Часть серии статей о |
Evolutionary biology |
---|
Аллопатрическое видообразование (от др.-греч. ἄλλος (állos) «другой» и πατρίς (patrís) «отечество») — также называемое географическим видообразованием , викариантным видообразованием или его более ранним названием « гантельная модель» [1] : 86 — это способ видообразования , который происходит, когда биологические популяции становятся географически изолированными друг от друга до такой степени, что это препятствует или мешает потоку генов .
Могут возникнуть различные географические изменения, такие как перемещение континентов и образование гор, островов, водоемов или ледников. Человеческая деятельность, такая как сельское хозяйство или развитие, также может изменить распределение популяций видов. Эти факторы могут существенно изменить географию региона, что приведет к разделению популяции вида на изолированные субпопуляции. Затем викариантные популяции претерпевают генетические изменения, поскольку они подвергаются различному селективному давлению , испытывают генетический дрейф и накапливают различные мутации в генофондах разделенных популяций . Барьеры предотвращают обмен генетической информацией между двумя популяциями, что приводит к репродуктивной изоляции . Если две популяции вступают в контакт, они не смогут размножаться — эффективно видообразуя. Другие изолирующие факторы, такие как расселение популяции, приводящее к эмиграции, могут вызвать видообразование (например, расселение и изоляция вида на океаническом острове) и считается особым случаем аллопатрического видообразования, называемым перипатрическим видообразованием .
Аллопатрическое видообразование обычно подразделяется на две основные модели: викариантное и перипатрическое. Эти модели отличаются друг от друга размерами популяции и географическими изолирующими механизмами. Термины аллопатрия и викариантное часто используются в биогеографии для описания взаимоотношений между организмами , ареалы которых существенно не перекрываются, но непосредственно примыкают друг к другу — они не встречаются вместе или встречаются только в узкой зоне контакта. Исторически язык, используемый для обозначения способов видообразования, напрямую отражал биогеографическое распределение. [2] Как таковое, аллопатрия — это географическое распределение, противоположное симпатрии (видообразование в пределах одной области). Кроме того, термины аллопатрическое, викариантное и географическое видообразование часто используются взаимозаменяемо в научной литературе. [2] Эта статья будет следовать схожей теме, за исключением особых случаев, таких как перипатрическое, центробежное и другие.
Наблюдение за природой создает трудности в наблюдении за аллопатрическим видообразованием от «начала до конца», поскольку оно действует как динамический процесс. [3] Из этого возникает множество проблем в определении видов , определении изолирующих барьеров, измерении репродуктивной изоляции и т. д. Тем не менее, словесные и математические модели, лабораторные эксперименты и эмпирические данные в подавляющем большинстве подтверждают возникновение аллопатрического видообразования в природе. [4] [1] : 87–105 Математическое моделирование генетической основы репродуктивной изоляции подтверждает правдоподобность аллопатрического видообразования; тогда как лабораторные эксперименты на дрозофиле и других видах животных и растений подтвердили, что репродуктивная изоляция развивается как побочный продукт естественного отбора . [1] : 87
Понятие викариантной эволюции было впервые разработано Леоном Круаза в середине двадцатого века. [5] [6] Теория викариантности, которая показала согласованность с принятием тектоники плит в 1960-х годах, была разработана в начале 1950-х годов этим венесуэльским ботаником, который нашел объяснение сходству растений и животных, обнаруженных в Южной Америке и Африке, сделав вывод, что изначально они были единой популяцией до того, как два континента разошлись.
