Коинофилия — эволюционная гипотеза, предполагающая, что во время полового отбора животные предпочитают искать партнёров с минимальным количеством необычных или мутантных признаков, включая функциональность, внешний вид и поведение. [1] [2] [3] [4] [5] [6] Коинофилия призвана объяснить объединение половых организмов в виды и другие проблемы, описанные дилеммой Дарвина . [3] [4] [5] Термин происходит от греческого слова koinos, означающего «общий» или «то, что разделено», и philia , означающего «любовь».
Естественный отбор приводит к тому, что полезные унаследованные признаки становятся более распространенными за счет их невыгодных аналогов. Гипотеза койнофилии предполагает, что, следовательно, следует ожидать, что размножающееся половым путем животное будет избегать особей с редкими или необычными признаками и предпочтет спариваться с особями, демонстрирующими преобладание общих или средних признаков. [2] [3] Мутанты с особыми признаками будут избегаться, поскольку большинство мутаций, которые проявляются как изменения во внешности, функциональности или поведении, являются невыгодными. [7] Поскольку невозможно судить, полезна ли новая мутация (или может ли быть выгодной в непредсказуемом будущем) или нет, койнофильные животные избегают их всех, ценой избегания очень редких потенциально полезных мутаций. [8] Таким образом, койнофилия, хотя и не является непогрешимой в своей способности отличать подходящих партнеров от неподходящих, является хорошей стратегией при выборе партнера . Койнофильный выбор гарантирует, что потомство, скорее всего, унаследует набор черт и качеств, которые хорошо служили всем членам вида в прошлом. [3]
Коинофилия отличается от модели спаривания «подобное предпочитает подобное» ассортативного спаривания . [9] [10] Если бы подобное предпочитало подобное, лейкистские животные (например, белые павлины) были бы сексуально привлекательны друг для друга, и возник бы лейкистский подвид. Коинофилия предсказывает, что это маловероятно, потому что лейкистские животные привлекаются к среднему так же, как и все другие члены его вида. Поскольку нелейкистские животные не привлекаются лейкизмом, немногие лейкистские особи находят себе пару, и лейкистские линии будут образовываться редко.
Коинофилия дает простые объяснения почти универсальной канализации половых существ в виды, [3] [4] [5] редкости переходных форм между видами (как между существующими, так и ископаемыми видами), [3] [4] эволюционного застоя , прерывистого равновесия , [3] [4] [5] и эволюции кооперации . [11] [12] Коинофилия также может способствовать поддержанию полового размножения , предотвращая его возврат к гораздо более простой бесполой форме размножения . [13] [14]
Гипотеза койнофилии подтверждается открытиями Джудит Ланглуа и ее коллег. [2] [15] [16] [17] Они обнаружили, что среднее значение двух человеческих лиц было более привлекательным, чем любое из лиц, из которых это среднее значение было получено. [18] Чем больше лиц (одного пола и возраста) использовалось в процессе усреднения, тем более привлекательным и притягательным становилось среднее лицо. [19] Эта работа по усреднению [2] [15] [16] [20] поддерживает койнофилию как объяснение того, что составляет красивое лицо. [17] [21] [22]
Биологи, начиная с Дарвина [23], ломали голову над тем, как эволюция создает виды , взрослые особи которых выглядят необычайно похожими и отчетливо отличаются от особей других видов. Например, львы и леопарды являются крупными плотоядными животными, которые обитают в одной и той же среде обитания и охотятся на одну и ту же добычу, но выглядят совершенно по-разному. Вопрос в том, почему не существует промежуточных особей. [7] [24]
Это «горизонтальное» измерение двумерной проблемы, [28] [29] относящееся к почти полному отсутствию переходных или промежуточных форм между современными видами (например, между львами, леопардами и гепардами). [24] [30] [31]
«Вертикальное» измерение касается летописи окаменелостей. Виды ископаемых часто удивительно стабильны в течение чрезвычайно длительных периодов геологического времени, несмотря на континентальный дрейф, крупные изменения климата и массовые вымирания. [32] [33] [34] Когда происходит изменение формы, оно, как правило, резкое в геологическом плане, снова создавая фенотипические пробелы (т. е. отсутствие промежуточных форм), но теперь между последовательными видами, которые затем часто сосуществуют в течение длительных периодов времени. Таким образом, летопись окаменелостей предполагает, что эволюция происходит всплесками, перемежающимися длительными периодами эволюционного застоя в так называемых прерывистых равновесиях . [32] Почему это так, было эволюционной загадкой с тех пор, как Дарвин впервые осознал эту проблему . [23] [34] [35]
