Основы генетики

Эти примеры иллюстрируют избирательное созревание функциональных единиц центральной нервной системы в точном соответствии со средовыми факторами данного вида животных.

Принцип гетерохронности характеризует и постнатальное нейроповеденческое развитие. Вполне возможно, что в определении последовательности развития играют роль процессы индукции, сходные с таковыми в эмбриогенезе. В генетически детерминированные периоды онтогенеза созревание одной нейроповеденческой системы может включать развитие другой. Интеграция этих систем или компонентов поведенческих реакций может служить индуктором для развития третьей и т. Д. Онтогенетическое развитие взаимосвязанных генетически детерминированных компонентов поведенческих систем происходит в соответствии с изменяющейся средовой ситуацией и адаптацией, необходимой организму.

Хорошо известна чувствительность поведенческих признаков к средовому воздействию, которое и у птиц осуществляется еще в период эмбрионального развития. Например, показано, что утята за 3--4 дня до вылупления могут издавать звуки и реагировать на них. Доказательством реакции на звуковые сигналы служит ускорение сердцебиения утиных эмбрионов. Такая пренатальная слуховая стимуляция имеет большое биологическое значение. Она понижает физиологический порог для восприятия видоспецифических звуковых сигналов во взрослой жизни. Если в поздний пренатальный период изолировать эмбрионы от звуков, издаваемых другими эмбрионами, то после вылупления у утят ослабляется реакция на зов своей матери.

Продемонстрировано также важное биологическое значение звуковой сигнализации между эмбрионами у перепелок. Она синхронизирует период вылупления всего выводка: если отставших в развитии эмбрионов подвергать воздействию звуков, издаваемых более продвинутыми в развитии, то развитие первых ускоряется. И наоборот, реакция на звуковые сигналы от медленно развивающихся эмбрионов замедляет развитие обогнавших в развитии.

В генетически детерминированные периоды появления специфических поведенческих реакций эффект средовых воздействий на них оптимален. Период же, когда возможность средовой модификации поведенческого признака максимальна, является критическим в его развитии.

Сущность критических периодов состоит в активном процессе организации и интеграции тех функциональных систем, которые являются субстратом для данной реакции. Критические периоды служат для «канализации» поведенческих признаков, для их подгонки к соответствующим средовым условиям. Степень этой подгонки для различных признаков различна. Некоторые признаки узко канализированы и характеризуются плотной генетически детерминированной подгонкой к средовым условиям. Такие поведенческие признаки группировались в категорию инстинктов.

Наблюдения и эксперименты А. Н. Промптова, проведенные в 1956 году, впервые четко показали, «что те явления, которые принято называть инстинктивными, всегда включают в себя как очень трудно отчленяемый, но чрезвычайно существенный компонент, ... весь онтогенетический опыт особи».

Экспериментальные исследования характера пения птиц, строительства гнезд, добывания пищи показали, что эти формы инстинктивного поведения очень лабильны и формируются в результате теснейшего переплетения наследственных и приобретенных компонентов.

Чтобы подчеркнуть зависимость формирования этого поведения от средовых условий, А. Н. Промптов ввел новый термин - «биокомплекс активности» вместо термина «инстинкт». В то же время его наблюдения показали, что такие формы поведения, как способ преследования добычи, характер полета и передвижение по земле, формируются в основном на базе генетически детерминированных реакций.

Наиболее интересными являются исследования характера пения птиц, поскольку формирование видоспецифической песни у многих видов является наиболее ярким примером теснейшего взаимодействия обучения и наследственности.

Характер песни определяется до наступления половой зрелости, т. е. до того, как птенцы запоют сами. Было показано, что одни виды птиц (например, пеночка-трещетка, полевой жаворонок) в условиях изоляции способны сформировать песню, характерную для своего вида. Однако в условиях выращивания этих птиц с поющими птицами других видов они копируют песню воспитателя. В экспериментах А. Н. Промптова и Е. В. Лукиной (Лукина, 1957) у полевого жаворонка была сформирована песня канарейки и большой синицы.

Другие виды птиц в том случае, если они лишены возможности слышать видоспецифическую песню, сохраняют в сформированной песне некоторые характерные черты своего вида, но в целом все-таки их пение отличается от видоспецифического.

Третьи виды, например скворцы, не могут в условиях изоляции сформировать видоспецифическую песню.

Формирование пения у птиц показывает значение обратной афферентации в развитии действительно приспособительного поведенческого акта. Если лишать птиц слуховой рецепции, удаляя у них в различном возрасте улитку внутреннего уха, то последствия такого хирургического вмешательства на характер пения существенно отличаются от последствий изолированных условий воспитания.

Если лишать слуха оперившихся птенцов зяблика, вылетающих из гнезда, то эти птенцы издают серию несвязанных звуков: их «песня», если только можно назвать песней их голосовые реакции, полностью отличается от песни изолированных птиц. У последних все-таки формируется упрощенный вариант песни зяблика. Если лишить слуха зяблика после того как он слышал видоспецифическую песню, но еще не запел сам, то эффект тот же, что и в том случае, когда оперируются птенцы, еще не слышавшие песни своего вида.

Эти эксперименты показательны в том отношении, что обратная афферентация о совершенном действии и оценка его полезности необходимы для формирования адаптивного поведения.

7.3 Импринтинг и его роль в постнатальном онтогенезе выводковых птиц

Явление импринтинга как реакция следования 2- и 3-дневных цыплят за движущимся импринтированным объектом описано еще в 1873 году, но сам термин был введен в этологическую литературу Лоренцом, который описал импринтинг как уникальную форму обучения, вследствие которого выводковые птицы сразу же после вылупления следуют за любым движущимся объектом. Лоренц, например, описал выводок гусят, у которых произошел импринтинг на него самого.

Хотя импринтинг в наиболее типичной форме наблюдается у выводковых птиц, он имеет место у птенцовых и даже у млекопитающих.