В настоящее время видообразование путем викариантности широко рассматривается как наиболее распространенная форма видообразования; [4] и является основной моделью аллопатрического видообразования. Викариантность — это процесс, посредством которого географический ареал отдельного таксона или целой биоты разделяется на прерывистые популяции ( дизъюнктивные распределения ) путем формирования внешнего барьера для обмена генами: то есть барьера, возникающего извне по отношению к виду. Эти внешние барьеры часто возникают из-за различных геологически обусловленных топографических изменений, таких как: образование гор ( орогенез ); образование рек или водоемов; оледенение ; образование или ликвидация сухопутных мостов ; перемещение континентов с течением времени ( тектоническими плитами ); или образование островов, включая небесные острова . Викариантные барьеры могут изменить распределение популяций видов. Подходящая или неподходящая среда обитания может возникнуть, расшириться, сократиться или исчезнуть в результате глобального изменения климата или даже крупномасштабной деятельности человека (например, сельскохозяйственных, инженерных разработок и фрагментации среды обитания ). Такие факторы могут существенно изменить географию региона, что приведет к разделению популяции вида на изолированные субпопуляции. Затем викариантные популяции могут претерпеть генотипическую или фенотипическую дивергенцию, поскольку: (a) в генофондах популяций возникают различные мутации , (b) они подвергаются различным селективным давлениям и/или (c) они независимо подвергаются генетическому дрейфу . Внешние барьеры препятствуют обмену генетической информацией между двумя популяциями, что потенциально приводит к дифференциации из-за экологически различных мест обитания, в которых они находятся; селективное давление затем неизменно приводит к полной репродуктивной изоляции . [1] : 86 Более того, склонность вида оставаться в своей экологической нише (см. консерватизм филогенетической ниши ) при изменении условий окружающей среды также может играть роль в изоляции популяций друг от друга, стимулируя эволюцию новых линий. [7] [8]
Аллопатрическое видообразование можно представить как крайность на континууме потока генов . Таким образом, уровень потока генов между популяциями при аллопатрии будет , где равен скорости обмена генами. При симпатрии (панмиксис), в то время как при парапатрическом видообразовании , представляет весь континуум, [9] хотя некоторые ученые утверждают [2] [10] , что схема классификации, основанная исключительно на географическом режиме, не обязательно отражает сложность видообразования. [11] Аллопатрия часто рассматривается как модель видообразования по умолчанию или «нулевая» модель, [2] [12], но это тоже является предметом споров. [13]
Репродуктивная изоляция действует как основной механизм, управляющий генетической дивергенцией в аллопатрии [14] и может быть усилена дивергентным отбором . [15] Презиготическая и постзиготическая изоляция часто являются наиболее цитируемыми механизмами аллопатрического видообразования, и, как таковая, трудно определить, какая форма развилась первой в событии аллопатрического видообразования. [14] Презиготическая просто подразумевает наличие барьера до любого акта оплодотворения (например, экологический барьер, разделяющий две популяции), в то время как постзиготическая подразумевает предотвращение успешного межпопуляционного скрещивания после оплодотворения (например, производство бесплодного гибрида ). Поскольку пары видов, которые разошлись в аллопатрии, часто демонстрируют пре- и постзиготические механизмы изоляции, исследование самых ранних стадий жизненного цикла вида может указать, произошла ли дивергенция из-за презиготического или постзиготического фактора. Однако установление конкретного механизма может быть неточным, поскольку пара видов постоянно расходится с течением времени. Например, если растение переживает событие дупликации хромосом , произойдет воспроизводство, но в результате появятся стерильные гибриды, функционирующие как форма постзиготической изоляции. Впоследствии вновь образованная пара видов может столкнуться с презиготическими барьерами для воспроизводства, поскольку отбор, действующий на каждый вид независимо, в конечном итоге приведет к генетическим изменениям, делающим гибриды невозможными. С точки зрения исследователя, текущий изолирующий механизм может не отражать прошлый изолирующий механизм. [14]
Подкрепление было спорным фактором в видообразовании. [16] Его чаще используют в исследованиях симпатрического видообразования , поскольку оно требует потока генов между двумя популяциями. Однако подкрепление может также играть роль в аллопатрическом видообразовании, при котором репродуктивный барьер устраняется, воссоединяя две ранее изолированные популяции. При вторичном контакте особи размножаются, создавая низкоприспособленные гибриды . [17] Черты гибридов побуждают особей различать выбор партнера , благодаря чему между популяциями увеличивается презиготическая изоляция. [11] Были выдвинуты некоторые аргументы, предполагающие, что сами гибриды, возможно, могут стать своим собственным видом: [18] известное как гибридное видообразование . Подкрепление может играть роль во всех географических режимах (и других негеографических режимах) видообразования, пока присутствует поток генов и могут быть сформированы жизнеспособные гибриды. Производство нежизнеспособных гибридов является формой смещения репродуктивного признака , в соответствии с которым большинство определений является завершением события видообразования. [11]
Исследования хорошо установили тот факт, что межвидовая дискриминация партнеров происходит в большей степени между симпатрическими популяциями, чем в чисто аллопатрических популяциях; однако, были предложены другие факторы для объяснения наблюдаемых закономерностей. [19] Было показано, что подкрепление в аллопатрии происходит в природе ( доказательство видообразования путем подкрепления ), хотя и с меньшей частотой, чем классическое событие аллопатрического видообразования. [14] Основная трудность возникает при интерпретации роли подкрепления в аллопатрическом видообразовании, поскольку текущие филогенетические закономерности могут предполагать прошлый поток генов. Это маскирует возможное первоначальное расхождение в аллопатрии и может указывать на событие видообразования «смешанного режима», демонстрирующее как аллопатрические, так и симпатрические процессы видообразования. [13]
Разработанные в контексте генетической основы репродуктивной изоляции, математические сценарии моделируют как презиготическую , так и постзиготическую изоляцию с учетом эффектов генетического дрейфа, отбора, полового отбора или различных комбинаций этих трех. Масатоши Ней и его коллеги были первыми, кто разработал нейтральную стохастическую модель видообразования только с помощью генетического дрейфа. Как отбор, так и дрейф могут привести к постзиготической изоляции, подтверждая тот факт, что две географически разделенные популяции могут развить репродуктивную изоляцию [ 1] : 87 —иногда происходящую быстро. [20] Фишеровский половой отбор также может привести к репродуктивной изоляции, если существуют незначительные различия в селективном давлении (например, риски нападения хищников или различия в среде обитания) среди каждой популяции. [21] (См. раздел «Дополнительная литература» ниже). Математические модели, касающиеся репродуктивной изоляции по расстоянию, показали, что популяции могут испытывать растущую репродуктивную изоляцию, которая напрямую коррелирует с физическим, географическим расстоянием. [22] [23] Это было проиллюстрировано в моделях кольцевых видов ; [11] Однако утверждается, что кольцевые виды являются особым случаем, представляющим репродуктивную изоляцию на расстоянии, и вместо этого демонстрируют парапатрическое видообразование [1] : 102 — поскольку парапатрическое видообразование представляет собой видообразование, происходящее вдоль клина .
