Введение к работе
Актуальность проблемы. Основы изучения механизмов поведения животных впервые были заложены в 1849 году Бертольдом. С тех пор было Еыделено яесколько направлений, которые отличаются методами, предметами и целью исследований. В последние годы резко повысился интерес к вопросам изучения механизмов поведения с точки зрения определяющих их биохимических и физиологических реакций, тех реакций которые происходят в головном мозгу и других частях нервной и эндокринной систем (Лишарин, 1979, Кругликов, 1986, Подольский, 1978, Barfteld, 1971, Gold, Murphy, 1980, Feme, 1978, Grunt, Young, 1952, Harris et all, 1958, Lehrman, 1955, Munro, Pitcher, 1983,1985). Однако недостаточное развитие физиологической науки, а также существенный разрыв между ней и этологией, которая также пытается ответить на вопросы о том как осуществляется регуляция поведения и почему конкретные механизмы проявляются в конкретных обстоятельствах, не позволяют сейчас с достаточной степенью достоверности дать объяснение сложному поведению. Не имеется четкого представления о функционировании отдельных нейроэндокринных систем на протяжении всей жизни организма и их участия в организации отдельных форм поведения, а также о взаимовлиянии, соподчинении этих систем на разных уровнях организации - клеточном, органном, организменном (Мак Фарленд, 1988, Наточин, 1987, Siegel etall, І989 и др.).
Выбор объекта исследования - катехоламинергаческая система у территориальных рыб обусловлен фрагментарностью исследований данной системы в онтогенезе рыб, а' также во многом определяющей ее ролью в развитии стрессо-генной реакции, в том числе и социального стресса, который вызывается конфликтным взаимодействием особей (Вальдман и др., 1987, Громова, Семенова, 1983, Давыдов, 1978, Ельскйй, 1974, Михайлов, Князев, 1983, Пошивалов, 1986, Bliss etall, 1971, Mimro, 1983, Scatton et all, 1975 и др.). Впервые на неспецифическую реакцию организма при действии на него различных' физических и химических раздражителей обратил внимание Селье "(Селье, 1936). Он показал, что организм реагирует на эти воздействия появлением неспецифических признаков, и между ними он увидел определенную .связь, отражающую характер защитной реакции организма'на "повреждающее воздействие". Дальнейшие исследования показали важную роль центральной нервной системы, ее эмоциональной сферы в пусковых механизмах стресса. Сейчас уже известна чрезвычайно важная роль симпатико-адреналовой системы в развитии общего адаптационного синдрома.
Она, совместно с гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой, занимает важное место в обеспечении реакции организма на стресс. Пока остается неизвестной роль динамики изменений катехоламинергической .системы в эмбриогенезе в видовой стратегии поведения взрослых рыб, впрочем как и других позвоночных. Между тем, направленные воздействия на данную систему могут играть большую роль в адаптации рыб к условиям ограниченного пространства в искусственных водоемах.
Необходимо отметить сложность самой катехоламинергической системы. Биологически активные вещества продуцируемые ее близки по химическому составу, но каждое из них выполняет собственную функцию и участвует в регулировании различных процессов в организме. Кроме того, надо различать гормональную функцию катехоламинов и нейромедиаторную. Если гормонами являются дофамин, норадреналин и адреналин, то медиаторами только дофамин и нор-адреналин (Хухо, 1990, Moore, Bloom, 1979, Winkler, Westhead, 1980 и др.). В то же время до сих пор идут споры о самостоятельной функции ДОФА как нейро-медиатора. Продолжаются исследования и самих дофамин-, и норадр^нергиче.с-кой систем. Было показано, что этих систем несколько в организме, различных по местоположению, мишени медиаторов'и сродству к рецепторам.
Все это обусловило необходимость проведения исследования по развитию и роли в онтогенезе катехоламинергической системы,.динамики катехоламинов в процессе становления и развития сложных форм поведения, а также обобщения современных данных по этой проблеме. Настоящая работа выполнена с использованием методических подходов нейрофармакологии, нейроэндокрино-логии, гистофизиологии и этологии.
Работа посвящена теоретическим и практическим вопросам нейрогуморальных механизмов поведения рыб; появлению и развитию катехоламинергической системы в эмбриональный период и ее роль в дальнейшем онтогенезе рыб с социальным доминированием на взрослых стадиях.
Цель и задачи исследования. Целью работы является анализ роли катехоламинергической системы в процессе развития икры и поведении рыб на разных этапах онтогенеза и изучение динамики содержания катехрламинов; по мере становления и организации социальных отношений у территориальных рыб из трех семейств; Cichlidae, Salmonidae и Pomacenlridae.
