Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 19
1.1. Краткий обзор экологии мухоловки-пеструшки 19
1.2. Особенности полиморфизма в окраске брачного оперения самцов мухоловки-пеструшки 22
1.3. Физиологическая экология и энергетика 31
1.4. Особенности энергетики вида 31
1.5. Рост и энергетика птенцов 35
1.6. Наследуемость и повторяемость энергетических параметров животных 37
ГЛАВА 2. Материал и методы 51
2.1. Район исследования 51
2.2. Обход дуплянок и отлов взрослых мухоловок-пеструшек 53
2.3. Измерение мухоловок-пеструшек 55
2.4. Измерение уровня метаболизма покоя птенцов и уровня базального метаболизма самцов мухоловки-пеструшки 66
2.5. Эксперименты с перекладкой яиц 69
2.6. Объем выборки и обработка данных 71
ГЛАВА 3. Факторы, влияющие на уровень метаболизма ночного покоя птенцов мухоловки-пеструшки накануне вылета из гнезда 74
3.1. Изменение RMR птенцов с возрастом 74
3.2. Связь RMR птенцов с массой тела 75
3.3. Половые отличия птенцов в уровне метаболизма покоя 76
3.4. RMR птенцов и некоторые характеристики их родителей 80
3.5. RMR птенцов и размер выводка (эффект конкуренции между птенцами) 83
3.6. Связь RMR птенцов со скоростью роста тела 92
3.7. Связь морфологических характеристик птенцов с BMR самцов 100
3.8. Связь скорости роста тела птенцов с типом окраски оперения их отцов 102
3.9. Влияние температуры воздуха на RMR птенцов 109
3.10. RMR птенцов и сроки размножения 113
3.11. RMR птенцов и характер местообитания 113
ГЛАВА 4. Оценка наследуемости энергетических и морфологических характеристик мухоловки-пеструшки 114
4.1. Сравнение экспериментальных и контрольных выводков 114
4.2. Связь RMR птенцов с типом окраски оперения родных и приемных отцов 115
4.3. Оценка наследуемости RMR и морфологических признаков птенцов мухоловки-пеструшки при помощи анализа полных сибсов 117
4.4. Оценка наследуемости RMR и морфологических признаков птенцов мухоловки-пеструшки при помощи регрессии «родной родитель-потомок» 123
4.5. Оценка повторяемости BMR самцов мухоловки-пеструшки 131
ГЛАВА 5. Обсуждение 136
5.1. Изменение RMR птенцов с возрастом 137
5.2. Связь RMR птенцов с массой тела 138
5.3. Зависимость RMR птенцов от их пола 139
5.4. Влияние типа окраски брачного оперения отца на RMR
птенцов 142
5.5. Влияние конкуренции в выводке на уровень метаболизма покоя птенцов 143
5.6. Связь RMR птенцов со скоростью роста тела 145
5.7. Влияние возраста самца на RMR птенцов 147 5.8. Наследуемость морфологических и энергетических характеристик мухоловки-пеструшки 147
Выводы 154
Благодарности 155
Список литературы
- Особенности полиморфизма в окраске брачного оперения самцов мухоловки-пеструшки
- Измерение уровня метаболизма покоя птенцов и уровня базального метаболизма самцов мухоловки-пеструшки
- RMR птенцов и некоторые характеристики их родителей
- Оценка наследуемости RMR и морфологических признаков птенцов мухоловки-пеструшки при помощи анализа полных сибсов
Введение к работе
Физиологическая (функциональная) экология исследует физиологические механизмы, с помощью которых осуществляется адаптация биологических систем разного уровня к изменению условий среды. Начав свое развитие более 50 лет назад в работах Джорджа Бартоломью, Кнута Шмидт-Ниельсена, Пера Шоландера, Лоренса Ирвинга, И.А. Шилова, Н.И. Калабухова и А.Д. Слонима, физиологическая экология выделилась в самостоятельную дисциплину в конце 80-х годов прошлого века (Feder et al., 1987). К концу 90-х годов она стала одним из наиболее быстро развивающихся направлений экологии, которое находится в тесном контакте с самыми разными разделами биологии.
С самого возникновения функциональной экологии значительную её часть
составляли исследования метаболизма животных. За свою более чем вековую
историю изучение энергетики животных проделало долгий путь. В 50-е годы
прошлого века были предприняты первые попытки вывести основные
количественные законы, связывающие метаболизм с размерами, весом, ростом,
температурой окружающей среды и другими характеристиками (Scholander et al.,
1950; Bertalanffy, 1957). Этот период завершился созданием энергетических
моделей особей гомойотермных животных, следствия которых оказались очень
важны с точки зрения экологии животных (Дольник, 1980; Гаврилов, 1996;
Gavrilov, 1997). В последние два десятилетия основной акцент в исследованиях
энергетики животных сместился с таксономического и видового уровней на
внутривидовой (межпопуляционный, внутрипопуляционный, организменный).
Расход энергии животным отражает цену его жизнедеятельности и поэтому
является одним из важнейших показателей физиологической разнокачественности
особей в популяции. По этой причине изучение вариаций метаболизма под
воздействием внутрипопуляционных факторов и сейчас занимает значительное
место в рамках физиологической экологии и экологической физиологии (McNab,
2002).