Были разработаны различные альтернативные модели относительно аллопатрического видообразования. Были детально изучены особые случаи викариантного видообразования, одним из которых является перипатрическое видообразование, при котором небольшая подгруппа популяции вида становится изолированной географически; и центробежное видообразование, альтернативная модель перипатрического видообразования, касающаяся расширения и сокращения ареала вида. [4] Были также разработаны другие второстепенные аллопатрические модели, которые обсуждаются ниже.
Перипатрическое видообразование — это способ видообразования, при котором новый вид формируется из изолированной периферийной популяции. [1] : 105 Если небольшая популяция вида становится изолированной ( например, популяция птиц на океаническом острове), отбор может действовать на популяцию независимо от родительской популяции. При наличии как географического разделения, так и достаточного количества времени видообразование может возникнуть как побочный продукт. [14] Его можно отличить от аллопатрического видообразования по трем важным признакам: 1) размер изолированной популяции, 2) сильный отбор, налагаемый расселением и колонизацией в новых средах, и 3) потенциальное влияние генетического дрейфа на небольшие популяции. [1] : 105 Однако исследователям часто бывает трудно определить, произошло ли перипатрическое видообразование, поскольку можно использовать викариантные объяснения из-за того, что обе модели постулируют отсутствие потока генов между популяциями. [24] Размер изолированной популяции важен, поскольку особи, колонизирующие новую среду обитания, вероятно, содержат только небольшой образец генетической изменчивости исходной популяции. Это способствует дивергенции из-за сильного селективного давления, что приводит к быстрой фиксации аллеля в популяции потомков. Это создает потенциал для развития генетической несовместимости. Эта несовместимость вызывает репродуктивную изоляцию, что приводит к быстрым событиям видообразования. [1] : 105–106 Модели перипатрии поддерживаются в основном закономерностями распределения видов в природе. Океанические острова и архипелаги предоставляют самые веские эмпирические доказательства того, что происходит перипатрическое видообразование. [1] : 106–110
Центробежное видообразование является вариантом, альтернативной моделью перипатрического видообразования. Эта модель контрастирует с перипатрическим видообразованием в силу происхождения генетической новизны, которая приводит к репродуктивной изоляции. [25] Когда популяция вида переживает период расширения и сокращения географического ареала, она может оставить после себя небольшие, фрагментированные, периферийно изолированные популяции. Эти изолированные популяции будут содержать образцы генетической изменчивости из более крупной родительской популяции. Эта изменчивость приводит к более высокой вероятности специализации экологической ниши и эволюции репродуктивной изоляции. [4] [26] Центробежное видообразование в значительной степени игнорировалось в научной литературе. [27] [25] [28] Тем не менее, исследователи выдвинули множество доказательств в поддержку модели, многие из которых еще не были опровергнуты. [4] Одним из примеров является возможный центр происхождения в Индо-Западной части Тихого океана . [27]
Микроаллопатрия относится к аллопатрическому видообразованию, происходящему в небольших географических масштабах. [29] Были описаны примеры микроаллопатрического видообразования в природе. Рико и Тернер обнаружили внутриозерную аллопатрическую дивергенцию Pseudotropheus callainos ( Maylandia callainos ) в озере Малави, разделенную всего 35 метрами. [30] Гюстав Паулай нашел доказательства того, что виды подсемейства Cryptorhynchinae микроаллопатрически видообразовались на Рапе и окружающих ее островках . [31] Симпатрически распределенная тройка видов плавунцов ( Paroster ) , обитающих в водоносных слоях австралийского региона Йилгарн , вероятно, видообразовалась микроаллопатрически в пределах площади 3,5 км 2. [32] Термин был первоначально предложен Хобартом М. Смитом для описания уровня географического разрешения. Симпатрическая популяция может существовать в низком разрешении, тогда как при более высоком разрешении ( т.е. в небольшом, локализованном масштабе внутри популяции) она является «микроаллопатрической». [33] Бен Фицпатрик и коллеги утверждают, что это первоначальное определение «вводит в заблуждение, поскольку оно смешивает географические и экологические концепции». [29]
Экологическое видообразование может происходить аллопатрически, симпатрически или парапатрически; единственным требованием является то, что оно происходит в результате адаптации к различным экологическим или микроэкологическим условиям. [34] Экологическая аллопатрия является обратно упорядоченной формой аллопатрического видообразования в сочетании с подкреплением . [13] Во-первых, дивергентный отбор разделяет неаллопатрическую популяцию, выходящую из презиготических барьеров, из которых генетические различия развиваются из-за препятствия полному потоку генов. [35] Термины алло-парапатрический и алло-симпатрический использовались для описания сценариев видообразования, где дивергенция происходит при аллопатрии, но видообразование происходит только при вторичном контакте. [1] : 112 Это фактически модели подкрепления [36] или событий видообразования «смешанного режима». [13]
