Кооперативное размножение — это социальная система, характеризующаяся заботой всех родителей : потомство получает заботу не только от своих родителей, но и от дополнительных членов группы, часто называемых помощниками. [1] Кооперативное размножение охватывает широкий спектр групповых структур: от пары, в которой помощники являются потомством с предыдущего сезона, [2] до групп с несколькими самцами и самками, участвующими в размножении ( полигинандрия ), и помощниками, которые являются взрослыми потомками некоторых, но не всех производителей в группе, [3] до групп, в которых помощники иногда достигают статуса совместного размножения, производя собственное потомство как часть выводка группы. [4] Кооперативное размножение происходит в различных таксономических группах, включая птиц, [5] млекопитающих, [6] рыб, [7] и насекомых. [8]
Расходы на помощников включают снижение приспособленности , усиление защиты территории , охрану потомства и увеличение стоимости роста. Преимущества для помощников включают снижение вероятности нападения хищников, увеличение времени добычи пищи, наследование территории, улучшение условий окружающей среды и инклюзивную приспособленность. Инклюзивная приспособленность — это сумма всей прямой и косвенной приспособленности, где прямая приспособленность определяется как количество приспособленности, полученное за счет производства потомства. Косвенная приспособленность определяется как количество приспособленности, полученное за счет помощи потомству родственных особей, то есть родственники могут косвенно передавать свои гены за счет повышения приспособленности родственного потомства. [9] Это также называется родственным отбором. [10]
Для размножающейся пары издержки включают повышенную охрану партнера и подавление подчиненного спаривания. Размножающиеся получают выгоду в виде сокращения ухода за потомством и поддержания территории. Их основная выгода — повышенная репродуктивная скорость и выживаемость.
Кооперативное размножение приводит к тому, что репродуктивный успех всех половозрелых взрослых особей смещается в сторону одной пары для спаривания. Это означает, что репродуктивная пригодность группы поддерживается в пределах нескольких избранных членов для размножения, а помощники имеют низкую или нулевую репродуктивную пригодность. [11] При такой системе производители получают повышенную репродуктивную пригодность, в то время как помощники получают повышенную инклюзивную пригодность. [11]
Было выдвинуто много гипотез для объяснения эволюции кооперативного размножения. Концепция кооперативного размножения заключается в утрате репродуктивной пригодности особи для содействия репродуктивному успеху других. Эту концепцию трудно понять, а эволюция кооперативного размножения важна, но ее трудно объяснить. Большинство гипотез направлены на определение причины, по которой помощники выборочно снижают свою приспособленность и берут на себя роль всех родителей.
Родственный отбор — это эволюционная стратегия содействия репродуктивному успеху родственных организмов, даже ценой прямой приспособленности собственной особи. Правило Гамильтона (rB−C>0) объясняет, что родственный отбор будет существовать, если генетическое родство (r) получателя помощи с помогающей особью, умноженное на выгоду для получателя помощи (B), больше, чем издержки для помогающей особи (C). [9] Например, было обнаружено , что каштановый тимельник ( Pomatostomus ruficeps ) имеет высокие показатели родственного отбора. Помощники в основном оказывают помощь близкородственным выводкам, а не неродственным выводкам. [12] Дополнительные виды, такие как Neolamprologus pulcher, показали, что родственный отбор является доминирующей движущей силой кооперативного размножения. [12]
Групповое увеличение представляет собой вторую гипотезу относительно эволюции кооперативного размножения. Эта гипотеза предполагает, что увеличение размера группы за счет добавления помощников способствует индивидуальному выживанию и может повысить будущий успех размножения помощника. [13] Групповое увеличение благоприятно, если группировка обеспечивает пассивные выгоды для помощников в дополнение к инклюзивной приспособленности. [14] Благодаря групповому увеличению каждый отдельный член снижает свои шансы стать жертвой хищника. Кроме того, увеличение членов сокращает продолжительность работы каждого помощника в качестве дозорного (стоящего на высокой поверхности для наблюдения за хищниками) или няньки (охраняющего потомство и логово). Сокращение этих охранных поведений позволяет помощникам добывать корм в течение более длительных периодов времени. [15]