Вероятно, нет ограничений в стимулах, которые могут быть заимпринтированы и могут вызывать реакцию следования. Чувствительный, или критический, период для раннего, или детского, импринтинга у разных животных колеблется от нескольких минут до нескольких дней. После того как произошел импринтинг, развивается реакция страха на новые стимулы, которая может быть следствием того, что после импринтинга отфильтровываются знакомые стимулы от незнакомых.

Наблюдаемая реакция страха и убегания вместо первоначальной реакции следования может быть также результатом созревания соответствующих функциональных единиц в центральной нервной системе.

Лоренц подчеркивал, что инфантильный импринтинг как уникальная форма обучения характеризуется очень ограниченным чувствительным периодом, необратимостью в отличие от обычного условнорефлекторного обучения и большей прочностью. Практически он неугасим, его последствия могут сопровождать животное всю жизнь и оказывать заметное влияние на его взрослое поведение. К импринтингу относят раннее формирование полового предпочтения, которое обычно называют «половым импринтингом».

Роль полового импринтинга как механизма селективного спаривания установлена для кур, уток, гусей, голубей, для некоторых воробьиных.

Эволюционные последствия полового импринтинга как механизма селективного спаривания заключаются прежде всего в поддержании половой изоляции у симпатрических видов птиц. Если, например, вид существует в смешанных колониях с близкородственными видами, то необратимость полового импринтинга играет большую роль в обеспечении видоспецифического предпочтения и половой изоляции. И, наоборот, для одиночно гнездящихся пар строгая необратимость импринтинга не обязательна. В процессе онтогенеза характер полового предпочтения может меняться. Иными словами, свойства полового импринтинга (степень его необратимости, продолжительность чувствительного периода, половые различия в свойстве импринтировать) определяются экологическими условиями жизни вида и биологией его размножения.

Поскольку импринтинг осуществляется на самых ранних этапах онтогенеза и часто характеризуется необратимостью, то половое предпочтение, сформированное на его основе еще до первого размножения, имитирует генетически детерминированное предпочтение. Но так как импринтинг является специфической формой обучения, то он обеспечивает такой характер избирательного спаривания, который может быстро адаптироваться к любому изменению видоспецифических признаков.

Несмотря на то, что генетические механизмы самого импринтинга неизвестны, его биологические функции и возможные эволюционные последствия интенсивно исследуются.

7.4 Гибридологический анализ поведения птиц

Данные по экспериментальному генетическому анализу поведения птиц не выявляют каких-либо принципиальных закономерностей, специфичных только для птиц. Известно, что серия стереотипных двигательных актов, составляющих ту или иную реакцию той или иной формы инстинктивного поведения птиц, чаще всего наследуется вместе как один двигательный акт. Например, поведение ухаживания уток состоит из ряда реакций, которые со слабыми модификациями наблюдаются во всем семействе утиных (Anatidae). Одну из этих реакций Лоренц назвал «поклон» (down-up). Она сводится к тому, что селезень периодически опускает клюв в воду, а затем внезапно высоко поднимает голову. У желтоклювого чирка (Nettion flavirostris) и шилохвостки (Dafila acuta) двигательные акты, составляющие эту реакцию, отсутствуют. Однако все они проявляются у гибридов между этими видами.

Рис.7.1. Nettion flavirostris



Рис.7.2. Dafila acuta

Наиболее вероятное объяснение этого факта состоит в том, что оба родительских вида несут генетические потенции для каждого компонента реакции «поклона», но в ходе естественного отбора мелкие генетические изменения, накапливаемые внутри каждого вида, могли повысить ее физиологический порог и тем самым свести ее пенетрантность к нулю. При гибридизации восстанавливается прежний уровень порога, что и приводит к четкому проявлению реакции «поклона» у гибридов.

Завершить гибридологический анализ описанного поведения уток невозможно, потому что гибриды первого поколения являются стерильными.

Последовательность комбинирования реакций, составляющих ту или иную форму поведения, может быть разорванной. Например, поведение ухаживания у кряквы (Anas platyrhynchos) и черной утки (Anas rubipres) состоит из следующих реакций: встряхивание клювом, звуковые (свистяще-ворчащие) реакции и встряхивание хвостом. Считалось, что комбинируются эти реакции у названных видов обязательно в описанной последовательности. Однако в некоторых случаях у кряквы и у черной утки наблюдалась иная последовательность: встряхивание хвостом, встряхивание клювом и голосовые реакции. А у гибридов между этими двумя видами реакции ухаживания проявлялись в следующем порядке: звуковые реакции, встряхивание хвостом, встряхивание клювом. Вероятно генетическая детерминация наличия реакций и генетическая детерминация последовательности их выполнения различны и независимы друг от друга.

Интересные эффекты гибридизации описаны при скрещивании различных видов неразлучника (род Agapornis). Нарушения, наблюдаемые в поведении гибридов, сводились к следующему: либо утрачивалось поведение, характерное для обоих родителей, и проявлялось не соответствующее данной ситуации поведение (так называемая смещенная активность), либо элиминировалось поведение одного из родителей, либо, наконец, проявлялось атавистическое поведение, не характерное для родительских видов, но характерное для более старых в филогенетическом отношении предков.

Интересны нарушения гнездостроительного поведения. Все виды (составляющие род Agapornis) используют кусочки листьев в качестве строительного материал. Однако неразлучники различаются по способу доставки строительного материала к гнезду. В неволе одни виды (например, Agapornis roseicollis) закатывают ленточки и засовывают их в свои огузковые перья, т. е. возвращаются с несколькими кусочками строительного материала одновременно, другие же (например, Agapornis personata Fischeri) несут единственную полоску в своем клюве.