Обменом веществ (метаболизмом) называют совокупность протекающих в организме химических реакций, которые обеспечивают всю его жизнедеятельность (поддержание целостности клеток и температуры тела, рост, воспроизведение,
совершение работы, связь с окружающей средой и пр.). Благодаря метаболизму происходит синтез и расщепление молекул, входящих в состав клеток, а также вырабатывается энергия, необходимая для этих превращений. Обмен веществ составляют два взаимосвязанных процесса, которые протекают в организме непрерывно: анаболизм и катаболизм. Оба этих процесса связаны общими стадиями и регулируются различными специфическими наборами ферментов, которые влияют на интенсивность и направленность биохимических реакций. В ходе анаболических превращений происходит синтез молекул различной сложности, а в ходе катаболических превращений происходит расщепление длинных органических молекул. В процессе катаболизма самые разнообразные сложные органические соединения (углеводы, жиры, белки) подвергаются многоступенчатому окислению и расщепляются до ограниченного числа небольших молекул, в том числе и неорганических. Потенциальная энергия химических связей молекул, подвергшихся расщеплению, используется для синтеза соединений с макроэргическими фосфатными связями, которые являются энергетическим сырьем организма. Гидролитические и окислительные реакции катаболизма могут протекать как анаэробно, так и аэробно. Последний путь (дыхание) более энергетически выгоден, потому что обеспечивает полное расщепление многих органических молекул до С02 и Н20. У гомойотермных животных в случае увеличения потребности организма в тепле может происходить окисление органических молекул, которое не связано с накоплением энергии и приводит к образованию большого количества тепла (т.н. свободное окисление). В процессе эволюции возникли сложные системы регуляции обмена веществ на клеточном уровне, которые позволяют организму быстро приспособиться к изменениям условий окружающей среды. Большая часть таких систем основана на регулировании активности различных ферментов, а также на контроле концентраций ферментов и гормонов (Ленипджер, 1985).
Интенсивность дыхания называют метаболической мощностью организма и оценивают по уровню потребления кислорода или выделения углекислого газа. С усложнением организации животных увеличивается и уровень их энергетического метаболизма. Он отражает цену жизнедеятельности животных и поэтому сильно связан с особенностями их экологии, поведения и физиологии. Значительную часть
суточного расхода энергии гомойотермных животных составляют затраты на поддержание фундаментальных физиологических процессов, т.н. базальный метаболизм (ВМ). Уровень базального метаболизма (BMR) животного измеряют во время его сна ночью, причем животное должно находиться при такой температуре, когда оно не тратит энергию на обогрев или охлаждение тела (т.е. в пределах т.н. термонейтральной зоны). Измеренный в тех же условиях уровень газообмена животных, которые тратят энергию на продуктивные процессы (рост тела, линьку и др.), называется уровнем метаболизма покоя (RMR). Во многих исследованиях измеренный в термонейтральной зоне RMR птенцов считается мало отличающимся от их BMR (см. обсуждение в Klaassen et al., 1987; Klaassen et al., 1989b).
Базальный метаболизм определяется работой многих фундаментальных систем в организме животного. По-видимому, основной вклад в BMR вносят затраты на синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в митохондриях (Rolfe, Brown, 1997). Хотя само по себе увеличение расхода энергии на базальный метаболизм невыгодно для организма, но, согласно современным представлениям (Гаврилов, 1996; Gavrilov, 1997), уровень базального метаболизма определяет другие уровни расхода энергии: максимальный потенциальный метаболизм существования (МРЕ) и потенциальную продуктивную энергию (РРЕ). Поэтому увеличение BMR приводит к увеличению уровня работы, которую может совершать особь, а также к увеличению продуктивности. Это говорит о том, что уровень базального метаболизма может служить мерой конкурентных возможностей особи. Тем не менее, относительно связи качества особи и BMR существуют две гипотезы. Обе эти гипотезы связывают внутривидовую вариацию BMR с продуктивностью и основаны на предпосылке, что животные должны распределять доступную им энергию между затратами на самоподдержание, рост и размножение. Т.н. компенсаторная гипотеза или гипотеза распределения (compensation hypothesis, allocation hypothesis) предсказывает, что особь с низким BMR должна обладать большей продуктивностью, потому что её затраты на самоподдержание меньше, и поэтому она может выделить больше энергии на размножение (Gadgil, Bossert, 1970; Nilsson, 2002). Вторая теория («гипотеза возросшего потребления», increased-intake hypothesis) предсказывает, что особь с большим BMR может добиться лучшей продуктивности, потому что BMR сильно
связан с размером пищеварительной системы, печени, почек и сердца (см. ссылки в обзоре литературы). Поэтому особь с высоким BMR может усвоить больше энергии из пищи (и быстрее), а потом направить её на размножение, чем особь с низким BMR (McNab, 1980; Daan et al., 1990; Hayes et al., 1992a; Lindstrom, Kvist, 1995). Таким образом, согласно компенсаторной гипотезе, животные с низким BMR будут особями «высокого качества», а согласно гипотезе возросшего потребления, такими особями будут животные с высоким BMR. Существуют свидетельства как в пользу первой (Blackmer et al., 2005), так и в пользу второй гипотезы (Nilsson, 2002; Chastel et al., 2003). Очевидным минусом высокого BMR является повышенный расход воды на испарительную теплоотдачу при относительно высоких температурах среды (Гаврилов, 1996). Необходимо отметить, что все приведенные выше теории оперируют удельным значением BMR, т.е. BMR, поделённым на массу тела.
