Подкрепление — это процесс видообразования , при котором естественный отбор увеличивает репродуктивную изоляцию (далее разделяемую на презиготическую изоляцию и постзиготическую изоляцию ) между двумя популяциями видов. Это происходит в результате отбора, действующего против производства гибридных особей с низкой приспособленностью . Идея была первоначально разработана Альфредом Расселом Уоллесом и иногда упоминается как эффект Уоллеса . Современная концепция подкрепления берет свое начало от Феодосия Добжанского . Он представлял себе вид, разделенный аллопатрически , где во время вторичного контакта две популяции спариваются, производя гибриды с более низкой приспособленностью. Естественный отбор является результатом неспособности гибрида производить жизнеспособное потомство; таким образом, члены одного вида, которые не спариваются с членами другого, имеют больший репродуктивный успех. Это способствует эволюции большей презиготной изоляции (различия в поведении или биологии, которые препятствуют образованию гибридных зигот ). Подкрепление — один из немногих случаев, когда отбор может способствовать увеличению презиготической изоляции, напрямую влияя на процесс видообразования. [1] Этот аспект был особенно привлекателен среди эволюционных биологов. [2]
Поддержка подкрепления колебалась с момента его возникновения, а терминологическая путаница и различия в использовании на протяжении истории привели к многозначности и осложнениям. Эволюционные биологи выдвигали различные возражения относительно правдоподобности его появления. С 1990-х годов данные теории, экспериментов и природы преодолели многие из прошлых возражений, сделав подкрепление широко принятым, [3] : 354 хотя его распространенность в природе остается неизвестной. [4] [5]
Было разработано множество моделей для понимания его работы в природе, большинство из которых опирается на несколько аспектов: генетику , популяционные структуры, влияние отбора и брачное поведение. Эмпирическая поддержка подкрепления существует как в лабораторных условиях, так и в природе. Задокументированные примеры обнаружены у широкого спектра организмов: как позвоночных , так и беспозвоночных , грибов и растений. Вторичный контакт первоначально разделенных зарождающихся видов (начальная стадия видообразования) увеличивается из-за деятельности человека, такой как внедрение инвазивных видов или изменение естественной среды обитания . [6] Это имеет последствия для показателей биоразнообразия и может стать более актуальным в будущем. [6]
Подкрепление имеет сложную историю, поскольку его популярность среди ученых менялась с течением времени. [7] [8] Джерри Койн и Х. Аллен Орр утверждают, что теория подкрепления прошла три фазы исторического развития: [3] : 366
Иногда называемый эффектом Уоллеса, подкрепление было первоначально предложено Альфредом Расселом Уоллесом в 1889 году. [9] : 353 Его гипотеза заметно отличалась от современной концепции тем, что она была сосредоточена на постзиготической изоляции , усиленной групповым отбором . [10] [11] [3] : 353 Феодосий Добжанский был первым, кто дал подробное описание процесса в 1937 году, [3] : 353 хотя сам термин был придуман только в 1955 году У. Фрэнком Блэром . [12] В 1930 году Рональд Фишер изложил первое генетическое описание процесса подкрепления в «Генетической теории естественного отбора» , а в 1965 и 1970 годах были проведены первые компьютерные симуляции для проверки его правдоподобности. [3] : 367 Позднее были проведены популяционно-генетические [13] и количественные генетические [14] исследования, показавшие, что полностью неприспособленные гибриды однозначно приводят к увеличению презиготической изоляции. [3] : 367
Идея Добжанского получила значительную поддержку; он предположил, что она иллюстрирует последний шаг в видообразовании, например, после того, как аллопатрическая популяция вступает во вторичный контакт. [3] : 353 В 1980-х годах многие биологи-эволюционисты начали сомневаться в правдоподобности этой идеи, [3] : 353 основываясь не на эмпирических данных, а в основном на развитии теории, которая считала ее маловероятным механизмом репродуктивной изоляции. [2] В то время возник ряд теоретических возражений, которые рассматриваются в разделе «Аргументы против подкрепления» ниже.
