Часть серии статей о |
Эволюционная биология |
---|
![]() |
Подкрепление — это процесс в рамках видообразования , при котором естественный отбор увеличивает репродуктивную изоляцию между двумя популяциями видов за счет снижения производства гибридов . [1] [2] Доказательства видообразования путем подкрепления собираются с 1990-х годов и, наряду с данными сравнительных исследований и лабораторных экспериментов, преодолели многие возражения против теории. [3] : 354 [4] [5] Различия в поведении или биологии, которые препятствуют образованию гибридных зигот , называются презиготической изоляцией. Можно показать, что подкрепление происходит (или происходило в прошлом), измеряя силу презиготической изоляции в симпатрической популяции по сравнению с аллопатрической популяцией того же вида. [3] : 357 Сравнительные исследования этого позволяют определять крупномасштабные закономерности в природе в различных таксонах. [3] : 362 Схемы спаривания в гибридных зонах также могут быть использованы для обнаружения подкрепления. [6] Репродуктивное смещение признаков рассматривается как результат подкрепления, [7] поэтому многие случаи в природе выражают эту модель в симпатрии. Распространенность подкрепления неизвестна, [4] но модели репродуктивного смещения признаков обнаруживаются во многих таксонах ( позвоночные , беспозвоночные , растения и грибы) и считаются обычным явлением в природе. [6] Исследования подкрепления в природе часто оказываются сложными, поскольку можно утверждать альтернативные объяснения обнаруженных моделей. [3] : 358 Тем не менее, существуют эмпирические доказательства того, что подкрепление происходит в различных таксонах [7], и его роль в ускорении видообразования является неоспоримой. [8]
Два вида лягушек Litoria ewingi и L. verreauxii обитают в южной Австралии, и их два ареала перекрываются. Виды имеют очень похожие звуки в аллопатрии, но выражают клинальную изменчивость в симпатрии, с заметным различием в звуках, которые вызывают дискриминацию предпочтений самок. [8] Зона перекрытия иногда образует гибриды и, как полагают, возникла в результате вторичного контакта некогда полностью аллопатрических популяций. [8]
Аллопатрические популяции Gastrophryne olivacea и G. carolinensis недавно вступили во вторичный контакт из-за вырубки лесов . [9] Крики, которые издают самцы для привлечения самок, значительно различаются по частоте и продолжительности в области, где эти два вида пересекаются, несмотря на то, что у них есть похожие крики там, где их нет. [3] : 359 Кроме того, гибриды, которые образуются в симпатрии, издают промежуточные между ними крики. [9] Похожие модели смещения репродуктивных признаков, включающие акустические проявления, были обнаружены у Hyla cinerea и H. gratiosa , с большим предпочтением самок к самцам своего вида в областях симпатрии. [10]
Три вида настоящих лягушек ( Lithobates sphenocephalus , L. berlandieri и L. blairi ) временно изолированы, поскольку их сезоны размножения разнесены в областях, где они живут в симпатрии, но не там, где они живут в аллопатрии. [11] Отбор против межвидового спаривания из-за низкой приспособленности гибридов и низкой плодовитости гибридов усилил наблюдаемое смещение характера времени размножения. [11]
Тропические леса северо-восточного Квинсленда, Австралия, были разделены на северные и южные убежища климатическими колебаниями плиоцена и плейстоцена . [ 12] Около 6500 лет назад тропические леса воссоединились, в результате чего разошедшиеся, зарождающиеся популяции Litoria genimaculata вошли во вторичный контакт. Зоны контакта видов демонстрируют «сильный постзиготический отбор против гибридов» и усиленную изоляцию от различий в брачном крике. [13]
Альтернативой обнаружению смещения репродуктивных признаков в популяциях, которые перекрываются в симпатрии, является измерение скорости гибридизации в контактных зонах. [9] Виды лягушек Anaxyrus americanus и Anaxyrus woodhousii показали снижение гибридизации с 9% до 0% примерно за 30 лет. [14] [9] Похожая картина была обнаружена у симпатрических чесночниц Spea multiplicata и S. bombifrons, которые гибридизовались с уменьшающейся частотой в течение 27-летнего периода (около 13 поколений). [15]
