Физиология и поведение в изменчивой среде

В предыдущей главе мы рассматривали физиологические и поведенческие механизмы, с помощью которых животные сохраняют постоянство своей внутренней среды. В этой главе описывается, как животные отвечают на физиологические требования, связанные с поддержанием жизни и воспроизведением в изменчивой среде.

Толерантность

Жизнь, весьма вероятно, возникла в море (Whitfield, 1976; Croghan, 1976). По сравнению с другими биомами биомы морской среды сравнительно устойчивы. Флуктуации таких физических факторов, как температура и содержание кислорода, здесь невелики, поэтому внутренняя среда многих морских беспозвоночных мало подвержена нарушениям. Такие животные обычно являются конформерами в том смысле, что состояние их организма соответствует состоянию внешней среды и они не могут жить в изменчивых условиях. Так, например, соленость жидкостей тела у многих морских беспозвоночных такая же, как у морской воды (Baldwin, 1948; Barrington, 1968). У других животных, называемых регуляторами, функции организма сравнительно независимы от флуктуации внешней среды. Эта способность послужила предпосылкой для заселения пресной воды и суши.

Каждый вид обладает своей характерной способностью переносить крайние значения внешних факторов, например температуры и влажности. На многих морских беспозвоночных действует изменение солености воды, потому что в жидкостях их тела в норме концентрация соли почти такая же, как в морской воде, и их ткани приспособлены хорошо функционировать именно в таких условиях. Если поместить их в менее соленую среду, вода извне будет осмотически поступать в их ткани. В более соленой среде произойдет обратное. Для животных, не способных контролировать проникновение воды в тело, условия существования соответствуют пределам переносимой солености.

Среда обитания животного ограничена его толерантностью (устойчивостью). Например, разные виды бокоплавов рода Gammarus приурочены к разным участкам эстуариев из-за своей разной солеустойчивости. Как показано на рис. 16.1, Gammarus locusta весьма толерантен к соленой воде и встречается ближе к устью; у Gammarus zaddachi толерантность умеренная, и обычно он обитает в реке на участке от 13 до 20 км от моря. Gammarus pulex является настоящим пресноводным видом и полностью отсутствует в местах, где как-либо ощущается влияние прилива или соленой воды. В этом примере каждый вид переносит только ограниченные пределы солености и приспособлен отбором к условиям, в которых не живут другие представители этого рода.

При построении графиков зависимости выживания, или приспособленности, от существенных переменных окружающей среды обычно получаются колоколообразные кривые наподобие приведенных на рис. 16.2. Только немногие животные выдерживают крайне высокие или крайне низкие значения экологических параметров, а остальные вынуждены скапливаться в области их средних величин. Такие кривые показывают не только пределы и диапазон толерантности вида, но также

Рис. 16.1. Распределение но реке трех весьма близких друг к другу видов бокоплавов Gummarus в зависимости от концентрации соленой воды. Степень опреснения воды показана густотой точек. (Из The Oxford Companion to Animal Behaviour, 1981.)

оптимальные значения переменных среды (рис. 16.3). Подобным образом можно представить толерантность животных применительно к любым градиентам среды.

У конформеров толерантность часто непосредственно связана с физиологическим состоянием животного. Например, если окружающая температура 40°С для них смертельна, то это потому, что внутренняя температура около 40°С вызывает биохимический распад. Но на толерантность к данному фактору влияют значения и других переменных среды. Действуя в совокупности, экологические факторы могут убить животное при интенсивностях. которые, взятые по отдельности, не были бы губительны для него. Так, например, для американского омара Homarus americanus температура в 32°С смертельна при солености около 3% и содержании кислорода в воде 6,5 мг/л. Если содержание кислорода упадет до 2,9 мг/л, температурный предел выживания снизится до 29°С. В одной работе омаров подвергали действию 27 комбинаций температур, солености и содержания кислорода (McLeese, 1956). Полученные результаты представлены в виде трехмерного графика (рис. 16.4), который показывает, как взаимодействие факторов влияет на пределы толерантности вида.

На изменение пределов толерантности, обычно называемое повышением сопротивляемости, сильно влияют длительность воздействия, степень изменения факторов среды и прошлая жизнь особи. Физиологические механизмы повышения сопротивляемости требуют определенного времени для приспособления к той или иной ситуации. Внезапное изменение среды может вызвать смерть, но если такое

Рис. 16.2. Устойчивость трех видов сверлящих дерево морских изопод к разному постоянному содержанию хлора. (По Reish, Hetherington. 1969.)