Рис.7.3. Agapornis roseicollis

Рис.7.4. Agapornis personata Fischeri

У гибридов между этими видами наблюдалась тенденция к тому и другому способу доставки, но соответствующие двигательные реакции выполнялись не в совершенстве и не приводили к нужному результату. Когда гибридные птицы впервые приступили к строительству гнезда, они вели себя так, как будто не могли определить выбор того или иного способа доставки, пытаясь, то затолкать ленточки строительного материала в огузковые перья, то взять их в клюв.

У гибридных самок происходило столкновение двух мотиваций: заталкивать материал в перья и нести их в клюве. На фоне этого мотивационного конфликта часто проявляется смещенная активность, т. е. неадекватное поведение. Гибридные птицы во время выполнения реакций закатывания материала часто останавливаются, начинают пить или выполнять другие неадекватные реакции. Такого поведения никогда не наблюдалось у родительских видов в период транспортировки строительного материала к гнезду. Существенно, что у гибридов неэффективна вся серия двигательных актов, приводящая к закатыванию и заталкиванию кусочков бумаги, т. е. предрасположенность выполнять серию реакций, характерных для одного родительского вида (A. roseicollis), передана целиком. Но, видимо, гибридизация привела к повышению порога этих реакций и, как следствие этого,-- к неэффективному их результату.

Неразлучники, как и все попугаи, во многих ситуациях обучаются легко. В этой же ситуации гибриды даже после месяцев практики успешно доставляли строительный материал в клюве только в 40% попыток. Через два года они успешно доставляли полоску строительного материала в клюве. Но опять интересно то, что перед тем, как взять полоску бумаги в клюв, попугаи делали поворачивающие движения головой, которые являются подготовительными к свертыванию полосок. Иными словами, последовательность двигательных актов (свертывающих полоски и заталкивающих их), приводящая к доставке строительного материала в огузковых перьях, оказалась разорванной. Между этими двигательными реакциями у гибридов наблюдалось взятие полоски в клюв, что вновь указывает на различную генетическую обусловленность наличия реакций, и их последовательности.

Можно предположить, что серия стереотипных двигательных актов, составляющих ту или иную реакцию, контролируется блоком тесно сцепленных генов, которые наследуются совместно, а гены, детерминирующие физиологический порог той или иной реакции, включают или выключают работу этого блока.

Исследования по гибридологическому анализу птиц дают основания предположить, что любая инстинктивная форма их поведения состоит из ряда реакций, которые, в свою очередь, представляют собой серию стереотипных двигательных актов. Можно полагать, что эта серия детерминируется группой сцепленных генов, поскольку чаще всего двигательные акты передаются последующим поколениям вместе, как одна реакция. Генетическая детерминация стереотипных двигательных актов, составляющих реакцию, и генетическая детерминация критического физиологического порога этой реакции, вероятно, независимы друг от друга.

7.5 Отдельные гены и признаки поведения птиц

Поведение птиц во многом зависит от генов, хотя генотип определяет не поведение как таковое, а скорее общее принципы построения нейронных контуров, отвечающих за обработку поступающей информации и принятие решений. Но все-таки есть ситуации, когда можно изучать и отдельные гены, влияющие на поведение.

Например, когда самец зебровой амадины (Taeniopygia guttata) -- птицы из семейства ткачиковых -- слышит песню другого самца, у него в определенном участке слуховой области переднего мозга начинает экспрессироваться ген egr1. Этого не происходит, когда птица слышит отдельные тона, белый шум или любые другие звуки -- это специфический молекулярный ответ на социально-значимую информацию. Песни незнакомых самцов вызывают более сильный молекулярно-генетический ответ, чем щебет старых знакомцев. Кроме того, если самец видит других птиц своего вида (не поющих), активация гена egr1 в ответ на звук чужой песни оказывается более выраженной, чем когда он сидит в одиночестве. Получается, что один тип социально-значимой информации (присутствие сородичей) модулирует реакцию на другой ее тип (звук чужой песни).

Другие социально-значимые внешние сигналы приводят к активации гена egr1 в других участках мозга. Белок, кодируемый геном egr1, является транскрипционным фактором, то есть регулятором активности других генов, его активация стимулирует выработку одного из рилизинг-факторов - GnRH.

Рис.7.5. Taeniopygia guttata

Ученые расшифровали полный геном Taeniopygia guttata. Было установлено, что в геноме амадины есть характерные гены, претерпевшие период быстрой эволюции. Работа этих генов и белки, которые синтезируются с их помощью, вовлечены в обширную сеть регулирования их активности с помощью небольших молекул РНК. Эти РНК, называемые микро-РНК, не предназначены для переноса информации или синтеза белков, а выполняют функции понижения или повышения уровня активности тех или иных генов. Выявив полный набор таких микро-РНК, активно задействованных в работе той части лобной доли головного мозга, которая отвечает за вокальные способности птиц, ученые установили закономерности их работы в тишине и в то время, когда птенцы слышат песни своих родителей. Оказалось, что набор этих микро-РНК сильно меняется в зависимости от того, слышат птицы песни родителей в данные момент или нет, что позволяет, вероятно, «настроить» их на обучение или «высвободить» мозг для иной активности, если обучение в данный момент не уместно.

В той части головного мозга птиц, которая контролирует обучение пению, примерно 5% всех генов регулируется самим процессом пения. Таким образом регулируется более 800 генов.

Исследователи выявили гены домашних и диких кур, которые подверглись селективному отбору в ходе одомашнивания этих птиц. Наиболее интересным является селекционный отбор гена TSHR, кодирующего белок-рецептор, который играет ключевую роль в определении времени, подходящего для репродукции в соответствии с изменениями светового дня. Это время очень жестко контролируется у большинства диких животных, однако у домашних кур-несушек, способных к воспроизводству в течение всего года, этот ген работает иначе.

