Формирование аллозимной изменчивости в популяциях млекопитающих

Милишников, Александр Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Формирование аллозимной изменчивости в популяциях млекопитающих
ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Формирование аллозимной изменчивости в популяциях млекопитающих"

На правах рукописи

милишников

Александр Николаевич

ФОРМИРОВАНИЕ АЛЛОЗИМНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ПОПУЛЯЦИЯХ

МЛЕКОПИТАЮЩИХ

03.00.08 - зоология 03.00.15 - генетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва 2006

Работа выполнена в лаборатории проблем микроэволюции и доместикации млекопитающих Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

ГОРДЕЕВ Михаил Иванович

доктор биологических наук, профессор

ПАНОВ Евгений Николаевич

доктор биологических наук, ЛЯПУНОВА Елена Алексеевна

Ведущая организация:

Томский государственный университет

Защита диссертации состоится 3 октября 2006 года в 14.часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.213.01 в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН по адресу: 119071 Москва, Ленинский проспект, д. 33

факс: (495) 954-55-34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения общей биологии РАН

Автореферат разослан «_ »_£ £ 2006 г.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Обнаружение невероятно большого запаса скрытой белково-генетической (аллозимной) изменчивости в природных популяциях (Habby, Levontin, 1966, Levontin, Habby, 1966, Harris, 1966) сразу же породило ряд вопросов, однозначного ответа на которые нет до сих пор. Для чего эта изменчивость популяциям нужна? Каким образом она формируется и поддерживается? Какая часть генотипической изменчивости служит основой адаптивной эволюции?

При установлении связи наблюдаемой у видов изменчивости с их таксономической принадлежностью, размахом ареала, зональностью, общей численностью, экологической специализацией, социальной структурой и другими параметрами (Nei, 1972, Powell, 1975, Ayala, 1976, Nevo et al., 1978), были выявлены лишь общие тенденции, так как сопоставления проводились для крупных таксономических единиц и широких эколого-биологических категорий. Открывшаяся возможность нового биохимического метода позволила доказать универсальность явления подразделенности популяций, тщательно исследовать механизм, обеспечивающий стабильное существование и воспроизводство популяций в длительном ряду поколений (Алтухов, Рычков, 1970, Алтухов, Победоносцева, 1978, Алтухов, Бернашевская, 1978, Бланк, Алтухов, 1992, Алтухов, 1995, Животовский и др., 1996, Рычков, Балановская, 1992). Развитие ашюзимного анализа в исследованиях природных популяций подняло на новую ступень и дискуссию о роли отбора в поддержании белкового полиморфизма, его адаптивном значении в эволюции. С одной стороны, накопились доказательства того, что белковый полиморфизм в популяциях имеет селективное значение и поддерживается балансирующим отбором (Mitton, Grant, 1984, Nevo, Beiles, 1988, Altukhov, 1991, Mitton, 1997). С другой - стало ясно, что адаптивность белкового полиморфизма далеко не однозначна. Пришло понимание того, что генофонд популяции представляет собой сложившуюся интегрированную систему, в которой нет случайных комбинаций генов (Левонтин, 1978), а балансирующий отбор формирует в популяциях "адаптивную норму" - совокупность разнообразных, наиболее приспособленных «средних» фенотипов (Dobzhansky, 1955, Алтухов, 1984, 1989).В дальнейшем было показано, что существует единство морфо-физиологической нормы и оптимума генетического разнообразия популяций, которое обеспечивает им широкую неспецифическую устойчивость в варьирующей среде и поддержание путем отбора того уровня гетероз иготности, который связан с оптимальным «средним» фенотипом (Алтухов, Курбатова, 1990, Дуброва и др., 1990, Малюченко, Алтухов, 2002).

Одновременно получила новое развитие идея неадаптивного (нейтрального) популяционного полиморфизма (Четвериков, 1926), представленная вначале как гипотеза

нейтральных мутаций (Kimura, Otha, 1971а,Ъ), а затем и как гипотеза недарвиновской эволюции (King, Jules, 1969, Yamazaki, Maruyama, 1972, Кимура, 1985). Однако ограничения и условия, имевшиеся в предложенной неоклассической нейтралистской теории, были неадекватны реальности и, вследствие этого, не всегда объясняли причины эволюционной дивергенции видов и, тем более, механизмы формирования генной изменчивости в популяциях. Все это привело к тому, что различные Предположения относительно характера протекающего в популяциях отбора, приводили к различным предсказаниям уровня их гетерозиготности и к различным объяснениям видообразования. Эту ситуацию, отражающую непредсказуемость изменчивости природных популяций и неопределенность нашего объяснения ее природы, Р. Левонтин назвал "парадоксом изменчивости" (Левонтан, 1978).

Между тем, важнейшее общебиологическое направление, изучающее механизмы поддержания динамического равновесия между пространственно-этологической структурой популяций и средой (Наумов, 1967, Шилов, 1967, 1977, Шварц, 1967, Winne-Edwards, 1962, Панов, 1983, Шилова, 1993, Громов, 2000, Щипанов, 2001), оставалось практически вне поля зрения генетнков-популяционистов. В то же время зоологи и генетики, оперируя различными причинными факторами, часто приходили к одним и тем же результатам. Стало очевидным, что социальная и пространственно-этологическая организация популяций, определяющая в них динамику - численности, половозрастной состав, репродуктивную стратегию, дифференциальную смертность и другие параметры, определяет в них и популяционно-генетическую структуру, и динамику генотипической изменчивости, и формирование оптимальных фенотипов. Учет этого обстоятельства позволяет намного шире охватить круг причинно-следственных явлений, формирующих структуру изменчивости популяций, и направить усилия генетиков не на поиски общих закономерностей изменчивости видов, а на всестороннее изучение самих популяций во всем многообразии их экологических, пространственно-этологических, генотипических, исторических и других характеристик. Такая постановка проблемы предполагает, что аллозимный анализ природных популяций не только не исчерпан, ко и актуален. Это особое направление в изучении популяциоиной генетики может стать связующим звеном двух уровней изучения популяций и видов -филогенетического, геногеографического и эволюционного с одной стороны, и внутрипопуляционного, выявляющего тонкие механизмы формирования генной изменчивости популяций и их адаптации - с другой.

Какие же вопросы еще не решены или только начинают осознаваться в качестве актуальных? Прежде всего, остается мало изученной причинная связь генной изменчивости популяций с их экологией, популяционно-генетической структуры вида с его социальной организацией и поведенческими характеристиками. Практически совсем не понятно, какова

доля,древнего и эволюпионно нового полиморфизма в генофонде современных популяций и насколько может быть отражено в их генетической структуре и изменчивости влияние геоклиматических и других факторов прошедшей эволюции. До сих пор нет ясности в вопросе о причинах неравномерности темпов морфологической, хромосомной и белковой эволюции видов; Актуальным вопросом по-прежнему остается оценка адаптационного потенциала популяций. Крайне актуальной является и проблема спасения исчезающих видов. При хорошо разработанном регламенте их охраны (Кодекс практических мер..., 1992), пока нет достаточно четких критериев определения минимального размера жизнеспособной популяции и ее эффективной численности. Не совсем понятно, какие свойства вида могут быть утеряны необратимо, а какие сохранены при катастрофическом снижении и последующем восстановлении его численности, а также чем принципиально может отличаться «спасенный» реинтродуцированный вид от прежнего нативного вида. Очевидно, что от решения этих вопросов во многом зависит вьфаботка правильной стратегии и тактики соответствующих природоохранных мероприятий.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей работы является выявление связи аллозимной изменчивости популяций с их биологическими характеристиками, средой обитания, происхождением и эволюционной историей.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: ' 1. Провести сравнительный анализ уровня и разнообразия аллозимной изменчивости- в популяциях различных таксономических групп грызунов и сформулировапа_принципы ограничения белковой диагностики видов.

генофонде популяций для установления их происхождения.

3. Исследовать механизмы формирования аллозимной изменчивости у относительно экологически специализированных видов из различных климатических зон.

4. Проанализировать возможные причины неравномерности морфологической и белковой дивергенции видов в связи их происхождением, разнообразием занимаемых ими биотопов и характером адаптивных процессов.

5. Описать возможный механизм формирования микрогеографической подразделенности в популяциях, подвергшихся локальной изоляции в период плейстоценового оледенения.

6. Описать структуру аллозимной изменчивости автохтонных и реинтрппуттираванных популяций европейского бобра и выявить главные Факторы ф^ртчиргдання—в- них

2. Доказать возможность

нового полиморфизма в

Научная новизна работы. Описана генная изменчивость и проведена биохимическая дифференциация 31 вида грызунов из 7 семейств. V бопьтттинства исследованных видов ^озиммя_и^юызивое1Ь_Дписана ^первые. Создан единый информационный массив данных, включающий в себя аллелофонд 39 популяций 8 видов домовых мышей (Mus muscuhts L.) Старого и Нового Света. Доказано, что видоспецифичные аллели домовыхзшпщй_имеют^не

абсолютную,_а_ лишь относительную диагностическую_ценность. Предложен способ

идентификации в генофонде популяций древних и ^сшюцжаша^одых^зддедей. Частично реконструирован генофонд предковой популяции синантропных домовых мышей, и описана картина сохранения и потери анцестрального полиморфизма расселявшимися популяциями. Показана генетическая связь синащропных домовых мышей Mus musculus s. stf. Закавказья с популяциями M. castaneus «oriental» Северной Индии и Пакистана, предполагаемых очагов расселения домовых мышей. Предложена и обоснована гипотеза первичного происхождения закавказских популяций домовых мышей из центрально-азиатского очага. Впервые изучена динамика генотипической изменчивости в жизненном цикле курганчиковых мышей Mus spicilegus Petenyi, которая сопоставлена с особенностями биологии и экологии вида. Выяалены причины и раскрыт механизм поддержания облигатно низкого уровня аллозимной изменчивости в популяциях этого вида в сравнении с другими видами домовых - мышей.

Рркгшструиргтяня_ург.чг^|ПМНЯ5г и белковая эволюция трех видов-двойников амазонских

щетинистых крыс p. Proechimys. Дано объяснение феномена "сверхвысокой" аллозимной изменчивости у двух относительно экологически специализированных видов и описан механизм генетической адаптации третьего вида к антропогенным биотопам. Предложен новый комплексный метод оценки генетической дифференциации близких видов. Установлена возможная причина "завышения" таксономических рангов кубинских цепкохвостых хутий р. Capromys относительно уровня их белковой дивергенции. Описан возможный механизм формирования микрогеографической подразделенности у трех эндемичных видов жестковолосых мышей p. Lophuromys горного массива Бале Эфиопии, переживших длительную изоляцию в период плейстоценового оледенения. Впервые по нескольким десяткам аллозимных локусов определен уровень генной изменчивости автохтонных и интродуцированных популяций европейского бобра Castor fiber L., оценен уровень генетической дивергенции европейского и канадского бобра Castor canadensis Kühl. Показано, что воронежская и белорусская автохтонные популяции Castor fiber сохранили высокий_ уровень генной изменчивости, несмотря на катастрофическое снижение численности вида в течение более чем 100 лет. Впервые дана генетическая оценка результатов реакклиматизации европейского бобра в прежние места обитания. Показано, что реинтродуцированная форма европейского бобра имеет низкий уровень межпопуляционного разнообразия, в котором можно идентифицировать

аллели двух материнских автохтонных популяций (воронежской и белорусской). Обосновано положение о том, что элементарной популяцией (микропопуляцией) бобрового сообщества следует считать колонию бобров как совокупность родственных разнотипных поселений. Доказано, что естественное формирование подразделенной генетической структуры в популяциях интродуцированного бобра, связано в первую очередь с особенностями пространственно-этологической структуры вида. Впервые дана приблизительная оценка эффективной репродуктивной величины (NJ минимальной бобровой популяции.

В соавторстве дано первоописание нового вида и рода плавающего хомяка Amphinectomys savamis Malygin gen. et sp. п. (Малыгин и др. 1994).

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическое значение диссертации прослеживается в раскрытии многообразия способов формирования и поддержания генной изменчивости в популяциях. Предложенный способ идентификации древних и эволюционно новых аллелей на примере домовых мышей Mus musculus L. позволяет уточнять происхождение популяций по сохранившемуся в их генофондах анцестральному полиморфизму. Выяснение механизмов адаптации и экологической специализации видов (на примере Mus spicilegus, Proechimys и Capromys) способствует осмыслению конечных результатов эволюции близких видов. Описание генетической структуры популяций, переживших период плейстоценового оледенения (на примере видов Lophuromys) помогает понять механизм их локальной дифференциации. Теоретическое значение диссертации заключается также в выяснении роли и действия основных эволюционных факторов, причин различных темпов морфологических, хромосомных и белковых преобразований видов, в установлении связи генетической структуры популяций с их эволюционной историей и видовыми биологическими характеристиками, а также в осмыслении статуса реинтродуцированного вида, "спасенного" от полного исчезновения (европейского бобра), в сравнении с нативным видом.

