Перипатрическое видообразование — это способ видообразования , при котором новый вид формируется из изолированной периферийной популяции. [1] : 105 Поскольку перипатрическое видообразование напоминает аллопатрическое видообразование , поскольку популяции изолированы и лишены возможности обмениваться генами , их часто бывает трудно различить. [2] , и перипатрическое видообразование можно считать одним из типов или моделей аллопатрического видообразования. [3] Основной отличительной характеристикой перипатрического видообразования является то, что одна из популяций намного меньше другой, в отличие от (других типов) аллопатрического видообразования, при котором популяции схожего размера разделяются. Термины перипатрический и перипатрия часто используются в биогеографии , ссылаясь на организмы , ареалы которых тесно соседствуют, но не перекрываются, будучи разделенными там, где эти организмы не встречаются — например, на океаническом острове по сравнению с материком. Такие организмы обычно тесно связаны ( например, сестринские виды ); их распространение является результатом перипатрического видообразования.
Концепция перипатрического видообразования была впервые изложена эволюционным биологом Эрнстом Майром в 1954 году. [4] С тех пор были разработаны другие альтернативные модели, такие как центробежное видообразование , которое постулирует, что популяция вида переживает периоды расширения географического ареала, за которыми следуют периоды сокращения, оставляя небольшие изолированные популяции на периферии основной популяции. Другие модели включали эффекты полового отбора на ограниченные размеры популяции. Были разработаны другие связанные модели периферически изолированных популяций, основанные на хромосомных перестройках, такие как почкование видообразования и квантовое видообразование .
Существование перипатрического видообразования подтверждается данными наблюдений и лабораторными экспериментами. [1] : 106 Ученые, наблюдающие закономерности биогеографического распределения видов и их филогенетические связи, способны реконструировать исторический процесс, в результате которого они расходились . Кроме того, океанические острова часто являются предметом исследований перипатрического видообразования из-за их изолированных мест обитания — при этом Гавайские острова широко представлены в большей части научной литературы.
Перипатрическое видообразование было первоначально предложено Эрнстом Майром в 1954 году [4] и полностью теоретически смоделировано в 1982 году. [5] Оно связано с эффектом основателя , когда небольшие живущие популяции могут подвергаться отбору с узкими местами. [6] Эффект основателя основан на моделях, которые предполагают, что перипатрическое видообразование может происходить путем взаимодействия отбора и генетического дрейфа , [1] : 106 , которые могут играть значительную роль. [7] Майр впервые задумался об этой идее, наблюдая за популяциями зимородков в Новой Гвинее и на окружающих ее островах. [1] : 389 Tanysiptera galatea была в значительной степени однородна по морфологии на материке, но популяции на окружающих островах значительно различались — называя эту модель «перипатрической». [1] : 389 Эту же закономерность наблюдали многие современники Майра в то время, например, Э. Б. Форд, изучавший Maniola jurtina . [8] : 522 Примерно в то же время ботаник Верн Грант разработал модель квантового видообразования, очень похожую на модель Майра в контексте растений. [9]
В том, что было названо генетическими революциями Майра, он постулировал, что генетический дрейф сыграл основную роль, которая привела к этой модели. [1] : 389 Видя, что сплоченность видов поддерживается консервативными силами, такими как эпистаз и медленный темп распространения благоприятных аллелей в большой популяции (основанный в значительной степени на расчетах Дж. Б. С. Холдейна ), он рассуждал, что видообразование может иметь место только в том случае, если возникнет бутылочное горлышко популяции . [1] : 389 Например, небольшая изолированная популяция-основатель может быть создана на острове. Содержа меньше генетических вариаций по сравнению с основной популяцией, сдвиги в частотах аллелей могут происходить из-за различных давлений отбора. [1] : 390 Это приводит к дальнейшим изменениям в сети связанных локусов, вызывая каскад генетических изменений или «генетическую революцию» — крупномасштабную реорганизацию всего генома периферийной популяции. [1] : 391 Майр действительно осознавал, что шансы на успех были невероятно низки и что вымирание было вероятным; хотя следует отметить, что в то время существовали некоторые примеры успешных популяций-основателей. [8] : 522