У цыплят-бройлеров ученые также обнаружили характерную мутацию в гене TBC1D1, человеческий аналог которого был в прошлом связан учеными с ожирением, а сам белок TBC1D1 включен в регулирование поглощения глюкозы мышечными тканями.

7.6 Эволюционная модификация поведения птиц

Накопление мелких генетических изменений, влияющих на физиологические пороги нервной системы, вероятно, играет большую роль в эволюции поведения птиц. Однако некоторые поведенческие реакции птиц, в отличие от реакций насекомых характеризуются онтогенетической лабильностью, поэтому способность к условнорефлекторной модификации наследственно фиксированных реакций может играть существенную роль и в эволюционной модификации поведения.

Особенно интересно в эволюционном отношении так называемое «ритуальное» поведение птиц. Ритуальными обычно называют те реакции, которые несут функцию социальных сигналов, т. е. служат при общении, с другими особями проявлением угрозы или ухаживания.

Ритуальное поведение возникло на базе имеющихся наследственно фиксированных реакций в поведенческом репертуаре животных и по своим физиологическим механизмам представляет собой так называемую «смещенную активность», которая часто наблюдается в конфликтных ситуациях. Например, при агрессивном или половом поведении многие птицы начинают с лихорадочной торопливостью чистить клюв или оперение, пить, кормиться и т. д., т. е. ведут себя неадекватно данной ситуации.

«Смещенная активность», как правило, проявляется тогда, когда выражены с одинаковой силой тенденции к двум противоположным реакциям: например, в случае агрессивного или полового поведения -- тенденция избегать и приближаться к партнеру. Они взаимно погашают друг друга, поэтому снимается их тормозное влияние на другие типы активности, не соответствующие данной ситуации.

Большинство видов смещенной активности являются наиболее привычными, легко выявляемыми и часто выполняемыми поведенческими реакциями. Появившись впервые как смещенная активность, та или иная реакция в процессе полового отбора модифицирована до формы социальных сигналов. Например, у различных видов зябликов наблюдается такая эволюционная модификация смещенной активности. Ткачик зебровый очень часто чистит клюв на насесте во время ухаживания за самкой. Вероятнее всего, это проявление неретуализованной смещенной активности. У двух близкородственных видов (полосатого зяблика и оттеночного) эта реакция ритуализована и модифицирована в «поклон». Самцы наклоняют свою голову к насесту около самки.

Рис. 7.6. Эволюция демонстрации «поклона» у различных видов зябликов. А) ткачик зебровый, б) полосатый зяблик, в) оттеночный зяблик

Эволюционная модификация формы демонстрационных реакций часто идет параллельно с развитием разного рода бросающихся в глаза структур, усиливающих эффект демонстрации. Например, угрожающая поза «голова вверх» у одного из видов синиц коррелирует с яркой окраской шейки и грудки.

Рис. 7.7. Демонстрация угрожающей позы у синиц.

Лазоревки же при угрозе принимают позу «голова вперед», поскольку могут распушать перышки на щечках и делать их заметными.

Наряду с изменением формы и частоты ритуализованных реакций, с тем чтобы сделать их бросающимися в глаза, меняется в ходе эволюции их физиологическая основа. Они становятся как бы «освобожденными» от первоначальных контролирующих механизмов и целиком управляются механизмами, регулирующими половое поведение.

Например, у некоторых птиц реакции питья, кормления демонстрируются в период полового поведения. После того как происходит эволюционное включение этих реакций в систему стереотипного полового поведения, они становятся независимыми от безусловных стимулов, их вызывающих. Иными словами, состояние жажды не влияет на интенсивность проявления ритуальных реакций питья, так же как голод не меняет форму ритуального кормления.

Поведение птиц характеризуется высоким развитием сложноорганизованных наследственно детерминированных форм, многие из которых обладают в то же время широкой нормой реакции. Ход эмбрионального и постнатального развития птиц ярко демонстрирует принцип гетерохронного системогенеза как главный принцип нейроповеденческого онтогенеза. Необходимую организму адаптацию к средовой ситуации обеспечивает также лабильность многих форм поведения, возможность их подгонки к конкретным условиям среды.

Исследования А. Н. Промптова продемонстрировали теснейшее взаимодействие наследственных и приобретенных компонентов, при формировании, например, гнездостроительного и пищедобывательного поведения птиц, а также характера их пения.

Ранний постнатальный онтогенез птиц сопровождается специфической формой обучения -- импринтингом, или мгновенным запечатлением, который характеризуется очень коротким чувствительным периодом и большой прочностью. Его последствия на формирование социальных связей, а иногда и полового предпочтения практически необратимы.

Механизмы полового импринтинга, видимо, не едины с механизмами неонатального импринтинга выводковых птиц, формирующего реакцию следования за импринтированным объектом. Половой импринтинг, вероятно, имеется и у птенцовых птиц. Его критическая стадия может быть локализована не в неонатальный, а в ювенильный период. Но каковы бы ни были механизмы модифицирующего влияния социальной среды на половое поведение, его эволюционное значение сводится к тому, что он формирует селективный характер спаривания.

Глава 8. Генетика поведения млекопитающих

8.1 Генетика поведения собак

Собака - традиционное лабораторное животное. Именно для собак была впервые сформулирована концепция типов высшей нервной деятельности и выделены четыре основных типа темперамента условно названных холерическим, сангвиническим, флегматическим и меланхолическим, а также некоторое число промежуточных по характеру подтипов. Каждый из этих типов ВИД предполагал у его носителя определенную комбинацию более простых свойств нервной системы -- возбуждения и торможения, т.е. силы, подвижности и уравновешенности.

Типология ВНД, предложенная академиком Павловым, отражала стремление подвести строгую научную основу и дать количественную оценку индивидуальной изменчивости признаков поведения. Затем в его лаборатории началось изучение генетических основ индивидуальной изменчивости ВНД. Однако проведение генетических исследований оказалось мало совместимым с длительной и очень трудоемкой процедурой определения типа ВНД, принятой в лаборатории Павлова. В том виде, в каком исследования были задуманы, они оказались невыполнимыми. В то же время было изучено наследование более простых характеристик условнорефлекторной деятельности у собак, в частности было проанализировано наследование силы нервных процессов.