Практическое значение диссертации исходит из новых данных, полученных при изучении популяций европейского бобра, курганчиковой мыши, щетинистых крыс. В частности, птртсаттир! ^дтюзимной изменчивости в автохтонных и интродуцированных популятшях бобра, позволяет дать генетическую оценку проведенных в 30-70 годы прошлого века природоохранных мероприятий советских ученых, направленных на ■ восстановление численности исчезающего вида. .Получена первая приближенная оценка эффективной репродуктивной величины (iVe) элементарной популяции европейского бобра - важнейшего показателя, позволяющего научно обоснованно рассчитывать допустимые пределы промысла этого ценного пушного зверя.

Курганчиковая мышь является одним из самых злостных вредителей на агроценозах злаковых культур. Поэтому, знание генетической структуры этого вида, в совокупности с имеющейся информацией по его экологии, могут быть полезны в выработке оптимальной стратегии борьбы с этим вредителем.

Данные, полученные по генетике и экологии видов амазонских щетинистых крыс, позволяют сделать заключение, что тропические виды, приуроченные к лесным нетронутым биотопам, могут быть чрезвычайно чувствительны к любому антропогенному воздействию, в первую очередь - к вырубкам первичного тропического леса. Дифференциация видов в трехвидовом сообществе морфологических двойников щетинистых крыс р. Proechimys позволила создать «чистые» коллекционные выборки видов для Зоомузея МГУ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структура аллозимной изменчивости популяций отражает экологические и социально-поведенческие характеристики видов, меру их адаптированности к среде обитания, а также отдельные этапы их эволюционного развития.

2. Выделение анцестрального полиморфизма в генофонде популяций может способствовать решению спорных вопросов их происхождения.

3. Процесс формирования популяционно-генетической структуры реинтродуцированного вида на низших ступенях иерархической организации может быть предсказуем исходя из специфических особенностей его пространственно-этологической структуры.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на V и VI съездах Всесоюзного териологического общества (Москва, 1990, 1999), Всесоюзном совещании «Эволюционные и генетические исследования млекопитающих» (Владивосток, 1990), I Международном конгрессе «Развитие Перуанской Амазонии» (Икитос, 1991), II Международном симпозиуме «Экологическая генетика млекопитающих» (Лодзь, 1994), II Европейском конгрессе по млекопитающим (Саутгемптон, 1995), V Международном конгрессе «Систематика и эволюционная биология» (Будапешт, 1996), Международном совещании «Редкие виды млекопитающих» (Москва, 1977), Научно-практической конференции, посвященной 70-летию Воронежского биосферного государственного заповедника (Воронеж, 1977), VIII Международном симпозиуме «Мелкие млекопитающие Африки» (Париж, 1999), IV Международном симпозиуме «Изолированные сообщества позвоночных в тропиках» (Бонн, 1999), V Балтийской териологической конференции (Бирстонас, 2002), III Международной конференции «Проблема вида и видообразование» (Томск, 2004), на кафедре Зоологии

позвоночных МГУ в 2004 г., на межлабораторных семинарах ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН в 2005,2006 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы (41 статья и 12 тезисов).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов и списка литературы. Экспериментальные главы состоят из трех блоков. В главах 2, 3,4 рассматривается формирование аллозимной изменчивости у домовых мышей, в главах 5, 6, 7 - у тропических видов грызунов из двух подотрядов {Myomorpha и Hystricomorpha), в главе 8 - в автохтонных и реинтродуцированных популяциях европейского бобра Castor fiber L. Каждую экспериментальную главу предваряет литературный обзор по соответствующей частной проблеме. Текст диссертации изложен на 2 страницах, включая 34 таблицы и 14 рисунков. Список литературы включает 486 источника (225 на русском и 2(о /на иностранных языках).

Содержание работы ВВЕДЕНИЕ.

Во введении, представлен краткий обзор основных этапов развития биохимической популяционной генетики за 40 лет ее существования, акцентировано внимание на нерешенных проблемах и обоснована актуальность дальнейших исследований в данной области.

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В представляемой диссертации обобщены результаты научных исследований, проведенных в полевых и лабораторных условиях за 22-летний период работы автора в ИПЭЭ

им. А.Н. Северцова РАН. В рамках диссертационной темы в исследование были вовлечены

—___ ___

представители 62 популяций 31 вида млекопитающих, из 16 родов, 7 семейств (Muridae, Echimyidae, Capromyidae, Castoridae, Cricetidae, Rhizomyidae, Myocastoridae) общей численностью 1416 особей. Тщательному популяционно-генетическому анализу были подвергнуты 19 видов из 4 семейств, данные по которым составили 7 экспериментальных глав. Остальные виды служили для сравнительного межвидового и межпопуляционного анализа изменчивости и доказательства применимости метода белковой диагностики в таксономии (представители родов Praomys, Pelomys, Masíomys, Arvicanthis, Stenocephalemys, Tachyoryctes), в качестве внешних групп для филогенетических построений (Dactilomys dactilinus, Myocastor coipus), для разрешения некоторых остро дискуссионных вопросов (происхождение тувинского бобра Castor f, tuvinicus, идентификация неизвестной ранее формы хутии Capromys sp. из

типового местообитания Mysateles garridoi), для описания нового вида и рода плавающего хомяка Amphineclomys savamys, а в целом - для более полного выражения собственной концепции комплексного изучения факторов и механизмов формирования аллозимной изменчивости в популяциях. Пойманные животные были проанализированы по различным наборам аллозимных локусов - от 17 при исследовании популяций жестковолосых мьппей р. Lophurqn^RQ 53 - при исследовании некоторых популяций европейского бобра.

При исследовании группы домовых мышей мы придерживались таксономической классификации Д. Маршала (Marshall, 1998) с некоторыми модификациями. В частности, мы не указывали подвиды M. domesticus и M. castaneus и обозначили домовых мышей из Тегерана не М. domesticus praetextus, a Ai sp., в связи с их возможным гибридным происхождением (Милишников и др., 2004). Собственный материал по 15 популяциям домовых мышей общей численностью 540 особей представлен 6 видами: M. musculus s. str, из Москвы, Московской области, Чехии, Молдавии, Узбекистана, Таджикистана, Туркмении, Грузии, Армении, Азербайджана, M. domesticus из Кубы, M. spicilegus из Молдавии, M. macedonicus из Армении, M. caroli из Ю. Вьетнама, M. mahomet из Эфиопии. Домовые мыши исследованы по 34

•Л II, II..'

белковым генам. Для создания единого информационного массива дашпдх-по аштозимной изменчивости домовых мышей-были также привлечены данные других авторов. Среди них выборки из 24 популяций домовых мышей общей численностью 324 особи 5 видов; M. musculus s. str. из Грузии и Армении, Румынии, Болгарии, Китая, Кореи, M. castaneus из Сев. Индии, Пакистана, Ю. Индии, Индонезии, M. sp. из Ирана, Ai domesticus из Израиля, Испании, Франции, Болгарии, Японии, Ai spretus из Испании, M. m, bactrianus из Афганистана, М. т. molossinus из Японии (Bonhomme et al., 1984, 1989, Boursot et al., 1989, Din et al., 1996, Orht et al., 1996, Vanlerberghe et al., 1988).

В сельве Верхней Амазонии было исследовано сообщество трех морфологически двойниковых видов щетинистых крыс p. Proechimys из сем. Echimyidae. Работа проводилась в составе комплексной териологической экспедиции в течение двух полевых сезонов 1990-1991 г. в окрестностях биостанции Хенаро-Эррэра, принадлежащей Институту развития Перуанской Амазонии (ПАР) и расположенной в 200 км к югу от г.Икитос вверх по течепию рек Амазонка и Укаяли в провинции Рекена (Requena) департамента Лорето (Loreto), Перу. Координаты 4°52' ю. ш. и 73°39' зап. д. Исследован 281 зверек по 26 аллозимным локусам.

В двух последовательных полевых сезонах 1987-88 гг. вместе с кубинскими учеными А. Камачо, Р. Боротто и В. Беровидесом было проведено несколько экспедиций на территории Кубы (Эскамбрай, Болота Сапаты, Пинар-дель-Рио, о. Хувентуд), в которых был собран материал для исследования аллозимной и хромосомной изменчивости в популяциях кубинских

хугий. Два вида из двух родов - С. pilorides и М. (М.) prehensilis (общая выборка 92 особи) были проанализированы по 32 аллозимным локусам.

Исследования африканских мышевидных грызунов проводились в Эфиопии в рамках комплексной Совместной Российско-Эфиопской Биологической Экспедиции (JERBE) в 1983 г. в Амбо, в 1984 г. в Гамбелле и в 1995 г. в Бале. Большая часть данных, представленных в диссертации, является результатом исследований в горном массиве Бале, расположенном на Эфиопско-Сомалийском плато вблизи Рифтового разлома, на высотах 1500 - 4377 м над у. м. Координаты 07° 00' с. ш. и 39° 45' в. д.

Европейскид, fioSp^Cgrio/- fiber L. исследован из трех автохтонных популяций (реки Усмань и Ивница, Воронежская обл., ВГПБЗ, 40 особей, р. Березина, Белоруссия, 6 особей, р. Азас, ТуваД особь) и двух интродуцированных популяций (р. Вятка, Кировская обл., 45 особей, р. Чека, Новосибирская обл., 11 особей). Канадский бобр Castor canadensis Kühl был исследован на ферме ВГПБЗ, 17 особей. Бобры были проанализированы по 39 аллозимным локусам крови и твердых тканей. В специальном исследовании (Милишников и др., 1997) количество анализируемых локусов было доведено до 53 с целью получения адекватных оценок изменчивости популяций на относительно небольших выборках.

В диссертации также использованы морфологические, кариологические и экологические данные, полученные ближайшими коллегами автора в комплексных биологических экспедициях на тех же популяциях. Большая часть этих данных опубликована в совместных с автором настоящего исследования работах, однако мы ссылаемся на них как на внешние источники. Учитывая тот факт, что эти и собственные данные получены на общем материале и взаимодополняют друг друга, во многих случаях мы используем их для полноты описания исследованных популяций и подтверждения собственных гипотез по заявленной теме. Именно такой мультидисциплинарный подход позволил автору диссертации значительно глубже понять процессы, протекающие в популяциях, уточнить механизмы формирования в них генной изменчивости и сделать соответствующие выводы, к которым невозможно было бы прийти при одностороннем изучении популяций.

Для разделения белков в крахмальном и полиакриламидном гелях использовались как стандартные методики (Seiander et al,, 1971, Harris, Hopkinson, 1976, Peacock et al., 1965, Davis, 1964), так и множество разработанных автором модификаций на их основе (Милишников и др., 1989, 1994). Гпркду-т формантов и ггефррментных белков выявлялись в гелях тистохимически по известным методикам (Harris, Hopkinson, 1976).

Возраст курганчиковых и домовых мышей определяли по степени стертости зубных коронок коренных зубов, в соответствии с методиками, предложенными С.Н. Варшавским (Варшавский, 1950) и А. Келлером (Keller, 1974).

Глава 2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ У ВИДОВ Mus Musculus L. 1758. ПРИНЦИПЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ БЕЛКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ ВИДОВ И ФОРМ.

В данной главе основное внимание уделено оценке общих параметров генной изменчивости в популяциях Mus domesticus, Mus musculus s. str., M. spicilegus, M. macédoniens, M. caroli, M. mahomet и обозначена проблема белково-генетической дискретности в таксономических исследованиях. В сравнительном анализе литературных и собственных данных по изменчивости 44 материковых и островных популяций Mus domesticus Старого и Нового Света сопоставлены уровни полиморфизма {Р« и Pj»), средняя фактическая и ожидаемая гетерозиготность {11„ы и Пехр), аллельное разнообразие (р) и доля редких аллелей (А) (последние два параметра - после нашей переобработки литературных данных) с несколькими экологическими показателями популяций (обитание на материке или острове, площадь острова, географическая широта, климатические параметры и другие), а также с факторами формирования генофонда популяций (возможным происхождением популяций и потоком в них генов). Было показано, что материковые популяции, а также популяции крупных островов Великобритания и Куба, имели относительно сходные уровни изменчивости, в то время как в других островных популяциях наблюдались выраженные различия, достигавшие по полиморфизму и гетерозиготности 5-кратного размера, а по доле редких аллелей - более чем 20-кратного (Милшшшков, 1994). Все случаи достоверных отклонений от некоего среднего уровня изменчивости этого вида можно было объяснить теми или иными особенностями экологии или происхождения популяций. Например, обилие редких аллелей в нескольких популяциях о. Великобритания можно объяснить потоком генов на остров со всех концов света при пассивной миграции мышей на кораблях. Очень высокий уровень изменчивости в популяции о. Гавайи (Pps=0,355, Ноь,=0,166) - стабильностью островного тропического климата, потоком генов и большой численностью популяции. Низкий уровень изменчивости в популяциях 9 малых островов (менее 10 кв. км.) вблизи о. Великобритания - следствием малочисленности популяций и нестабильностью зимнего климата. Крайне низкую генную изменчивость в популяции о, Ю. Георгия. (Psj=0,074, #„^=0,034) - направленным отбором в экстремальных для домовых мышей условиях обитания при постоянном давлении холодового стресса. В целом проведенный анализ показал, что аллозимная изменчивость Mus domesticus отражает широчайшие адаптационные возможности этого вида и имеет связь с разнообразием биотопов, климатических факторов, «эффектом основателя» и историей пассивного распространения вида по всему миру.