Мухоловки Ficedula демонстрируют закономерность, которая предполагает, что предспаривательная изоляция усиливается половым отбором. [16] У мухоловки-пеструшки ( Ficedula hypoleuca ) есть коричневые самки, коричневые самцы и черно-белые самцы. У родственной мухоловки-воротничка ( Ficedula albicollis ) есть коричневые самки и только черно-белые самцы. Эти два вида существуют в отдельных популяциях, которые пересекаются в зоне симпатрии. [16] В диапазоне перекрытия существуют только коричневые самцы F. hypoleuca , и считается, что они развили коричневое оперение, чтобы предотвратить гибридизацию, [17] хотя есть также доказательства, указывающие на то, что такое смещение признаков объясняется гетероспецифической конкуренцией за территорию, а не подкреплением. [18] Тесты на выбор спаривания у этого вида показывают, что самки обоих видов выбирают конспецифических самцов в симпатрии , но гетероспецифических самцов в аллопатрии [16] (см. предпочтение конспецифической песни ). Модели могут предполагать мимикрию , обусловленную межвидовой конкуренцией ; [3] : 361 Однако было обнаружено расхождение в песнях, которое показывает схожую модель с предпочтениями в спаривании. [19]
Самцы Geospiza fuliginosa и G. difficilis на Галапагосских островах демонстрируют заметное предпочтение к самкам своего вида, где они встречаются в симпатрии, но не в аллопатрии. [20] Другие птицы, такие как темный и светлый подвиды западной поганки, демонстрируют усиленную презиготную изоляцию. [21] Утверждалось, что подкрепление чрезвычайно распространено у птиц и было задокументировано у широкого спектра видов птиц. [22]
Смещение репродуктивного признака в размерах тела было обнаружено в симпатрических популяциях Orconectes rusticus и O. sanbornii . [23]
Примером гаметической изоляции являются аллопатрические морские ежи ( Arbacia ), которые имеют минимальные различия в белках-биндинах (биндин — это белок, участвующий в процессе оплодотворения морских ежей, используемый для видоспецифического распознавания яйцеклетки сперматозоидом) и не имеют достаточных барьеров для оплодотворения. [3] : 243 Сравнение с симпатрическими видами Echinometra и Strongylocentrotus из Индо-Тихоокеанского региона показывает, что у них есть значительные различия в белках-биндинах для оплодотворения и выраженные барьеры для оплодотворения. [24]
Лабораторные спаривания близкородственных видов морских ежей Echinometra oblonga и E. sp. C (вид не имеет названия, обозначен как C ) дают плодовитых и жизнеспособных гибридов, но не способны оплодотворять яйца родительского вида из-за расхождения аллелей , кодирующих белки биндина: пример постзиготической изоляции. [3] : 343–344 Популяции в симпатрии проявляют это различие в белке биндина по сравнению с популяциями в аллопатрии. [3] : 343–344 Отбор активно действует против образования гибридов как в природе (поскольку не было обнаружено ни одного задокументированного случая гибридов), так и в лаборатории. [25] Здесь считается, что эволюция рецепторов женских яиц оказывает давление на эволюцию биндина в селективном неконтролируемом процессе . [25] Этот пример смещения репродуктивных признаков весьма наводит на мысль о том, что он является результатом подкрепления и был приведен в качестве убедительного доказательства этого. [25] [3] : 343–344
В Британской Колумбии бентосные и лимнетические морфы Gasterosteus aculeatus существуют вместе в симпатрии в некоторых озерах, в то время как в других озерах содержится только одна морфа. [26] Самки бентосных морф в симпатрических популяциях активно дискриминируют лимнетических самцов, что приводит к низким показателям скрещивания (между морфами произошел некоторый поток генов) и низкоприспособленным гибридам. [3] : 360 Как отбор против гибридов, так и смещение репродуктивных признаков при оплодотворении яиц наблюдаются у Etheostoma lepidum и E. spectabile . [27]
Яркий пример подкрепления, происходящего у грибов, получен в исследованиях Neurospora . [28] При скрещивании между различными видами в пределах родов симпатрические пары показывают низкий репродуктивный успех, значительно ниже, чем аллопатрические пары. [28] Эта закономерность наблюдается в малых и больших географических масштабах, при этом расстояние коррелирует с репродуктивным успехом. [28] Дополнительным доказательством подкрепления у видов стала низкая приспособленность, обнаруженная у гибридов, созданных в результате скрещивания, и то, что в природе гибриды не были обнаружены, несмотря на близкое соседство. [28]