Рис. 16.3. Распределение плотности популяции вдоль экологического градиента. (Из The Oxford Companion to Animal Behaviour, 1981.)

Рис. 16.4. Трехмерное изображение границ летальных условий для американского омара (Нотаrun americanus) при разных сочетаниях температуры, солености и содержания кислорода. (По McLeese, 1956.)

же изменение развивается постепенно, животное способно выжить. Повышение сопротивляемости включает процессы от очень быстрой регуляции до медленной акклиматизации. Таким образом, очень постепенные изменения среды позволяют особи приспособиться к новым условиям. Некоторые виды способны менять пределы своей толерантности в процессе акклиматизации. Так, например, мелкая древесная ящерица Urosaurus ornatus обычно выдерживает температуру до 43,1°С. После содержания этих животных в лаборатории в течение семи - девяти дней при температуре 35°С вместо более привычной для них температуры 22-26°С оказалось, что средняя летальная температура повысилась до 44.5° С.

Акклиматизация

Акклиматизация - это форма физиологической адаптации, которая позволяет животному изменить свою толерантность к факторам среды. Обычно термин акклимация применяют к экспериментам, в которых адаптация происходит по отношению к одному фактору, например к температуре. Термин акклиматизация обозначает комплекс адаптивных процессов, протекающих в естественных условиях.

Акклиматизация часто происходит в ответ на сезонные изменения климата. Так, сезонные изменения верхней летальной температуры у пресноводных рыб часто непосредственно коррелируют с изменениями температуры среды обитания (Fry, Hochachka, 1970). Поскольку поведенческие приспособления могут сделать акклиматизацию ненужной и наоборот, животные в природе используют самые разнообразные комбинации физиологических и поведенческих механизмов.

Температурные предпочтения у рыб часто связаны с уровнем их акклиматизации. У многих видов рыб, по-видимому, высокоразвита поведенческая терморегуляция, и они отвечают на температурный градиент выбором воды с определенной температурой (Fry, Hochachka, 1970). Золотых рыбок (Carassiux) можно научить поддерживать температуру воды в аквариуме, приводя в действие клапан, который впускает холодную воду при повышении температуры (Rozin, Mayer, 1961). Эти рыбы с достаточной точностью сохраняют температуру аквариума близкой к 34°С.

Феномен выбора температуры в значительной мере объясняет распределение рыб в природе; обычно они предпочитают температуру, к которой акклиматизированы (Fry, Hochachka, 1970). Такое приспособление имеет биологический смысл. Если бы медленные изменения физиологического состояния, обусловленные акклиматизацией, не сопровождались соответствующими изменениями в поведенческих предпочтениях, то процессам акклиматизации могли бы противостоять механизмы поведения. Так, например, акклиматизации к холоду могла бы противодействовать тенденция к выбору более теплого климата. Если бы кратковременная возможность выбора теплой среды использовалась полностью, то значительная часть работы по акклиматизации к холоду пропадала бы впустую. Очевидная альтернатива для животных состоит в предпочтении условий, к которым они акклиматизированы. Однако картина усложняется феноменом предваряющего приспособления, которым животное отвечает на некоторые свойства среды или на свои собственные биологические часы, подготавливая себя к климатическим изменениям.

Акклиматизацию, как правило, считают относительно медленным процессом по сравнению с быстрыми физиологическими приспособлениями животных в ответ на внезапные изменения внешней среды. Однако обычно существует целый спектр адаптивных процессов от быстрых физиологических реакций до медленной акклиматизации. Так, если человека резко поднять на большую высоту над уровнем моря, то из-за разреженного воздуха содержание кислорода у него в крови снизится. Этому снижению вначале противодействует учащенное дыхание, но такая физиологическая реакция требует большой затраты энергии. Этот быстрый физиологический ответ затем сменяется менее «дорогостоящими», хотя и более медленными формами физиологической адаптации (рис. 16.5), а те в свою оче-

Рис. 16.5. Акклиматизация к высоте. Адаптивные изменения у человека, дышавшего четыре дня разреженным воздухом, а затем находившегося шесть дней на уровне моря. В - легочная вентиляция; Э - эритропоэтин сыворотки; Г - скорость синтеза гемоглобина; ЭК- уровень эритроцитов в крови. (По Adolph, 1972.)