В настоящее время BMR является наиболее исследованной энергетической характеристикой животного и одной из самых исследованных физиологических характеристик птиц (см., например, Дольник, 1995; Гаврилов, 1996; McNab, 2002). За последние 40 лет множество исследований демонстрировали видовые и популяционные отличия в BMR. По-видимому, такие отличия связаны, прежде всего, с особенностями образа жизни животных, которые, в свою очередь, зависят от условий окружающей среды (например, Гаврилов, 1996; Bennett, Harvey, 1987; Garland, Adolph, 1991; McNab, 1994). Межвидовые отличия в уровне базального метаболизма говорят о том, что этот признак подвергался действию естественного отбора.
Относительно недавно во внутрипопуляционных экологических исследованиях стали учитывать и особенности энергетических характеристик животного. Как правило, в большинстве таких работ BMR используют для сравнения особей с разным социальным, территориальным или репродуктивным статусом (например, Гаврилов и др., 1994, 19966; Керимов и др., 1994а; Ильина, 1996; Керимов, Иванкина, 1999; Roskaft et al., 1986а; Hogstad, 1987; Reinertsen, Hogstad, 1994; Senar et al., 2000). Наконец, совсем недавно стали изучать индивидуальную изменчивость энергетических характеристик особи и условия окружающей среды, которые эти изменения вызывают (например, Lindstrom,
Rosen, 2002; Kvist, Lindstrom, 2001; Kerimov et al., 2006). Становится очевидным, что фенотипическая пластичность BMR так велика, что это накладывает определенные требования к использованию сравнительных методов в изучении энергетики (Glazier, 2005; McKechnie et al., 2006; McKechnie, 2008). Как оказалось, индивидуальная вариация' BMR может превосходить таксономическую (воробьиные/неворобьиные птицы), географическую (птицы высоких/низких широт) и экологическую (птицы пустынных/непустынных регионов).
В последнее время в работах по эволюционной и физиологической экологии, популяционной биологии, генетике и, особенно, эволюционной физиологии большое внимание уделяется внутривидовым (межпопуляционным и внутрипопуляционным) отличиям в различных физиологических характеристиках (Artacho et al., 2005). Это связано с тем, что именно внутривидовые различия является материалом для естественного отбора (Garland, Carter, 1994; Feder et al., 2000). На внутривидовом уровне применяют традиционный метод межвидовых исследований - сравнительный. Одной из важных задач в эволюционных и микроэволюционных исследованиях является изучение наследуемой вариации признака, т.н. аддитивной генетической вариации. Оценкой степени наследуемости служит величина ІГ, которая показывает, какая» часть популяционной фенотипической вариации (VP) является аддитивной генетической вариацией (VA): h"=VA/VP. Она может дать представление о том, насколько сильно признак подвержен действию отбора, так как влиянию естественного и искусственного отборов может подвергаться только признак с отличной от нуля h~ (Falconer, Mackay, 1997; Roff, 1997; Lynch, Walsh, 1998; Mousseau et al., 2000). С другой стороны, известно, что сильное давление отбора на признак, который тесно и постоянно связан с приспособленностью (fitness), приводит к уменьшению аддитивной генетической вариации признака, т.е. уменьшает h~ (Fisher, 1958; Lynch, Walsh, 1998; Endler, 2000). Поэтому по величине h2 можно оценить силу воздействия отбора на признак в прошлом. Следует учесть, что все сказанное прямо относится только к наследуемости в узком смысле слова (narrow-sense heritability). Очень часто термин «наследуемость» используют и в широком смысле (broad-sense heritability): h2=VG/VP, где VG - полная генетическая вариация. Полная
генетическая вариация помимо VA включает также неаддитивные генетические компоненты, возникающие за счет взаимодействия между генами.
Большая часть известных оценок наследуемости относится к беспозвоночным животным, что связано с их быстрой сменой поколений и простотой в использовании в лабораторных экспериментах. Что касается позвоночных животных, то в этой группе гораздо лучше изучена наследуемость морфологических признаков по сравнению с физиологическими (Artacho et al., 2005). Это связано прежде всего с тем, что морфологические признаки подвержены прижизненным изменениям в значительно меньшей степени, и с тем, что их легче измерять. Как правило, морфологические и даже многие поведенческие признаки обладают значительно большей наследуемостью по сравнению с физиологическими. Например, у представителей класса птиц большинство морфологических признаков демонстрируют довольно высокую наследуемость (Starck, Ricklefs, 1998; Media, Sheldon, 2001). Различные энергетические характеристики находятся среди самых неизученных физиологических признаков как в плане наследуемости (heritability), так и в плане повторяемости (repeatability). Индивидуальная и межиндивидуальная вариация признаков может отличаться в разных популяциях ввиду средовых и/или генетических отличий, поэтому величина повторяемости и наследуемости является популяционной характеристикой (Versteegh et al., 2008).
Уровень базального метаболизма является признаком, обладающим высокой стоимостью, но для того, чтобы существовало стабильное разнообразие по этому показателю, он должен быть наследуемым. Существование значимого уровня наследуемости BMR (с учетом его значительной индивидуальной пластичности!) будет свидетельствовать о возможности микроэволюционных изменений под давлением естественного отбора. Поэтому оценка наследуемости BMR и других энергетических параметров является одной из важных задач современной эволюционной физиологии позвоночных. Число работ, посвященных изучению наследуемости уровня базального хметаболизма или уровня метаболизма покоя животных, очень ограничено (см. обзор литературы ниже). Нам не удалось найти свидетельств существования подобных исследований, проведенных на представителях класса птиц из естественных популяций.