Вскоре после Майра Уильям Луис Браун-младший предложил альтернативную модель перипатрического видообразования в 1957 году, названную центробежным видообразованием. В 1976 и 1980 годах Кеннет Й. Канеширо разработал модель перипатрического видообразования Канеширо, которая фокусировалась на половом отборе как на движущей силе видообразования во время популяционных «бутылочных горлышек». [10] [11] [12]
Модели перипатрического видообразования идентичны моделям викариантности (аллопатрического видообразования). [1] : 105 Требуя как географического разделения, так и времени, видообразование может возникнуть как предсказуемый побочный продукт. [13] Перипатрическое видообразование можно отличить от аллопатрического видообразования по трем ключевым признакам: [1] : 105
Размер 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 , приводя к — иногда быстрому — видообразованию. [1] : 105 Кроме того, выдвигаются два важных прогноза, а именно, что геологические или климатические изменения приводят к локальной фрагментации популяций (или регионально при рассмотрении аллопатрического видообразования), и что репродуктивные признаки изолированной популяции развиваются достаточно, чтобы предотвратить скрещивание при потенциальном вторичном контакте . [14]
Перипатрическая модель приводит к так называемым парам видов-предков, в результате чего производный вид (периферийно изолированная популяция) — географически и генетически изолированный от вида-предка — расходится. [15] Специфическая филогенетическая сигнатура возникает в результате этого способа видообразования: географически распространенный вид-предок становится парафилетическим (тем самым становясь паравидом ) по отношению к производному виду (периферийному изоляту). [1] : 470 Таким образом, концепция паравида является логическим следствием эволюционной концепции вида , согласно которой один вид дает начало дочернему виду. [16] Считается, что черты характера периферийно изолированного вида становятся апоморфными , в то время как центральная популяция остается плезиоморфной . [17]
Современные кладистические методы разработали определения, которые случайно удалили производные виды, определяя клады таким образом, что предполагается, что когда происходит событие видообразования, исходный вид больше не существует, в то время как возникают два новых вида; это не относится к перипатрическому видообразованию. [9] Майр предостерегал от этого, поскольку это приводит к потере видом своего статуса классификации. [18] Лорен Х. Ризеберг и Люк Бруйе признали ту же дилемму в классификации растений. [19]
Ботаник Верн Грант предложил термин квантовое видообразование, который объединил идеи Дж. Т. Гулика (его наблюдения за изменчивостью видов в полуизоляции), Сьюэлла Райта (его модели генетического дрейфа), Майра (его модели перипатрической и генетической революции) и Джорджа Гейлорда Симпсона (его развитие идеи квантовой эволюции ). [20] : 114 Квантовое видообразование — это быстрый процесс с большими генотипическими или фенотипическими эффектами, в результате которого новый, перекрестноопыляющийся вид растений отпочковывается от более крупной популяции как полуизолированная периферийная популяция. [21] [20] : 114 Скрещивание и генетический дрейф происходят из-за уменьшения размера популяции, вызывая изменения в геноме, которые, скорее всего, приведут к вымиранию (из-за низкой адаптивной ценности). [20] : 115 В редких случаях могут возникнуть хромосомные признаки с адаптивной ценностью, что приводит к возникновению нового, производного вида. [9] [22] Доказательства существования этого типа видообразования были обнаружены в нескольких парах видов растений: Layia discoidea и L. glandulosa , Clarkia lingulata и C. biloba , а также Stephanomeria malheurensis и S. exigua ssp. coronaria . [9]
Близкая по смыслу модель перипатрического видообразования называется почкованием — широко применяется в контексте видообразования растений. [23] Считается, что процесс почкования, при котором новый вид возникает на границах предкового ареала, распространен среди растений [23] — особенно в парах видов-предшественников. [24]