Коинофилия могла бы объяснить как горизонтальные, так и вертикальные проявления видообразования , и почему она, как правило, затрагивает весь внешний вид соответствующих животных. [3] [4] [5] Поскольку коинофилия влияет на весь внешний вид, члены скрещивающейся группы стремятся выглядеть одинаково в каждой детали. [25] [36] Каждая скрещивающаяся группа быстро выработает свой собственный характерный внешний вид. [5] Особь из одной группы, которая забредает в другую группу, будет, следовательно, признана иной и будет подвергаться дискриминации во время брачного сезона. Репродуктивная изоляция, вызванная коинофилией, может, таким образом, стать первым решающим шагом в развитии, в конечном счете, физиологических, анатомических и поведенческих барьеров для гибридизации и, таким образом, в конечном счете, полного видового статуса. Койнофилия впоследствии будет защищать внешний вид и поведение этого вида от вторжения необычных или незнакомых форм (которые могут возникнуть в результате иммиграции или мутации) и, таким образом, станет парадигмой прерывистого равновесия (или «вертикального» аспекта проблемы видообразования). [3] [4]
Эволюция может быть чрезвычайно быстрой, как показывает создание одомашненных животных и растений за очень короткий период геологического времени, охватывающий всего несколько десятков тысяч лет, людьми с небольшими или нулевыми знаниями в области генетики. Кукуруза , Zea mays , например, была создана в Мексике всего за несколько тысяч лет, начиная примерно с 7 000 до 12 000 лет назад. [37] Это поднимает вопрос о том, почему долгосрочная скорость эволюции намного медленнее, чем теоретически возможно. [7] [32] [34] [38]
Эволюция навязывается видам или группам. Она не планируется и не стремится к ней каким-то ламаркистским образом. [39] [40] Мутации, от которых зависит этот процесс, являются случайными событиями, и, за исключением « молчаливых мутаций », которые не влияют на функциональность или внешний вид носителя, обычно невыгодны, и их шанс оказаться полезными в будущем исчезающе мал. Поэтому, хотя вид или группа могут выиграть, будучи способными адаптироваться к новой среде посредством накопления широкого спектра генетических вариаций, это идет в ущерб индивидуумам, которым приходится нести эти мутации, пока небольшое, непредсказуемое меньшинство из них в конечном итоге не внесет свой вклад в такую адаптацию. Таким образом, способность к эволюции является групповой адаптацией , которая была дискредитирована, среди прочих, Джорджем К. Уильямсом , [41] Джоном Мейнардом Смитом [42] и Ричардом Докинзом . [43] [44] [45] [46] потому что это не идет на пользу индивидууму.
Следовательно, можно было бы ожидать, что половые особи будут избегать передачи мутаций своему потомству, избегая партнеров со странными или необычными характеристиками. [1] [2] [3] [5] Мутации, которые таким образом влияют на внешний вид и привычки их носителей, будут редко передаваться следующим и последующим поколениям. Поэтому они редко будут проверяться естественным отбором. Эволюционные изменения в большой популяции с широким выбором партнеров, таким образом, придут к фактическому останову. Единственные мутации, которые могут накапливаться в популяции, - это те, которые не оказывают заметного влияния на внешний вид и функциональность их носителей (таким образом, они называются « молчаливыми » или « нейтральными мутациями »).
Сдерживание, которое коинофилия оказывает на фенотипические изменения , предполагает, что эволюция может происходить только в том случае, если нельзя избежать мутантных партнеров из-за острой нехватки потенциальных партнеров. Это, скорее всего, происходит в небольших ограниченных сообществах , таких как небольшие острова, отдаленные долины, озера, речные системы, пещеры [9] или в периоды оледенения [47] или после массовых вымираний , когда можно ожидать внезапных всплесков эволюции. [48] При таких обстоятельствах не только выбор партнеров сильно ограничен, но и узкие места популяции , эффекты основателя , генетический дрейф и инбридинг вызывают быстрые случайные изменения в генетическом составе изолированной популяции. [9] Более того, гибридизация с родственным видом, попавшим в тот же изолят, может внести дополнительные генетические изменения. [49] [50] Если изолированная популяция, такая как эта, переживет свои генетические потрясения и впоследствии расширится в незанятую нишу или в нишу, в которой она имеет преимущество перед своими конкурентами, то возникнет новый вид или подвид. В геологических терминах это будет внезапным событием. Возобновление избегания мутантных партнеров впоследствии снова приведет к эволюционному застою.