Лукас и др. предложили эволюционную модель кооперативного размножения, которая связала коэволюцию политоции, производства множественного потомства, и монотоции, производства одного потомства, с эволюцией кооперативного размножения. Модель основана на эволюции более крупных пометов, вызывающих необходимость в помощниках для поддержания высоких репродуктивных расходов, что приводит к кооперативному размножению. Лукас и др. предполагают, что политоция могла способствовать эволюции кооперативного размножения. Их предложенная модель предполагает, что переход от монотоции к политоции благоприятен. Кроме того, они обнаружили, что переход от политоции без кооперативного размножения к политоции с кооперативным размножением весьма благоприятен. Это предполагает, что кооперативное размножение эволюционировало от некооперативной монотоции размножения к кооперативной политоции размножения. [1]
Сегодня растет поддержка теории о том, что кооперативное размножение развилось посредством некоторой формы мутуализма или взаимности . Мутуализм — это форма симбиоза, которая выгодна обоим вовлеченным организмам. Мутуализм имеет много форм и может иметь место, когда выгоды являются немедленными или отсроченными, когда индивидуумы обмениваются полезным поведением по очереди или когда группа индивидуумов вносит вклад в общее благо, где всем членам группы может быть выгодно помогать выращивать детенышей. Когда группа выращивает детенышей вместе, это может быть выгодно, потому что это сохраняет или увеличивает размер группы. [16] Наибольшее количество исследований было вложено в взаимные обмены полезным поведением через повторяющуюся дилемму заключенного . В этой модели два партнера могут либо сотрудничать и обмениваться полезным поведением, либо они могут предать и отказаться помогать другому индивидууму. [16]
Условия окружающей среды определяют, рассеется ли потомство из своей родовой группы или останется в качестве помощников. Доступность пищи или территории может побудить особей расселяться и создавать новые территории размножения, но неблагоприятные условия способствуют тому, чтобы потомство оставалось на родовой территории и становилось помощниками для получения инклюзивной приспособленности. [17] Кроме того, оставаясь на родовой территории, потомство может, возможно, унаследовать роль размножения и/или территорию своих родителей. [18]
Последним фактором, влияющим на кооперативное размножение, является половое расселение. Половое расселение — это перемещение одного пола, самца или самки, с родовой территории для создания новых мест размножения. Это в значительной степени регулируется репродуктивными издержками при производстве самца по сравнению с самкой. Материнский вклад в женское потомство может быть значительно выше, чем в мужское потомство для одного вида, или наоборот для другого. При неблагоприятных условиях более дешевый пол будет производиться в более высоких соотношениях. [19]
Вторым фактором, влияющим на половое распространение, является разница в способности каждого пола устанавливать новую территорию размножения. Было обнаружено, что черная ворона ( Corvus corone ) производит больше самок в благоприятных условиях окружающей среды. Было обнаружено, что самки Corvus corone устанавливают успешные территории размножения с большей скоростью, чем самцы. Самцы Corvus corone производятся с большей скоростью в неблагоприятных условиях. Было обнаружено, что самцы остаются на натальной территории и становятся помощниками. [20] Таким образом, если условия окружающей среды благоприятствуют распространению определенного пола, он считается полом рассеивания. Если условия окружающей среды неблагоприятны, самки могут производить филопатрический пол, тем самым производя больше помощников и увеличивая вероятность кооперативного размножения. [20]
Расходы на заводчика состоят из дородового ухода, послеродового ухода и поддержания статуса размножения. Дородовой уход — это объем материнских инвестиций во время беременности плода, а послеродовой уход — это инвестиции после рождения. Примерами дородового ухода являются развитие плода, плаценты, матки и тканей молочной железы. Послеродовыми примерами являются лактация, обеспечение пищей и охранное поведение. [19]
Доминирующие самцы и самки демонстрируют подавляющее поведение по отношению к подчиненным, чтобы сохранить свой статус размножения. Эти подавляющие действия зависят от соотношения полов помощников. Поэтому затраты будут меняться в зависимости от помощников. Например, если помощников-самцов больше, чем самок, то доминирующий самец будет подавлять подчиненных самцов и нести более высокие затраты. Обратное верно для самок. Заводчики даже будут подавлять подчиненных от спаривания с другими подчиненными. [21]