Уильям Луис Браун-младший предложил альтернативную модель перипатрического видообразования в 1957 году, названную центробежным видообразованием. Эта модель контрастирует с перипатрическим видообразованием в силу происхождения генетической новизны, которая приводит к репродуктивной изоляции. [25] Популяция вида переживает периоды расширения географического ареала, за которыми следуют периоды сокращения. Во время фазы сокращения фрагменты популяции изолируются как небольшие популяции- рефугии на периферии центральной популяции. Из-за большого размера и потенциально большей генетической изменчивости внутри центральной популяции мутации возникают легче. Эти мутации остаются в изолированных периферийных популяциях, способствуя репродуктивной изоляции. Следовательно, Браун предположил, что во время другой фазы расширения центральная популяция подавит периферийные популяции, препятствуя видообразованию. Однако, если вид находит специализированную экологическую нишу, они могут сосуществовать. [26] [27] Филогенетическая сигнатура этой модели заключается в том, что центральная популяция становится производной , в то время как периферийные изоляты остаются плезиоморфными [17] — обратная сторона общей модели. В отличие от центробежного видообразования, перипатрическое видообразование иногда называют центростремительным видообразованием (см. рисунки 1 и 2 для сравнения). [28] Центробежное видообразование в значительной степени игнорируется в научной литературе, часто доминируемой традиционной моделью перипатрического видообразования. [29] [25] [17] Несмотря на это, Браун привел множество доказательств в поддержку своей модели, которые до сих пор не были опровергнуты. [26]
Peromyscus polionotus и P. melanotis (периферийно изолированные виды из центральной популяции P. maniculatus ) возникли через модель центробежного видообразования. [30] Центробежное видообразование могло иметь место у древесных кенгуру , южноамериканских лягушек ( Ceratophrys ), землероек ( Crocidura ) и приматов ( Presbytis melalophos ). [29] Джон К. Бриггс связывает центробежное видообразование с центрами происхождения , утверждая, что центробежная модель лучше подтверждается данными, ссылаясь на образцы видов из предполагаемого «центра происхождения» в пределах Индо-Западной части Тихого океана [29]
Модель Канеширо также дает объяснение механизма видообразования во время событий-основателей, предложенное Эрнстом Майром и Хэмптоном Карсоном. В большинстве случаев события-основатели происходят, когда единственная оплодотворенная самка случайно перемещается в совершенно другое место, например, на соседний остров среди цепочки островов, таких как Гавайский архипелаг, и производит несколько потомков. Такая колония-основатель сталкивается с чрезвычайно малым размером популяции, которая, как описано в модели Канеширо, испытывает сдвиг в системе спаривания в сторону увеличения частоты менее разборчивых самок. Возникающая в результате дестабилизация генетической системы обеспечивает среду для возникновения новых генетических вариантов, обеспечивая рецепт для видообразования. В конечном итоге рост размера популяции в сочетании с новыми предпочтениями самок в отношении самок приведет к репродуктивной изоляции от основной популяции, тем самым завершая процесс видообразования. [11] Подтверждение этой модели получено в результате экспериментов и наблюдений за видами, которые демонстрируют асимметричные паттерны спаривания, такими как гавайский вид Drosophila [31] [32] или гавайский сверчок Laupala . [33] Однако, хотя лабораторные эксперименты в поддержку модели продолжаются и еще не завершены, существуют полевые наблюдения за сдвигами в системах спаривания, которые подвергаются популяционным узким местам, которые показывают, что динамика полового отбора происходит в природе, и, следовательно, она действительно представляет собой правдоподобный процесс перипатрического видообразования, который имеет место в природе. [12]
Данные наблюдений и лабораторные эксперименты подтверждают наличие перипатрического видообразования. Острова и архипелаги часто являются предметом исследований видообразования, поскольку они представляют собой изолированные популяции организмов. Островные виды предоставляют прямые доказательства видообразования, происходящего перипатрически, так что «присутствие эндемичных видов на океанических островах, ближайшие родственники которых населяют близлежащий континент », должно было возникнуть в результате колонизации. [1] : 106–107 Сравнительная филогеография океанических архипелагов показывает последовательные закономерности последовательной колонизации и видообразования вдоль островных цепей, особенно на Азорских островах, Канарских островах , островах Общества , Маркизских островах , Галапагосских островах , островах Острал и Гавайских островах — все из которых выражают геологические закономерности пространственной изоляции и, в некоторых случаях, линейного расположения. [34] Перипатрическое видообразование также происходит на континентах, поскольку изоляция небольших популяций может происходить в результате различных географических и дисперсионных событий. Например, были проведены лабораторные исследования, в которых популяции дрозофилы были отделены друг от друга и развивались в репродуктивной изоляции.
