хотя общий расход энергии на миграцию сопоставим с энергозатратами у зимующих птиц (В.Р. Дольник, 1971), длительные беспосадочные перелеты невозможны без энергетических резервов. He накопившие необходимых запасов птицы не вовлекаются в миграцию. Гиперфагия и жировой тип обмена сохраняются и во время перелета. Большинство видов в процессе миграции останавливаются для кормежки и восстановления жировых запасов.
Формирование и поддержание миграционного состояния контролируются довольно сложным путем. Показано, что в предмиграцион- ный и миграционный периоды активизируется гипоталамо-ги- пофизарная система. При этом в гипоталамусе весной стимулируется главным образом супраоптическое ядро, а осенью —паравентрикуляр- ное. Отмечено, что у зябликов активность гипоталамо-гипофизарной системы осенью выше в предмиграционное время, чем в период самой миграции. Таким образом, активация нейросекреторной функции выступает как один из пусковых механизмов миграции (И.Н. Добрынина, 1975). Гипоталамические нейросекреты стимулируют продукцию гипофизарных гормонов, под влиянием которых и развивается комплекс процессов, характеризующих миграционное состояние (рис. 7.5). В частности, существенное значение имеет пролактин. который прямо стимулирует гиперфагию, участвует в проявлении направленной ориентации и контролирует ритмы пищевой и локомоторной активности. Кроме того, пролактин имеет прямое отношение к регуляции жироотложения. Чувствительность к этому гормону обнаруживает цикличность. Эндогенный суточный ритм характерен и для секреции гонадотропинов и кортикостероидов. Полагают, что именно синергизм с гонадотропными гормонами обусловливает участие пролактина в регуляции жиронакопления; некоторую роль в этом играют и кортикостероиды.
Многообразные и взаимосвязанные изменения метаболизма также регулируют миграционное состояние. Особенно велика роль в этом жировых резервов. Во время миграции практически все специфические физиологические процессы находятся под контролем жировых депо. Экспериментально показано, что птицы в состоянии активно регулировать собственную массу тела. При этом у перелетных видов (зяблик)

контролируется поддержание полетной массы, зависящей от величины жировых резервов (М.Л. Яблонкевич, 1976). В зависимости от жирности изменяется ритм пищевой и миграционной активности. Искусственное введение жира в область жировых депо тощих птиц стимулирует у них миграционную активность и соответствующее изменение обмена.
Уровень жировых запасов регулирует также суточные ритмы продукции гормонов, количество сахара и жирных кислот в крови. Показано, что метаболическая регуляция в комплексе с эндокринной тонко контролирует все процессы, связанные с миграцией (В. Р. Дольник, 1975).
Регуляция миграций во времени осуществляется на основе цир- каннуальных ритмов, синхронизируемых с ходом астрономического времени посредством фагопериодического контроля. Эндогенная природа программы сезонных физиологических перестроек особенно отчетливо проявляется у птиц, зимующих в экваториальной зоне с характерным для нее постоянством фотопериода. В эксперименте с садовыми славками, которых содержали при постоянном световом дне (10С:14Т) с

ограничением в диете, закрывающим возможность накопления жира, подопытные птицы начали проявлять миграционное беспокойство одновременно с контрольными, которых держали на богатой диете, позволившей к началу миграционного периода накопить жировые запасы. Переведенные на полноценное питание, подопытные славки быстро достигли жирности контрольных и в дальнейшем поддерживали одинаковый с ними уровень жировых отложений. Эти опыты показали, что у славок предмиграционное жиронакопление и развитие миграционного поведения контролируются независимыми эндогенными программами (P. Berthold, 1972, 1975). '
Характер фотопериодической регуляции цирканнуальных ритмов миграционного состояния несколько отличается у разных экологических групп птиц. У мигрантов умеренных широт весь комплекс весеннего миграционного состояния можно вызвать экспериментально, путем содержания птиц в условиях увеличенного фотопериода. В природных условиях такой тип контроля начинается на зимовках и заканчивается с прибытием на месте гнездования. Окончание миграции может контролироваться уже комплексом конкретных факторов среды. Через некоторое время наступает фаза фоторефрактерности, и осеннее миграционное состояние формируется на основе автономного отсчета времени от окончания унифакториальной фазы фотопериоди- ческого контроля. Таким образом, значение фотопериодической регуляции в этом случае двояко: весенние фотопериоды прямо синхронизируют сроки весенней миграции с астрономическим календарем и одновременно дают точку отсчета времени для включения механизмов осенней миграции.
У трансэкваториальных мигрантов весенняя фотопериодическая регуляция затруднена или невозможна. И тем не менее эндогенный ритм, включающий миграции, таков, что сроки их оказываются экологически оправданными. Так, у желтых трясогузок Motacilla JIava, зимующих в Экваториальной Африке, весенняя линька и предмиграционное накопление жира начинаются раньше у наиболее южных и позднее — у наиболее северных популяций. Показано, что у трансэкваториальных мигрантов фотопериодическая синхронизация циркан- нуального цикла осуществляется в летнее время на местах гнездования. Здесь фотопериод непосредственно контролирует окончание весенней миграции и программирует отсчет сроков осенней и начала весенней миграций (В.М. Гаврилов, 1976).
Механизм фотопериодической регуляции миграций, видимо, тот же, что и при регуляции размножения, и заключается в установлении необходимого соотношения изменяющегося светового режима и циркадианных ритмов гипоталамо-гипофизарной системы. He исключено, что в гипоталамусе имеет место тонкая дифференцировка участков, по-разному реагирующих на фотопериодическую стимуляцию. При экспериментальном разрушении различных участков гипоталамуса, в зависимости от локализации повреждения, реакция на стимуляцию длинными фотопериодами выражалась либо в жироотложении без развития гонад, либо в росте гонад без депонирования жира (D. Farner et al., 1970).
Таким образом, в основе сезонной цикличности миграций лежат цирканнуалъные ритмы, синхронизируемые с циклом внешних условий один раз в году при ведущем значении фотопериода, действие которого реализуется через гипоталамо-гипофизарную систему.

<< | >>

↑

Источник: Шилов И.А.. Экология: Учеб. для биол. и мед. спец. вузов. 1998

Еще по теме ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СЕЗОННЫХ ЯВЛЕНИЙ:

- Детская психология - Общая экология - Природопользование - Социальная экология - Экологический мониторинг - Экология города и региона - Экология человека -