редь - более долговременными формами акклиматизации, например выработкой большего числа эритроцитов. Но и это требует затрат, поскольку для создания дополнительных клеток нужна энергия, а их присутствие в крови усиливает ее вязкость и работу, которую должно производить сердце, разгоняя кровь по всему телу. Когда человек возвращается на малую высоту, все адаптивные процессы протекают в обратном порядке (рис. 16.5). Такая обратимость характерна для физиологической адаптации и отличает ее от генетической.

Как видно на рис. 16.5, акклиматизация вместе с регуляцией образуют спектр адаптивных процессов - от быстрых гомеостатических реакций, восстанавливающих физиологическое равновесие в течение суток, до акклиматизации, при которой для достижения физиологически устойчивого состояния могут потребоваться дни или недели. Процессы акклиматизации и регуляции комплементарны. Например, при акклиматизации к высоте требуемое вначале учащенное дыхание замедляется по мере того, как наступает истинная физиологическая акклиматизация (рис. 16.5). Это значит, что воздействия регуляции и акклиматизации на физиологическое состояние суммируются как векторы, и именно их результирующая приводит к желаемому состоянию (например, к определенной скорости транспорта кислорода), причем вклад каждого вектора меняется с течением времени. Когда добавляется поведенческое приспособление, результат выражается векторной суммой трех процессов.

Когда процессы, представленные векторами-слагаемыми, протекают с очень разными скоростями, как показано на рис. 16.6, развитие медленных процессов можно рассматривать как «цель» более быстрых (Silby, McFarland, 1974). Состояние акклиматизации при этом можно считать оптимальной точкой физиологической регуляции. То же самое верно по отношению к поведению. Так, например, если человек попал из холодного климата в жаркий, он располагает разными альтернативными возможностями приспособления. Он может сохранить свое нормальное поведение, подвергая себя действию солнца, полагаясь на потоотделение и другие физиологические реакции для сохранения нормальной температуры тела. Через несколько недель человек акклиматизируется в этих условиях и будет меньше потеть. Он может также изменить привычное поведение и искать тень, в меньшей степени полагаясь на физиологические механизмы, в частности потоотделение. При этом акклиматизация к новым условиям займет больше времени. Таким образом, как часто бывает, физиологическое и поведенческое решения непосредственной задачи альтернативны. Их эффекты дополняют друг друга и поэтому могут быть представлены векторной суммой (Silby, McFarland, 1974; McFarland, Houston, 1981).

Учитывая сказанное выше, можно ожидать, что акклиматизация изменяет цель поведения. Некоторые данные говорят о том, что такое изменение действительно происходит. Например, золотистый хомячок (Mesocricetus auratus) начинает готовиться к зимней спячке, когда окружающая температура падает ниже 15°С. Такая

подготовка включает ряд физиологических изменений, обеспечивающих акклиматизацию к холоду, и делает зимнюю спячку физиологически возможной при прочих благоприятных условиях, т. е. наличии материала для постройки гнезда и достаточного количества пищи для создания зимних запасов. Лабораторные опыты показывают, что у хомячков в период акклиматизации, предшествующий зимней спячке, развивается заметное предпочтение к низким температурам среды. Из трех вариантов: 8. 19 и 24°С - они выбирают первый. При пробуждении от зимней спячки возникает обратная ситуация, и хомячки активно стремятся в более теплые условия (Gumma et al., 1967). Как было показано на примере рыб, связь поведенческих, в частности температурных, предпочтений с акклиматизацией имеет биологический смысл.

Акклиматизационные изменения могут явиться прямой реакцией на изменения среды, однако они испытывают также влияние цирканнуальных ритмов. Так, морской полип Campanularia flexuosa обладает годичным циклом роста, развития и отмирания, который сохраняется и при постоянных лабораторных условиях. Известно, что у млекопитающих, в том числе и у человека, происходят сезонные изменения разных метаболических процессов (Reinberg, 1974), связанные, как полагают, с эндогенными цирканнуальными ритмами (Senturia, Johansson, 1974). Такие ритмы могли бы дать возможность животному адаптироваться физиологически еще до сезонных изменений среды.

Биологические часы

Животные обычно имеют дело с изменениями среды циклической природы - суточными, приливно-отливными, сезонными. Многие из них обладают некоторым внутренним ритмом, или часами, для предсказания периодических изменений и подготовки к ним.