К началу 1990-х годов популярность подкрепления среди эволюционных биологов возродилась; в первую очередь из-за внезапного увеличения данных — эмпирических доказательств из исследований в лабораториях и в основном примеров, найденных в природе. [3] : 354 Кроме того, компьютерное моделирование генетики и миграционных схем популяций обнаружило «что-то похожее на подкрепление». [3] : 372 Самая последняя теоретическая работа по видообразованию появилась в результате нескольких исследований (в частности, Лиу и Прайса, Келли и Нура , а также Киркпатрика и Серведио) с использованием очень сложных компьютерных симуляций; все они пришли к схожим выводам: подкрепление правдоподобно при нескольких условиях и во многих случаях проще, чем считалось ранее. [3] : 374
Существует путаница вокруг значения термина «подкрепление». [15] Впервые он был использован для описания наблюдаемых различий в брачных криках у лягушек Gastrophryne в пределах вторичной контактной гибридной зоны. [15] Термин «вторичный контакт» также использовался для описания подкрепления в контексте аллопатрически разделенной популяции, испытывающей контакт после потери географического барьера. [16] Эффект Уоллеса похож на подкрепление, но используется редко. [15] Роджер Батлин разграничил неполную постзиготическую изоляцию от полной изоляции, назвав неполную изоляцию подкреплением, а полностью изолированные популяции — испытывающими смещение репродуктивных признаков . [17] Дэниел Дж. Говард считал, что смещение репродуктивных признаков представляет собой либо ассортитивное спаривание , либо расхождение признаков для распознавания партнера (особенно между симпатрическими популяциями). [15] Подкрепление, согласно его определению, включало презиготическую дивергенцию и полную постзиготическую изоляцию. [18] Серведио и Нур включают любое обнаруженное увеличение презиготической изоляции в качестве подкрепления, если это является ответом на отбор против спаривания между двумя разными видами. [4] Койн и Орр утверждают, что «истинное подкрепление ограничивается случаями, в которых изоляция усиливается между таксонами, которые все еще могут обмениваться генами». [3] : 352
Одной из самых сильных форм репродуктивной изоляции в природе является половая изоляция: черты в организмах, включающие спаривание. [20] Эта модель привела к идее, что, поскольку отбор так сильно действует на черты спаривания, он может быть вовлечен в процесс видообразования. [20] Этот процесс видообразования, на который влияет естественный отбор, является подкреплением и может происходить при любом способе видообразования [3] : 355 ( например, географические способы видообразования или экологическое видообразование [21] ). Он требует двух сил эволюции, которые действуют на выбор партнера : естественный отбор и поток генов . [22] Отбор действует как основной двигатель подкрепления, поскольку он отбирает гибридные генотипы , которые имеют низкую приспособленность , независимо от того, влияют ли индивидуальные предпочтения на выживание и воспроизводство. [22] Поток генов действует как основная противодействующая сила подкреплению, поскольку обмен генами между особями, приводящий к гибридам, заставляет генотипы гомогенизироваться . [22]
Бутлин выделил четыре основных критерия для обнаружения подкрепления в естественных или лабораторных популяциях: [17]
После того, как происходит видообразование путем подкрепления, изменения после полной репродуктивной изоляции (и дальнейшей изоляции впоследствии) являются формой смещения репродуктивного признака . [23] Распространенным признаком возникновения подкрепления в природе является смещение репродуктивного признака ; характеристики популяции расходятся в симпатрии, но не в аллопатрии. [6] [5] Одна из трудностей в обнаружении заключается в том, что смещение экологического признака может приводить к тем же моделям. [24] Кроме того, поток генов может уменьшать изоляцию, обнаруженную в симпатрических популяциях. [24] Два важных фактора в результате процесса зависят от: 1) конкретных механизмов, которые вызывают презиготическую изоляцию, и 2) количества аллелей, измененных мутациями, влияющими на выбор партнера. [25]
В случаях перипатрического видообразования подкрепление вряд ли завершит видообразование в случае, если периферийно изолированная популяция вступит во вторичный контакт с основной популяцией. [26] При симпатрическом видообразовании требуется отбор против гибридов; поэтому подкрепление может играть определенную роль, учитывая эволюцию некоторой формы компромиссов приспособленности. [1] При симпатрии часто наблюдаются модели сильной дискриминации при спаривании, что приписывается подкреплению. [7] Считается, что подкрепление является агентом гаметической изоляции. [27]