Популяции Mus т. musculus и Mus т. wagneri в среднем имели показатели генной изменчивости близкие к соответствующим значениям у материковых популяций Mus

domesticus. Среднеазиатские популяции Mus т. wagneri в целом обладали большим числом и разнообразием аллелей в сравнении с популяциями Mus т. musculus из западной части ареала вида, что, по-видимому, объясняется их близостью к очагам расселения домовых мышей (Милшшшков и др., 1994). Показано также, что городские популяции Mus musculus s, str. (Брно, Москва, Самарканд), вобравшие в себя гены большой части ареала вида, имеют огромный запас изменчивости, превосходящий любую природную популяцию. Вследствие того, что генетическая структура городских популяции синантропных домовых мышей адекватно не отражает изменчивости вида как естественно-сложившейся биологической единицы, для межвидового сравнения они не всегда пригодны (Милишников, 1994, Милишников и др., 1994).

Принцип генетической дискретности, примененный в свое время к домовым мышам, позволил построить современную систематику этой сложной группы (Britton et al., 1976, Bonhomme et al., 1978, 1984, Britton-Davidian, Thaler, 1978, Thaler et al., 198la). Однако генетическая дискретность форм в приложении к таксономии имеет ряд ограничений и условностей, избежать которых в методологическом и чисто практическом плане удается не всегда. Из 114 различных аллелей, выявленных нами в совокупной выборке 8 видов домовых мышей, для целей таксономии интерес представляли, прежде всего, аллели, фиксированные внутри каждого вида. Такие аллели, как признаки эволюционно закрепленные, в настоящее время все чаще используются в качестве таксономических критериев. Такого же диагностического ранга достигают и некоторые нефиксированные аллели в составе полиморфных локусов, но только в том случае, если все они различаются. Однако, строго говоря, считать локус диагностическим можно только в том случае, если предметом такого диагноза является не отдельная популяция, а несколько популяций, представляющих вид на его ареале. В противном случае высока вероятность переоценки таксономической значимости обнаруженных диагностических локусов. В нашем исследовании при вовлечении в сравнительный аллозимный анализ большого числа географически удаленных популяций нескольких видов домовых мышей, внутривидовая генетическая изменчивость в ряде случаев перекрывала установленные ранее межвидовые различия по специфичным для каждого вида аллозимам (Милишников и др., 1989,2004, Милишников, 2004 а, б). Из этого можно заключить, что диагностические аллели белковых локусов в популяциях домовых мышей являются не абсолютными, а лишь относительными систематическими признаками.

Глава 3. РАЗГРАНИЧЕНИЕ ДРЕВНЕГО И ЭВОЛЮЦИОННО НОВОГО ПОЛИМОРФИЗМА В ПОПУЛЯЦИЯХ НАДВИДОВОГО КОМПЛЕКСА ДОМОВЫХ МЫШЕЙ Mus musculus s. lato.

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ПУТИ РАССЕЛЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИЮ ДОМОВЫХ МЫШЕЙ ЗАКАВКАЗЬЯ.

Данные, представленные в предыдущей главе, позволяют составить лишь общее представление о формировании генной изменчивости в популяциях домовых мышей, но явно не достаточны для выяснения структуры изменчивости видов комплекса Mus. Для этого необходимо выяснить - какая часть генофонда популяций является древней, унаследованной от предковой формы, а какая — эволюционно новой, появившейся уже после отделения изучаемой дочерней формы от материнской. Решение этого вопроса во многом определяет степень корректности филогенетических построений, правильность оценки темпа мутирования в популяциях и роль гибридизационных процессов при появлении новых форм. Проблема достаточно сложна, так как структура генофондов расселяющихся популяций определяется уникальными процессами их собственного эволюционного развития. В этих процессах древние аллели могли или сохраняться в популяциях на высоких частотах, или переходить в ранг редких, или вовсе исчезать при широком варьировании их селективности в различных условиях обитания популяций и при случайных процессах (Рычков, Балановская, 1990). Приобретение же расселяющимися популяциями новых аллелей также многофакторно. Временной фактор определяет объем изменчивости, накопленной популяциями при мутировании генов и их внутригенном рекомбинировании, гибридизационный фактор - долю интрогрессивных аллелей и "гибризимов".

Для решения этой проблемы мы создали единый информационный массив данных по аллозимной изменчивости 39 популяций 8 видов домовых мышей общим объемом в 769 особей. Для этого были объединены собственные и литературные данные то популяциям из Восточной и Западной Европы, Закавказья, Передней, Средней, Южной, Восточной Азии и Кубы (Милишников, 2004а,б; Милишников и др., 2004). Этот массив включал в себя аллелофонд представителей пяти синантропыых видов (M. musculus, M. domesticus, M. castaneus, M. m. bactriamis, M. m. molossinus), относящихся к надвидовому комплексу Mus musculus s. lato, и трех строго дикоживущих видов (M. spicilegus, M. macedonicus, M. spretus), относящихся к надвидовому комплексу M. spicilegus s. lato. При всей кажущейся простоте объединения разнородных данных в единый массив, его выполнение потребовало особой методологической корректности, в частности - выполнения двух условий: анализа единого пула генных локусов и строгой унификации обозначения аллелей этих локусов. При выполнении первого условия произошло неизбежное сокращение выборки анализируемых генных локусов, с 34 в нашем материале (Милишников, 1994; Милишников и др., 1990, 1994, 1998) и с 35 - в материале

других авторов (Bonhomme et al., 1984, 1989, Din et al., 1996; Orth et al., 1996) до 21 локуса в едином массиве данных. Но выигрыш был несомненный - существенное увеличение числа сравниваемых популяций домовых мышей (Мидишников и др., 2004). Приобретение этого нового качества позволило, в свою очередь, дифференцировать аллели в популяциях на древние и эволюционно новые, а также уточнить происхождение синантропных домовых мышей Закавказья. Второе условие было выполнено после тщательной ревизии аллелей белковых генов, представленных в литературных и собственных данных. Принцип дифференциации генофонда мышей заключался в идентификации совпаляв-ятгу аллелей у независимо эволюционировавших видов. Аллель считался древним, если он встречался как у синантропного, так и дикоживущего вида, или хотя бы у двух синантропных видов, независимо от его частоты в популяциях. Аллель считался эволюционно новым, если он встречался только в одной из исследованных популяций. Следуя этому алгоритму, мы разделили общий пул аллелей двух надвидовых комплексов Mus на 4 группы (рис. 1): 1 - высокоселективные аллели, присутствующие в популяциях всех 8 исследованных видов на частотах близких или равных 1,0; 2 - селективно-нейтральные аллели, дифференцирующие популяции и представленные в них на всем диапазоне частот; 3 - реликтовые, представленные (на низкой частоте) лишь у одной из синантропных форм мышей, но имеющиеся у дикоживущих видов комплекса М. spicilegus s. lato; 4 — эволюционно новые аллели, встреченные лишь у одной из исследованных форм.

1 —20% (селективные)

2 - 39% (дифференцирующие)

3-10% (реликтовые)

4-31% (эволюционно новые)

Рис. 1. Дифференциация генофонда современных видов домовых мышей

Первые три группы аллелей являются остатками древнего генофонда, в той или иной мере сохраненного или утерянного популяциями в процессе собственной эволюции. Четвертая

группа - эволгоционно новые аллели, уникальные для отдельных форм Mus. Суммарная доля древних аллелей в общем аллелофонде исследованных популяций составляла 69% (см. рис. 1). При этом выяснилось, что в пределах рассмотренных выборок у синантропных форм домовых мышей нет ни одного аллеля с высокой частотой встречаемости, который диагностировал бы отдельно виды M. musculus, M. domesticus или M. castaneus. Это подтвердило сделанное ранее предположение об их относительной диагностической ценности.

Практическим приложением данного анализа явилось выяснение происхождения популяций синантропных мышей Закавказья, которых большинство авторов считают продуктом вторичного контакта современных дифференцированных видов M. т. musculus Восточной Европы, M. domesticus Передней Азии и M. castaneus Центральной Азии (Межжерин и др., 1994, Котенкова, 2001, Orht et al., 1996). В настоящее время получены новые данные по изменчивости белковых генов и фрагментов ДНК в популяциях синантропных домовых мышей из предполагаемых центров их расселения (Din et al., 1996, Boursot et al., 1996, Prager et al., 1996, 1998, Boissinot, Boursot, 1997, Gundus et al., 2000, Karn et al., 2002). В частности, в Северной Индии и Пакистане были обнаружены популяции M. castaneus «oriental», имеющие очень высокий уровень генной изменчивости (такой же, как в закавказских популяциях), значительно превышающий изменчивость M. musculus s. str. и M. domesticus, и «смешанные» генотипы в отдельных локусах (такие же, как и в закавказских популяциях). В связи с этим было высказано предположение, что индо-пакистанская зона является центром происхождения сипантропных домовых мышей (Din et al., 1996, Boursot et al., 1996).

Проведенный нами геногеографический анализ распределения аллелей в обобщенной выборке рассмотренных популяциях (включая индо-пакистанские популяции) показал, что синантропные домовые мыши Закавказья имеют множество аллелей. не обнаруженных ни у Ai т. musculus Восточной Европы, ни у M. domesticus Западной Европы и Израиля, ни у M sp. из Ирана, но присутствующих в популяциях M. castaneus «oriental» из Сев. Индии и Пакистана, М. т. wagneri из Туркмении, Таджикистана и Узбекистана, а также в дикоживущих популяциях М. spicilegus и M. macedonicus. На трехмерном изображении фенетических взаимоотношений между рассмотренными формами домовых мышей (рис. 2) популяции Закавказья занимают промежуточное положение между M. castaneus «oriental» Сев. Индии и Пакистана и среднеазиатскими M т. wagneri, что указывает на определенное генетическое сходство с теми и другими, по никак не с дифференцированными формами M. т. musculus и M. domesticus Восточной и Западной Европы. На рисунке 3 изображены предполагаемые события в эволюционной истории синантропных домовых мышей, которая сопровождалась потерей дочерними формами той или иной части предкового генофонда. Графически рисунок выполнен в полном соответствии с данными по филогенетическими и фенетическими отношениями

мевду формами домовых мышей. Дочерние ветви представлены на рисунке сопоставимыми по объему выборками из популяций, охват которых адекватен ареалам видов и форм. С целью минимизации искажений на рисунке не представлены популяции предположительно гибридного происхождения (М. т. то1о$хти$ и М. <1оте$Иси$ из Японии и М. вр. из Ирана).

Рис. 2. Положение центроидов 18 выборок домовых мышей в пространстве первых трех главных координат (principal coordinates), рассчитанных на основе матрицы квадратичных хордовых дистанций Кавалли-Сфорца и Эдвардса (21 аллозимный локус). Граф минимальной длины (minimum spanning tree), соединяющий центроиды, показан жирными линиями.

Из рисунка 3 следует, что наибольшее количество предковых аллелей, утрачено М. castaneus из Южной Индии и Индонезии (18 аллелей), а также М. musculus s. str. Восточной Европы и М. domesticus Западной Европы и Кубы (соответственно 16, 15 и 16 аллелей). Меньше всего аллелей было утрачено закавказскими, среднеазиатскими и индо-пакистанскими популяциями, соответственно 6, 8 и 10 аллелей. Таким образом, имеется мало признаков, которые объединяют популяции Закавказья и популяции восточноевропейских М. т. musculus. Это обстоятельство косвенно подтверждает наше предположение о том, что эти две формы домовых мышей эволюционировали независимо. Из рисунка также следует, что закавказские и индо-пакистанские популяции, являются равноценными и генетически сходными дочерними формами домовых мышей. Не только потому, что сохранили, в отличие от дифференцированных форм М. domesticus, М. musculus s. str. и М. castaneus, высокий уровень анцестрального полиморфизма и «смешанные» генотипы, но и потому, что между точками их отделения от основного ствола дерева нет ни потерь предковых, ни появления новых аллелей.

Полученные данные позволяют заключить, что закавказские популяции домовых мышей по признакам высокого уровня генной изменчивости, близости к форме «oriental» индо-

М. spretus

М. domesticus (Куба)

пакистанского очага и к мышам Передней и Средней Азии, а также по присутствию относительно большого числа аллелей, общих с дикоживущими видами М. ¡ргсИе^ и М. тасейотсив, являются носителями реликтового генофонда. В своем исходном виде они значительно древнее дифференцированных форм М. тизси1ш б. эй1., М. йотезИсш и М. саяШпеш и генеалогически тесно связаны с древней центральноазиатской формой М. тиасШия е. ей., отделившейся наравне с М. с!оте$Иси$ и М. сШапеш от общего предка и сохранившей недифференцированный фонд аллелей белковых генов.