Таким образом, ископаемая летопись эволюционного прогресса обычно состоит из видов, которые внезапно появляются и в конечном итоге исчезают сотни тысяч или миллионы лет спустя, без каких-либо изменений во внешнем виде. [33] [35] [48] [51] Графически эти ископаемые виды представлены горизонтальными линиями, длина которых показывает, как долго каждый из них существовал. Горизонтальность линий иллюстрирует неизменный внешний вид каждого из ископаемых видов, изображенных на графике. В течение существования каждого вида новые виды появляются через случайные интервалы, каждый из которых также существует много сотен тысяч лет, прежде чем исчезнуть без изменения внешнего вида. Степень родства и линии происхождения этих параллельных видов, как правило, невозможно определить. Это проиллюстрировано на следующей диаграмме, изображающей эволюцию современных людей с того времени, как гоминины отделились от линии, которая привела к эволюции наших ближайших ныне живущих родственников-приматов, шимпанзе . [51]
Это предложение о том, что узкие места в популяции , возможно, являются основными генераторами вариаций, которые подпитывают эволюцию, предсказывает, что эволюция обычно будет происходить прерывистыми, относительно крупномасштабными морфологическими шагами, перемежающимися с длительными периодами эволюционного застоя, [52] а не непрерывной серией тонко градуированных изменений. [53] Однако оно делает еще одно предсказание. [4] Дарвин подчеркивал, что общие биологически бесполезные странности и несоответствия, характерные для вида, являются признаками эволюционной истории — чего нельзя было бы ожидать, если бы крыло птицы, например, было спроектировано de novo , как утверждают его противники. [54] Текущая модель предсказывает, что в дополнение к остаткам, которые отражают эволюционное наследие организма, все члены данного вида также будут нести на себе печать своего изоляционного прошлого — произвольные, случайные черты, накопленные посредством эффектов основателя , генетического дрейфа и других генетических последствий полового размножения в небольших изолированных сообществах . [4] [55] Таким образом, все львы, африканские и азиатские, имеют весьма характерный черный пучок меха на конце хвоста, который трудно объяснить с точки зрения адаптации или как рудимент от раннего кошачьего или более древнего предка. Уникальное, часто богатое цветом и узором оперение каждого из сегодняшних многочисленных видов птиц представляет собой похожую эволюционную загадку. Этот богато разнообразный набор фенотипов легче объяснить как продукты изолятов, впоследствии защищенных койнофилией, чем как совокупности очень разнообразных эволюционных реликтов или как наборы уникально развившихся адаптаций.
Сотрудничество — это любое групповое поведение, которое приносит отдельным лицам большую пользу, чем если бы они действовали как независимые агенты.
Однако эгоистичные особи могут эксплуатировать кооперативность других, не принимая участия в групповой деятельности, но все же наслаждаясь ее преимуществами. Например, эгоистичная особь, которая не присоединяется к охотничьей стае и не разделяет ее риски, но тем не менее разделяет добычу, имеет преимущество в приспособленности перед другими членами стаи. Таким образом, хотя группа кооперативных особей более приспособлена, чем эквивалентная группа эгоистичных особей, эгоистичные особи, разбросанные среди сообщества кооператоров, всегда более приспособлены, чем их хозяева. Они будут воспитывать, в среднем, больше потомства, чем их хозяева, и в конечном итоге заменят их. [43] [44] [45] [46]
Однако если эгоистичные особи подвергаются остракизму и отвергаются как партнеры из-за их девиантного и необычного поведения, то их эволюционное преимущество становится эволюционной помехой. [3] Тогда сотрудничество становится эволюционно стабильным . [11] [12]
Наиболее документированные создания новых видов в лабораторных условиях были выполнены в конце 1980-х годов. Уильям Райс и Г. В. Солт разводили плодовых мушек Drosophila melanogaster , используя лабиринт с тремя различными вариантами среды обитания, такими как свет/тьма и влажный/сухой. Каждое поколение помещалось в лабиринт, и группы мух, вышедшие из двух из восьми выходов, были разделены для размножения друг с другом в своих соответствующих группах. После тридцати пяти поколений две группы и их потомство были изолированы репродуктивно из-за их сильных предпочтений в отношении среды обитания: они спаривались только в тех областях, которые они предпочитали, и поэтому не спаривались с мухами, которые предпочитали другие области. [56] История таких попыток описана в работе Райса и Хостерта (1993). [57] [58]