Лежащая в основе генетика подкрепления может быть понята с помощью идеальной модели двух гаплоидных популяций, испытывающих увеличение неравновесия сцепления . Здесь отбор отвергает низкоприспособленные или аллельные комбинации , отдавая предпочтение комбинациям аллелей (в первой субпопуляции) и аллелей (во второй субпопуляции). Третий локус или (ассортитивные аллели спаривания) оказывают влияние на схему спаривания, но не находятся под прямым отбором. Если отбор при и вызывает изменения в частоте аллеля , ассортитивное спаривание поощряется, что приводит к подкреплению. Необходимы как отбор, так и ассортитивное спаривание, то есть спаривания и более распространены, чем спаривания и . [28] Ограничение миграции между популяциями может еще больше увеличить вероятность подкрепления, поскольку оно снижает вероятность обмена различными генотипами. [15]
Существует альтернативная модель для решения проблемы антагонизма рекомбинации , поскольку она может уменьшить связь между аллелями, которые связаны с приспособленностью, и аллелями ассортитивного спаривания, которые не связаны с приспособленностью. [15] Генетические модели часто различаются по количеству признаков, связанных с локусами ; [29] некоторые из них полагаются на один локус на признак [26] [30] [31] , а другие — на полигенные признаки. [23] [22] [32]
Структура и миграционные модели популяции могут влиять на процесс видообразования путем подкрепления. Было показано, что это происходит в островной модели, в условиях нечастых миграций, происходящих в одном направлении, [22] и в симметричных моделях миграции, где виды равномерно мигрируют туда и обратно между популяциями. [26] [30]
Подкрепление может также происходить в отдельных популяциях, [29] [23] мозаичных гибридных зонах (неравномерное распределение родительских форм и субпопуляций) [31] и в парапатрических популяциях с узкими контактными зонами. [33]
Плотность популяции является важным фактором подкрепления, часто в сочетании с вымиранием . [23] Возможно, что когда два вида вступают во вторичный контакт, одна популяция может вымереть — в первую очередь из-за низкой приспособленности гибридов , сопровождаемой высокими темпами роста популяции. [23] Вымирание менее вероятно, если гибриды нежизнеспособны, а не бесплодны , поскольку плодовитые особи все еще могут выживать достаточно долго, чтобы размножаться. [23]
Видообразование путем подкрепления напрямую зависит от отбора, способствующего увеличению презиготической изоляции, [1] и характер роли отбора в подкреплении широко обсуждался, с моделями, применяющими различные подходы. [29] Отбор, действующий на гибриды, может происходить несколькими различными способами. Все полученные гибриды могут быть равноценно низкоприспособленными, [23] что накладывает широкий недостаток. В других случаях отбор может благоприятствовать множественным и изменяющимся фенотипам [26], например, в случае мозаичной гибридной зоны. [31] Естественный отбор может действовать на определенные аллели как напрямую , так и косвенно. [29] [22] [34] При прямом отборе частота выбранного аллеля оказывается в экстремальных условиях. В случаях, когда аллель выбирается косвенно, его частота увеличивается из-за другого связанного аллеля, подвергающегося отбору ( неравновесие по сцеплению ). [15]
Состояние гибридов, находящихся под отбором, может играть роль в постзиготической изоляции, поскольку нежизнеспособность гибрида (гибрид неспособен созреть во взрослую особь) и стерильность (неспособность полностью произвести потомство) запрещают поток генов между популяциями. [7] Отбор против гибридов может даже быть вызван любой неудачей в получении партнера, поскольку это фактически неотличимо от стерильности — каждое обстоятельство приводит к отсутствию потомства. [7]
Для возникновения подкрепления должно присутствовать некоторое первоначальное расхождение в предпочтениях партнера. [7] [23] [35] Любые черты, способствующие изоляции, могут подвергаться подкреплению, такие как сигналы спаривания ( например, демонстрация ухаживания ), ответные сигналы , местоположение мест размножения , время спаривания ( например, сезонное размножение , например, при аллохронном видообразовании ) или даже восприимчивость к яйцам. [15] Особи также могут дискриминировать партнеров, которые отличаются по различным признакам, таким как призыв к спариванию или морфология . [36] Многие из этих примеров описаны ниже.