М. muscuíus (Воет Европа)

M. castaneus (Ю.Индия, Индонезия)

' л ■ Mh1-80

M. domesticus (Куба)

M. musculus (Ср.Азия)

i Ak1-100Ak2-100al-100Ck2-100

I GoTI-Юа G0t2-100ldh2'O Ltti1-100Ldh2-H>0

Mod2-100 Marl-100 44x2-1 OOPgm2-1BO SHM-100

I Ak2-9$Ck2-135Esl-100 ES1-64 ES2-10Û ES2-105

\ Ез2-ЯвGotl-BO GprfHOÖ Gpd1-S0 врШ-93 Gptff-95

I ldM-100 ldM-130Ldh2S5 Mod1-1001Ы1-1Ю

I Mort-12SNp1-100Ul>1-120Np1-70lp1-X¡

\ Pgm2-120SdM-130Sat1-100

Рис, 3. Предполагаемая эволюция аллелофонда синантропных форм домовых мышей надвидового комплекса Mus musculus s. lato. Черные прямоугольники обозначают утрату предковых аллелей формами домовых мышей в процессе эволюции, белые - появление новых аллелей у отдельных дифференцированных синантропных форм и в предковых линиях. Остальные пояснения в тексте.

Данная гипотеза вполне допускает участие дифференцированных форм М. musculus s. Str., M. domesticus и M. castaneus в окончательном формировании генофонда современных популяций Закавказья. По-видимому, они возникли в результате «перекрывания» и/или чередования различных эволюционных процессов. Наиболее непротиворечивым нам представляется сценарий, согласно которому разновременные гибридизационные события "наложились" на генофонд древнего автохтонного населения домовых мышей этого региона.

Глава 4. РЕПРОДУКТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ И ГЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ В ПОПУЛЯЦИЯХ КУРГАНЧИКОВЫХ (Mus spicilegus Petenyi, 1882) И ДОМОВЫХ МЫШЕЙ (Mus musculus s. str.) КАК РЕЗУЛЬТАТ ИХ ЭВОЛЮЦИИ.

При сопоставлении общего уровня аллозимной изменчивости в популяциях 8 видов домовых мышей по единым 34 белковым генам (глава 2) было показано, что курганчиковые мыши (Mus spicilegus Petenyi, 1882) заметно выделяются самым низким уровнем полиморфизма и гетерозиготности. В ином варианте подобного сравнения, по единому пулу 21 белкового локуса, но уже 11 видов домовых мышей (глава 3), эта особенность курганчиковых мышей не только сохранялась, но была более контрастно выражена. Носит ли этот, на первый взгляд, ничем не примечательный факт случайный характер или же низкая изменчивость, наблюдаемая в популяциях курганчиковых мышей, исходит из их особой экологии, инбридинга или эффекта основателя? В данной главе показано, что формирование относительно низкой генной изменчивости у курганчиковых мышей не случайно и является результатом взаимодействия в их жизненном цикле видоспецифичных стереотипов поведения, социальной структуры популяций, дифференциальной смертности, соотношения инбридинга и аутбридинга, особой репродуктивной стратегии и стабилизирующего отбора.

Исходным материалом для проведения данного исследования служили смешанные выборки курганчиковых (Mus spicilegus) и домовых (в узком смысле Mus musculus s. str.) мышей (172 особи) из популяций Бошханы-Трушены и Круглик, пойманных в июле на с/х полях Молдовы и в ноябре при раскопке 9 курганчиков (Бошканы). Популяционно-генетический анализ был проведен по 30 белковым локусам. По четырем из них пойманные мыши были четко дифференцированы на два вида. По степени стертости зубов все пойманные летние курганчиковые мыши были разделены на перезимовавших (осенние генерации прошлого года, IV-V возраста) и весенне-летних разновозрастных сеголеток. Все население раскопанных курганчиков состояло из молодых курганчиковых мышей I-H возрастных групп. В четырех из девяти исследованных курганчиках помимо молодых неполовозрелых особей было обнаружено по одной взрослой самке, являющейся матерью молодых зверьков.

Важнейшей особенностью проведенного сравнительного анализа двух близких видов было то, что исследованные популяции курганчиковых и дикоживущих домовых мышей обитали совместно, то есть, находились в состоянии симбиотопии. Это позволило нам провести сравнение двух видов мышей с той степенью корректности, которая невозможна при сравнении близких видов, обитающих в различных биотопах, различных локальностях и, тем более, в различных климатических зонах. Уже только тот факт, что в данном случае выявленный уровень генной изменчивости у курганчиковых мышей оказался втрое ниже, чем у домовых, является прямым и однозначным указанием на то, что эти различия обусловлены не внешними

экологическими факторами, а специфичными особенностями самих видов. За более чем полувековой период накоплен богатейший литературный материал по вопросам экологии этих видов, их распространению, поведению, социальной структуре и энергетике (Наумов, 1940, 1948, Ладыгина, 1964, БШоуа, 1969, Самарский, 1978, Лялюхина и др., 1989, Соколов и др., 1983, 1990, Котенкова и др., 1994, Кулюкина, 1998, Котенкова, Мешкова, 2002). Мы использовали этот материал для сопоставления с собственными данными по динамике генотипической изменчивости в популяциях курганчиковых мышей (Милишников и др., 1998, Милишников, 2004в, 2005а, Милишников, Орлов, 2005).

В частности, было оценено общее количество генераций потомства от двух ушедших на зимовку самок курганчиковых мышей, родившихся от одной самки в двух последовательных пометах - в середине августа и середине сентября. Такая же оценка была проведена для двух соответствующих им по возрасту самок домовых мышей. При этом учитывались основные репродуктивные параметры обоих видов (наступление половозрелости самок в 2,5 месяца, беременность 21 день, частота пометов - в среднем 1 месяц, последний помет - не позднее середины октября и другие параметры). Расчеты показали, что при последовательном размножении перезимовавших самок и их весенне-летнего потомства, суммарное количество пометов (родителей и потомства) в жизненном цикле курганчиковых мышей почти вдвое больше, чем в жизненном цикле домовых мышей (43 помета против 23 от двух самок). Такая разница репродуктивных потенциалов двух близких видов достигается практически только за счет более раннего начала размножения курганчиковых мышей. Первые спаривания созревших за зиму курганчиковых мышей происходят в самих курганчиках уже в начале февраля, когда на полях еще лежит снег, а среднесуточная температура воздуха имеет отрицательные значения, в то время как первые спаривания домовых мышей начинаются лишь в середине марта. Об этом свидетельствуют многочисленные факты обнаружения в курганчиках в самом начале марта кормящих самок с детенышами, а на полях в середине апреля - сеголеток в возрасте 1-1,5 месяцев (Наумов, 1940, Писарева, 1948, БЩоуа, 1969, Соколов и др., 1990).

Однако увеличенный репродуктивный потенциал курганчиковых мышей имеет свою "цену" - потерю генной изменчивости. Ввиду того, что население каждого курганчика составляет одну семью, первый помет перезимовавших мышей, происходящий меищу сибсами в курганчике, является инбредным. Этот инцест снижает уровень гетерозиготности у дочерних особей на 25% в сравнении с гетерозиготностью родителей (Ли, 1978). Суммарная же потеря гетерозиготности только при одном инбредном помете перезимовавших самок должна составлять по нашим расчетам 4,4%, с учетом затухания коэффициента инбридинга в поколениях. Кроме этого, второе оплодотворение и беременность самок могут наступать во время послеродового эструса на 1-3 сутки после рождения детенышей, т.е. в начале марта,

когда мыши еще живут в курганчике и используют остатка зимнего корма (Соколов и др., 1990), особенно в годы с поздней весной. В этом случае ежегодное падение гетерозиготности популяции за один жизненный цикл достигнет 7,8%.

Вторая "цена" за увеличение репродуктивного потенциала курганчиковых мышей также связана с потерей генной изменчивости. На зимовку в курганчики уходят мыши только последнего, или двух последних, осенних генераций при элиминации всех остальных мышей старших возрастных ipyim (Наумов, 1940, Лялюхина, 1989). Такое прерывание поколений равносильно ежегодному прохождению популяцией "горлышка бутылки". До сих пор никто не придавал этому факту особого биологического смысла. Между тем, ежегодная предзимняя дифференцированная по возрасту элиминация большей части популяции курганчиковых мышей неравноценна снижению численности популяции у домовых мышей Mus musculus s. str. в результате их недифференцированной гибели в зимний период. В силу «обязательной» элиминации взрослого населения курганчиковых мышей перед зимовкой, риск достижения популяцией критического значения численности в летний период должен быть значительно ниже, чем у домовых, независимо от годовых климатических колебаний. В свою очередь у домовых мышей, в сезоны с особо мягкими зимами, вероятность достижения популяциями «пороговой» численности летом должна резко возрастать. Поэтому в терминах г/К стратегии видов (MacArtur, Wilson, 1967, Schaffer, 1974, Щипанов, 2001), домовых мышей можно считать более склонными к r-стратегии, чем курганчиковых.

Но популяции не могут постоянно терять генетическую изменчивость. Должны быть механизмы, противодействующие этому процессу. Как оказалось, они существуют. В популяциях курганчиковых мышей восстановление уровня гетерозиготности происходит при аутбредных весенне-летних межкурганчиковых скрещиваниях, которым во многом способствует значительное снижение агрессивности мышей и ослабление территориальности в это время сезона. У домовых же мышей территориальность и уровень агрессии взрослых самцов к «чужакам» постоянны (Соколов И др., 1990). Мы предполагаем, что благодаря высокому уровню весенне-летней панмиксии, в популяциях курганчиковых мышей сохраняется весь фонд имеющегося аллельного разнообразия, несмотря на постоянное действие двух факторов, снижающих генную изменчивость (инбридинга и прерывания поколений). Это подтверждает тот факт, что доля низкополиморфных локусов (с частотой второго аллеля меньшей 0,05) доходит в исследованных популяциях до 24% (Милишников, 2005а). Если бы ежегодное снижение генной изменчивости в популяциях не было компенсировано, то редкие аллели должны были бы из популяции исчезнуть.

Второй механизм поддержания генной изменчивости реализуется у курганчиковых мышей при взаимодействии дифференциальной смертности и стабилизирующего отбора. В

исследованных популяциях было выявлено устойчивое увеличение средней гетерозиготности в старших возрастных группах с одновременным смещением соотношения полов в сторону самок. Мыши из популяции Бошканы-Трушены в возрасте 10-11 месяцев имели вдвое больший уровень средней гетерозиготности по 30 локусам, чем молодые сеголетки в возрасте 1-3 месяца (0,056 против 0,026). Особенно заметно стабилизирующий отбор происходил по локусу 1<Ях-1 (изоцитратдегидрогеназы), увеличивая гетерозиготность в группе "старых" мышей в популяции Бошканы-Трушены в 3 раза, а в популяции Кругляк 2,5 раза (рис. 4). В группе «старых» самцов гетерозиготность по /<й-7 достигала 100%. Однако стабилизирующий отбор имеет реальный вклад в увеличение гетерозиготности популяций только до середины лета. Дальше он становится биологически бесполезным, так как к концу лета, началу осени "старые" мыши с повышенной гетерозиготностью уже перестают участвовать в размножении и погибают (Милшшшков и др., 1998).

Рис. 4. Действие стабилизирующего отбора по локусу 1с0г-1 в популяциях курганчиковых мышей Бошканы-Трушены. На оси абсцисс: 1 - группа сеголеток 1-2-месячного возраста, выкопанных из 6 курганчиков в середине ноября (70 особей), 2 - группа сеголеток 1-5-месхчного возраста, отловленных на поле в июле (25 особей), 3 — группа перезимовавших мышей 10-11-месячного возраста, отловленных на том же поле в июле (33 особи). На оси ординат слева - наблюдаемая гетерозиготность изоцитратдегидрогеназы-1 в различных возрастных группах мышей, справа - доля самцов в группах. Светлые столбики - самцы, темные столбики — самки, кружки, соединенные линией — доля самцов в группе.

Таким образом, два рассматриваемых вида домовых мышей отличаются друг от друга не отдельными биологическими или экологическими признаками, а их взаимообусловленной совокупностью. Величина совместного вклада общей плодовитости самок и выживаемости их потомства, так называемая "репродуктивная ценность" (Fisher, 1930), у курганчиковых мышей оказалась значительно выше, чем у домовых. Такое преимущество кургаичиковые мыши получили в процессе эволюционной выработки и наследственного закрепления специфических стереотипов поведения по строительству зимних убежищ и запасанию корма на зиму, позволяющих раньше, чем домовые мыши, начинать размножение и успешно сохранять потомство. В то же время увеличение репродуктивной ценности сопряжено у курганчиковых мышей со снижением в популяциях генной изменчивости. В этом процессе, наблюдаемые эффекты стабилизирующего отбора по восстановлению гетерозиготносги белковых локусов в летний период, являются лишь внешним проявлением генетического гомеостаза популяций. Сам же механизм половой и генотипической дифференциальной смертности курганчиковых мышей в летний период, при отсутствии видимых внешних экстремальных факторов в это время, реализуется, скорее всего, на уровне целостных геномов особей и более сложен, чем мы сейчас это себе представляем. Однако достаточно . уверенно можно утверждать, что наблюдаемая у курганчшсовых мышей относительно низкая генная изменчивость по сравнению со всеми другими видами домовых мышей не случайна и является неотъемлемым свойством вида - одним: из звеньев., причинно-следственных связей, выработанных им в процессе собственной эволюции.