Виды Drosophila на Гавайском архипелаге помогли исследователям подробно изучить процессы видообразования. Хорошо известно, что Drosophila претерпела адаптивную радиацию в сотни эндемичных видов на гавайской островной цепи ; [1] : 107 [35] происходящих от одного общего предка (подтверждено молекулярным анализом). [36] Исследования последовательно показывают, что колонизация каждого острова происходила от старых островов к молодым, а у Drosophila видообразование происходило перипатрически по крайней мере в пятидесяти процентах случаев. [1] : 108 Вместе с Drosophila гавайские лобелиады ( Cyanea ) также претерпели адаптивную радиацию, причем более двадцати семи процентов существующих видов возникли после колонизации нового острова — что является примером перипатрического видообразования — снова, происходящего в направлении от старого острова к молодому. [37] [38] [39]
Другие эндемичные виды на Гавайях также предоставляют доказательства перипатрического видообразования, такие как эндемичные нелетающие сверчки ( Laupala ). Было подсчитано, что «17 видов из 36 хорошо изученных случаев видообразования [ Laupala ] были перипатрическими». [1] : 108 [40] Виды растений в таких родах, как Dubautia , Wilkesia , и Argyroxiphium также распространились вдоль архипелага. [41] Другие животные, помимо насекомых, демонстрируют ту же самую картину, такие как гавайская янтарная улитка ( Succinea caduca ), [42] и мухоловки Elepaio . [43]
Пауки Tetragnatha также видоизменялись перипатрически на Гавайских островах, [44] [45] Было задокументировано существование многочисленных членистоногих в соответствии с геологической эволюцией цепи островов, так что филогенетические реконструкции обнаруживают более молодые виды, населяющие геологически более молодые острова, и более старые виды, населяющие более старые острова [46] (или в некоторых случаях предки датируются временем, когда острова, в настоящее время находящиеся ниже уровня моря, были обнажены). Пауки, такие как из рода Orsonwelles, демонстрируют образцы, совместимые с геологией от старых к молодым. [47] Было показано, чтодругие эндемичные роды, такие как Argyrodes, видоизменялись вдоль цепи островов. [48] Pagiopalus , Pedinopistha и часть семейства Thomisidae адаптивно расселились вдоль цепи островов, [49] как и семейство пауков-волков, Lycosidae . [50]
Изучены видообразование и филогеографические закономерности множества других эндемичных гавайских видов и родов членистоногих: комплекс видов Drosophila grimshawi , [51] стрекозы ( Megalagrion xanthomelas и Megalagrion pacificum ), [52] Doryonychus raptor , Littorophiloscia hawaiiensis , Anax strenuus , Nesogonia. blackburni , Theridion grallator , [53] Vanessa tameamea , Hyalopeplus pellucidus , Coleotichus blackburniae , Labula , Hawaiioscia , Banza (в семействе Tettigoniidae ), Caconemobius , Eupethicea , Ptycta , Megalagrion , Prognathogryllus , Nesosydne , Cephalops , Trupanea , и племя Платинини — все это предполагает повторные радиации среди островов. [54]
Филогенетические исследования вида паука-краба ( Misumenops rapaensis ) из рода Thomisidae , расположенного на островах Аустрал, установили «последовательную колонизацию [этой] линии вниз по архипелагу Аустрал к более молодым островам». M. rapaensis традиционно считался одним видом; тогда как это конкретное исследование обнаружило четкие генетические различия, соответствующие последовательному возрасту островов. [55] Считается , что вид растения фиговая бородавка Scrophularia lowei возник в результате перипатрического видообразования, при этом более распространенный материковый вид Scrophularia arguta распространился на острова Макаронезии . [56] [57] Другие члены того же рода также возникли в результате единичных колонизаций между островами. [58] [59]
Возникновение перипатрии на континентах обнаружить сложнее из-за возможности викариантных объяснений, которые являются столь же вероятными. [1] : 110 Однако исследования, касающиеся калифорнийских видов растений Clarkia biloba и C. lingulata , настоятельно предполагают перипатрическое происхождение. [60] Кроме того, было проведено много исследований нескольких видов наземных улиток, включающих хиральность , которая предполагает перипатрию (при этом некоторые авторы отмечают другие возможные интерпретации). [1] : 111
Каштановохвостая муравьедка ( Sciaphylax hemimelaena ) обитает в Национальном парке Ноэль-Кемпфф-Меркадо (Серрания-де-Уанчака) в Боливии. В этом регионе существует лесной фрагмент, который, по оценкам, был изолирован в течение 1000–3000 лет. Популяция муравьедки S. hemimelaena , обитающая на изолированном участке, демонстрирует значительную дивергенцию песен; считается, что это «ранний шаг» в процессе перипатрического видообразования. Кроме того, периферическая изоляция «может частично объяснить резкое разнообразие кричащих воробьиных в Амазонии ». [14]