Поскольку аллопатрическое видообразование широко признано как распространенный способ видообразования, научная литература изобилует исследованиями, документирующими его существование. Биолог Эрнст Майр был первым, кто обобщил современную литературу того времени в 1942 и 1963 годах. [1] : 91 Многие из приведенных им примеров остаются убедительными; однако современные исследования поддерживают географическое видообразование с помощью молекулярной филогенетики [37] — добавляя уровень надежности, недоступный ранним исследователям. [1] : 91 Самое последнее тщательное рассмотрение аллопатрического видообразования (и исследований видообразования в целом) — это публикация Джерри Койна и Х. Аллена Орра 2004 года Видообразование . Они перечисляют шесть основных аргументов, которые поддерживают концепцию викариантного видообразования:
Аллопатрическое видообразование привело к появлению многих биогеографических и биологических моделей, обнаруженных на Земле: на островах, [38] континентах [39] и даже среди гор. [40]
Острова часто являются домом для эндемичных видов — существующих только на острове и больше нигде в мире — причем почти все таксоны, проживающие на изолированных островах, имеют общее происхождение с видом на ближайшем континенте. [41] Не без проблем, как правило, существует корреляция между эндемиками острова и разнообразием ; [42] то есть, чем больше разнообразие (видовое богатство) острова, тем больше увеличение эндемизма. [43] Увеличение разнообразия эффективно стимулирует видообразование. [44] Более того, количество эндемиков на острове напрямую коррелирует с относительной изоляцией острова и его площадью. [45] В некоторых случаях видообразование на островах происходило быстро. [46]
Расселение и видообразование in situ являются факторами, объясняющими происхождение организмов на Гавайях. [47] Различные географические способы видообразования были тщательно изучены в гавайской биоте, и в частности, покрытосеменные растения, по- видимому, видообразовались преимущественно в аллопатрических и парапатрических способах. [47]
Острова — не единственные географические места, где есть эндемичные виды. Южная Америка была тщательно изучена, а ее области эндемизма представляют собой совокупности аллопатрически распределенных групп видов. Бабочки Charis являются основным примером, ограниченным определенными регионами, соответствующими филогениям других видов бабочек, амфибий , птиц, сумчатых , приматов , рептилий и грызунов . [48] Эта закономерность указывает на повторяющиеся события викариантного видообразования среди этих групп. [48] Считается, что реки могут играть роль географических барьеров для Charis , [1] : 97 мало чем отличаясь от гипотезы речного барьера, используемой для объяснения высоких показателей разнообразия в бассейне Амазонки — хотя эта гипотеза была оспорена. [49] [50] Также считается, что аллопатрическое видообразование, опосредованное расселением, является значительным фактором диверсификации по всей Неотропике . [51]
Модели возросшего эндемизма на больших высотах как на островах, так и на континентах были задокументированы на глобальном уровне. [40] По мере увеличения топографической высоты виды становятся изолированными друг от друга; [52] часто ограничиваются градуированными зонами. [40] Эта изоляция на «островах на вершинах гор» создает барьеры для потока генов, поощряя аллопатрическое видообразование и порождая формирование эндемичных видов. [40] Горообразование ( орогенез ) напрямую связано с биоразнообразием и напрямую влияет на него. [53] [54] Например, образование Гималайских гор и Цинхай-Тибетского нагорья привело к видообразованию и диверсификации многочисленных растений и животных , [55] таких как папоротники Lepisorus ; [56] глиптостерноидные рыбы ( Sisoridae ); [57] и комплекс видов Rana chensinensis . [58] Подъем также привел к викариантному видообразованию у маргариток Macowania в Драконовых горах Южной Африки , [59] а также у древолазов Dendrocincla в южноамериканских Андах . [60] Орогенез Ларамида в позднем меловом периоде даже вызвал викариантное видообразование и радиацию динозавров в Северной Америке. [61]
Адаптивная радиация , как у галапагосских вьюрков, наблюдавшихся Чарльзом Дарвином , часто является следствием быстрого аллопатрического видообразования среди популяций. Однако в случае галапагосских вьюрков, среди других островных радиаций, таких как гавайские цветочницы , представляют собой случаи ограниченного географического разделения и, вероятно, были вызваны экологическим видообразованием .