Если генеральной линией эволюции считать приспособление живых организмов к существованию в меняющейся среде, повышение их устойчивости на всех стадиях развития, совершенствование передачи наследственной информация потомкам и повышение уровня организации и жизнедеятельности их сообществ (Шмальгаузен, 1968), то эволюционный успех домовых и курганчиковых мышей по этим признакам во многом оказывается относительным. Продвижение этих видов на север (Klein et al., 1987, Din et al., 1986) можно считать эволюционным успехом, но оно привело к принципиально различному типу адаптаций. У домовых мышей - к увеличению экологической пластичности, а позднее, как следствие этого, к его синантропизации, что позволило виду "завоевать" весь мир и стать космополитом. У курганчшсовых мышей, оставшихся независимыми от человека, адаптивная стратегия была направлена на экономное расходование внутренних ресурсов и увеличение репродуктивной ценности популяций, что привело к экологической специализации я ограничению возможностей дальнейшего распространения и эволюционного развития этого вида (Милишников, 20056).

Глава 5. ДВА ТИПА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ В ЭВОЛЮЦИИ ВИДОВ-ДВОЙНИКОВ ЩЕТИНИСТЫХ КРЫС p. Proechimys.

Относительная экологическая специализация вида в большинстве случаев действительно сопряжена со снижением генной изменчивости в популяциях (Nevo et al., 1984, Nevo, 1988). Один из механизмов этого явления продемонстрирован нами на примере Mus spicilegus. Однако в некоторых случаях она может иметь противоположное направление. В данной главе показано, что накопление в селективно-нейтральной среде избыточной, по меркам других видов, генной изменчивости у двух относительно экологически специализированных видов, приводит не к увеличению адаптационных возможностей популяции, как это можно было бы ожидать в соответствии с классическим пониманием роли изменчивости в эволюции (Шмальгаузен, 1968), а к их ограничению.

В этом исследовании проанализирован механизм формирования аллозимной изменчивости в трехвидовом сообществе видов-двойников щетинистых крыс р. Proechimys, обитающих в сельве Верхней Амазонии Перу. Здесь мы также опирались на данные по экологии, кариологии и морфологии исследуемых форм, полученные в совместных экспедициях (Исаев, Варшавский, 1994, Анискин, 1994, Варшавский, Павлинов, 1994). Было показано, что сообщество щетинистых крыс в районе работ состоит из трех видов-двойников: Proechimys brevicauda с диплоидным набором хромосом 2n=28, P. simonsi (2п=32) и P. sp. (2п=34). Морфологически виды были неразличимы, но хорошо дифференцировались по белковым генам и хромосомам (Милишников, 1994, Анискин и др., 1995).

Экология исследованных видов характеризуется низкой плотностью населения, круглогодичным обилием корма и отсутствием конкуренции между видами. Участки обитания исследованных видов частично совпадали (симбиотопия), но было показано, что Р. brevicauda является экологически пластичным эврибионтным видом, приуроченным к разнообразным биотопам: на водоразделах и припойменных участках первичного и вторичного леса, на осветленных границах леса и пастбищ, леса и плантаций и даже в зарослях кустарника на зарастающих пастбищах. В отличие от него, два других вида были относительно экологически специализированы и стенотопны. Их обитание ограничивалось в основном участками первичного тропического леса, нетронутыми деятельностью человека, но с различным предпочтением: P. sp. (2п = 34) - на водоразделах, Р. simonsi - в поймах ручьев (Исаев, Варшавский, 1994). Сравнительный гомеологический анализ целых хромосом, их фрагментов и расположения гетерохроматина, проведенный В.М. Анискиным у 6 видов щетинистых крыс, показал, что эволюция их кариотипов шла исключительно по пути перекомбинации одного и того же генетического материала (Анискин и др., 1991, 1995). Проведенный нами аллозимный анализ щетинистых крыс показал, что стенотопные виды P. sp. (2п = 34) и Р. simonsi имеют

крайне высокий уровень генной изменчивости, превышающий средние оценки для отряда грызунов более чем в 4 раза по доле полиморфных локусов (Р»), и почти в 3 раза по средней наблюдаемой гетерозиготности (табл. 1). Эврибионтпый вид Р. Ьгеукаи&г также имел повышенный уровень генной изменчивости, но вдвое меньший, чем у двух других исследованных видов (Милишников и др., 1999).

Таблица I

Уровни генной изменчивости у трех видов щетинистых крыс рода РгоесЫтуя Верхней Амазонии Перу

Вид Р95 Р99 I fobs

P. sp. (2а = 34) N = 69 0.50 0.54 0.126

P. simonsi (2п = 32) N = 62 0.54 0.65 0.129

P.brevicauda (2п = 28) N=150 0.23 0.58 0.067

Среднее по 108 видам грызунов (Nevo et al., 1984) 0.13 0.21 0.046

Этот, достаточно неожиданный, факт мы связали с особыми механизмами формирования генной изменчивости у исследованных видов, связанньми с их обитанием в условиях стабильной среды влажного тропического леса. Для их расшифровки необходимо было ответить на следующие вопросы. Является ли повышенная изменчивость исследованных популяций нейтральной или она поддерживается отбором? С чем связана способность Р. Ъгещсаийа адаптироваться к разнообразным биотопам, в том числе и антропогенным, и очевидная неспособность к этому двух других видов сообщества, Р. хр. (2п = 34) и Р. этоюг, насколько отражены эти свойства в структуре аллозимной изменчивости популяций? Для ответа на них мы сопоставили направление дифференциации видов и структуру аллозимной изменчивости популяций как конечного продукта этой эволюции.

По данным кариологического анализа (Анискин и др., 1991, 1994) была реконструирована хромосомная эволюция исследованных видов (Милишников и др., 1999, Милишников, 20026). Оказалось, что стенотопный вид Р. вр. (2п = 34) является материнским, как по отношению к стенотопному виду Р. йШоп5/, так и по отношению к эврибионтному виду Р. Ъгеу1саис1а. Зная направление дивергенции видов, мы попытались оценить ее результаты двумя различными способами — по частотам белковых аллелей в популяциях, включая оценку неевского генетического расстояния (рис. 5), и по структуре полиморфизма видов, оцененной по информационной мере разнообразия Шеннона (Уодцингтон, Левонтин, 1970) (рис б). Второй способ позволяет сравнить у видов меру полиморфности отдельных локусов даже при полном различии их аллельного состава.

Р. ятолн. (2п=32)

Р. Ьгеукаи<1а. (2п=28)

Рис. 5. Дивергенция исследованных видов РгоесЫтуз по частотам фиксированных и главных аллелей 20 полиморфных локусов. На радиусах отложены 29 аллелей, имеющих диапазон частот от 0.5 до 1,0. На окружности частота аллеля равна 1,0, ноль - в центре круга. Оце, — коэффициент генетического расстояния между видами.

Р. ¿¡тоги!. (2п=32) Ям =7.27

Р. Ъгем1саи<1а. (2п=28) /4*-4.14

Рис. 6. Информационная мера разнообразия Шеннона 20 полиморфных локусов трех видов РгоесЫтуэ. На радиусах отложены модальные значения меры Шеннона {Н=-£р,1пр1, где р! — частота аллеля). Максимальные значения - на окружности, минимальные — в центре круга. На конфигурацию полиморфизма дочерних видов наложена соответствующая конфигурация материнского вида (серая штриховка).

Сопоставление представленных на рисунках 5 и 6 схем показывает, что при относительно малой общей генетической дивергенции (Р. simonsi удалился от материнской формы до уровня географических популяций или подвидов, рис. 5), структура полиморфизма у них может сильно различаться (рис. б). И, наоборот, при значительной общей дивергенции между видами (Р. brevicauda удалился от материнской формы до уровня «хорошего» вида, рис. 5), структура полиморфизма у них может остаться сходной (рис. 6). Объяснение этого кажущегося противоречия приблизило нас к пониманию и описанию самих эволюционных процессов у рассматриваемых видов. Синтез данных по особенностям хромосомной дивергенции щетинистых крыс, родственным взаимоотношениям между ними (Reig et al., 1980, Анискин, 1994, Милишников, 20056), их экологии, социальной организации, репродуктивным особенностям и краниологии (Исаев, Варшавский, 1994, Варшавский, Павлинов, 1994), геоклиматической истории (Davis, 1976) и структуре аллозимной изменчивости (Benado et al., 1979, Милишников и др., 1999, Милишников, Орлов, 2005, Милишников, 20056, 2006), позволил сделать следующее заключение. У дочернего вида Р. brevicauda в скачкообразных процессах многократной перекомпоновки одного и того же хромосомного материала (две промежуточные формы и гибридизация с третьей) (Анискин, 1994, Милишников и др., 1999), имело место установление новых взаимодействий генов при консервативном сохранении множества групп сцепления (Grafodatsky, Biltueva, 1995). Предполагается, что в этих процессах сохранился полиморфизм адаптивно-значимых белковых генов с одновременным сокращением («сбросом») общей генной изменчивости. Предполагается также, что именно такие причинно-следственные события привели Р. brevicauda к преадаптации, то есть к потенциальной возможности выхода вида за рамки ограничений материнской среды обитания и успешному освоению тех новых биотопов, которые появились лишь в историческое время.

Данная гипотеза во многом согласуется с концепцией номогенеза Л.С. Берга, согласно которой эволюция идет скачкообразно и состоит в «развертывании задатков», а естественный отбор служит не фактором прогресса, а консервативным фактором, охраняющим «норму», то есть наиболее приспособленные фенотипы. При этом мы не исключаем, что ко времени действительного появления антропогенных биотопов, в популяциях Р. brevicauda начались определенные адаптационные процессы, связанные с отбором. Но сама возможность быстрой и безболезненной адаптации к новой среде у вида уже была. Одним из аргументов в пользу этого является очевидное отсутствие подобных адаптаций у Р. simonsi и Р. sp. (2п=34), находящихся с Р. brevicauda в условиях симбиотопии, но неспособных активно осваивать антропогенные биотопы.

У второго дочернего вида, Р. simonsi, иная ситуация. Среда его обитания, как и у материнского вида, ближе к селективно-нейтральной. В таких условиях сохранение

полиморфности определенных локусов, по-видимому, не столь канализовано и вид "может себе позволить" иметь неадаптивную изменчивость, легко подвергаемую случайной элиминации в процессе дрейфа генов. Однако, как показывают наши данные, эта изменчивость не исчезает из популяции, а удерживается в ней в виде гипертрофированного избытка сверхдоминантных локусов и гетерозиготности, достигающей у отдельных особей 23-27%. То же можно сказать и о популяции материнского вида P. sp. (2п = 34). Данное явление обсуждается в диссертации в свете работ по интеграции приспособительных наследственных систем (Дубинин, 1948), присутствию в геноме «генетического хлама», не имеющего физиологического значения ("jank DNA", Оно, 1973), эффекта связывания нейтральных аллелей селективными локусами в качестве «попутного транспорта» ("hitch-hiking effect", Thomson, 1977), гетерозисного эффекта «ассоциативного сверхдоминирования» нейтральных локусов (Otha, Kimura, 1970, 1971, Franklin, Levontin, 1970), системной реорганизации генома (Стегний, 2001) и других работ. Сделан вывод о том, что «информационная перегруженность» P. sp. (2п = 34) и P. simonsi является фактором ограничения адаптационных возможностей популяций, так как при воздействии, выходящем за рамки среды их обитания, могут нарушиться гармоничные межлокусные взаимодействия геномов особей и увеличится риск их нестабильности (Алтухов, 1984, Livshits, Kobiliansky, 1985, Евгеньев и др., 2001). Крайне негативным для таких популяций, хорошо адаптированных лишь к условиям влажного первичного тропического леса, может быть антропогенный фактор, резко изменяющий стабильность среды их обитания, например, мозаичные вырубки леса и хозяйственное освоение сельвы.

Таким образом, мы видим, что строгих закономерностей в формировании генной изменчивости в популяциях близких видов, в том числе и в относительно экологически специализированных популяциях, не существует. В каждом конкретном случае неповторимое многообразие внутренних и внешних факторов формируют в популяциях свой уровень генной изменчивости, отражающий ее адаптационный "оптимум".

Глава б. ФОРМИРОВАНИЕ АЛЛОЗИМНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ПОПУЛЯЦИЯХ ЦЕПКОХВОСТЫХ ХУТИЙ П/СЕМ. Capromyinae КУБЫ.

Кубинские хупга, так же как и южноамериканские грызуны Proechimys, относятся к подотряду Hystricognathi Tullberg, 1899 и выделяются в подсемейство Capromyinae Smith, 1842. Подсемейство включает в себя 4 рода: Capromys, Mysateles, Mesocapromys и Geocapromys (Kratochvil et al., 1978). Первые три из перечисленных обитают, и всегда обитали, исключительно на о. Куба и прилегающих мелких островах и насчитывают в настоящее время 9 видов, из которых лишь 4 вида считаются валидными. Остальные виды - крайне малочисленны и расположены по краям прежнего ареала подсемейства. Одна из проблем в изучении

кубинских хутий состоит в том, что до сих пор нет единого мнения относительно таксономической градации подсемейства. Разные авторы присваивали одним и тем же формам ранги подвидов, видов и даже родов (Chapman, 1901, Varona, 1974). На последнем этапе таксономической ревизии кубинских хутий был сделан вывод о том, что имеется связь между развитием кубинского архипелага в последних геологических периодах Земли и распространением существующих видов с одной стороны, и между их распространением и экологическими требованиями - с другой (Kiatochvil at al., 1978, 1980, Rodrigues et al., 1979).