Объектом нашего исследования является птица из отряда воробьинообразных - мухоловка-пеструшка {Ficedula hypoleuca). Одной из главных причин выбора данного объекта послужила особенность полиморфизма в окраске брачного оперения самцов мухоловки-пеструшки: оказалось, что птенцы самцов с разной окраской оперения сильно отличаются между собой по уровню метаболизма ночного покоя (Kerimov, Ivankina, 1999). Кроме того, у взрослых самцов этого вида также обнаружена связь между их BMR и степенью меланизации брачного наряда (Гаврилов и др., 1993, 1996; Roskaft et al., 1986а; Gavrilov et al., 1993). Поэтому значительная часть поставленных автором настоящей диссертации задач посвящена выяснению причин таких различий: вариация в уровне метаболизма покоя птенцов может отражать либо их различия в BMR, либо в затратах энергии на рост. Изучение энергетики взрослых самцов и их потомства поставило также вопрос о возможности наследования уровня метаболизма. Если вариация RMR птенцов объясняется различиями в их BMR, то она может возникнуть либо под влиянием факторов окружающей среды (т.е. самцы разной окраски могут создавать для птенцов разные условия), либо генетически наследоваться от родителей. Оценке наследуемости метаболизма покоя мухоловки-пеструшки и посвящена вторая часть настоящей работы.
Итак, основная цель настоящей работы - изучить факторы, влияющие на метаболизм ночного покоя гомойотермных птенцов мухоловки-пеструшки. Основные задачи, которые ставились автором для достижения поставленной цели, сводятся к следующим:
Изучить связь между скоростью роста птенцов и их уровнем метаболизма покоя.
Изучить связь типа окраски самцов мухоловки-пеструшки с уровнем метаболизма покоя их птенцов.
Исследовать влияние конкуренции в выводке на уровень метаболизма покоя птенцов.
Исследовать влияние температуры среды на уровень метаболизма покоя птенцов.
Изучить связь базального метаболизма родителей с темпами роста и метаболизмом покоя их птенцов.
Изучить связь между полом птенцов и уровнем их метаболизма покоя.
Оценить наследуемость уровня метаболизма покоя и повторяемость уровня базального метаболизма.
Особенности полиморфизма в окраске брачного оперения самцов мухоловки-пеструшки
Окраска спины и головы самцов мухоловки-пеструшки в брачном наряде варьирует от яркой черной до буровато-серой, как у самок (см. рис. I). О существовании самцов мухоловки-пеструшки с бурой окраской оперения известно уже более двух веков. Самых светлых самцов долгое время даже относили к отдельному виду Muscicapa muscipeta (Bechstein, 1794, цит. по Lundberg, Alatalo, 1992). Первое подробное описание изменчивости брачного наряда самцов мухоловки-пеструшки принадлежит Рудольфу Дросту (Drost, 1936), чью 7-балльную шкалу морф можно увидеть на рис. 2. Самых контрастных самцов относят к I типу, а самых светлых - к VII. С усилением меланизации верхней стороны тела у самцов светлеет нижняя (становясь ярко-белой у контрастных форм) и увеличивается размер белой "перевязки" на наружных опахалах третьестепенных маховых. Выраженных границ между соседними типами окраски шкалы Дроста нет.
По определению Э. Форда, полиморфизмом называется сосуществование в пределах популяции двух или более отчетливо различимых внутривидовых форм, причем в таких соотношениях, что постоянное присутствие одной из этих форм не может быть отнесено только на счет непрерывного мутагенеза или иммиграции (Бигон и др., 1989). Главное условие существования устойчивой полиморфной популяции - одинаковая приспособленность всех её фенотипов. Если оно нарушено, то формы, обладающие более низкой приспособленностью, будут вытеснены из популяции под давлением естественного отбора. В задачу популяционных экологов, изучающих полиморфные системы, входит не только доказательство равной приспособленности особей разных фенотипов, но и описание способов, которыми она достигается, а также условий стабильного существования таких популяций. Традиционно для решения подобного рода задач применялись чисто генетические подходы. Основанные на них модели объясняли полиморфизм существованием разных способов адаптации к однородной среде или постоянным разрушением наиболее приспособленных генотипов в результате скрещиваний (Гриценко и др., 1983). В рамках таких подходов удовлетворительное объяснение механизмов поддержания полиморфизма дано для чрезвычайно ограниченного числа исследованных систем. Главным недостатком подобных моделей является представление об окружающей среде как об общем факторе для всех особей популяции. В действительности же среда всегда неоднородна: практически все её факторы меняются во времени и пространстве. Это приводит к возникновению различных способов адаптации, часто трудно совместимых у одной особи. Поэтому большинство современных моделей, описывающих полиморфные системы, учитывают возникающую из-за неоднородности среды экологическую структуру популяции (Гриценко и др., 1983; Креславский, 1988).
Первой работой, в которой были затронуты вопросы, связанные с адаптивным значением фенотипической разнородности в популяциях мухоловки-пеструшки, является работа Н.С. Аноровой (1977). Наибольшее число исследований, посвященных этому вопросу, было проведено в странах Скандинавии и Центральной Европы, а также в Британии.