Наиболее простым методически и перспективным в плане изучения генетико-физиологических механизмов поведения оказался анализ наследования общего уровня возбудимости животного.

Переход к оценке возбудимости как одного из базовых свойств, обеспечивающих проявление и выраженность генетически детерминированных особенностей поведения собак, послужил основой для фундаментальных классических исследований генетики поведения этих животных, проведенных Л.В. Крушинским.

Первым этапом исследований Крушинского было подыскание адекватного и достаточно надежного метода оценки уровня общей возбудимости животного. По мере проведения исследований автор пришел к выводу, что адекватным и достаточно надежным показателем общей возбудимости ЦНС собаки может служить уровень ее двигательной активности. Этот признак можно было просто и быстро оценивать с помощью спортивного шагомера, крепившегося на теле.

Основным генетическим экспериментом этой работы был следующий. Гиляцких лаек, мало возбудимых собак, не обладавших пассивно-оборонительной реакцией (т.е. не трусливых), скрещивали со значительно более возбудимыми немецкими овчарками, у которых пассивно-оборонительная реакция также отсутствовала. У потомства первого поколения (25 особей) была резко выражена пассивно-оборонительная реакция.

Подобное проявление этой реакции не было неожиданным, поскольку в одном из более ранних исследований такое проявление трусости было обнаружено у гибридов немецких овчарок с волками. В случае волко-собачьих гибридов их выраженная пассивно-оборонительная реакция, также не отмеченная у родителей, была приписана специфическим особенностям генотипа волка. В случае скрещивания лаек и овчарок дикие предки в родословной отсутствовали, и причиной повышенной трусливости потомства был какой-то иной фактор. В то же время характерной особенностью и волков, и гиляцких лаек была достаточно низкая общая возбудимость, проявлявшаяся в не высоком уровне двигательной активности обеих групп животных.

Л.В. Крушинский предположил, что у гиляцких лаек существует породная предрасположенность к проявлению пассивно-оборонительной реакции, но она не обнаруживается у них из-за низкого уровня возбудимости.

Гибриды этих собак с овчарками унаследовали от последних высокую возбудимость, а от другого родителя - пассивно-оборонительную реакцию, в результате чего это свойство поведения - повышенная трусливость -- было выражено у них в полной мере.

Такое объяснение было подтверждено простым экспериментом с введением гиляцким лайкам кокаина, дофаминергического агента, который специфически активировал двигательную сферу животного. У гиляцких лаек (но не у собак других пород) получавших инъекции кокаина, четко проявлялась пассивно-оборонительная реакция. Таким образом, уровень возбудимости, который в данных экспериментах коррелировал с уровнем двигательной активности, оказался модулятором проявления других признаков поведения.

Рис. 8.1. Схема скрещивания гиляцких лаек (самцы) с немецкими овчарками (самки). 1 -- пассивно-оборонительная реакция (трусость), 2 -- активно-оборонительная реакция (злобность), 3 -- присутствие обеих реакций, 4 -- отсутствие обеих реакций.

Схема скрещивания гиляцких лаек (самцы) с немецкими овчарками (самки) показывает, что при скрещивании двух пород, у которых пассивно-оборонительная реакция не выражена, у потомства, как правило, проявляется трусливость. Таким образом, генетически детерминированный признак поведения может не проявляться у животных с маловозбудимым фенотипом. В то же время потомство, полученное от скрещивания таких собак с возбудимыми особями, обнаруживает подобные признаки достаточно отчетливо.

Таким образом, генетически детерминированный высокий уровень признака поведения может не обнаруживаться у животных с мало возбудимым фенотипом. В то же время у потомства, полученного от скрещивания таких собак с возбудимыми особями, подобный признак был достаточно отчетливым.

В 1946 году вышла большая обзорная статья Крушинского, в которой он привел данные по генетике «типологии» собак. Было доказано что, различную силу типа нервной деятельности у собак можно считать наследственным свойством. Однако Крушинский предостерегал от более конкретных выводов о характере наследования сильного и слабого типов ВНД.

Рис. 8.2. «Выражение лица» у собак. Такие рисунки К. Лоренц приводит как иллюстрацию нарастания агрессивности (слева направо) и страха (сверху вниз).

В середине 40-х годов было начато наиболее полное и детальное исследование генетики поведения собак. Результаты этой многолетней работы были изложены в монографии Дж. Скотта и Дж. Фуллера в 1965 году.

Объектами исследования были собаки пяти пород -- бассенджи, бигли, американские коккер-спаниели, шетландские овчарки (шелти) и жесткошерстные фокстерьеры, а также гибридные животные. Помимо сравнения поведения собак разных пород и их гибридов, авторы были заинтересованы в изучении формирования поведения собаки в онтогенезе. Для этого они проводили скрупулезные систематические наблюдения щенков, начиная от рождения и до возраста 16 недель. Всего было исследовано несколько сотен животных.

Рис.8.3. Порода бассенджи.

Рис.8.4. Порода бигли

Рис.8.5. Порода американский коккер-спаниель

Рис.8.6. Порода шетландская овчарка (шелти)



Рис.8.7. Порода жесткошерстный фокстерьер

Первый этап работы заключался в подборе пород собак и методик тестирования поведения. При исследовании развития поведения в ряде случаев щенков воспитывали «перекрестно», т.е. часть помета выращивалась биологической матерью, а часть -- приемной, причем другой породы. Небольшое число собак всех пород было выращено не в питомнике, а в семьях. Если поведение выращенных в домашних условиях собак по отношению к человеку и было несколько иным, чем собак питомника, то показатели большинства тестов практически не отличались от тестов у остальных животных. Специальное внимание исследователи уделяли условиям содержания, выращивания и кормления животных, стремясь обеспечить их максимальное единообразие.