Геологические данные подтверждают окончательное закрытие Панамского перешейка приблизительно 2,7–3,5 млн лет назад [62] , а некоторые данные указывают на более ранний временный мост, существовавший между 13 и 15 млн лет назад. [63] Последние данные все больше указывают на более древнее и более сложное возникновение перешейка, с распространением ископаемых и современных видов (часть американского биотического обмена ), происходящим тремя основными импульсами, в Северную и Южную Америку и из них. [64] Кроме того, изменения в наземном биотическом распределении обоих континентов, такие как бродячие муравьи Eciton, подтверждают более ранний мост или серию мостов. [65] [66] Независимо от точного времени закрытия перешейка, биологи могут изучать виды на тихоокеанской и карибской сторонах в том, что было названо «одним из величайших естественных экспериментов в эволюции». [62] Кроме того, как и в случае с большинством геологических событий, закрытие вряд ли произошло быстро, а скорее динамично — постепенное обмеление морской воды в течение миллионов лет. [1] : 93
Исследования щелкающих креветок рода Alpheus предоставили прямые доказательства аллопатрического события видообразования, [67] поскольку филогенетические реконструкции подтверждают отношения 15 пар сестринских видов Alpheus , каждая пара разделена через перешеек [62] , а датирование по молекулярным часам подтверждает их разделение между 3 и 15 миллионами лет назад. [68] Недавно разошедшиеся виды обитают в мелководных мангровых водах [68], в то время как более старые разошедшиеся виды обитают в более глубоких водах, что коррелирует с постепенным закрытием перешейка. [1] : 93 Подтверждение аллопатрической дивергенции также исходит из лабораторных экспериментов на парах видов, показывающих почти полную репродуктивную изоляцию. [1] : 93
Похожие закономерности родства и распространения по обе стороны Тихого океана и Атлантики были обнаружены и в других парах видов, таких как: [69]
Ледниковые периоды сыграли важную роль в видообразовании среди видов позвоночных. [70] Эта концепция рефугиумов применялась к многочисленным группам видов и их биогеографическому распределению. [1] : 97
Оледенение и последующее отступление вызвали видообразование у многих птиц бореальных лесов , [70] таких как североамериканские сокососы ( желтобрюхие , красношейные и красногрудые ); певчие птицы рода Setophaga ( S. townsendii , S. occidentalis и S. virens ), Oreothlypis ( O. virginiae , O. ridgwayi и O. ruficapilla ) и Oporornis ( O. tolmiei и O. philadelphia , теперь отнесенные к роду Geothlypis ); воробьи-лисицы (подвиды P. (i.) unalaschensis , P. (i.) megarhyncha и P. (i.) schistacea ); виреоны ( V. plumbeus , V. cassinii и V. solitarius ); тиранские мухоловки ( E. occidentalis и E. difficilis ); синички ( P. rufescens и P. hudsonicus ); и дрозды ( C. bicknelli и C. minimus ). [70]
Как особый случай аллопатрического видообразования, перипатрическое видообразование часто используется в случаях изоляции в ледниковых убежищах, когда небольшие популяции становятся изолированными из-за фрагментации среды обитания, как, например, в случае североамериканской красной ( Picea rubens ) и черной ( Picea mariana ) ели [71] или луговых собачек Cynomys mexicanus и C. ludovicianus [72] .