В процессе исследования ставились следующие задачи: дать анализ данных литературы, о роли различных нейрогуморальных систем в обеспечении поведения позвоночных животных; представить современные данные о роли катехоламинов в организации и поддержании сложных форм поведения у рыб
(глава 1. Обзор литературы); исследовать последовательность появления реакций на катехоламинергические препараты и нарушения в развитии зародыша под их влиянием (глава 3); выявить корреляционные механизмы между стадиями развития личинок и мальков, их реакциями на изменения окружающей среды и общим уровнем катехоламинов; на основании изучения этих механизмов предложить объяснение роли катехоламинов в раннем постнатальном развитии рыб (глава 4); дать общий анализ стратегии поведения территориальных рыб, как фундамент для последующего обсуждения полученных материалов (глава S); выявить изменения в функционировании кате:юламинергической системы в период становления социальных отношений и ргнь отдельных катехоламинов б приобретении рыбой определенного социального статуса р группах с разным числом рыб (глава 6), определить роль катехоламинергической системы в образовании брачной пары и динамику катехоламинов в брачный период (глава 7); показать изменения в поведении взрослых рыб, которые возникают при фармакологической обработке икры катехоламинергическими препаратами (глава 8); дать анализ процесса становления функций катехоламинов в индивидуальном развитии, его особенностей у рыб, а также обсудить роль отдельных веществ катехоламинергической системы в поведении (глава 9. Заключение).
Научная новизна работы. Работа является первым комплексным исследованием роли катехоламиловой системы в онтогенезе рыб с использованием методологии и методов нескольких научных дисциплин. Новым является подход к проблеме, охватывающий все стороны действия катехоламинов г, пределах одного типа поведения, свойственного большому числу видов рыб. Впервые проведено одновременное исследование дофамин-, норадрен- и адренергических систем как отдельных элементов общей системы и их взаимное влияние.
Были получены следующие результаты: 1. Установлено время появления реакций у развивающейся икры на весь комплекс катехоламинергических агентов. 2. Определено время появления катехоламинреактивности эмбриона и специализированны.': секреторных клеток в процессе развития икры. 3. Показаны три типа дифференциаций потомства по уровню катеходаминов в процессе развития личинок и мальков и обнаружены поведенческие реакции, коррелирующие с данными дифференцировками. 4. Выявлена роль катехоламинов в организации социальной структуры по типу доминирования - подчинения. 5. Показана динамика катехоламинов у "асоциальных" особей в больших группах и возможность изменения их статуса в группе путем активирования дофаминергичес-кой системы. 6. Описана роль катехоламинов в определении мотивационного
состояния при образовании брачной пары и их участие в активации смещенноі активности при уходе за потомством. 7. Обнаружен период в эмбриональноь развитии, воздействие во время которого на дофаминовые гзлоперидолол рецепторы приводит к усилению форм поведения генетически свойственны; видам рыб с данной стратегией поведения.
Положения, выносимые на зашиту:
На основании полученные результатов предложена концепция о доминировании дофаминергической системы в определении и поддержании территориально-акрессивного поведения у рыб на протяжении всего онтогенеза. Изменение функциональной активности этой системы как в эмбриогенезе, так и в постэмбриональный периоды жизни приводит к нарушению общей стратегии поведения в рамках видоспецифичного стереотипа поведения рыб.
Ранние постэмбриональные дифференцировки потомства по уровню катехоламинов не определяют структурных форм поведения ззрослых рыб, а относятся к биохимическим механизмам, ослабления конкуренции. Эгологичесглм проявлением этих дифференцировок являются различия двигательной активности и ориентировочно-исследовательским реакциям.
Теоретическое и тірактическое значение, работы. Настоящая работа вносит вклад в представления об одном из важнейших нейроэндокринных механизмов, обеспечивающих социальное поведение рыб и о способах снятия стресса в искусственных условия. Б работе выявлены принципы взаимодействия моноаминных систем организма в различные периоды жизни рыб. Данное исследование сочетает в себе физиологический подход, анализ на уровне управляющих систем и метод психологии, что позволяет говорить не только на уровне физиологических механизмов, но и событий, происходящих в мозгу. Кроме того, работа является сводкой данных, вскрывающей современное состояние исследований в области катехоламинергических механизмов поведения у рыб.
Результаты исследований, имеют практическое значение, обусловленное возможностью снижения стрессогенной активности и уменьшения агрессивности у рыб в условиях искусственного содержания, с целью увеличения количества потомства и его жизнестойкости.