Стоимость помощников варьируется в зависимости от наличия или отсутствия родственного потомства. Было обнаружено, что наличие потомства увеличивает стоимость помощника, поскольку помощник вносит вклад в охранное поведение. [22] Охранное поведение, такое как присмотр за детьми, может привести к тому, что особи будут испытывать потерю веса в экспоненциальной шкале в зависимости от продолжительности деятельности. Другие виды деятельности, такие как поведение дозорного и двуногое наблюдение, приводят к тому, что у помощников сокращаются интервалы поиска пищи, что препятствует набору веса. Сокращение поведения поиска пищи и увеличение потери веса снижают их шансы на успешное размножение, но повышают их инклюзивную приспособленность за счет повышения выживаемости родственного потомства. [11] [23] [24]
Помощники вносят вклад в зависимости от стоимости. Акт оказания помощи требует распределения энергии для фактического выполнения поведения. Длительное распределение энергии может значительно повлиять на рост помощника. [24] У полосатого мангуста ( Mungos mungo ) молодые самцы-помощники вносят гораздо меньший вклад, чем самки. Это связано с разницей в возрасте половой зрелости. [24] Самки полосатых мангустов достигают половой зрелости в возрасте одного года, но самцы достигают половой зрелости в возрасте двух лет. Разница в возрасте приводит к тому, что длительное распределение энергии пагубно для определенного пола. [24]
Самец-подросток Mungos mungo может снизить уровень помогающего поведения до достижения половой зрелости. Аналогично, если из-за условий окружающей среды, таких как уменьшение количества осадков, наблюдается нехватка пищи, то степень помощи может значительно снизиться у молодых особей. Взрослые особи могут сохранять полную активность, поскольку они половозрелые. [18]
Кроме того, расходы на помощь могут быть более пагубными для одного пола. Например, расходы на территориальную защиту, как правило, зависят от самцов, а лактация — от самок. Сурикаты ( Suricata suricatta ) продемонстрировали стратегии защиты территории самцами, при которых самцы-помощники отгоняют вторгающихся самцов, чтобы не допустить спаривания таких нарушителей с подчиненными или доминирующими самками. [25] Кроме того, подчиненные беременные самки-помощницы иногда изгоняются из группы доминирующей самкой. Это выселение заставляет подчиненную самку сделать аборт, что высвобождает ресурсы, такие как лактация и энергия, которые можно использовать для помощи доминирующей самке и ее детенышам. [10]
Редко, самка-помощница или производитель будет защищать территорию, пока присутствуют самцы. Это предполагает, что определенные затраты на помощь, такие как защита территории, укоренены в одном поле. [13]
Кооперативное разведение снижает стоимость многих материнских инвестиций для размножающихся членов. Помощники помогают размножающимся самкам с провизией, стрессом лактации, охраной потомства и пренатальными инвестициями. [13] [19] [26] Увеличение числа помощников позволяет размножающейся самке или самцу поддерживать более здоровое телосложение, более высокую физическую форму, увеличенную продолжительность жизни и размер выводка. [22] [27]
Самки-помощницы могут помогать в лактации, но все помощники, как самцы, так и самки, могут помогать в обеспечении продовольствием. [18] [19] Обеспечение продовольствием помощников снижает необходимость возвращения доминирующей пары в логово, что позволяет им добывать пропитание в течение более длительного времени. Доминирующая самка и самец будут корректировать свой вклад в уход или обеспечение продовольствием в зависимости от степени активности помощников. [18]
Присутствие помощников позволяет самке, которая размножается, сократить свои пренатальные инвестиции в потомство, что может привести к птенцовым родам; птенцовые роды — это производство детенышей, которые зависят от помощи взрослых, чтобы выжить. Это позволяет самке, которая размножается, сохранять энергию для использования в новой попытке размножения. [19] В целом, добавление помощников к паре, которая размножается, поощряет многократное размножение в год и увеличивает скорость успешного размножения. [27]
Самцы-производители могут получать прямую выгоду от размножения с подчиненными самками и помощи в выращивании молодняка. Это позволяет самцу получить «возврат инвестиций» в виде этих подчиненных потомков. У этих потомков больше шансов стать помощниками после достижения половой зрелости. Таким образом, оплата их ухода увеличит общую приспособленность доминирующего самца в будущем. Этот акт гарантирует доминирующим самцам подчиненных помощников для будущего размножения. [28]
Помощники в первую очередь выигрывают от инклюзивной приспособленности. [1] [17] [23] Помощники поддерживают инклюзивную приспособленность, помогая родственным производителям и потомству. [11] Этот тип родства может привести к наследованию качественных территорий добычи пищи и размножения, что увеличит будущую приспособленность помощников. [29] Кроме того, помощники имеют повышенный шанс получить помощь, если они когда-то были помощником. [27]