Среди воробьиных птиц встречаются виды с похожим разнообразием в окраске, однако его варьирование всегда связано с возрастом и обычно проявляется только у годовалых птиц. Например, у танагры Piranga rubra молодые самцы имеют все переходы в окраске между нарядом самки и взрослого самца (Rohwer et al, 1980), а некоторые самки с возрастом постепенно приобретают окраску взрослых самцов (Robinson, 1996; Isler, Isler, 1999). Схожий случай отложенного формирования яркого оперения (DPM, delayed plumage maturation), наблюдается у самцов красноспинного расписного малюра (Mahints melanocephalns), самцы которого могут приступать к размножению, как с яркой, так и с невзрачной окраской, а так же могут быть т.н. «помощниками» (helpers) с невзрачной окраской (Karubian et al., 2008; Webster et al., 2008). Окраска "эполет" самок краснокрылых трупиалов (Agelaius phoeniceus) варьирует от бурой до красно-оранжевой, при этом она обычно становится более яркой с возрастом и напрямую связана» с "качеством" самки (Johnsen et al., 1996). Окраска годовалых самцов лазурного овсянкового кардинала (Passerina amoend) варьирует от светлой до темной (Greene et al., 2000), а годовалые особи самцов обыкновенной чечевицы (Carpodacus erythrinus) выглядят в период размножения так же, как и самки (Виноградова и др., 1976).
Подобных примеров множество. С обзором литературы по полиморфизму у птиц можно ознакомиться в кандидатской диссертации Н.Ю. Обуховой (1987).
Полиморфизм мухоловки-пеструшки имеет несколько уникальных особенностей. Главная из них состоит в том, что, хотя1 с возрастом самцы несколько темнеют (Анорова, 1977; Высоцкий, 1994; von Haartman, 1949; Alatalo, Lundberg, 1986b; R0skaft et al., 1986b), но и среди старых самцов наблюдается полный спектр изменчивости брачного оперения: Кроме того, некоторые особи имеют яркое черно-белое оперение уже в возрасте одного года (Мальчевский, Пукинский, 1983; Jarvi et al., 1987). Заметное потемнение окраски происходит ко 2-му году (около 1 балла по шкале Дроста), а в дальнейшем она практически не меняется (Высоцкий, 1993, 1994; Гриньков, 2000; Roskaft et al., 1986b; Lundberg, Alatalo, 1992; Slagsvold et al., 1995; Sternberg et al., 2002). Особенно большой возрастной компонент изменчивости наблюдается в северных популяциях, где большая часть самцов VI-VII морф - годовалые особи. Но во всех популяциях мухоловки-пеструшки ширина нормы реакции любой особи значительно уже всего популяционного спектра изменчивости. Это и позволяет называть отличия по степени меланизации брачной окраски самцов полиморфизмом (Иванкина и др., 2007; Grinkov et al, 2002). Кроме внутрипопуляционного разнообразия фенотипической структуры, у мухоловки-пеструшки выражена и географическая изменчивость (Анорова, 1977; Drost, 1936; von Haartman, 1949; Rjaskaft et al., 1986b). В Северной Европе преобладают темные формы, в Центральной Европе и Западной Сибири они отсутствуют — там доминируют светлые. В Британии и средних широтах европейской части России положение промежуточное. Соотношение морф ві популяции меняется в разные годы, но эти изменения не перекрывают различий в окраске популяций из разных географических регионов (Анорова, 1977; Высоцкий, 1993; Roskaft et al, 1986b; Reskaft, Jarvi, 1992).
Проявляющаяся в пределах одного возрастного класса морфогенетическая изменчивость самцов мухоловки-пеструшки подтвердилась данными по наследуемости окраски (Анорова, 1981; Высоцкий, 1993; Гриньков, 2000; Lundberg, Alatalo, 1992). Наследственный компонент изменчивости дополняется экзогенным - на формирование брачной окраски влияют условия развития самцов на ранних стадиях онтогенеза (Slagsvold, Lifjeld, 1992). Оказалось, что в первый год жизни более яркий брачный наряд приобретают самцы, которые к моменту вылета из гнездаюбладали относительно большей массой .
Измерение уровня метаболизма покоя птенцов и уровня базального метаболизма самцов мухоловки-пеструшки
По достижении гомойотермными птенцами асимптотической массы (в 13-15-дневном возрасте), мы измеряли их метаболизм ночного покоя по потреблению кислорода с использованием модифицированных систем Калабухова (Калабухов, 1946; Гаврилов, 1979а,б, 1994а; Гаврилов и др., 1994; Gavrilov, 1998). Система Калабухова представляет собой замкнутую систему, состоящую из емкости с кислородом, водяного манометра и герметичной камеры (эксикатора) в термостате. В эксикатор насыпали едкое кали (КОН), закрывали его керамическим диском с дырками и помещали сверху клеточку с птицей. В процессе дыхания птица потребляет кислород, а выделяющийся углекислый газ (С02) поглощается гидроокисью калия. Это приводит к падению давления в системе, которое регистрирует манометр. Давление выравнивают путем выпускания некоторого количества воды из бюретки, которая соединена с манометром. Количество потребленного птицей кислорода соответствует количеству выпущенной из бюретки воды, которое легко измерить по шкале на бюретке. Выравнивать давление можно через равный интервал времени (обычно 10-20 минут), что даст серию данных о газообмене птицы.