Комплекс видов горной колючегорлой тростниковой лягушки (род: Hyperolius ) возник в результате перипатрических событий видообразования. Люсинда П. Лоусон утверждает, что географические ареалы видов в пределах Восточно- Афромонтанного очага биоразнообразия поддерживают перипатрическую модель, которая является движущей силой видообразования; предполагая, что этот способ видообразования может играть значительную роль в «крайне фрагментированных экосистемах». [2]
В исследовании филогении и биогеографии рода наземных улиток Monacha , считается, что вид M. ciscaucasica произошел перипатрически от популяции M. roseni . Кроме того, M. claussi состоит из небольшой популяции, расположенной на периферии гораздо большего ареала M. subcarthusiana , что предполагает, что он также возник путем перипатрического видообразования. [61]
Красная ель ( Picea rubens ) произошла от изолированной популяции черной ели ( Picea mariana ). В плейстоцене популяция черной ели оказалась географически изолированной, вероятно, из-за оледенения . Географический ареал черной ели намного больше, чем у красной ели. Красная ель имеет значительно меньшее генетическое разнообразие как в своей ДНК, так и в своей митохондриальной ДНК , чем черная ель. [62] [63] Кроме того, генетическая изменчивость красной ели не имеет уникальных митохондриальных гаплотипов , а только подмножества таковых у черной ели; это предполагает, что красная ель видоизменилась перипатрически от популяции черной ели. [64] [65] [66] Считается, что весь род Picea в Северной Америке диверсифицировался в процессе перипатрического видообразования, поскольку многочисленные пары близкородственных видов в роде имеют меньшие южные ареалы популяции; а те, у кого ареалы перекрываются, часто демонстрируют слабую репродуктивную изоляцию. [67] [63]
Используя филогеографический подход в сочетании с моделями экологических ниш ( т. е. прогнозирование и идентификация расширения и сокращения ареалов видов в подходящие среды обитания на основе текущих экологических ниш , коррелированных с ископаемыми и молекулярными данными), исследователи обнаружили, что вид луговых собачек Cynomys mexicanus произошел перипатрически от Cynomys ludovicianus примерно 230 000 лет назад. Североамериканские ледниковые циклы способствовали расширению и сокращению ареала луговых собачек, что привело к изоляции реликтовой популяции в рефугиуме, расположенном в современном Коауила , Мексика. [68] Это распределение и палеобиогеографическая картина коррелируют с другими видами, выражающими схожие биографические модели ареала [68], такими как комплекс Sorex cinereus . [69]
Перипатрическое видообразование изучалось как в лабораторных исследованиях, так и в природе. Джерри Койн и Х. Аллен Орр в работе «Видообразование» предполагают, что большинство лабораторных исследований аллопатрического видообразования также являются примерами перипатрического видообразования из-за их небольших размеров популяций и неизбежного дивергентного отбора, которому они подвергаются. [1] : 106 Большая часть лабораторных исследований, касающихся перипатрии, неразрывно связана с исследованиями эффекта основателя . Койн и Орр приходят к выводу, что роль отбора в видообразовании хорошо известна, тогда как роль генетического дрейфа не подтверждается экспериментальными и полевыми данными, что свидетельствует о том, что видообразование с эффектом основателя не происходит. [1] : 410 Тем не менее, по этому вопросу было проведено много исследований, и одно исследование, проведенное с участием популяций бутылочного горлышка Drosophila pseudoobscura, обнаружило доказательства изоляции после одного бутылочного горлышка. [78] [79]
Таблица представляет собой неисчерпывающую таблицу лабораторных экспериментов, явно сфокусированных на перипатрическом видообразовании. Большинство исследований также проводили эксперименты по викариантному видообразованию. Столбец «реплики» обозначает количество линий, использованных в эксперименте, то есть, сколько независимых популяций было использовано (а не размер популяции или количество выполненных поколений). [12]
Эта статья была отправлена в WikiJournal of Science для внешнего академического рецензирования в 2018 году (отчеты рецензентов). Обновленный контент был повторно интегрирован на страницу Википедии по лицензии CC-BY-SA-3.0 ( 2018 ). Версия записи, на которой она была проверена: Andrew Z Colvin; et al. (14 августа 2018 г.). "Peripatric speciation" (PDF) . WikiJournal of Science . 1 (2): 008. doi : 10.15347/WJS/2018.008 . ISSN 2470-6345. Wikidata Q56553060.
{{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){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{citation}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)