Помощники также могут извлекать пользу из групповых взаимодействий, таких как сбивание в кучу для термодинамических выгод. Эти взаимодействия обеспечивают необходимые элементы для выживания. [15] [29] Они также могут извлекать пользу из возросшего группового взаимодействия на уровне когнитивной заботы друг о друге, увеличивая общую продолжительность жизни и выживаемость. [30]
Наконец, помощники могут извлекать выгоды из инклюзивной приспособленности, влияя на поведение своих родителей вне пары. [31] Например, не давая своим матерям участвовать в спаривании вне пары , они могут помочь своим биологическим отцам защитить свое отцовство и таким образом повысить свою степень родства с будущими членами кооперативно размножающейся группы. [31]
Известно, что около восьми процентов видов птиц регулярно участвуют в кооперативном размножении, в основном среди ракшеобразных , дятлообразных , базальных воробьиных и сильвиоидеа . [32] Только небольшая часть из них, например, австралийские грязевые воробьи , австрало-папуасские тимелии и земляные воробьи , однако, абсолютно обязательно кооперативны и не могут выводить птенцов без помощников. [33]
Преимущества кооперативного размножения у птиц хорошо документированы. Одним из примеров является лазурнокрылая сорока ( Cyanopica cyanus ), у которой исследования показали, что клеточно-опосредованный иммунный ответ потомства положительно коррелировал с увеличением числа помощников в гнезде. [34] Исследования кооперативного размножения у птиц также показали, что высокие уровни кооперативного размножения тесно связаны с низкой ежегодной смертностью взрослых особей и небольшими размерами кладок, хотя остается неясным, является ли кооперативное размножение причиной или следствием. [35] Первоначально предполагалось, что кооперативное размножение развилось среди видов птиц с низкими показателями смертности вследствие «перенаселенности» и, следовательно, меньших возможностей претендовать на территорию и размножаться. Однако многие наблюдатели сегодня считают, что кооперативное размножение возникло из-за необходимости в помощниках для выращивания детенышей в крайне бесплодных и непредсказуемых условиях [36] Австралии и стран Африки к югу от Сахары в редких благоприятных условиях. [32]
Среди всех видов млекопитающих менее 1% демонстрируют кооперативные стратегии размножения. [37] Филогенетический анализ показывает доказательства четырнадцати дискретных эволюционных переходов к кооперативному размножению в классе Mammalia. [38] Эти линии включают девять родов грызунов ( Cryptomys , Heterocephalus , Microtus , Meriones , Rhabdomys , Castor , Atherurus и два в Peromyscus ), четыре рода в Carnivora ( Alopex , Canis , Lycaon и в мангустах) и один род приматов (Callitrichidae). [38] Кооперативное размножение у млекопитающих не ограничивается этими указанными линиями, скорее они являются значительными эволюционными событиями, которые обеспечивают основу для понимания происхождения и эволюционного давления кооперативного размножения. Все эти эволюционные переходы произошли в линиях, которые имели социально моногамную или одиночную систему размножения, что говорит о том, что сильные родственные связи являются существенным фактором в эволюционной истории кооперативного размножения. [1] [38] Кроме того, политоция, или рождение нескольких потомков за один эпизод рождения, является высоко коррелированной эволюционной детерминантой кооперативного размножения у млекопитающих. [37] Эти два фактора, социальная моногамия и политоция, не связаны эволюционно, что говорит о том, что они являются независимыми механизмами, ведущими к эволюции кооперативного размножения у млекопитающих. [1] Глобальное распространение млекопитающих с кооперативными системами размножения широко распространено в различных климатических регионах, но данные показывают, что первоначальные переходы к кооперативному размножению связаны с видами, проживающими в регионах с высокой засушливостью. [37]
Сурикаты становятся репродуктивно активными в возрасте одного года и могут иметь до четырех пометов в год. Однако обычно альфа- пара оставляет за собой право на спаривание и обычно убивает любого детеныша, который не является их собственным. Пока альфа-самка находится вдали от группы, самки, которые никогда не размножались, лактируют и охотятся, чтобы кормить детенышей, а также наблюдать, защищать и оберегать их от хищников. Хотя ранее считалось, что вклад суриката в рацион детеныша зависит от степени родства, было обнаружено, что помощники различаются по количеству продуктов, которые они дают детенышам. Это различие в предложении пищи обусловлено различиями в успехе добычи пищи, полем и возрастом. [39] Исследования также показали, что уровень помощи не коррелирует с родством выводков, которых они выращивают. [40]
Кооперативное размножение было описано у нескольких видов псовых [41], включая красных волков , [42] песцов [43] и эфиопских волков [44] .