Всех птенцов из 3-5 выводков мы приносили в лабораторию в 11 часов вечера, оставляли там в тишине и темноте. Через час-два, когда они заведомо переваривали полученную за день пищу, брали 2-3 птенца из каждого выводка и поодиночке сажали в маленькие клетки-садки из пенопласта с пластиковой сеткой (размером чуть больше самого птенца, но не стесняющего его движений). Каждую клетку помещали в эксикатор объёмом 1.7 литра, находящийся в термостате с температурой 26-28 С (т.е. в пределах термонейтральной зоны птиц). Температуру в лаборатории удерживали при помощи электрического обогревателя на уровне 25-26 С. Через час (т.е. в 1-2 ночи), когда температура в камерах стабилизировалась и птенцы засыпали, подключали измерительное оборудование. Объем потребляемого кислорода фиксировали через каждые 10 минут в течение часа. Перед началом измерения отмечали время, температуру в камерах (с точностью до 0.2 С), атмосферное давление (до 0.5 мм рт. ст.) и температуру в лаборатории (до 0.1 С). Во время опыта соблюдали полную тишину, электропитание термостатов отключали, чтобы избежать периодических щелчков термореле. Иногда за одну ночь проводили две серии измерений уровня метаболизма. После измерений проверяли, не изменилось ли атмосферное давление и температура в лаборатории и в эксикаторах.
Результаты измерений RMR птенцов условно разделяли на "ровные" (если разница значений потребления птенцом кислорода в двух соседних 10-минутных измерениях отличалась от среднего значения менее чем на 25%) и "неровные". «Неровные» измерения і могли получаться, например, если птенец просыпался во время опыта от случайного звука или не мог заснуть из-за своего неудобного положения. Во время статистического анализа всегда проверяли, не изменятся ли результаты, если использовать только «ровные» измерения.
После опыта всех птенцов (включая тех, чей RMR не измеряли) взвешивали, делали описанные выше промеры и возвращали в дуплянки. Данные всех измерений с информацией о родителях и условиях измерения RMR заносили на специальные карточки (протоколы измерений). Объем потребленного кислорода приводили к нормальным условиям и пересчитывали на кДж/сутки, исходя из соотношения 1лО2 20.1кДж энергии (Шмидт-Ниельсен, 1982). Связь метаболизма покоя (как и большинства других энергетических показателей) с массой описывается степенным уравнением, причем показатель степени меньше единицы. Поэтому избавиться от влияния массы на метаболизм простым делением RMR на массу невозможно, и приходится прибегать к более сложным методам. С помощью регрессионного анализа мы выделяли ту часть RMR, которая не объясняется влиянием массы. Это т.н. «остатки» (residuals), представляющие собой разность реальных и предсказанных регрессией значений RMR. Они и использовались нами в качестве показателей RMR. Кроме того, иногда использовались некоторые другие значения: мл Оо/граммхчас и кДж/сутки. Средние значения RMR птенцов и взрослых птиц представлены в табл. 9.
После измерения газообмена у части птенцов в 2003-2005 гг. брали кровь из когтя для последующего определения пола методом полимеразно-цепной реакции (ПЦР). Для этого кончик когтя отстригали ножницами и несколько капель крови наносили на фильтровальную бумагу. Определение пола делалось средствами Гематологического научного центра Российской академии медицинских наук (ГНЦ
РАМН) и Нидерландского института экологии (NIOO KNAW). Для определения пола птиц (основанного на амплификации высоко-консервативного CHD гена) более 10 лет назад была разработана подробная методика (Ellegren, 1996; Kahn et al., 1998), поэтому при необходимом количестве ДНК точность определения пола чрезвычайно высока. Она проверялась в популяциях с высоким уровнем возврата птенцов на место рождения (Potti et al., 2002). Информация о необходимых праймерах для мухоловки-пеструшки была предоставлена молекулярной лабораторией N100 KNAW.
У некоторого количества птенцов (по 10-15 каждого возраста) RMR измеряли не только в 13-15-дневном, но и в 7, 9, 11-дневном возрасте. Общее время пребывания 7-й и 9-дневных птенцов в эксикаторах сокращали до 1-го часа, чтобы избежать обезвоживания, вызванного гигроскопичностыо гидроокиси калия. Если при изъятии птенцов для определения RMR в дуплянке находилась обогревающая их самка (что было во всех выводках с семидневными птенцами), то её также приносили в лабораторию, а после окончания измерения снова аккуратно помещали в дуплянку.
Уровень базального метаболизма самцов (и некоторого количества самок) измеряли тем же самым методом. После измерения BMR пгиц описывали и на рассвете выпускали. BMR мухоловок-пеструшек можно измерять только до середины июня, т.к. во второй половине июня у них начинается линька (у самок несколько позже, чем у самцов). Во время линьки птицы в состоянии покоя тратят дополнительную энергию на продукцию оперения, и напрямую измерить их базальный метаболизм не представляется возможным (Дольник, 1995).
RMR птенцов и некоторые характеристики их родителей
В анализе связей характеристик родителей с RMR потомства использованы только данные измерений RMR птенцов из контрольных выводков.
Тип окраски. Зависимость метаболизма ночного покоя птенцов перед вылетом из гнезда от типа окраски отца (рис. 13) очень похожа на зависимость BMR взрослых самцов от типа их окраски (рис. 14). Уровень метаболизма потомства темных самцов выше, чем светлых, но эта связь нелинейная: потомство самых темных самцов имеет низкий уровень метаболизма. Нам неизвестна литература, в которой упоминались бы отличия потомства разных фенотипов по RMR.