На втором этапе исследования проводился генетический эксперимент, для которого были выбраны две заведомо неродственные между собой породы собак - бассенджи и американские коккер-спаниели.

Бассенджи -- это неспециализированная порода охотничьих собак некоторых африканских племен. Они отчетливо агрессивны и по ряду признаков напоминают диких животных. Коккер-спаниели -- напротив, порода с низкой агрессивностью и достаточно долгой историей разведения.

По данным эксперимента, относительная дикость бассенджи проявляется у щенков при попытках взять их и руки. Они ведут себя подобно детенышам диких животных: издают резкий визг, пытаются вырваться, укусить и т.п. Кроме того, они резко сопротивляются попыткам приучить их к поводку. Гибриды первого поколения сходны по этим признакам с бассенджи.

Картина расщепления признаков у животных второго поколения и у бэккроссов показала, что «дикость» бассенджи контролируется одним доминантным геном. Сопротивление ограничению свободы, по-видимому, также контролируется одним геном, но без доминирования. В этом случае нельзя исключить и материнское влияние.

Авторы проанализировали и такой признак, как агрессивность в игре, которая, по их данным, может контролироваться двумя генами без доминирования, но может иметь и более сложное определение.

Голосовые реакции авторы анализировали у щенков разного возраста в тесте на доминирование, когда двух животных заставляли бороться за обладание костью в течение 10 минут.

Голосовые реакции имели два четких и независимых признака. Один из них -- это порог провокации лая, т.е. уровень стимуляции, необходимый для проявления реакции. Он оказался высоким для бассенджи и низким -- для коккер-спаниелей. Второй признак -- длительность лая. Она была малой у бассенджи и большой у коккер-спаниелей. По данным скрещиваний, низкий порог проявления лая доминирует над высоким, а частота и длительность лая наследуются по промежуточному типу.

Авторы полагают, что наследование уровня порога провокации определяется двумя независимыми доминантными генами, тогда как длительность лая не доминирует ни по высоким, ни по низким значениям и зависит, по-видимому, от одного гена.

Подобным образом были проанализированы и другие признаки поведения, наследование которых также оказалось под контролем одного или двух генов.

Представляет, в частности, интерес наследование характеристики эстрального цикла самок. У бассенджи течка наступает один раз в год и строго приурочена к осеннему сезону. У коккер-спаниелей она бывает 1 раз в 6 месяцев в любой из сезонов года.

Скотт и Фуллер оценили результаты своих исследований как довольно неожиданные, поскольку для ряда достаточно сложных признаков поведения было продемонстрировано моно- и олигогенное наследование. С другой стороны - во многих случаях распределение признаков у потомства свидетельствовало о полигенном наследовании. Это в первую очередь относится к поведению собак при сложных тестах, включающих обучение в лабиринте, дифференцировку и тест на оперирование пространственными представлениями.

Это исследование, проведенное в начальный период развития генетики поведения и на таком сложном объекте, как собака, предвосхитило основные результаты, полученные в этой области в дальнейшем.

Изучение генетики поведения служебных собак в Америке продолжали Скотт и Фуллер с коллегами. Они определяли выраженность 13 поведенческих признаков у щенков в специальных тестах и наследуемость этих признаков. Было вновь выявлено значительное материнское влияние на наследуемость, но не найдена связь между физическими и психическими признаками.

К. Дж. Браун, О. Д. Марфри и Дж. Э. О. Ньютон проделали интересную работу, показывающую влияние инбридинга на поведение собак. Они использовали две линии пойнтеров: одна была высокоинбредной: собаки этой линии проявляли враждебность к человеку; другая - неинбредной: собаки обладали нормальным, дружелюбным поведением. Ученые пришли к выводу, что большинство вариаций в признаках, связанных с враждебностью к человеку, - результат действия аддитивных генов.

Подводя итог рассмотренным работам по генетике поведения собак, можно сделать вывод о том, что признаки поведения несомненно наследуются, но над учитывать влияние среды. Выраженность поведения может зависеть и от материнского влияния, и от пола животного. При этом не всегда соблюдается менделевское распределение признаков, хотя оно и проявляется для первых поколений скрещивания, но в последующих зачастую нарушается.

Попытки вести селекцию только по каким-то нескольким признакам экстерьера приводили к утрате ряда специфических поведенческих черт, к дестабилизации поведенческого профиля, к появлению крайне нежелательных признаков. Ведение отбора только по немногим поведенческим признакам также приводило к изменению физических признаков. Причем не только, например, окраса, формы уха, хвоста и т. п., но и к нарушению системы воспроизводства, отклонениям в функционировании сердечно-сосудистой системы, системы желез внутренней секреции.

Примером такой же закономерности являются работы академика Д. К. Беляева с сотрудниками по выведению высоко- и низкоагрессивных линий лисиц и норок. У низкоагрессивных лисиц через несколько поколений внешний вид разительно отличался от такового у животных исходной популяции. Появлялись бело-пятнистый окрас, висячие уши, хвост по форме похожий на хвост лайки, и др.

8.2 Генетика поведения грызунов

Первыми исследованиями по генетике поведения грызунов были попытки селекции крыс на способность к обучению. Большинство из этих работ имеет лишь исторический интерес, однако проведенная С. Трайоном работа по отбору крыс на быструю и медленную обучаемость в сложном лабиринте при пищевом подкреплении составляет исключение.

Начатая в середине 20-х годов ХХ века, эта работа увенчалась созданием двух линий, получивших название Trayon maze-bright (TMB) и Tray on maze-dull (TMD), которые существуют и сейчас и поддерживаются без дополнительного отбора.