В данной главе по литературным данным рассмотрены возможные причины фрагментарного распределения видов хутий по островам Карибского бассейна, связь этого явления с эволюционной историей семейства. Предложена трактовка исторического развития сем. Capromyidae, которая, на наш взгляд, вносит ясность в вопрос о причинах столь странной фрагментарности распределения таксонов по островам Антильского архипелага и объясняет, почему на о. Куба в пределах эндемичного подсемейства образовалось самое большое число видов. В главе также оценена генетическая дифференциация нескольких форм кубинских хутий по частотам генов и по структуре полиморфизма (Милишников, 1993, 2004в). Эти данные сопоставлены с таксономическими статусами видов и подвидов хутий. Оценены также уровни аллозимной изменчивости популяций двух видов в связи с особенностями их экологии. По распределению аллозимов в популяциях хутий Кубы и щетинистых крыс Перу оценена их филогенетическая связь.

Два вида из двух родов - С. pilorides и М. (М.) prehensilis (общая выборка 92 особи) были проанализированы нами по 32 аллозимным локусам. Уже в первой публикации на эту тему (Милишников, Камачо, 1988) " показано, что глубина генетической дивергенции между исследованными видами больше соответствует рангу "хороших" видов, чем родов (табл. 2). «Завышение» таксономических рангов прослеживалось и на уровне подвидов (Milishnikov et al., 1990; Булатова и др., 1993; Милишников, 1993; 2004в). Так, Capromys prehensilis был в свое время разделен наМ р. prehensilis о. Кубаи М p. gundlachi севера о. Хувентуд (Chapman, 1901). Последний был поднят Л. Вароной до уровня самостоятельного вида Mysateles (Ы.) gundlachi nuevo rango (Varona, 1986). Однако по нашим данным у этих двух форм наблюдалось практически полное совпадение общих аллелей (кроме локуса Gpí), а уровень генетической дивергенции между ними (D№<=0.01-0.02) скорее указывал не на межвидовые, а на межпопуляционные различия. Несколько иная. ситуация наблюдалась при сравнении номинативного вида С. р. pilorides (Say, 1882) о. Куба и его подвида С. p. relictus на юге о. Хувентуд, разделенных в свое время Г. Алленом (Allen, 1911). В отличие от предыдущего случая, между этими формами были найдены существенные различия частот генов в трех

локусах, которые вполне соответствовали подвидовому рангу в пределах вида, хотя в цифровом выражении дивергенция между ними также была небольшой (Дуг,=0.03).

Таблица 2

Генетическая дивергенция (Д Ие1, 1978) между исследованными формами кубинских хутий.

Ранги форм Кубинские хутии (собств. данные) Среднее по млекопитающим (по Ауа1а,1975)

Популяции 0.00-0.05 0.06

Подвиды 0.01-0.04 0.23

Виды 0.01-0.10 0.26

Близкие роды 0.23-0.27 0.56

Генетическую дивергенцию между исследованными формами хутий мы оценили тем же способом, каким оценивали дивергенцию щетинистых крыс - по частотам генов и по структуре полиморфизма с использованием информационной меры разнообразия Шеннона (глава 5). Сравнивалось по две популяции от каждого вида: М, ргеЫюШз (Болота Сапаты) - М. ргеИетШз (Гуида), £>№,=0.02, С. р. рИопскх (Эскамбрай) - С. р. геИсШз (о. Хувентуд), Дуг,=0.03. Оказалось, что при незначительной общей генетической дивергенции между сравниваемыми формами, структура полиморфизма у них сильно различалась (рис. 7).

МргеЫтШз М.ргеНетИм С. р. рИогШея С. р. геНат

(Болота Сапаты) (Гуида) (Эскамбрай) (о. Хувентуд)

Ял=-1.57 Я,„=-2.59 Н./Г-ЗМ 3.94

Рис. 7. Дивергенция кубинских хутий по информационной мере разнообразия 12 полиморфных локусов (Нз/, — информационная мера разнообразия Шеннона)

Полученные нами данные подтверждают сделанное ранее предположение об относительно недавнем начале последнего акта эволюции подсемейства Сарготугпае, связанного с постплейстоценовым подъемом океана более чем на 200 м и разделением огромного кубинского континента на множество островов (КгаШсЬуП й а1., 1978). Это событие, произошедшее не ранее 25 тыс. лет назад, повлекло за собой изменение топографии ареала

хутий, изоляцию популяций и маргинализацию отдельных форм, резко ускорило морфологическую дивергенцию сохранившихся таксонов. В итоге сформировались новые формы с широким диапазоном различий. Большая их часть сохранились лишь на мелких островах, к северу и югу от основного острова. Другие виды приспособились к обитанию в болотистых низинах и мангровых зарослях главного острова. Эти реликтовые виды имеют в настоящее время очень специфичные требования к окружающей среде и жизненному пространству (Kratochvil et al., 1978, 1980, Rodrigues et al., 1979). Как предполагают указанные авторы, все они угасают и скоро исчезнут.

Однако времени, прошедшего от начала этого «последнего акта» эволюции кубинских хутий, было, по-видимому, недостаточно для завершения их дифференциации на отдельные географические расы. Неслучайно у самого многочисленного вида С. pilorides обнаруживается множество морфологических вариаций, сопряженных с типом обитания популяций (леса, болота, мангры), но не достигающих уровня географических рас или подвидов (Smith, Bero vides, 1984). Возможно, по этой причине при проведении сравнительного морфологического и краниометрического анализа, исследователи дробили формы и присваивали им различные ранги - от морфотипов в пределах вида, занимающих различающиеся биотопы (Smith, Berovides, 1984), до подвидов, новых видов (Varona, 1967, 1974, 1986), подродов и даже родов (Kratochvil et al., 1978). Такой взгляд на эволюцию данной группы действительно позволяет трактовать «завышение» таксономических рангов отдельных форм хутий, эволюционировавших в постплейстоценовое время, как опережение морфологической дивергенции, относительно их генетической дивергенции. Но только по оценкам общего генетического (неевского) расстояния между популяциями. Выявленные же различия исследованных форм хутий по структуре полиморфизма (рис. 7) оказались вполне адекватны морфологической дивергенции, что позволяет трактовать их эволюцию как адаптивную, связанную с селективными процессами в новых условиях существования в постплейстоценовое время.

В целом полученные данные демонстрируют различный характер дивергенции капромин Кубы и щетинистых крыс Перу. Очевидно, что мы имеем дело с совершенно различным результатом морфологической эволюции в двух группах гистрикогнатных грызунов. Виды-двойники щетинистых крыс это, как было показано в главе 5, продукт эволюции рода в длительно неизменной и однородной среде протяженных лесных массивов Верхней Амазонии, среде, в которой возможности морфологических адаптаций дифференцирующихся видов, по-видимому, уже исчерпаны. Хутии Кубы представляют собой продукт быстрой адаптивной эволюции предкового таксона на обширной территории острова с незавершенной морфологической и генетической дивергенцией форм.

Глава 7. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ТРЕХ ЭНДЕМИЧНЫХ ВИДОВ ЖЕСТКОВОЛОСЫХ МЫШЕЙ НАДВИДОВОГО КОМПЛЕКСА Lophuromysflavopunctatus s. lato

На африканском континенте колебания климата в Плейстоцене были выражены значительно сильнее, чем в Ю.Америке. Здесь происходили оледенения горных массивов с одновременным изменением окружающей среды на периферии. Своеобразие геоклиматических изменений и динамики смены растительных формаций в горных и предгорных районах Восточной Африки в постплейстоценовое время привело к появлению в этих районах большого количества новых форм млекопитающих, значительная часть которых является эндэмиками этого региона (Yalden, Largen, 1988, Yalden et al., 1992, 1996). Проведенные исследования по дифференциации видов и форм мелких млекопитающих Национального парка Бале с использованием методов цитогенетического и аллозимного анализов, в которых принимал участие автор настоящей диссертации, показали, что некоторые виды грызунов из родов Lophuromys, Stenocephalemy, и Tachyoryctes представлены комплексами хромосомных форм и биохимических типов (Lavrenchenko et al., 1997, 1999, 2000, Анискин и др., 1997, а, б). Эти работы выявили также значительную генетическую дивергенцию между конспецифическими популяциями узко локализованных видов. Полученные данные позволили предположить, что богатство и своеобразие животного мира Национального парка Бале обусловлено в основном местными факторами. К ним, прежде всего, относятся резкие изменения природных условий в прошлом, изолированное положение Бале от других горных массивов Эфиопии и его исключительно разнообразная геоморфология.

Основное внимание в проведенном комплексном исследовании фауны Национального парка Бале Эфиопии было уделено трем эндемичным видам надвидового комплекса Lophuromys flavopunctatus sensu lato: L. chrysopus (3 выборки), L. brevicaudus (5 выборок) и L. melanonyx (2 выборки) замещающих друг друга в смежных высотных поясах горного массива (тропический лес 1500-3200 м над у. м. - пояс вересковых зарослей 3400-3800 м над у. м. - афро-альпийская зона 3800 - 4200 м над у. м.). Оценка генетических расстояний (Nei, 1978) между тремя исследованными видами Lophuromys показала, что они хорошо дифференцированы друг от друга. Между L. brevicaudus и L. chrysopus генетическое расстояние (Dfjei) оказалось равным 0.38, между L. brevicaudus и L. melanonyx - 0.26, а между L. chrysopus и L. melanonyx - 0.64. Характерно, что значения генетических дистанций между этими тремя видами согласуются с пространственной обособленностью занимаемых ими биотопов. Виды L. melanonyx и L. chrysopus обитают, соответственно, в верхнем и нижнем поясе горного массива Бале и полностью изолированы друг от друга. Вид L. brevicaudus занимает промежуточное положение

между двумя другими видами, как по высоте распространения, так и по генетической удаленности от каждого из них (Милишников и др., 2000, Ьа\тепсЬепко, е1 а!., 1997,2000).

Расшифровка необычной популяционно-генетической структуры трех исследованных видов ЬорИиготуз горного массива Бале явилась наиболее трудной задачей и, одновременно, наиболее продуктивным способом выяснения механизма формирования аллозимной изменчивости в популяциях этого вида (Милишников и др., 2000, МШэЬткоу, ЬаугепсЬепко, 2000). Было отмечено три особенности структуры популяций. Первая состояла в том, что в рассмотренных выборках ожидаемая гетерозиготность почти вдвое превышала фактическую. Это явление было обусловлено неравновесным по Харди-Вайнбергу соотношением генотипов в двух, трех и даже четырех аллозимных локусах одновременно. Ничего подобного не было замечено в изученной ранее популяции Ь. /1а\-орипс1а1из б. з1х. из Амбо, а также в нескольких популяциях других видов африканских грызунов (МШзЬшкоу ег а1., 1992) (табл. 3). Это предполагало, что мы имели дело со смешанными выборками, состоящими из представителей различных генетически разнородных популяций, а наблюдаемая в них внутривыборочпая гетерогенность вызвана эффектом Валунда. Вторая особенность заключалась в том, что неравновесие генотипов в выборках наблюдалось по тем локусам и тем аллелям, по которым сами выборки отличались друг от друга. Это могло означать, что состав смешанных выборок определялся животными из различных, генетически различающихся популяций, но обитающих очень близко друг от друга. Третьей особенностью аллозимной изменчивости у ЬорИиготуй было то, что избыточное количество гомозигот по второстепенным аллелям в локусах (вторым, третьим, но не главным аллелям), распределено в исследованных выборках отнюдь не случайным образом, а сконцентрировано в геномах единичных животных. Кроме того, в геномах этих же животных обнаруживались редкие и уникальные (в пределах каждого из видов) аллели. Например, в выборке 4 Ь. Ьгеу1саи<1и5, среди 33 зверьков было выявлено 4 «чужих» особи, две из которых являлись гомозиготами по второстепенным аллелям сразу в двух локусах (генотип Оо1-1'/е, одна особь — гомозиготой по уникальному аллелю V в

диафоразе (Оои1е/е, Вга-!^") и одна особь - гомозиготой по редкму аллелю 'У (С^с^) и одновременно тройной гетерозиготой (Ме-1Ш, Оо1-1Ые, Мк-1'ин).

Таким образом, во всех исследованных популяциях трех видов Ьоркиготуз, имелись резко выделяющиеся «чужие» особи, чьи генотипы сдвигали генотипическое равновесие в выборках в сторону дефицита гетерозигот одновременно по нескольким локусам. Удаление этих особей из выборок восстанавливало в них равновесие генотипов. Присутствие же у большинства «чужих» особей уникальных или редких аллелей, да еще в гомозиготах, предполагало, что генное разнообразие популяций ЬорИиготуз горного массива Бале

значительно больше того, которое мы наблюдали при анализе пяти относительно представительных выборок (табл. 3).