Возраст родителей. RMR у птенцов старых самцов был больше, чем у птенцов молодых (ANOVA: F=4.5; р=0.03; п=635). Причем эта зависимость не объясняется одной только связью окраски самца с его возрастом. Хотя старые самцы темнее молодых в среднем на единицу шкалы Дроста, связь RMR птенцов с возрастом самца на уровне тенденции выражена и среди потомства только светлых самцов (ANOVA: F=2.6; р=0.1; п=279). Зависимости RMR птенцов от возраста самок не наблюдалось (ANOVA: р 0.7; п=584).
Размеры родителей. Связь RMR птенцов с линейными размерами и массой их родителей отсутствовала или была выражена на уровне тенденции, если рассматривать выборку за все годы (р 0.06). Однако в отдельные сезоны такие связи проявляются в разных сочетаниях практически со всеми промерами родителей, причем направление связи тоже меняется. Так, в очень неблагоприятный по погодным условиям сезон 2000-го года, характеризовавшийся высокой смертностью птенцов, наблюдалась связь RMR птенцов с баллом жирности самок (Rs=0.4; р=0.00003; п=104). Но обычно наблюдаемые зависимости представляют связи слабой силы (Rs=0.2-0.3). В 2000-м году с RMR птенцов была связана высота клюва самцов (Rs=-0.22; р=0.02; п=109). В 2001-м году - длина цевки самцов (Rs=-0.18; р=0.04; п=127) и высота клюва самок (Rs=0.22; р=0.01; п=123). В 2002-м году - длина клюва самок (Rs=0.17; р=0.03; п=168), масса самцов (Rs=-0.20; р=0.01; п=169) и длина крыла самцов (Rs=-0.16; р=0.04; п=170). В 2003-м году - масса самок (Rs=-0.20; р=0:05; п=99), длина крыла самцов (Rs=-0.23; р=0.02; п=99) и длина клюва самцов (Rs=0.24; р=0.02; п=99). В 2004-м году - балл жирности самцов (Rb=-0.26; р=0.05; п=54) и длина клюва самцов (Rs=0.25; р=0.04; п=68). В 2005-м году - масса самок (Rs=-0.43; р=0.0006; п=61), балл жирности самок (Rs=-0.42; р=0.001; п=55), высота клюва самок (Rs=-0.27; р=0.03; п=61), длина клюва самок (Rs=-0.26; р=0.05; п=61), высота клюва самцов (Rs=0.31; р=0.01; п=63), длина цевки самцов (Rs=0.43; р=0.0005; п=63), длина крыла самцов (Rs=0.36; р=0.004; п=63).
В силу слабости большинства приведенных выше связей, интерпретировать их затруднительно. Только в 2000 и 2005 годах наблюдались связи средней силы. В холодный и дождливый сезон 2000-го года положительная связь RMR птенцов с жирностью матерей, возмолшо, объясняется повышенным RMR у потомства более качественных родителей - т.е. тех самок, которые способны сохранять запасы жира даже в крайне неблагоприятных погодных условиях. Не исключено, что эта связь отражает зависимость темпов роста птенцов от качества их родителей. В любой год в любом возрасте птенцов скорость роста массы тела и длины цевки была связана с баллом жирности матерей корреляциями средней силы (в зависимости от возраста, Rs=0.21-0.44). Особенно высокие корреляции наблюдались в тех выводках, в которых не была отмечена гибель птенцов от голода (далее «благополучные» выводки): в зависимости от возраста, Rs-0A4-0J1. В тех выводках, где была отмечена гибель птенцов (далее «неблагополучные» выводки), с жирностью самок была связана только скорость роста массы птенцов (в зависимости от возраста, Rs=0.24-0.35). Скорость роста крыла птенцов с жирностью самок не была связана.
В благоприятный по погодным условиям 2005 год наблюдалась отрицательная связь балла жирности и массы самок с RMR птенцов. В «благополучных» выводках корреляции были выше: Rs=-0.50; р=0.01; п=26 и Rs=-0.56; р=0.001; п=30, соответственно. В «неблагополучных» выводках эта связь не была отмечена вовсе (р 0.3). Возможно, что больший RMR птенцов в 2005 году был в тех выводках, в которых самки более интенсивно заботились о потомстве и вследствие этого сильнее похудели. И действительно, в этот год балл жирности самок был отрицательно связан с массой слетков (Rs=-0.25; р=0.01; п=103). В благоприятных условиях восстановление резервов организма взрослой птицы не играет роли «бутылочного горлышка» и поэтому в такие годы проявляется иной аспект связи между свойствами потомков и родителей: RMR оказывается тем выше, чем выше родительский вклад, мерой которого являются потери в массе тела или жировых резервов взрослых птиц.
Энергетические характеристики родителей. Связи между RMR птенцов и особенностями энергетики их родителей посвящена отдельная»глава (см. главу 4), где проблема анализируется с позиции изучения наследуемости RMR.