Данные фармакологических и гистохимических исследований в пренатальний период имеюг большое значение для понимания эмбрионального развития катехоламннергических систем организма и организации связей между ними.
Вклад автора в реализацию проблемы. Автору принадлежит разработка тематики и программы исследований, организация ее осуществления, выполне-
іие полевых и лабораторных исследований, обобщение полученных материалов, еоретические выводы и практические рекомендации. Среди написанных в оавторстпе работ нет ни. одной, где бы автор не принимал основного участия в боре, обработке, анализе материала, микрофотосъемке.
Апробация работы. Материалы диссертации апробированы на расшкрен-юм заседании кафедры ихтиологии ЛГУ (Ленинград, 1992), на Международном Симпозиуме 'Signal Molecules and Mechanisms of Animal Behaviour" (Pushchino, 1989), на Всесоюзном Симпозиуме "Физиология нервных систем" (Ленинград, L990), на III Международном Конгрессе "Comparative Physiology and Biochemistry" Tokyo, 1991), на Международном симпозиуме "Fish Endocrinology" (Tokyo, 1991), i& объединенном коллоквиуме лабораторий Института эволюционной физиологии и биохимии им.И.М.Сеченова РАН.
Объем работы. Диссертация включает введение, 9 глав, выводы и список цитируемой литературы.
Работа изложена на 193 стр., из которых 124 стр. текста. В работе предсіав-пены 14 таблиц, 2 схемы, fi микрофотографий, 50 графиков и гистограмм, список литературы, включающий 57 источников на русском и 114 источников на иностранных языках.
В главе рассматриваются данные литературы о ролл катехоламинов КА -нейромедиаторов и гормонов в поведении позвоночных животных. В большинстве работ по влиянию трмонов на. поведение животных изучали репродуктивное поведение и агрессивное, т.к. в этих случаях наиболее четко определяются мотивации животных. Кроме того, у большинства животных обе эти формы поведения связаны друг с другом и находятся под контролем гипофиза (Мельник и др., 1985, Михайлов, Князев, 1983, Barfwld, 1971, Beach, 1948, Lashly, 1938, Young, 1961 и др.). Изменения в нейромедиаторных процессах рассматриваются авторами в основном в связи с возникновением внешних нарушений, таких как нагрузки, которые возникают из информационных требований животного. Анализ химических изменений рассмотрен достаточно полно именно у социально организованных видоп, в основном птиц и млекопитающих. Это связано со «ложностью изучения химизма организма при нарушениях его взаимоотношений со средой, tjc. возникающие изменения не постоянны и их дина-
мика зависит от длительности воздействия, между тем как социальные взаимодействия хорошо управляются во времени (Вальдман и др., 1987, Гамбарян и др., 1981, Bliss et al., 68, Bliss et ai, 1971, Frischknecht et a!., 1985., Lorner el -a!., 1980, Scatton ei al, 1975, Oehleretal, 1987, Valzelli, 1968).
Большой цикл работ посвящен нейрофармашлогическим воздействиям на катехоламинергическую систему. При этом изучали как индивидуальные ответы особи на воздействия, так и изменения во взаимоотношениях двух и более индивидов (Ншулини, Соболева, 1983, Никулина и др., 1983, Подольский, 1987, Пошивалов, 1986, Римкуте, 1979, Римкуте, 1983, Римкуте и др., 1984, Marrone et al., 1966, Sauerbier, Meyer, 1976).
Серия работ посвящена развитию катехоламинергической системы и гор-монокомпетечтности клеток тканей и органов т. эмбриогенезе и начальном пост-натальном развитии (Бузников, 1987, Лейбсон, 1983, Мицкевич, 1978, Перцеза, 1989, Ask, 1983, Banington, 1986, Wikberg, 19S2, Yates, 1982).
РЫБ.