Кооперативное размножение увеличивает скорость размножения самок и уменьшает размер помета. [37]
Кооперативное размножение подразумевает, что одна или несколько особей, обычно самок, действуют как «помощники» одной или нескольким доминирующим самкам-производителям, обычно родственникам помощников. Эта социосексуальная система редко встречается у приматов, до сих пор продемонстрированная среди неотропических каллитрицид , включая мармозеток и тамаринов . [45] Кооперативное размножение требует «подавления» размножения помощников с помощью феромонов, выделяемых производителем, принуждения или самоограничения. Сара Блаффер Хрди считает, что кооперативное размножение является наследственной чертой у людей, что является спорным утверждением. [ необходима цитата ] У большинства нечеловеческих приматов репродуктивный успех и выживание потомства в значительной степени зависят от способности матери производить пищевые ресурсы. [46] Таким образом, одним из компонентов кооперативного размножения является делегирование удержания потомства, что позволяет матери добывать корм без дополнительных затрат на удержание своего потомства. [46] Кроме того, у видов приматов с кооперативными системами размножения самки имеют более короткие интервалы между рождениями. Самки серых мышиных лемуров (Microcebus murinus) формируют социальные группы и кооперативно размножаются с близкородственными самками. Самки выигрывают от совместного использования ограниченного пространства для гнездования и повышенной защиты гнезда, но не проявляют поведения по обеспечению продовольствием, поскольку они являются одиночными фуражирами. [47]
Прямое выражение кооперативного размножения включает факультативную родительскую заботу, включая аллопаритинг , и увеличенную продолжительность жизни у самок после менопаузы, что составляет основу гипотезы бабушки . [48] Кооперативное размножение у людей теоретически рассматривается как оптимальное решение для высоких энергетических затрат на выживание из-за природы человеческого рациона, который включал высококачественные продукты, часто требующие обработки и приготовления. [49] Кроме того, обеспечение продовольствием в кооперативных обществах размножения может объяснить относительно короткий период отлучения от груди у людей, обычно два-три года, по сравнению с нечеловеческими обезьянами, которые отлучают своих детенышей от груди в течение более шести лет. [49]
Человеческое потомство не попадает четко в дихотомическую категоризацию прекоциального и альтрициального , и вместо этого Портманн предполагает, что они являются «вторично альтрициальными» при рождении из-за недоразвития неврологических и когнитивных способностей. [50] Таким образом, человеческое потомство в значительной степени зависит от инвестиций опекуна, необходимость, которая служит предшественником теорий о развитии парных связей, аллородительства и кооперативного размножения. Эволюция кооперативного размножения у ранних видов Homo также способствовала другим просоциальным видам поведения, таким как социальное обучение, повышенная социальная толерантность и общая преднамеренность , особенно в приобретении пищи. [51] Кроме того, просоциальное поведение при кооперативном размножении у людей имело побочный эффект в виде улучшения когнитивных способностей, особенно в социальных задачах, связанных с координацией. [48]
Человеческие матери, как правило, имеют перекрывающееся, зависимое потомство из-за более коротких интервалов между рождениями, высоких показателей фертильности и низких показателей детской смертности, что приводит к высоким энергетическим затратам. [46] В отличие от других видов с кооперативными системами размножения, человеческие самки-«помощницы» не несут расходов на репродуктивное подавление в пользу одной доминирующей матери-производительницы. [46] Вместо этого кооперативное размножение широко распространено среди бабушек и дедушек, а также молодых особей, которые, как правило, не конкурируют за возможности спаривания. [46] Этот межпоколенческий поток ресурсов подтверждает теорию мутуализма как эволюционного пути к кооперативному размножению у людей. [46]