Существуют три основных способа синхронизовать физиологию и поведение с циклическими изменениями среды: 1) прямой ответ на разные изменения во

Рис. 16.6. Векторно-аддитивные процессы при физиологической регуляции. Вектор акклиматизации а суммируясь с вектором регуляции п, дает результирующую р, которая препятствует сдвигу физиологического состояния ф. В образование результирующей может вносить большом вклад п и малый а, как на рис. А, или малый вклад п и большой - а, как на рис. Б. (По Sibly, McFarland, 1974.)

внешних (экзогенных) геофизических стимулах; 2) внутренний (эндогенный) ритм, синхронизирующий поведение животного с периодическими экзогенными изменениями - особенно с суточными или годичными; 3) механизмы синхронизации могут представлять собой сочетание обоих названных способов.

Животное может использовать многие свойства внешней среды для получения информации о течении времени. Движение солнца, луны и звезд, видимое наземному наблюдателю, дает сведения о времени суток, времени года и т. п. Известно, что многие животные пользуются информацией такого типа. Так, медоносные пчелы, живущие в Бразилии, используют солнце как компас при фуражировке. Их можно научить отправляться за пищей по определенному азимуту. Когда таких пчел

перевозят из одной местности в другую, они продолжают искать пищу в том же направлении независимо от времени дня. Таким образом, пчелы, родившиеся в Бразилии, способны делать поправку на движение солнца против часовой стрелки. Но пчелы Северного полушария, перемещенные в Бразилию, вначале к этому не способны. Дело в том, что в Северном полушарии солнце представляется движущимся по часовой стрелке, и пчелы должны сначала приспособиться к измененным условиям Бразилии (Lindauer, 1960; Saunders, 1976).

Такие же способности известны у рыб (Hasler, Schwassmann, 1960) и птиц (Schmidt-Koenig, 1979). Имеются также данные, что некоторые животные реагируют на движение луны (Papi, 1960) и звезд (Schmidt-Koenig, 1979). Кроме того, возможно, что животные получают некоторые сведения о времени от таких факторов, как изменение температуры, барометрическое давление и явления магнетизма.

Циркадианными (от лат. circa - около, dies - день) называют эндогенные ритмы, которые обычно короче суток, а цирканнуалъными - эндогенные ритмы с периодом, как правило, менее 365 дней. Многие животные сохраняют ритмическую активность и при изоляции в лаборатории, что говорит о наличии у них эндогенных часов. Однако при этом не исключено, что они реагируют на какой-то экзогенный фактор, еще не обнаруженный экспериментатором, и для проверки того, являются ли часы истинно эндогенными, нужны подходящие критерии. Здесь возможны разные пути. Во-первых, частота ритма может не точно совпадать с каким-либо известным периодическим фактором среды - освещением, температурой или иной геофизической переменной (Weihaupt, 1964). Во-вторых, в постоянных лабораторных условиях период эндогенного ритма обычно отклоняется от наблюдаемого в естественных условиях. В-третьих, ритм может сохраниться, когда животное перемещают из одной части света в другую. Только при соответствии такого рода критериям можно говорить об эндогенности того или иного ритма.

Поскольку эндогенные ритмы имеют тенденцию постепенно отклоняться от экзогенного цикла (например, суточных изменений освещения или температуры), организм должен обладать способностью синхронизовать свой эндогенный ритм с периодическими внешними явлениями. Ашофф (Aschoff, 1960) ввел термин Zeitgeber («времязадатель») для агента среды, который согласует поведение организма с внешними ритмами. Так, например, когда ящериц Lacerta sicula выводят в инкубаторе при температурном и световом режимах, соответствующих 16- или 36-часовым «суткам», они развиваются нормально и имеют нормальные циркадианные ритмы активности при проверке в постоянных лабораторных условиях. Следовательно, циркадианный ритм этих животных эндогенный и не зависит от индивидуального опыта жизни при том или ином цикле смены дня и ночи. Температурный цикл с 24-часовым периодом и амплитудой 0,6°С - достаточно эффективный времязадатель, захватывающий ритм активности ящериц.

В целом создается мнение, что у многих животных, от одноклеточных (Sweeney, 1969) до сложно устроенных многоклеточных (Aschoff, 1965; Banning, 1967; Pengelley, 1974), в ходе эволюции развилось чувство времени, основанное на действии эндогенных часов, захватываемых экзогенными ритмами.