В многочисленных исследованиях способности к обучению и ряда физиологических признаков у крыс этих линий было показано, что успешность обучения в лабиринте «умной» линии и большое число ошибок у «глупой» специфичны только для лабиринтов данного типа. При других тестах на обучение результаты могут быть иными.

Выведение линий, различающихся по каким-то параметрам поведения, представляет собой первый этап работы. Искусственный отбор проводится на базе исходной популяции животных, которая всегда бывает малочисленной. В этом случае существует достаточно большая вероятность случайной «фиксации» у отбираемых по выбранному признаку аллелей других генов, не имеющих отношения к изучаемому признаку поведения. Поэтому корреляцию каких-либо двух и более признаков у селектированных линий нельзя трактовать как свидетельство общности их физиологической основы. Это одно из основных правил в исследованиях по генетике сложных форм поведения. Чтобы доказать наличие общих причин изменчивости таких коррелированных признаков, необходимо провести дополнительные исследования.

Например, в работе голландского ученого X. Ван-Абилена на основе популяции гибридов между линиями мышей C57BL/6J и DBA/2J были выведены две линии, контрастные по уровню исследовательской активности в установке «открытое поле», точнее по количеству исследовательских «стоек». Данные линии были также контрастны и по уровню активности ацетилхолинестеразы в коре головного мозга. Однако у гибридов второго поколения и у беккроссов этой корреляции не было, что свидетельствует об отсутствии непосредственной связи между признаками.

Рис.8.8. Мышь линии C57BL/6J.

Это одна из самых широко используемых в лабораторных исследованиях чистых линий домовой мыши (Mus musculus). Сокращение BL означает black (черный), то есть эти мыши не альбиносы, в отличие от мышей ряда других лабораторных линий, таких как BALB/c (где ALB означает albino).

При селекции мышей на большой и малый вес мозга, проведенной в четырех независимых экспериментах, было обнаружено, что мыши с большим весом мозга обладают достоверно более высокой обучаемостью навыкам разной природы. Это означает, что действительно больший вес мозга является фактором, благоприятствующим обучению у мышей.

Для грызунов характерно исследовательское поведение, вызываемое новой обстановкой и новыми предметами. Оно представлено поведенческими актами и позами, которые способствуют сбору информации о незнакомых элементах ситуации. Как упоминалось выше, существование генетического компонента изменчивости исследовательского поведения проиллюстрировал X. Ван-Абилен. У мышей двух инбредных линий C57BL/6J и DBA/2J число вертикальных стоек в установке «открытое поле» достоверно различалось. Как показал анализ гибридов первого и второго поколения, этот типично количественный признак имеет полигенный тип наследования.

На основе популяции межлинейных гибридов была начата селекция мышей на высокие и низкие значения признака -- числа стоек в ситуации «открытого поля». В результате этого эксперимента в начале 70-х годов ХХ века были получены линии, достоверно различающиеся по уровню исследовательской активности. Они представляли собой удобную физиолого-генетическую модель для исследования особенностей морфологической и биохимической организации мозга, обеспечивающих различия в этом виде поведения мышей.

Другой известный эксперимент на грызунах был проведен английским исследователем П. Бродхерстом в 1975 году с линиями крыс (Maudsl Reactive и Maudsley Nonreactive strains), контрастными по уровню эмоциональной реактивности (оценивалась по числу актов дефекации в «открытом поле».

Оказалось, что разные уровни активности и разная «эмоциональность» оказываются как бы в антагонизме друг с другом. То есть отбор на контрастные значения одного признака, ведет к появлению противоположных по уровню, но также достаточно выраженных различий по другому признаку. Высоко активные животные оказываются «мало эмоциональными».

Но в истории исследования поведения грызунов разных видов и групп, различающихся по полу, возрасту и функциональному состоянию, имеется много примеров, когда этот антагонизм отсутствует, и отрицательная корреляция между уровнями двигательной активности и эмоциональной реактивности не является строго обязательным явлением.

Для оценки ориентировочно-исследовательского поведения лабораторных животных применяются разные экспериментальные установки и методы, что может быть причиной наблюдаемых различий в поведении заведомо стандартных линий мышей и крыс.

При исследовании форм поведения млекопитающих и анализе дифференциального участия в них некоторых отделов мозга все большее значение начинают приобретать так называемые фармако-генетические исследования. Речь идет об оценке реакций на известные (или новые) фармакологические препараты или химические агенты у животных разных генотипов. Эти работы можно условно подразделить на несколько направлений:

§ оценку генетической изменчивости в продукции того или иного метаболита, участвующего в осуществлении какой-то реакции;

§ определение изменчивости числа и строения молекул-рецепторов;

§ исследования генетических особенностей эффекторной реакции.

Необходимо отметить и еще одно направление исследований в генетике поведения. Это изучение агрессивности. Термин «агрессивность» относится в целом к поведению животных при конфликтах. Существуют разные формы конфликтов: это агрессия хищника, конфликты между самцами, материнская агрессия, агрессивное поведение в ситуации, вызывающей страх.

Генетические исследования агрессии хищника обнаружили не только межлинейные различия, но и доминирование у мышей высокого уровня агрессии хищника. Данные генетического анализа свидетельствуют о наличии у мышей двух главных генов, которые контролируют признак «агрессия хищника».

Агрессивность по отношению к человеку -- весьма специфический тип поведенческих реакций, который был исследован большим коллективом ученых под руководством академика Д.К. Беляева. В длительных селекционных экспериментах, проведенных в институте цитологии и генетики СО АН СССР в Новосибирске получены линии серебристо-черных лисиц и серых крыс, различающиеся по уровню агрессивности, возникающей при контакте с человеком. Выведены такие же линии норок.