Территориальное поведение в сочетании с агрессивностью и иерархическими отношениями между особями свойственно главным образом рыбам, обитающим в гетерогенных богатых убежищами биотопах (коралловые рифы, зоны, богатые растительностью, с каменистым грунтом), где складываются условия обостренной конкуренции за пищу, убежище, нерестовые участки и тд. (Выскребен цев, 1969, Lorenz, 1969, Moc.hek, Suva, 1975 и др.). Различия между разными типами социальных структур (нейтргльным, стайным и территориально-иерархическим поведением) имеют, по-видимому, глубокую генетическую основу. Переходы от одного типа взаимодействий к другому возможны лишь V некоторых видов рыб, причем, скорее всего, только как наследственно закрепленная норма реакции на изменение плотности популяции, среды обитании или по мере развития поведенческих реахций в онтогенезе (Минек, 1987, Панов, 1983, Keenleyside, 1962, Sevenster, 1968, Tinbergen, 1951 и др.). Наследственно-нормативный характер переходов от одного типа социальных взаимодействий к другим описан у многих животных (и у рыб). Связь таких переходов с разного рода перестройками фенотипа, включая морфологические изменения, обнаружена и описана у азиатской саранчи и у леммингов (Ellis, 1953, 196І). Поскольку фенотипи-ческие перестройки у животных непосредственно сопряжены с функциями эндок-
даной системы, гормональная основа их социального поведения представляет-1 их главным аспектом.
У рыб с иерархическими отношениями внутри групп определенную роль грают изменения в эмоциональной сфере. Выделение доминирующей особи и ; дальнейшее поседение по отношению к субдомивантам вызывает сальные сихосоматичеекке расстройства последних. В осуществлении стресс-реакции, ызванной агрессивностью доминанта,- решающую роль играет КА-ергичесхая истема, как наиболее реактивная {Mason, 1984, Feters etall, 1980). Происходит ильное изменение состояния гормонального звена симпатоадреналовой систе-*ы у особей всех рангов (Femo et al, 1976, Hasselager et al, 1972, Mclntyre et al, 979, Wmberg et a!, 1990). В развитая комплекса нарушений при деспотическом шителъном эмоциональном воздействии преобладающим фактором является юстоянная активация симпато-адреналовой системы, проявляющаяся усилен-шм синтезом, освобождением и утилизацией катехоламинов в ЦКС. Результаты многочисленных исследований показывают, что ранговые отношения определяют тип омоционально-поведеігчесхой реактивности особей и опосредованы состоянием катехоламиновых систем мозга. Они во многом определяют качественный характер адаптивной деятельности у рыб в условиях социального стресса. Наблюдается снижение уровня дофамина в связи с его усиленной утилизацией у доминантов и почта полнее истощение запасов норадреналина с одновременным появлением адреналина в головном мозге. Это вызвано, по-види-мому, развитием психогенной патологии, характерной для деспотического доминирования в условиях ограниченного пространства. Блокада дофаминовых пост-синаптических рецепторов галоперияолом и адренергических рецепторов про-пранололом и фенголамином у доминантов'устраняет высокий уровень их психомоторного возбуждения и агрессивность, что приводит к некоторым прояв- лениям адаптивного целенаправленного поведения у субдоминантов. С другой стороны, воздействие антагонистом в-адренорецепторов на подчиненные особи приводит к развитию тормозных процессов, в свою очередь подавляющих их способность к адаптивному поведению. Обобщая имеющиеся данные, следует отметить, что антагонисты норадреналиновых и дофаминовых рецепторов сущест-- венно подавлйют агрессивность рыб. Они играют общую депремирующую роль, снижая внутривидовую общительность и агрессивность (Мито, 1986 а, Ъ, Nelissen, 1989, Noakes, Leathetiand, 1977, Scott, Сите, 1980). У субдоминантов ингибиторы усиливают защитное поведение, провоцируемое внешней социальной стимуляцией.
Наряду с изменением уровня катехоламинов в головном мозге, происхо дят изменения их содержания в головной почке. Состояние гормонального звеш симпатоадреналовой системы в условиях социального стресса оценивается ш содержанию катехоламинов. По Селье, адаптационный синдром включает в себ; три основные стадии: тревогу, резистентность и истощение. На первой стадш развития стрессовой реакции происходит снижение концентрации катехол аминов с последующим восстановлением их уровня и истощением на последнее стадии. Качественный анализ агрессивного поведения рыб свидетельствует < том, что хотя агрессивное и нормализующее (для доминантов) действие нейро фармакологических средств при однократных и повторяющихся инъекция) могут быть изучены, ни один из указанных препаратов не способен вызван достаточно стойкого длительного нарушения иерархических отношений. С исчез новением временных нейрохимических сдвигов происходит первоначальное восстановление социальной структуры.
Таким образом, анализ исследований роли катехоламинершческой системы в иерархических отношениях рыб показывает отсутствие целостного представления о развитии катехоламинергической системы в онтогенезе, взаимосвязи всех веществ данной системы и изменениях, которые она претерпевает на пути становления социальной структуры. Более того, отсутствуют данные о функционировании данной системы в ранний пренатальный период, что является существенным пробелом при обсуждении основ формирования нейрохимических механизмов и поведения.