Этологическая изоляция наблюдалась между некоторыми видами комаров в юго-восточной азиатской группе Aedes albopictus , что позволяет предположить — на основании лабораторных экспериментов по спариванию — что отбор против гибридов происходит при наличии смещения репродуктивных признаков. [29]
Дискриминация самок по отношению к партнеру увеличивается при промежуточных показателях миграции между аллопатрическими популяциями Timema cristinae (род Timema ) по сравнению с высокими показателями миграции (где поток генов препятствует отбору) или низкими показателями (где отбор недостаточно силен). [30] [31]
Там, где ареалы видов цикад Magicicada tredecim и M. neotredecim перекрываются (там, где они симпатрические), высота призывных песен самцов M. neotredecim составляет примерно 1,7 кГц по сравнению с 1,1 кГц у M. tredecim , с соответствующими различиями в предпочтениях высоты песни самок. [32] В аллопатрических популяциях M. neotredecim высота призывного крика составляет 1,3–1,5 кГц. [32] Биогеография цикад предполагает, что M. neotredecim возник после отступления последнего ледникового наступления в Северной Америке. [32]
Различия в песнях сверчков Лаупала на Гавайских островах , по-видимому, демонстрируют закономерности, соответствующие смещению признаков в симпатрических популяциях. [33] Похожая закономерность существует у Allonemobius fasciatus и A. socius , видов наземных сверчков в восточной части Северной Америки. [34]
Самцы в симпатрических популяциях стрекоз Calopteryx maculata и C. aequabilis способны лучше различать самок разных видов, чем самки в аллопатрических популяциях; самки C. aequabilis в симпатрических популяциях демонстрируют более светлую окраску крыльев по сравнению с аллопатрическими самками, что является иллюстрацией смещения репродуктивных признаков. [35] [36]
Пятнадцать видов симпатрически распределенных бабочек Agrodiaetus с выраженными различиями в окраске крыльев, вероятно, возникли в результате видообразования путем подкрепления. [37] Филогенетические закономерности указывают на то, что различия возникли в аллопатрии и усилились, когда распределения вступили во вторичный контакт. [38]
Drosophila является одним из наиболее изученных видов в исследованиях видообразования. [39] Добжанский и Коллер были первыми, кто изучал изоляцию между видами Drosophila . [3] : 358 С тех пор были проведены другие исследования природных популяций, таких как расы D. paulistorum, демонстрирующие более сильную изоляцию при симпатрии по сравнению с аллопатрией, [40] или усиленную изоляцию, обнаруженную в симпатрических популяциях D. mojavensis и D. arizonae на юго-западе Америки. [41] Редкие, стерильные гибриды образуются между D. pseudoobscura и D. persimilis , причем симпатрические самки D. pseudoobscura дискриминируют самцов D. persimilis ; в большей степени, чем аллопатрические популяции. [42] Другие исследования Drosophila по подкреплению были проведены в лабораторных экспериментах и обсуждаются ниже. На восточном побережье Австралии D. serrata разделяет зону симпатрического перекрытия с близкородственным видом D. birchii . [43] Вид демонстрирует смещение репродуктивного признака, при этом половой отбор действует на углеводороды кутикулы мух .[ 44] Подкрепление, по-видимому, является движущей силой их видообразования в природе, что подтверждается смоделированными экспериментальными лабораторными популяциями. [45] [46]
Оленьи мыши Peromyscus leucopus и P. gossypinus демонстрируют смещение репродуктивного признака в предпочтениях при спаривании, при этом между видами происходят гетероспецифические спаривания. [47]
Partula suturalis полиморфен по хиральности раковины , поскольку имеет две формы: левостороннюю (левостороннюю) и правостороннюю (правостороннюю) раковины, в отличие от других мономорфных видов на острове Муреа , которые имеют только одну форму (за исключением P. otaheitana ). [48] Этот полиморфный признак оказывает прямое влияние на выбор партнера и брачное поведение; как показали лабораторные тесты на брачность, пары с противоположной спиралью спариваются гораздо реже. [48] В районах, где P. suturalis живет симпатрически с другими левосторонней и правосторонней видами Partula , обычно присутствуетпротивоположная морфа P. suturalis . [9] Батлин кратко описывает один пример этой уникальной модели:
P. suturalis симпатрический с правосторонним P. aurantia и левосторонним P. olympia , чьи ареалы примыкают, но не перекрываются; P. suturalis синестральный в ареале P. aurantia и правостральный в ареале P. olympia и обычно не скрещивается ни с одним из видов. Однако там, где их ареалы встречаются, в спирали P. suturalis наблюдается резкий переход , и в этой переходной зоне он скрещивается как с P. aurantia , так и с P. olympia . [9]
Изменение хиральности на левосторонность, должно быть, развилось как изолирующий механизм [49] с моделями смещения репродуктивных признаков, предполагающими видообразование путем подкрепления. [48]
Satsuma largillierti обитает на западной половине острова Окинава , а Satsuma eucosmia — на восточной. Обе популяции пересекаются в симпатрии вдоль середины острова, где длина пениса видов значительно различается в симпатрии (случай смещения репродуктивного признака [50] ), но не в аллопатрии. [51] Похожая картина у улиток обнаружена у Lymnaea peregra и L. ovata в швейцарском озере Зеальпзее ; при этом сигнал спаривания действует как симпатрически смещенный признак. [52]
Род морских ушек Haliotis насчитывает 19 видов , которые встречаются в симпатрии, и один, который встречается в аллопатрии. Из симпатрических видов все они содержат лизин спермы , который управляет изоляцией гамет , но аллопатрический вид не содержит. [53] [3] : 343 Похожая картина дифференциации лизина спермы обнаружена у видов мидий Mytilus galloprovincialis и M. trossulus и, вероятно, произошла в течение последних 200 лет из-за распространения с помощью людей на судах. [3] : 343
Считается, что растения обеспечивают подходящие условия для возникновения подкрепления. [5] Это обусловлено рядом факторов, таких как непредсказуемость опыления, векторы пыльцы, гибридизация, гибридные зоны и т. д. [5] Изучение растений, испытывающих видообразование посредством подкрепления, в значительной степени игнорировалось исследователями; [3] : 364 однако, есть доказательства того, что это происходит у них. [54]
У техасского полевого цветка Phlox drummondii цис -регуляторные мутации генов, кодирующих антоциановую пигментацию, вызвали генетическую дивергенцию двух популяций. [55] Гибриды (между P. drummondii и P. cuspidata ) с неадаптивными промежуточными характеристиками недоопыляются; репродуктивная изоляция увеличивается за счет подкрепления. [55] Поддержание предковой окраски цветка в аллопатрической популяции слабо поддерживается отбором, тогда как производная окраска в симпатрической популяции обусловлена сильным отбором. [56] Аналогично, у P. pilosa и P. glaberrima смещение признака окраски лепестков было обусловлено отбором, которому способствовала дискриминация пыльцы. [57] Смещение размера цветка также наблюдалось у видов пасленовых Solanum grayi и S. lymholtzianum в симпатрии, а также у S. rostratum и S. citrullifolium . [58]
Сосна епископа делится на две популяции, отличающиеся монотерпеновыми , устьичными и аллоферментными различиями; временем цветения; и цветом иголок: синяя листва в северной популяции и зеленая листва в южных популяциях в Калифорнии. [59] Существует небольшой регион, где виды встречаются в клине — поддерживаемый отбором из-за расхождения во времени цветения, что, как полагают, отражает происходящее подкрепление. [9]
Похожие закономерности смещения обоих признаков в симпатрических популяциях видов были задокументированы в: [9] [3] : 361
![]() | This section needs expansion. You can help by adding to it. (March 2018) |
Ожидается, что ассортитивное спаривание увеличится среди симпатрических популяций, испытывающих подкрепление. [8] Этот факт позволяет проводить прямое сравнение силы презиготической изоляции при симпатрии и аллопатрии между различными экспериментами и исследованиями. [3] : 362 Джерри Койн и Х. Аллен Орр обследовали 171 пару видов, собирая данные об их географическом режиме, генетическом расстоянии и силе как презиготической, так и постзиготической изоляции; обнаружив, что презиготическая изоляция была значительно сильнее в симпатрических парах, что коррелировало с возрастом вида. [3] : 362 Кроме того, сила постзиготической изоляции не отличалась между симпатрическими и аллопатрическими парами. [8]