Многочисленные пары видов или группы видов демонстрируют примыкающие модели распространения, то есть находятся в географически различных регионах рядом друг с другом. Они часто имеют общие границы, многие из которых содержат гибридные зоны. Некоторые примеры примыкающих видов и супервидов (неофициальный ранг, относящийся к комплексу тесно связанных аллопатрически распределенных видов, также называемых алловидами [73] ) включают:
У птиц некоторые районы склонны к высоким темпам формирования надвидов, например, 105 надвидов в Меланезии , что составляет 66 процентов всех видов птиц в регионе. [78] Патагония является домом для 17 надвидов лесных птиц, [79] в то время как в Северной Америке насчитывается 127 надвидов как наземных, так и пресноводных птиц. [80] К югу от Сахары насчитывается 486 воробьиных птиц, сгруппированных в 169 надвидов. [81] В Австралии также есть многочисленные надвиды птиц, при этом 34 процента всех видов птиц сгруппированы в надвиды. [41]
Эксперименты по аллопатрическому видообразованию часто сложны и не просто делят популяцию вида на две части. Это связано с множеством определяющих параметров: измерение репродуктивной изоляции, размеры выборки (количество спариваний, проведенных в тестах репродуктивной изоляции), узкие места, длительность экспериментов, количество разрешенных поколений [84] или недостаточное генетическое разнообразие. [85] Для измерения репродуктивной изоляции были разработаны различные индексы изоляции (и часто используются в лабораторных исследованиях видообразования), такие как здесь (индекс [86] и индекс [87] ):
Здесь и представляют собой число спариваний в гетерогаметности , где и представляют собой гомогаметные спаривания . и — одна популяция, а и — вторая популяция. Отрицательное значение обозначает отрицательное ассортитивное спаривание, положительное значение обозначает положительное ассортитивное спаривание (т.е. выражающее репродуктивную изоляцию), а нулевое значение (ноль) означает, что популяции испытывают случайное спаривание . [84]
Экспериментальные данные убедительно доказали тот факт, что репродуктивная изоляция развивается как побочный продукт отбора. [15] [1] : 90 Было показано, что репродуктивная изоляция возникает из-за плейотропии ( т. е. косвенного отбора, действующего на гены, которые кодируют более одного признака) — того, что называют генетическим автостопом . [15] Существуют ограничения и противоречия относительно того, могут ли лабораторные эксперименты точно отражать долгосрочный процесс аллопатрического видообразования, происходящий в природе. Эксперименты часто не достигают 100 поколений, что намного меньше ожидаемых, поскольку считается, что темпы видообразования в природе намного выше. [1] : 87 Более того, темпы, конкретно касающиеся эволюции репродуктивной изоляции у Drosophila, значительно выше тех, что практикуются в лабораторных условиях. [88] Используя индекс Y , представленный ранее, обзор 25 экспериментов по аллопатрическому видообразованию (включенных в таблицу ниже) показал, что репродуктивная изоляция не была такой сильной, как обычно поддерживается, и что лабораторные условия не очень подходят для моделирования аллопатрического видообразования. [84] Тем не менее, многочисленные эксперименты показали презиготическую и постзиготическую изоляцию в викариантности, некоторые менее чем за 100 поколений. [1] : 87
Ниже приведена неполная таблица лабораторных экспериментов, проведенных по аллопатрическому видообразованию. В первом столбце указаны виды, использованные в указанном исследовании, где столбец «Признак» относится к конкретной характеристике, выбранной за или против этого вида. Столбец «Поколения» относится к числу поколений в каждом проведенном эксперименте. Если было сформировано более одного эксперимента, поколения разделяются точкой с запятой или тире (указано как диапазон). В некоторых исследованиях указывается продолжительность, в течение которой проводился эксперимент. В столбце «Тип отбора» указано, моделировало ли исследование викариантное или перипатрическое видообразование (это может быть не указано явно). Прямой отбор относится к отбору, проводимому для содействия репродуктивной изоляции, тогда как косвенный отбор подразумевает изоляцию, происходящую как плейотропный побочный продукт естественного отбора; тогда как дивергентный отбор подразумевает преднамеренный отбор каждой аллопатрической популяции в противоположных направлениях ( например, одна линия с большим количеством щетинок, а другая линия с меньшим). В некоторых исследованиях проводились эксперименты, моделирующие или контролирующие генетический дрейф. Репродуктивная изоляция произошла до зиготы, после зиготы, и то, и другое, или ее не было вообще. Важно отметить, что многие из проведенных исследований содержат несколько экспериментов внутри — разрешение, которое эта таблица не отражает.