Таблица 3

Основные параметры внутрипопуляционной генетической изменчивости исследованных видов эфиопских грызунов по 17 аллозимным локусам

Вид N P95 P99 Нфакм, Ножид. Участок, №

Lophuromys brevicaudus 33 0.18 0.41 0.032 0.064 Бале,4

19 0.18 0.29 0.053 0.063 Бале,7

15 0.08 0.12 0.012 0.017 Бале,8

Lophuromys chrysopus 8 0.29 0.29 0.051 0.100 Бале,3

Lophuromys melanonyx 21 0.12 0.35 0.028 0.056 Бале,6

Lophuromys jlavopunctatus 10 0.08 0.12 0.003 0.003 Амбо

Praomys albipes 19 0.12 0.12 0.029 0.028 Бале,1,2,3 ]

26 0.18 0.29 0.076 0.079 Амбо

29 0.18 0.18 0.083 0.077 Аддис-Абеба

Mástomys huberti 79 ! 0;12 0.29 0.029 0.028 Амбо,;

Pelomys harringtoni 34. 0.18 0.18 0.041 0.048 Амбо

Arvicánthis abissinicus 23 0.06 0.18 0.032 0.030 Амбо.

В связи с этим было дополнительно проанализировано шесть малочисленных выборок из близких и удаленных участков обследуемого района (Милишников и др., 2000, Милишников, 2004). Оказалось, что в некоторых из них имеются новые уникальные аллели, не встреченные в основных выборках, а также редкие для основных выборок аллели, опять таки в гомозиготах. Генетическое расстояние между некоторыми из выборок, представляющих конспецифичные популяции, были очень высокими. Например, генетическое расстояние между двумя выбороками из популяций L brevicaudus, обитающих в сходных биотопах и расположенных на расстоянии 4 км друг от друга, было Dne¡ = 0.21, что соответствовало больше межвидовым различиям, нежели внутривидовым. Доля генного разнообразия Gst (Nei, Chakravarti, 1988), обусловленного различиями между популяциями у вида L. brevicaudus достигала величины 0.52. При этом оказалось, что присутствие "чужих" особей в рассмотренных выборках занижает межпопуляционную компоненту генного разнообразия. Удаление их из выборок увеличивало величину Gst АО 0.70. Исходная величина Gsr и без того имела очень высокий уровень, крайне редко наблюдающийся при оценке подразделенности популяций животных. Увеличение же ее

еще на 17% при удалении из группы лишь 7% особей показывает, что генетическая обособленность рассмотренных популяций в действительности * очень значительна. Таким образом, структура генотипической изменчивости трех исследованных видов ЬорНиготух, населяющих изолированный горный массив Бале, оказалась крайне гетерогенной. Как и в популяциях домовых мышей Закавказья (см. главу 4), множество редких аллелей и необычные их сочетания в генотипах отдельных особей, по-видимому, являются элементами реликтового генофонда. Разница состоит в том, что в случае Ьоркиготуз, его остатки сконцентрированы на ограниченной площади изолированного горного массива Бале, а у домовых мышей Закавказья они распределены на значительно большей площади. Кроме того, по всем выявленным признакам структуру популяций исследованных видов Ьоркиготуя можно назвать микрогеографической. Тот факт, что высокий уровень генетической гетерогенности сохраняется в близко расположенных популяциях, вполне способных миграционно взаимодействовать друг с другом, означает, что реальный поток генов между ними очень мал.

Для выяснения причин этого явления были проанализированы две категории факторов — экологические и исторические. Попытки установить связь между богатейшим биотопическим разнообразием, геоклиматическими особенностями, высотностью, характером растительности горного массива Бале, и структурой аллозимной изменчивости у 1,оркиготу$ не дали положительных результатов. По этой причине мы полагаем, что экологические факторы среды не определяют качественных особенностей изменчивости генофондов исследованных популяций, а в лучшем случае поддерживают их количественное разнообразие. На это же указывает тот факт, что данное явление наблюдалось у всех трех исследованных видов, имеющих различную социальную организацию, численность, популяционную экологию и приуроченность (тропический лес, травянисто-кустарниково-лесная зона, афро-альпийская зона) (УаШеп, 1988, ЭШего-гиЫп ег а!, 1995, ЬаутепсЬепко, 2000).

Главную причину возникновения видового и популяционного разнообразия ЬорЪиготуь в горном массиве Бале мы связываем с влиянием уникального в условиях тропиков плейстоценового оледенения, которое началось в горных районах Восточной Африки в период наиболее продолжительного похолодания около 800 000 лет назад (Керрепй^, 1985). В некоторые периоды Плейстоцена ледники занимали значительную площадь горного массива Бале, а их терминальные морены находились на высоте 3100 - 3200 м над уровнем моря (МеэзегН, \Viniger, 1980). В подобных условиях была неизбежна фрагментация местообитаний животных с последующей длительной изоляцией локальных популяций и дрейфом в них генов. Эти процессы могли способствовать не только "взрывному" видообразованию у Xоркиготуз (ЬалтепсЬепко й а1., 1998, 2000), но и привести к возникновению значительной внутривидовой дифференциации и пространственной популяционной мозаичности, которая в основных чертах

сохранилась до настоящего времени. Сходная ситуация была описана Р. Селандером и Т. Виттамом (Seiander, Whittam, 1983) на примере улитки Cepaea nemoralis, обитающей на горных склонах и в речных долинах Испанских Пиренеев, Д. Стюартом и А. Бейкером (Steward, Baker, 1992) на примере материковых и островных популяций бурозубок Sorex cinereus, сформированных в ледниковых рефугиумах и эволюционировавших затем в небольшие изолированные популяции, а также Г. Хофнером и К. Шустером (Hafner, S huster, 1996) на примере одной из популяций короткоухой бурозубки Cryptotls parva из Нью-Мексико США. Во всех этих работах была прослежена прямая связь между изолированностью популяций в прошлом и современным уровнем их генетической гетерогенности, а дополнительные исторические и палеонтологические данные подтверждали гипотезу авторов о том, что исследованные популяции являются реликтовыми.

Что же представляют собой исследованные популяции Lophuromys горного массива Бале? Из полученных данных следует, что генетическое расстояние между некоторыми из них больше обычного (Ave/= 0.12 - 0. 21). Межпопуляционная компонента генного разнообразия Gst (тождественная Fst - статистике Райта) имеет повышенное значение, вдвое превышающее аналогичный показатель у реликтовых популяций бурозубок, упомянутых выше. В исследованных популяциях Lophuromys присутствует значительное количество уникальных аллелей, которые встречаются в уникальных же сочетаниях. Все эти особенности структуры аллозимной изменчивости исследованных популяций приводят нас к выводу о том, что горный массив Бале населяют остатки шш прямые потомки реликтовых форм Lophuromys, возникших и окончательно сформировавшихся в период последних оледенений. Мы предполагаем, что при длительном воспроизводстве изолированных ледниками реликтовых популяций, обитавших в узколокальных биотопах, в них, в процессе дрейфа генов и отбора, сформировались устойчивые коадаптированные генные комплексы, которые обеспечили популяциям максимальную приспособленность и выживание в "своей" среде. В процессе начавшегося генетического обмена функциональное единство этих генных комплексов у межпопуляционных "гибридов" нарушалось, и их относительная приспособленность падала (аутбредная депрессия, Templeton, 1986). Отбор в этом случае работал против таких "гибридов" и в пользу сохранения исходного разнообразия реликтовых популяций. Чрезвычайно богатое биотопическое разнообразие горного массива Бале являлось лишь дополнительным фактором сохранения и генетического обособления микропопуляций.

Глава 8. ФОРМИРОВАНИЕ АЛЛОЗИМНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО БОБРА {Castor fiber L„ 1758). ПРОБЛЕМА СТАТУСА

«СПАСЕННОГО» ВИДА.

Катастрофическое падение численности европейского бобра поставило вид уже к началу 20 века на грань вымирания на всем евразийском пространстве. Предпринятые советскими учеными в 30-70 годы прошлого века уникальные по своей масштабности и затраченным усилиям меры по его реакклиматизации из уцелевших автохтонных популяций в прежние места обитания, позволили спасти вид от полного исчезновения. Европейский бобр вновь возродился и занял свой прежний ареал. Однако проблема восстановления вида путем увеличения его численности из нескольких десятков особей, этим далеко не исчерпывается. Часть исходной изменчивости генофонда и его исторически сложившаяся популяционно-генетическая структура, сформированные в длительном ряду поколений, были утрачены безвозвратно. Вместо прежнего вида на его ареале теперь обитает множество искусственно созданных популяций - до 90% всех бобровых ресурсов (Савельев, 2000), в которых интенсивно происходят формообразовательные процессы (Сгавровский, 1989, Соловьев, 1991, Кораблев, 2005). Эта новая интродуцированная форма Castor fiber L., основателями которой являются белорусские и воронежские автохтонные бобры, имеет неясную популяционную структуру и таксономическую неопределенность (Савельев, 2000), что не позволяет отождествить ее с прежним нативным видом.

Вплоть до первой публикации по оценке полиморфизма и гетерозиготности воронежской автохтонной популяции (Милишников и др., 1994), совершенно не было известно, какой уровень генной изменчивости сохранил европейский бобр. Были опасения, что она может быть подобна очень низкой изменчивости канадского реинтродуцированного бобра из популяции Ю. Каролины (Hoppe et al., 1984). К счастью, эти опасения не оправдались. Изменчивость воронежской и белорусской автохтонных популяций осталась высокой (табл. 4) (Милишников и др., 1994, 1997), вдвое выше средних оценок, рассчитанных для 33 средних по величине млекопитающих умеренных зон (Nevo et al., 1984). Более того, последующее изучение популяционно-гепетической структуры европейского бобра показало, что в силу уникальных биологических особенностей самого вида, вероятность сохранения им изменчивости всегда оставалась высокой. К такому заключению мы пришли после оценки эффективной репродуктивной величины (ЛУ минимальной бобровой популяции, характеризующей способность вида устойчиво воспроизводиться в длительном ряду поколений и успешно противостоять инбредной депрессии (Wright, 1969, Lidiker, Patton, 1987, Frankham, 1995). По нашим предварительным оценкам она оказалась самой низкой среди видов млекопитающих (Милишников, 2004г).

При сопоставлении аллозимной изменчивости европейского и канадского бобра выявлено 10 локусов, которые можно считать диагностическими для двух сравниваемых видов. Среди них 7 локусов имели фиксированные альтернативные аллели. Уровень генетической дивергенции между видами, оцененный по 32 аллозимным локусам, оказался равным Дуц = 0.23, что сравнимо с дивергенцией между близкими видами (Милишников, 1994, Милишников и др., 1997).

Таблица 4.

Сравнение исследованных популяций бобра по трём основным генетическим показателям величина выборки, Ь - число исследованных локусов)

Показатель р. Березина №=6, Л =44 р. Чепца №=45, Z=53 р. Чека ЛМ 1,1=36 р. Усмань (ферма) N=13,L=32

Р95 0.34 0.50 0.17 0.22

РР9 0.34 0.57 0.22 0.25

Пфакт 0.051±0.018 0.078±0.017 0.063±0.018 0.080±0.01

р 1.27±0.04 1.35±0.03 1.15±0.04 1.21±0.05

Примечание: ц - аллельное разнообразие по JI.A. Животовскому (1983)

Генетическое расстояние (Дуе/ = 0.09) между березинской и воронежской (усманской) популяциями, сопоставленное с уровнем дивергенции между европейским и канадским бобром (Ду„ = 0.23), по-видимому, дает основание относить две рассматриваемые автохтонные популяции европейского бобра к самостоятельным подвидам, как это в свое время предложил JI.C. Лавров (Лавров, 1981).

При генетической идентификации единственного экземпляра тувинского бобра (С fiber tuvinicus Lavrov, 1969) из популяции р. Азас обнаружился совершенно неожиданный факт его генетического сходства с восточноевропейскими бобрами (Милишников, Савельев, 1999,2001). Экстерьерные особенности исследованного экземпляра 1,5-годовалого самца в целом соответствовали описанию тувинского бобра (Лавров, 1969). В то же время по 39 аллозимным локусам этот экземпляр имел не просто номинальное сходство с аллелями из популяции восточноевропейского бобра рек Березина и Вятка, а с теми из них, которые в этих популяциях являлись главными. Если выявленные аллели исследованного тувинского бобра условно принять главными в популяции р. Азас, то генетическое расстояние между ней и белорусской популяцией должно быть в пределах Dne, = 0.01. Кариологический анализ дифференциально окрашенных хромосом этого экземпляра тувинского бобра, проведенный А.С Графодатским и

В.Р. Беклемишевой, показал, что по числу и морфологии хромосом он также ничем не отличался от восточноевропейских бобров (Савельев и др., 2002). Факт столь явного генетического сходства исследованного тувинского бобра с восточноевропейскими бобрами, вновь поднимает дискуссию о генетической «чистоте» тувинского бобра и его возможной гибридизации в 1953 г. с выпущенными в р. Азас белорусскими бобрами (Лавров, 1975).