Это открытие подтверждает прогнозы видообразования путем подкрепления и хорошо коррелирует с другим более поздним исследованием Дэниела Дж. Говарда. [3] : 363 В его исследовании были проанализированы 48 исследований с наблюдаемым смещением репродуктивных признаков (включая растения, насекомых, ракообразных, моллюсков, рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих). [6] Случаи соответствовали нескольким критериям, таким как рассматриваемый признак, служащий репродуктивным барьером, и если существовали четкие закономерности симпатрии против аллопатрии. [6] Из 48 кандидатов 69 процентов (33 случая) обнаружили повышенную изоляцию при симпатрии, что предполагает, что закономерность, предсказанная подкреплением, распространена в природе. [6] В дополнение к сравнительному исследованию Говарда, он защитился от потенциальной предвзятости публикации положительных результатов, изучив 37 исследований гибридных зон. Прогноз подкрепления заключается в том, что ассортитивное спаривание должно быть распространено в гибридных зонах; прогноз, который был подтвержден в 19 из 37 случаев. [6]
Исследование темпов видообразования у рыб и связанных с ними гибридных зон выявило схожие закономерности в симпатрии, подтверждающие наличие подкрепления. [68] Одно исследование на растениях Glycine и Silene , однако, не обнаружило усиления изоляции. [69]
Лабораторные исследования, которые явно проверяют подкрепление, ограничены. [3] : 357 В целом, было проведено два типа экспериментов: с использованием искусственного отбора для имитации естественного отбора, который устраняет гибриды (часто называемого «уничтожением гибридов»), и с использованием разрушительного отбора для отбора признака (независимо от его функции в половом размножении). [3] : 355–357 Многие эксперименты с использованием техники уничтожения гибридов обычно приводятся в качестве поддерживающих подкрепление; однако некоторые исследователи, такие как Койн и Орр, а также Уильям Р. Райс и Эллен Э. Хостерт, утверждают, что они на самом деле не моделируют подкрепление, поскольку поток генов полностью ограничен между двумя популяциями. [70] [3] : 356 В таблице ниже обобщены некоторые лабораторные эксперименты, которые часто приводятся в качестве проверки подкрепления в той или иной форме.
Разновидность | Экспериментальный дизайн | Результат | Год |
---|---|---|---|
D. paulistorum | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1976 [71] |
D.псевдообскура & D. persimilis | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция; смещение репродуктивного признака | 1950 [72] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция; смещение репродуктивного признака | 1974 [73] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция; смещение репродуктивного признака | 1956 [74] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция не обнаружена | 1970 [75] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1953 [76] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1974 [77] |
D. melanogaster | Аллопатрические популяции во вторичном контакте | Н/Д | 1982 [78] |
D. melanogaster | Н/Д | 1991 [79] | |
D. melanogaster | Презиготическая изоляция не обнаружена | 1966 [80] [81] | |
D. melanogaster | Разрешен поток генов между популяциями | Презиготическая изоляция не обнаружена | 1969 [82] |
D. melanogaster | Н/Д | Презиготическая изоляция не обнаружена | 1984 [83] |
D. melanogaster | Уничтожил несколько гибридов. | Презиготическая изоляция не обнаружена | 1983 [84] |
D. melanogaster | Дезорганизующий отбор | Презиготическая изоляция; ассортитивное спаривание; все последующие повторения эксперимента оказались неудачными | 1962 [85] |
D. melanogaster | Н/Д | Н/Д | 1997 [86] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1971 [87] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1973 [88] |
D. melanogaster | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция | 1979 [89] |
Зеа Мейс | Уничтоженные гибриды | Презиготическая изоляция; смещение репродуктивного признака | 1969 [90] |
{{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)