Дайан Додд использовала лабораторный эксперимент, чтобы показать, как репродуктивная изоляция может развиваться у плодовых мушек Drosophila pseudoobscura в течение нескольких поколений, помещая их в разные среды на основе крахмала или мальтозы. [59]
Эксперимент Додда было легко повторить многим другим, в том числе с другими видами плодовых мушек и продуктами питания. [60]
Черная ворона ( Corvus corone ) и серая ворона ( Corvus cornix ) — два близкородственных вида, географическое распространение которых по Европе показано на прилагаемой диаграмме. Считается, что это распространение могло быть результатом циклов оледенения во время плейстоцена , что привело к разделению родительской популяции на изоляты, которые впоследствии вновь расширили свои ареалы, когда климат потеплел, вызвав вторичный контакт. [47] [61] Джелмер В. Поэлстра и его коллеги секвенировали почти все геномы обоих видов в популяциях на разных расстояниях от зоны контакта и обнаружили, что эти два вида были генетически идентичны как по своей ДНК, так и по ее экспрессии (в форме РНК), за исключением отсутствия экспрессии небольшой части (<0,28%) генома (расположенной на птичьей хромосоме 18) у серой вороны, что придает более светлую окраску оперения на ее туловище. [47] Таким образом, два вида могут жизнеспособно гибридизироваться, и иногда делают это в зоне контакта, но полностью черные черные вороны на одной стороне зоны контакта спариваются почти исключительно с другими полностью черными черными воронами, в то время как то же самое происходит среди серых ворон на другой стороне зоны контакта. Поэтому ясно, что только внешний вид двух видов препятствует гибридизации. [47] [61] Авторы приписывают это ассортативному спариванию , преимущество которого неясно, и оно привело бы к быстрому появлению потоков новых линий и, возможно, даже видов, посредством взаимного притяжения между мутантами. Унникришнан и Ахила [62] предлагают вместо этого, что коинофилия является более точным объяснением сопротивления гибридизации через зону контакта, несмотря на отсутствие физиологических, анатомических или генетических барьеров для такой гибридизации.
Уильям Б. Миллер [5] в недавнем обширном обзоре теории койнофилии (2013 г.) отмечает, что, хотя она дает точные объяснения группировки половых животных в виды, их неизменной устойчивости в палеонтологической летописи в течение длительных периодов времени и фенотипических разрывов между видами, как ископаемыми, так и существующими, она представляет собой серьезное отступление от широко распространенного мнения о том, что полезные мутации распространяются, в конечном счете, на всю популяцию или ее часть (заставляя ее эволюционировать ген за геном). [63] [64] Дарвин признавал, что этот процесс не имеет врожденной или неизбежной склонности к производству видов. [24] [23] Вместо этого популяции будут находиться в постоянном состоянии перехода как во времени, так и в пространстве . [24] [23] В любой момент времени они будут состоять из особей с различным количеством полезных характеристик, которые могли или не могли достичь их из различных точек их происхождения в популяции, а нейтральные характеристики будут иметь разброс, определяемый случайными механизмами, такими как генетический дрейф . [65] [66] [67]
Он также отмечает, что койнофилия не дает объяснения тому, как возникают физиологические, анатомические и генетические причины репродуктивной изоляции. Койнофилия касается только поведенческой репродуктивной изоляции . Кроме того, трудно понять, как койнофилия может применяться к растениям и некоторым морским существам, которые выбрасывают свои гаметы в окружающую среду, чтобы встретиться и слиться, по-видимому, совершенно случайно (в пределах конспецифичных границ). Однако, когда пыльца от нескольких совместимых доноров используется для опыления стигматов, доноры, как правило, не производят равное количество семян. [68] Маршалл и Диггл утверждают, что существование некоторого рода неслучайного отцовства семян, на самом деле, не вызывает сомнений у цветковых растений. Как это происходит, остается неизвестным. Выбор пыльцы является одной из возможностей, [68] принимая во внимание, что 50% гаплоидного генома пыльцевого зерна экспрессируется во время роста его трубки к семяпочке. [69]
Очевидное предпочтение самками некоторых видов, особенно птиц, преувеличенных мужских украшений , таких как павлиний хвост, [7] [70] [71] нелегко согласовать с концепцией койнофилии.
Фенотипические различия между черными и серыми воронами в зоне гибридизации в Европе вряд ли вызваны ассортативным скрещиванием.- Комментарий Мажуванчерри К. Унникришнана и Х.С. Ахилы.