Доказательства подкрепления получены из наблюдений в природе, сравнительных исследований и лабораторных экспериментов. [3] : 354
Подкрепление может быть показано как происходящее (или имевшее место в прошлом) путем измерения силы презиготической изоляции в симпатрической популяции по сравнению с аллопатрической популяцией того же вида. [3] : 357 Сравнительные исследования этого позволяют определить крупномасштабные закономерности в природе в различных таксонах. [3] : 362 Схемы спаривания в гибридных зонах также могут быть использованы для обнаружения подкрепления. [18] Смещение репродуктивных признаков рассматривается как результат подкрепления, [7] поэтому многие случаи в природе выражают эту закономерность в симпатрии. Повсеместность подкрепления неизвестна, [4] но закономерности смещения репродуктивных признаков обнаруживаются в многочисленных таксонах и считаются обычным явлением в природе. [18] Исследования подкрепления в природе часто оказываются сложными, поскольку можно утверждать альтернативные объяснения обнаруженных закономерностей. [3] : 358 Тем не менее, существуют эмпирические доказательства того, что подкрепление происходит в различных таксонах [7] , и его роль в ускорении видообразования неоспорима. [15]
Ожидается, что ассортитивное спаривание увеличится среди симпатрических популяций, испытывающих подкрепление. [15] Этот факт позволяет проводить прямое сравнение силы презиготической изоляции при симпатрии и аллопатрии между различными экспериментами и исследованиями. [3] : 362 Койн и 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, коррелируя с возрастом вида. [3] : 362 Кроме того, сила постзиготической изоляции не различалась между симпатрическими и аллопатрическими парами. [15] Это открытие подтверждает предсказания видообразования путем подкрепления и хорошо коррелирует с более поздним исследованием [18] , которое обнаружило 33 исследования, выражающих модели сильной презиготической изоляции при симпатрии . [3] : 363 Исследование темпов видообразования у рыб и связанных с ними гибридных зон выявило схожие закономерности в симпатрии, подтверждающие существование подкрепления. [38]
Лабораторные исследования, которые явно проверяют подкрепление, ограничены, [3] : 357 , при этом многие эксперименты проводились на плодовых мушках Drosophila . В целом, были проведены два типа экспериментов: с использованием искусственного отбора для имитации естественного отбора, который устраняет гибриды (часто называемого «уничтожить гибриды»), и с использованием разрушительного отбора для выбора признака (независимо от его функции в половом размножении). [3] : 355–357 Многие эксперименты с использованием техники уничтожения гибридов обычно цитируются как поддерживающие подкрепление; однако некоторые исследователи, такие как Койн и Орр и Уильям Р. Райс и Эллен Э. Хостерт, утверждают, что они на самом деле не моделируют подкрепление, поскольку поток генов полностью ограничен между двумя популяциями. [39] [3] : 356
Были предложены различные альтернативные объяснения закономерностей, наблюдаемых в природе. [3] : 375 Не существует единого, всеобъемлющего признака подкрепления; однако, есть две предложенные возможности: [3] : 379 половая асимметрия (когда самки в симпатрических популяциях вынуждены становиться разборчивыми перед лицом двух разных самцов) [40] и аллельное доминирование : любой из аллелей, подвергающихся отбору на изоляцию, должен быть доминантным. [7] Хотя эта сигнатура не полностью учитывает вероятности фиксации или смещение экологического признака . [3] : 380 Койн и Орр расширяют признак половой асимметрии и утверждают, что, независимо от изменений, наблюдаемых у самок и самцов в симпатрии, изоляция в большей степени обусловлена самками. [3] : 380
Экология также может играть роль в наблюдаемых закономерностях — так называемом экологическом смещении характера. Естественный отбор может приводить к сокращению перекрытия ниш между видами вместо того, чтобы действовать для уменьшения гибридизации [3] : 377 Хотя один эксперимент на колюшке , который явно проверял эту гипотезу, не нашел никаких доказательств. [41]
Взаимодействия видов также могут приводить к смещению репродуктивных признаков (как в предпочтении партнера, так и в сигнале спаривания). [20] Примерами служат давление хищников и конкуренции, паразиты , обманное опыление и мимикрия . [20] Поскольку эти и другие факторы могут приводить к смещению репродуктивных признаков, Конрад Дж. Хоскин и Меган Хигги приводят пять критериев подкрепления, которые следует различать между экологическими и этологическими влияниями:
(1) признаки спаривания идентифицированы в фокусном виде; (2) признаки спаривания зависят от взаимодействия видов, так что выбор по признакам спаривания вероятен; (3) взаимодействия видов различаются между популяциями (присутствуют или отсутствуют, или разные взаимодействия видов влияют на признаки спаривания в каждой популяции); (4) признаки спаривания (сигнал и/или предпочтение) различаются между популяциями из-за различий во взаимодействиях видов; (5) видообразование требует показать, что расхождение признаков спаривания приводит к полной или почти полной половой изоляции между популяциями. Результаты будут наиболее информативными в хорошо разрешенной биогеографической обстановке, где известны взаимоотношения и история между популяциями. [20]