Разновидность | Черта | ~Поколения (продолжительность) | Тип выбора | Изучал Дрифт | Репродуктивная изоляция | Год и ссылка |
---|---|---|---|---|---|---|
Дрозофила меланогастер | Реакция побега | 18 | Косвенный; расходящийся | Да | Презиготический | 1969 [89] |
Передвижение | 112 | Косвенный; расходящийся | Нет | Презиготический | 1974 [90] | |
Температура, влажность | 70–130 | Косвенный; расходящийся | Да | Презиготический | 1980 [91] | |
ДДТ адаптация | 600 (25 лет, +15 лет) | Прямой | Нет | Презиготический | 2003 [92] | |
17, 9, 9, 1, 1, 7, 7, 7, 7 | Прямой, расходящийся | Презиготический | 1974 [93] | |||
40; 50 | Прямой; расходящийся | Презиготический | 1974 [94] | |||
Передвижение | 45 | Прямой; расходящийся | Нет | Никто | 1979 [95] [96] | |
Прямой; расходящийся | Презиготический | 1953 [97] | ||||
36; 31 | Прямой; расходящийся | Презиготический | 1956 [98] | |||
Адаптация ЭДТА | 3 эксперимента по 25 каждый | Косвенный | Нет | Постзиготический | 1966 [99] [100] | |
8 экспериментов по 25 каждый | Прямой | 1997 [101] | ||||
Брюшная хета число | 21–31 | Прямой | Да | Никто | 1958 [102] | |
Число стерноплевральних щетинок | 32 | Прямой | Нет | Никто | 1969 [103] | |
Фототаксис , геотаксис | 20 | Нет | Никто | 1975 [104] 1981 [105] | ||
Да | 1998 [106] | |||||
Да | 1999 [107] | |||||
Прямой; расходящийся | Презиготический | 1971 [108] 1973 [109] 1979 [110] 1983 [111] | ||||
D. симулянты | Щитковые щетинки , скорость развития, ширина крыла; устойчивость к высыханию , плодовитость , устойчивость к этанолу ; демонстрация ухаживания , скорость повторного спаривания, токовое поведение ; высота окукливания , кладка яиц кучками, общая активность | 3 года | Да | Постзиготический | 1985 [112] | |
D. paulistorum | 131; 131 | Прямой | Презиготический | 1976 [113] | ||
5 лет | 1966 [114] | |||||
D. уиллистони | адаптация рН | 34–122 | Косвенный; расходящийся | Нет | Презиготический | 1980 [115] |
D. псевдообскура | Источник углеводов | 12 | Косвенный | Да | Презиготический | 1989 [83] |
Температурная адаптация | 25–60 | Прямой | 1964 [116] 1969 [117] | |||
Фототаксис, геотаксис | 5–11 | Косвенный | Нет | Презиготический | 1966 [118] | |
Презиготический | 1978 [119] 1985 [120] | |||||
Да | 1993 [121] | |||||
Температура фотопериод ; еда | 37 | Дивергентный | Да | Никто | 2003 [122] | |
D.псевдообскура & | 22; 16; 9 | Прямой; расходящийся | Презиготический | 1950 [123] | ||
4 эксперимента по 18 | Прямой | Презиготический | 1966 [124] | |||
D. mojavensis | 12 | Прямой | Презиготический | 1987 [125] | ||
Время разработки | 13 | Дивергентный | Да | Никто | 1998 [126] | |
D. адиастола | Да | Презиготический | 1974 [127] | |||
D. silvestris | Да | 1980 [128] | ||||
Musca domestica | Геотаксис | 38 | Косвенный | Нет | Презиготический | 1974 [129] |
Геотаксис | 16 | Прямой; расходящийся | Нет | Презиготический | 1975 [130] | |
Да | 1991 [131] | |||||
Бактроцера тыквенная | Время разработки | 40–51 | Дивергентный | Да | Презиготический | 1999 [132] |
Зеа Мейс | 6; 6 | Прямой; расходящийся | Презиготический | 1969 [133] | ||
Д. Гримшави | [134] |
Ранние исследования видообразования обычно отражали географическое распределение и поэтому назывались географическими, полугеографическими и негеографическими. [2] Географическое видообразование соответствует сегодняшнему использованию термина аллопатрическое видообразование, и в 1868 году Мориц Вагнер был первым, кто предложил концепцию [135], для которой он использовал термин Separationstheorie . [136] Его идея была позже интерпретирована Эрнстом Майром как форма видообразования с эффектом основателя , поскольку она была сосредоточена в первую очередь на небольших географически изолированных популяциях. [136]
Эдвард Бэгнолл Поултон , эволюционный биолог и ярый сторонник важности естественного отбора, подчеркнул роль географической изоляции в содействии видообразованию [11] в процессе создания термина «симпатрическое видообразование» в 1903 году. [137]
Существуют разногласия относительно того, признавал ли Чарльз Дарвин истинную географическую модель видообразования в своей публикации « Происхождение видов ». [136] В главе 11 «Географическое распространение» Дарвин обсуждает географические барьеры для миграции, заявляя, например, что «барьеры любого рода или препятствия для свободной миграции тесно и важно связаны с различиями между производствами различных регионов [мира]». [138] Ф. Дж. Саллоуэй утверждает, что позиция Дарвина по видообразованию была по меньшей мере «вводящей в заблуждение» [139] и, возможно, позже дезинформировала Вагнера и Дэвида Старра Джордана, заставив их поверить, что Дарвин рассматривал симпатрическое видообразование как наиболее важный способ видообразования. [1] : 83 Тем не менее, Дарвин никогда полностью не принимал концепцию Вагнера о географическом видообразовании. [136]