Оценка наследуемости RMR и морфологических признаков птенцов мухоловки-пеструшки при помощи анализа полных сибсов
Как уже упоминалось выше, птенцы из «неблагополучных» выводков в последней трети своей гнездовой жизни не отличаются от птенцов из «благополучных» выводков по темпам прироста массы, цевки, крыла и уступают им по темпам роста РЗ. При этом птенцы из «неблагополучных» выводков не демонстрируют связи между RMR и скоростью роста, в то время как птенцы из «благополучных» выводков демонстрируют положительнуЕО зависимость между этими характеристиками. Результат свидетельствует в пользу того, что повышенный RMR птенцов из «неблагополучных» выводков объясняется, не высокой скоростью продуктивных процессов, а высоким BMR. В результате такие птенцы должны иметь повышенные пищевые затраты для того, чтобы восполнить расход энергии на самоподдержание. В условиях недостатка корма им необходимо затрачивать больше энергии на фундаментальные процессы в ущерб росту тела. Кроме того, птенцы с повышенным BMR должны сильнее страдать от внутривыводковой конкуренции. Таким образом, BMR является признаком с высокой «стоимостью», и выгода от высокого BMR может быть реализована только при благоприятных условиях. Учитывая вероятную наследуемую природу BMR у этого вида (см. главу 4), мы можем предположить, что в выводках родителей с высоким BMR гибель птенцов от голода случается чаще. И действительно, у отцов «неблагополучных» выводков BMR несколько выше, чем у отцов «благополучных» выводков (ANOVA: F=5.8; р=0.017; п=138). Другое объяснение повышенного BMR самцов, вырастивших «неблагополучные» выводки, заключается в том, что у таких птиц BMR повышается вследствие более интенсивной работы по выкармливанию птенцов. Из литературы известен пример повышения BMR у черноголовых гаичек {Parus palustris), выкармливавших искусственно увеличенные выводки (Nilsson, 2002). Родители, выкармливавшие такие выводки, увеличивали также частоту кормления птенцов. Она была положительно связана с BMR родителей и с дневными энергетическими затратами (FMR), измеренными при помощи метода дважды меченной воды (DLW).
Связь между BMR самцов и некоторыми промерами их птенцов из контрольных выводков возникает только по достижении последними возраста в 14 дней, т.е. незадолго до вылета из гнезда. Так, корреляция массы тела 14-дневных птенцов с BMR родного отца составила г=0.20 (р=0.0008; п=284), длины цевки-г-0.25 (р=0.00001; п=284), длины крыла- г=0.24 (р=0.00004; п=284). В возрасте 15-ти дней значения корреляций уменьшаются, хотя остаются статистически значимыми. У птенцов из экспериментальных выводков только длина крыла и длина РЗ перед вылетом из гнезда связана с BMR их родных отцов: Rs O.M; р=0.036; п=217 и Rs=0.16; р=0.022; п=217, соответственно. Среди всех промеров птенцов с BMR приемных отцов связана только длина цевки (г=-0.16; р=0.017; п=230).
Если подсчитать корреляции отдельно для птенцов из «благополучных» и «неблагополучных» выводков, то оказывается, что в первых из них BMR самцов был положительно связан с длиной крыла птенцов практически в любом их возрасте до 13-дневного (табл. 15). Масса птенцов из «благополучных» выводков с BMR самца не связана. За исключением случая с массой тела в 7-дневном возрасте, в «неблагополучных» выводках связь между размерами птенцов и BMR отца проявляется только с 13-дневного возраста птенцов.
Между скоростью роста птенцов и BMR их отцов наблюдаются спорадические корреляции, как положительные", так И отрицательные. Однако, их случайный и единичный характер не позволяет сделать каких-либо определенных выводов. В основном, BMR самцов связан со скоростью роста массы птенцов. Например, BMR самцов коррелирует со скоростью прироста массы тела птенцов за 5-11-й день (Rs=-0.37; р=0.005; п=54), за 7-14-й день (Rs=0.70; р=0; п=46), за 9-14-й день (Rs=0.51; р=0.00004; п=57).
Число публикаций на тему связи BMR родителей со скоростью роста тела потомства и его размерами очень ограниченно. Известно, что у мелких млекопитающих масса тела детенышей и скорость их роста не связаны с BMR самок (см. обзор Johnson et al., 2001). У птиц на межвидовом уровне вес вылупившихся птенцов, а также возраст, в котором они могут совершить первый полет, с BMR родителей не связаны (Trevelyan, 1990). С другой стороны, у северной качурки (Oceanodroma leucorhod) потомство самцов с низким BMR обладало большей скоростью роста крыльев (Blackmer et al., 2005).
Описанные выше различия в RMR потомства самцов с разной окраской оперения могут быть вызваны различием в темпах роста. Поэтому рассмотрим, как отличается скорость роста тела птенцов в выводках самцов разной окраски.
Птенцы самцов разных фенотипов отличаются своими размерами практически в любом возрасте, причем связь типа окраски самца и размеров тела его птенцов, как правило, нелинейная (рис. 29-32). Например, в возрасте 5-9 дней птенцы самцов 3-го типа окраски обнаруживают сильное превосходство по сравнению с остальными по массе, длине цевки и крыла. Перед вылетом из гнезда максимальная масса, длина цевки и крыла наблюдаются у потомства самцов 2-го типа окраски, а максимальная длина РЗ - у потомства самцов 3-го типа окраски.
Обобщенные графики скорости приростов роста массы, цевки и крыла представлены на рис. 33-35 (в каждом возрасте показана скорость прироста массы тела за предыдущие 2 дня). Во всех случаях наблюдается нелинейная связь скорости роста тела птенцов со степенью меланизации оперения их отцов.