Вполне возможно, что модель усиленной изоляции может быть просто временным результатом вторичного контакта, когда два аллопатрических вида уже имеют различный диапазон презиготической изоляции: некоторые демонстрируют больше, чем другие. [42] Те, у которых презиготическая изоляция слабее, в конечном итоге сольются, потеряв свою отличительность. [7] Эта гипотеза не объясняет тот факт, что отдельные виды в аллопатрии, испытывающие постоянный поток генов, не будут отличаться по уровню потока генов при вторичном контакте. [7] [43] Более того, модели, обнаруженные у Drosophila, обнаруживают высокие уровни презиготической изоляции при симпатрии, но не при аллопатрии. [44] Гипотеза слияния предсказывает, что сильная изоляция должна быть обнаружена как при аллопатрии, так и при симпатрии. [44] Считается, что этот процесс слияния происходит в природе, но не полностью объясняет модели, обнаруженные при подкреплении. [3] : 376
Вполне возможно, что сам процесс симпатрического видообразования может приводить к наблюдаемым моделям подкрепления. [3] : 378 Одним из методов различения этих двух методов является построение филогенетической истории вида, поскольку сила презиготической изоляции между группой родственных видов должна различаться в зависимости от того, как они видообразовались в прошлом. [45] Два других способа определить, происходит ли подкрепление (в отличие от симпатрического видообразования):
В процессе сбегания (не похожем на сбегающий отбор по Фишеру ), отбор против гибридов с низкой приспособленностью благоприятствует ассортитивному спариванию, быстро увеличивая дискриминацию партнеров. [7] [44] Кроме того, когда существует низкая стоимость предпочтений самок в отношении партнеров, могут возникнуть изменения в фенотипах самцов, выражающие модель, идентичную модели смещения репродуктивных признаков. [48] Постзиготическая изоляция не нужна, инициируется просто тем фактом, что неприспособленные гибриды не могут получить партнеров. [7]
Было выдвинуто несколько возражений, в основном в 1980-х годах, в которых утверждалось, что подкрепление неправдоподобно. [7] [20] [3] : 369 Большинство из них опираются на теоретические работы, которые предполагают, что антагонизм между силами естественного отбора и потоком генов является наибольшим препятствием для его осуществимости. [3] : 369–372 Эти возражения с тех пор в значительной степени опровергаются свидетельствами природы. [18] [3] : 372
Опасения по поводу того, что гибридная приспособленность играет роль в подкреплении, привели к возражениям, основанным на связи между отбором и рекомбинацией. [5] [3] : 369 То есть, если поток генов не равен нулю (если гибриды не полностью непригодны), отбор не может управлять фиксацией аллелей для презиготической изоляции. [28] Например: Если популяция имеет презиготический изолирующий аллель и высокую приспособленность, постзиготические аллели и ; и популяция имеет презиготический аллель a и высокую приспособленность, постзиготические аллели и , оба и генотипы будут испытывать рекомбинацию перед лицом потока генов. Каким-то образом популяции должны поддерживаться. [3] : 369
Кроме того, определенные аллели, которые имеют селективное преимущество в перекрывающихся популяциях, полезны только в этой популяции. [49] Однако, если они селективно выгодны, поток генов должен позволить аллелям распространиться по обеим популяциям. [49] Чтобы предотвратить это, аллели должны быть вредными или нейтральными. [3] : 371 Это не лишено проблем, поскольку поток генов из предположительно больших аллопатрических регионов может переполнить область, когда две популяции перекрываются. [3] : 371 Для того, чтобы подкрепление работало, поток генов должен присутствовать, но очень ограниченный. [26] [31]
Недавние исследования показывают, что подкрепление может происходить в более широком диапазоне условий, чем считалось ранее [29] [46] [3] : 372–373 , и что эффект потока генов может быть преодолен путем отбора. [50] [51] Например, два вида Drosophila santomea и D. yakuba на африканском острове Сан-Томе иногда скрещиваются друг с другом, что приводит к появлению плодовитого женского потомства и стерильного мужского потомства. [50] Эта естественная обстановка была воспроизведена в лаборатории, напрямую моделируя подкрепление: удаление некоторых гибридов и допущение различных уровней потока генов. [51] Результаты эксперимента убедительно свидетельствуют о том, что подкрепление работает в различных условиях, при этом эволюция половой изоляции возникает через 5–10 поколений плодовой мушки. [51]
В сочетании с гипотезой слияния подкрепление можно рассматривать как гонку против слияния и вымирания. [42] Производство неприспособленных гибридов фактически то же самое, что и невыгодное положение гетерозиготы ; при этом отклонение от генетического равновесия приводит к потере непригодного аллеля. [52] Этот эффект приведет к вымиранию одной из популяций. [53] Это возражение преодолевается, когда обе популяции не подвергаются одинаковым экологическим условиям. [3] : 370 Хотя вымирание одной популяции все еще возможно, и это было показано в популяционных симуляциях. [54] Для того, чтобы произошло подкрепление, презиготическая изоляция должна произойти быстро. [3] : 370
{{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 ){{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)