Дэвид Старр Джордан сыграл значительную роль в продвижении аллопатрического видообразования в начале 20-го века, предоставив множество доказательств из природы в поддержку этой теории. [1] : 86 [135] [140] Намного позже биолог Эрнст Майр был первым, кто обобщил современную ему литературу в своей публикации 1942 года «Систематика и происхождение видов с точки зрения зоолога» и в своей последующей публикации 1963 года « Виды животных и эволюция» . Как и работы Джордана, они опирались на прямые наблюдения за природой, документируя возникновение аллопатрического видообразования, которое широко признано сегодня. [1] : 83–84 До этого исследования Феодосий Добжанский опубликовал «Генетику и происхождение видов» в 1937 году, где он сформулировал генетическую основу того, как могло произойти видообразование. [1] : 2
Другие ученые отмечали существование аллопатрически распределенных пар видов в природе, такие как Джоэл Асаф Аллен (который ввел термин «закон Джордана», согласно которому близкородственные, географически изолированные виды часто оказываются разделенными физическим барьером [1] : 91 ) и Роберт Гринлиф Ливитт ; [141] однако считается, что Вагнер, Карл Джордан и Дэвид Старр Джордан сыграли большую роль в формировании аллопатрического видообразования как эволюционной концепции; [142] где Майр и Добжанский внесли вклад в формирование современного эволюционного синтеза .
В конце 20-го века были разработаны математические модели аллопатрического видообразования, что привело к четкой теоретической вероятности того, что географическая изоляция может привести к репродуктивной изоляции двух популяций. [1] : 87
С 1940-х годов аллопатрическое видообразование было принято. [143] Сегодня оно широко рассматривается как наиболее распространенная форма видообразования, происходящая в природе. [1] : 84 Однако это не лишено противоречий, поскольку и парапатрическое, и симпатрическое видообразование считаются приемлемыми способами видообразования, которые встречаются в природе. [143] Некоторые исследователи даже считают, что существует предвзятость в сообщении о положительных событиях аллопатрического видообразования, и в одном исследовании, в котором рассматривалось 73 статьи по видообразованию, опубликованные в 2009 году, только 30 процентов, которые предлагали аллопатрическое видообразование в качестве основного объяснения наблюдаемых закономерностей, рассматривали другие способы видообразования как возможные. [13]
Современные исследования в значительной степени опираются на множественные линии доказательств для определения способа события видообразования; то есть, определение закономерностей географического распределения в сочетании с филогенетической связью на основе молекулярных методов. [1] : 123–124 Этот метод был эффективно введен Джоном Д. Линчем в 1986 году, и многочисленные исследователи использовали его и подобные методы, давая просветляющие результаты. [144] Корреляция географического распределения с филогенетическими данными также породила подраздел биогеографии, называемый биогеографией викариантности [1] : 92, разработанный Джоэлом Кракрафтом , Джеймсом Брауном , Марком В. Ломолино и другими биологами, специализирующимися на экологии и биогеографии. Аналогичным образом, были предложены и применены полные аналитические подходы для определения того, какой способ видообразования вид претерпел в прошлом, с использованием различных подходов или их комбинаций: филогении на уровне видов, перекрытия ареалов, симметрия в размерах ареалов между парами сестринских видов и перемещения видов в пределах географических ареалов. [37] Методы датирования молекулярных часов также часто используются для точного измерения времени расхождения, которое отражает ископаемые или геологические данные [1] : 93 (например, щелкающую креветку, разделенную закрытием Панамского перешейка [68] или событиями видообразования в пределах рода Cyclamen [145] ). Другие методы, используемые сегодня, используют измерения потока генов между популяциями, [13] моделирование экологической ниши (например, в случае миртовых и певунов Одюбона [146] или опосредованного окружающей средой видообразования, происходящего среди лягушек-дендробатид в Эквадоре [144] ), и статистическое тестирование монофилетических групп. [147] Биотехнологические достижения позволили проводить крупномасштабные многолокусные сравнения геномов (например, с возможным аллопатрическим событием видообразования, которое произошло между предками людей и шимпанзе [148] ), связывая эволюционную историю видов с экологией и проясняя филогенетические закономерности. [149]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )Математические модели репродуктивной изоляции