Эксперименты показали, что крысы, агрессивные в отношении человека, не показывают столь же выраженной агрессии хищника. К 20-му поколению селекции крыс на высокую и низкую агрессивность по отношению к человеку у них не произошло изменений в уровнях агрессии хищника и межсамцовой агрессии. Это означает, что «агрессия хищника» и «агрессия к человеку» имеют разные физиолого-генетические механизмы.

Нейрохимические исследования показали, что отбор на разные уровни агрессивности, адресованной человеку, позволяет получить линии с измененным гормональным статусом, специфика которого проявляется как в состоянии покоя, так и в состоянии испуга и стресса.

Химическая коммуникация, которой принадлежит важнейшая роль при формировании социальных контактов в сообществах грызунов находится под генотипическим контролем.

Межлинейные различив экспрессивности и пенетрантности разных показателей антагонистического поведения носят сложный характер и определяются разными генетическими системами.

Эксперименты, в которых проводили классический менделевский генетический анализ признаков, связанных с реакцией нападения, показали, что целый ряд ее характеристик генетически детерминирован, и их наследование можно описать как моно- или двухфакторное.

Но на поведение животных (агрессивных и неагрессивных) могут оказывать большое влияние факторы внешней среды, такие как опыт предыдущих конфликтов, воздействия на животных в ходе онтогенеза, или изменение гормонального фона особи.

Уровни секреции гормонов, в частности тестостерона, также находятся под контролем генотипа.

Были проведены исследования роли генов, локализованных в У-хромосоме, при формировании агрессивного фенотипа самца мыши.

В У-хромосоме выделяют два участка. Один из них называется псевдоаутосомным. Он может рекомбинировать в мейозе с Х-хромосомой, располагается в теломерном участке длинного плече У-хромосомы и передается как дочерям, так и сыновьям данного самца.

Другой, истинно моносомный (т.е. специфичный для половой хромосомы) участок, передается строго от отца к сыну и называется непсевдоаутосомным. Непсевдоаутосомный участок содержит гены, ответственные, например, за детерминирование развитие гонад в семенники.

Поскольку этот участок может передаваться только от отца к сыну, разработаны системы скрещиваний, позволяющие определять, влияют ли расположенные в нем гены на реакцию нападения. Можно, например, сравнить реакцию нападения у самцов -- реципрокных гибридов первого поколения от скрещивания линий грызунов, контрастных по данному признаку. Если поведение таких самцов-детей и их отца окажется сходным, то это можно истолковать как свидетельство участия одного или более генов непсевдоаутосомного участка в формировании признака.

Исследования показали, что изменчивость агрессивного поведения самцов связана с группой генов псевдоаутосомного участка У-хромосомы, т.е. той части генома, которая рекомбинирует с Х-хромосомой самки.

На грызунах проводились генетические исследования условной реакции активного избегания.

Реакция активного избегания удара электрического тока в челночной камере -- это четкий, легко поддающийся количественному учету тест на обучаемость у лабораторных грызунов. Поскольку в качестве условного раздражителя можно выбрать звук, то при использовании этого теста можно включать в сравнение и животных-альбиносов, не опасаясь, что низкая острота их зрения повлияет на успешность выполнения навыка. Челночные камеры, в которых животные обучаются попеременно переходить из одного отсека в другой при предъявлении условного сигнала, легко автоматизировать, что способствует получению данных на большом числе животных в унифицированных условиях. Все это сделало данную методику очень популярной среди исследователей и с ее помощью выполнено множество работ. Особенно велико число фармакологических и фармакогенетических исследований.

В начале 1960-х годов на основе популяции крыс Вистар итальянский исследователь Дж. Биньями начал селекцию на высокую и низкую способность крыс к обучению реакции активного избегания в челночной камере. Уже через несколько лет эти линии были сформированы. С начала 70-х ХХ века годов селекция и разведение этих крыс проводились независимо в Швейцарии, Великобритании и Канаде.



Рис.8.9. Институт Вистар (Wistar institute) в США известен, в том числе, и одноименной линией крыс. Так выглядит линия Wistar.

Межлинейные различия по селектируемому признаку высоко достоверны. Эти линии получили название римских (Roman High Avoidance, RHA, Roman Low Avoidance, RLA) и интенсивно исследуются во многих лабораториях мира.

Сравнение результатов огромного числа работ, полученных на этих линиях с использованием практически всех существующих методик оценки поведения, привело исследователей к заключению, что межлинейные различия у RHA и RLA связаны с эмоциональностью и разным типом реакции на стрессоры.

В 1970-е годы были созданы путем селекции еще две линии (Syracuse High Avoidance, SHA, Syracuse Low Avoidance, SLA), различающиеся по обучению реакции активного избегания, но не обнаруживающие, в отличие от римских линий, различий в уровне двигательной активности. Исходной популяцией для этой селекционной работы служили крысы Лонг-Иване.

Генетические модели способности к обучению, какими являются линии крыс RHA и RLA, а также SHA и SLA, используются в исследованиях роли наиболее изученных медиаторных систем в формировании межлинейных различий реакции на стресс, в обучении, в организации болевой чувствительности.

В современных исследованиях показано, что выполнение поведенческих актов как самим животным, так и в отношении него может приводить к изменениям в нервной системе на тканевом и клеточном уровнях, а так же к изменению экспрессии генов.

Известно, что общение с молодыми особями стимулирует проявление материнского инстинкта у многих животных, например, мышей и хомяков. В период вынашивания и кормления потомства у женских особей грызунов стимулируется рост новых нейронов.

Исследователи связывают обнаруженное явление с выделением гормона пролактина (prolactin), стимулирующего материнское поведение и появление новых нейронов во время беременности. Возможно, увеличение клеток мозга помогает матери научиться лучше выделять своё потомство среди всех остальных молодых крыс. Этот вывод был сделан на том основании, что исследованная часть мозга -- субвентрикулярная зона (subventricular region) - включает клетки, влияющие на распознавание запахов (и, вероятно, запахов молодняка).