При изучении интродуцированных популяций европейского бобра Кировской и Новосибирской областей было показано, что их генофонды имеют смешанное происхождение (Милишников, Савельев, 2001). В этих популяциях были идентифицированы на высоких частотах те аллели, которые преобладали в какой-либо одной их автохтонных популяций, березинской или воронежской (р. Усмань). Перемешивание генофондов в шпродуцированной популяции Кировской области (р. Вятка), по-видимому, подтверждается и гетерозисным эффектом в величине средней численности помета самок (БауеЦеу, МШвИткоу, 2002). Этот показатель в популяции р. Вятка равен 3,4 детеныша на самку (Сафонов, 1971, Гревцев, 1979), р. Конда- 1,4 (Васин, 2001), р. Азас-1,7 (Савельев и др., 1999), р. Эльба-1,9 (1Мо1е1е1а1., 1994), р. Воронеж - 2,8 (Дежкин, 1961), р. Березина - 2,9 (Ставровский, 1986).

Для установления структуры генотипической изменчивости шпродуцированной популяции бобров Кировской области мы разбили общую выборку на белее мелкие группировки в соответствии и их обитанием. Различные ранги этих сообществ получили названия: «Районы», «Локальности», «Колонии» (рис 8) и «Поселения». Самой заметной особенностью генотипической изменчивости бобровых сообществ высокого ранга являлась несбалансированность в них множества аллозимных локусов. Так, в обобщенных выборках бобров р. Вятка и р. Чепца, соотношение генотипов в 6 из 18 полиморфных локусов достоверно отклонялось от равновесия Харди-Вайнберга. Причина этого была в том, что колонии, составляющие такие смешанные выборки (иерархические группы), по многим локусам имели контрастные различия по аллелыюму составу. Тест на гомогенность выборки (2аукхп, Ри<1оукт,1993) показал, что колонии бобров Кировской области различались по тем же самым локусам, по которым в смешанных выборках наблюдается дефицит гетерозигот (эффект Валунда). Контрастные различия территориально близких колоний отмечались также и по окраске меха бобров. В то же время межгрупповая компонента генного разнообразия (в,,) в сообществах бобров «Районы» и «Локальности» была относительно низкой (рис. 8). Из этого мы сделали вывод, что незначительные генетические различия между популяциями рек Чахловица, Чепца и Белая Холуница (притоки р. Вятка, сообщество «Районы»), и между популяциями притоков р. Чепцы (сообщество «Локальности», см. рис. 8) обусловлены их единым происхождением. Иными словами, на этом уровне рассмотрения сообществ, интродуцированные бобры Кировской области представляют собой в генетическом отношении

относительно однородную массу, в которой только начинают формироваться генетически обособленные популяции.

Порядок притока р. Кама н

^ внепойменные J б* = 0.32

Рис. 8. Иерархическая структура исследованных бобровых сообществ

Совершенно другая картина наблюдалась при рассмотрении генной изменчивости в сообществе «Колонии». В этом случае показатель С^, характеризующий долю генного разнообразия между колониями от общего объема их генной изменчивости, был почти втрое выше, чем в «Локальностях», причем величина Оц практически не зависела от числа рассматриваемых колоний, будь то 10, 7 или 4 колонии. По отдельным локусам межгрупповая изменчивость рассматриваемых сообществ бобра также имела свои особенности. Из таблицы 5 следует, что в сообществе «Колонии» величина О,, ни по одному полиморфному локусу не была ниже 0.15. Это означает, что в процесс дифференциации колоний вовлечены в той или иной мере все полиморфные локусы, а сам механизм их дифференциации во многом не случаен. Какие же факторы являлись определяющими в процессе генетической дифференциации низшего иерархического уровня бобровых сообществ — колоний?

В диссертации рассматриваются и обсуждаются возможные факторы, способные в той или иной мере повлиять на формирование изменчивости колоний и их генетическую дифференциацию. Среди них: эффект основателя (Т^г-тест дал отрицательную связь), разнонаправленный отбор в колониях, ассортативность скрещивания, агрессивность особей

(половина смертей бобров связана с покусами в драках, Жарков, 1976), оседлость колоний и семей, моногамия пар, социальное поведение, ольфакторное поведение и мечение территории, дрейф генов, репродуктивный потенциал, миграция, пищевые ресурсы, стратегия размножения (подавление размножения в семье и экспансия молодью новых участков).

Таблица 5

Относительное генное разнообразие (Ол) сообществ бобра по отдельным локусам

Локус Ранги бобровых сообществ

"Районы" "Локальности" "Колонии"

АЪй-2 0.03 0.02 0.37

Лк-3 0.01 0.16 0.31

Ак-б 0.02 0.45 0.44

А1Ъ 0.02 0.06 0.15

Ск-1 0.11 0.06 0.43

Ск-3 0.06 0.03 0.20

Ез-4 0.04 0.01 0.18

вр-3 0.21 0.10 0.46

вр-8 0.06 0.03 0.20

Ор-9 0.11 0 0.25

Стрг 0.14 0.02 0.20

Е?-5 . 0.08 0.06. 0.27

шил ^ 0.02 0.05 0.18

0.01 0.06 0.19

во1-2 0.02 0.08 0.23

В'ш-2 0.03 0 0.20

&/Й 0.04 0.27 0.34

7>/ 0.05 0.05 0.27

Большинство из перечисленных факторов входит в разряд социально-поведенческих признаков вида, которые реализуются у него на уровне отдельной бобровой семьи (или одиночного поселения). При обсуждении этих характеристик вида в контексте полученных данных по структуре аллозимной изменчивости популяций, мы ввели несколько новых терминов, которые помогли формализовать проблему, обосновать выделение элементарной популяции и рассчитать Л^. «Все или ничего» - молодые бобры, покидая свои семьи и закрепляясь на новом участке (в одиночку или в паре), получают «все», но если не находят свободного участка, то - «ничего», так как неизбежно погибают в драках, проходя угодья семей в максимально плотно заселенной колонии. «Семья как генетический изолят» - в бобровую семью не проникают гены из других семей и колоний. «Миграция бобров в собственную

колонию» - быстрое образование молодыми бобрами, с прежде подавленным инстинктом размножения, новой семьи на месте старой после ее гибели по тем или иным обстоятельствам (паводки, засуха, промысел, браконьерство и др.). То есть реализация мощнейшего потенциала размножения бобровой колонии (Николаев, 1998, Лавров, 2001).

Тенденция к обособлению семей (поселений) друг от друга является превалирующим фактором в поддержании пространственно-эгологической структуры бобровых сообществ. Мы предполагаем, что этот фактор должен создавать генетическую гетерогенность не только между колониями, но и между поселениями внутри колонии. Действительно, в 4 поселениях на пятикилометровом участке р. Светлицы Кировской области и в 8 поселениях на участке в 20 км р. Чеки Новосибирской области, линейно расположенных вдоль русла рек, по некоторым белковым локусам была обнаружена тенденция к клинальной изменчивости внутри колоний (Милишников, 2004).

Таким образом, в бобровых сообществах низших иерархических рангов, в «Колониях» и «Поселениях», оказалось два уровня генетической структурированности — между колониями и между поселениями. Какую же общность бобров следует считать элементарной популяцией? Поселение, названное Ю.В. Дьяковым элементарной структурной единицей (Дьяков, 1975), или колонию, и на сколько допустимо ставить знак равенства между элементарной структурной единицей бобрового сообщества и элементарной популяцией, если панмиксии нет ни в колонии, ни в поселении (семье)? Вслед за А.Г. Николаевым (Николаев, 1998) мы полагаем, что более реально отражает понятие элементарной популяции колония бобров, а не поселение.

При оценке эффективной репродуктивной величины минимальной бобровой популяции (Ne) мы учитывали особенности расселения и миграции бобров (Дьяков, 1975, Дежкин и др., 1986, Горшков и др., 2001), плодовитость самок (Сафонов, 1971, Гревцев, 1979), долю пар без приплода и долю ежегодно прохолостающих самок (Жарков, 1976), интенсивность промысла бобров в Кировской области (Сафонов, 1999) и другие параметры. Экологический и математический (Wright, 1939, 1943, 1969) способ оценки этой величины привел к единому результату: N, = 3 особям (Милишников, 2004). Такая низкая оценка эффективной величины минимальной бобровой популяции, по-видимому, наименьшая для млекопитающих, сейчас уже не кажется неправдоподобной. По новым оценкам, более объективно учитывающим неравное соотношение полов и флуктуацию численности популяций, дисперсию размера и плодовитости семьи, соотношение эффективной величины популяции от ее общей численности NJN, составляет не более 0,10-0,11 (Frankham, 1995). Например, эффективная величина стабильных социальных группировок дикоживущих домовых мышей была оценена в свое время несколькими десятками особей (Petras, 1967). Однако в модельных экспериментах на мышах, содержащихся в вольерах, выяснилось, что она может быть меньше 4 особей (DeFries,

МсС1еагп, 1987, ОсИкег, РаИоп, 1987). Известно, что устойчивость подобных структур тем выше, чем сложнее они организованы по сравнению с панмиктическими популяциями той же численности при одинаковых условиях существования (Алтухов, 1995,2003). Реальность нашей оценки N1 косвенно подтверждают также факты существования бобровых семей размером 6-7 особей без образования колоний в условиях длительного переживания (Федюшин, 1929, Граве, 1931, Хлебович, 1938).

Таким образом, специфические социально-поведенческие стереотипы европейского бобра, его выраженная территориальность, оседлость, моногамия пар, генетическая изолированность семей внутри колоний, подавление инстинкта размножения дочерних особей в семьях и миграция бобров в собственную колонию - являются, на наш взгляд, главными факторами, определяющими быстрое установление и поддержание высокой генетической гетерогенности популяций. Эти качества позволили виду, несмотря на жесточайшее антропогенное давление в прошлом, избежать инбредной депрессии, сохранить достаточно большое генное разнообразие и выжить в условиях, в которых любой другой вид наземных млекопитающих, неминуемо исчез бы с лица Земли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ключевым словом в названии данной диссертации является «Формирование», так как выяснение способов и механизмов формирования изменчивости в популяциях - главный мотив проведенного исследования. Несмотря на то, что все объекты собственных исследований являются грызунами, в названии диссертации стоит слово «млекопитающие», а не «грызуны». Этот момент отражает широту заявленной темы и преемственность наших исследований работам по популяционно-биохимической генетике, популяционной экологии и эволюционной биологии, объектами которых были самые различные виды, включая человека. Вместе с тем, диссертация не претендует на всеобщий охват темы, а лишь на нескольких примерах демонстрирует возможности комплексного подхода к изучению природных популяций.

Аллозимная изменчивость существует в популяциях не сама по себе, а является отражением совокупного влияния па особей и популяцию в целом множества взаимообусловленных факторов. К ним относятся не только миграция, дрейф генов, отбор и мутации, но также экологические факторы, биология видов, пространственно-этологическая структура популяций, геоклиматические изменения в их эволюционной истории. Взаимодействие всех этих факторов дает ту картину изменчивости популяций, которую мы наблюдаем на данный момент. Поэтому без привлечения дополнительных данных по биологии, экологии, кариологии и истории изучаемых популяций и видов, ни о каких более или менее

значимых и однозначных заключениях по формированию у них аллозимной изменчивости не может быть и речи.

Во всех экспериментальных главах мы проводили подробный анализ литературных данных по экологическим особенностям популяций и истории их происхождения. По всем представленным частным темам этот анализ помогал нам определить дальнейшее направление исследований и сам по себе приводил к новым заключениям по экологии и эволюции рассматриваемых видов. Например, к доказательству широчайших адаптивных возможностей Mus domesticus, оценке репродуктивного потенциала курганчиковых мышей, реконструкции хромосомной эволюции амазонских видов Proechimys, выяснению причин фрагментарного расселения видов хутий сем. Capromyidae по островам Карибского бассейна. Анализ богатейшего литературного материала по экологии, социальному поведению и истории воссоздания европейского бобра подсказал нам, что факторы генетической подразделенности популяций этого вида следует искать главным образом в характеристиках его пространственно-этологической структуры. Эти данные позволили также оценить экологическим методом эффективную репродуктивную величину минимальной бобровой популяции. ,

Синтез указанного материала и собственных данных по аллозимной изменчивости популяций исследованных видов дал, в свою очередь, новую информацию о протекающих в них генетических процессах и позволил увидеть то, что ранее не было замечено, илй объяснить то, что ранее не находило биологического объяснения. Перечислим кратко, что именно позволило увидеть и объяснить проведенное исследование.

К вопросу о формировании аллозимной изменчивости у домовых мышей мы подошли с помощью обобщенного анализа внутренней структуры и изменчивости множества популяций 10 синантропных и дикоживущих видов (главы 2, 3). С его помощью были представлены доказательства того, что белковая диагностика домовых мышей не абсолютна, а относительна, и зависит от объема и географического охвата материала. Предложенный способ выявления в популяциях древних и эволюционно новых аллелей, позволил составить представление об анцестральном полиморфизме исследованных популяций и обосновать новую гипотезу происхождения домовых мышей Закавказья.

При сравнительном анализе генетических и экологических характеристик домовых (в узком смысле) и курганчиковых мышей (глава 4) было показано, что их эволюционное продвижение на север привело к принципиально различному типу адаптаций. У домовых мышей - к увеличению экологической пластичности, у курганчиковых — к экологической специализации и экономному расходованию внутренних ресурсов, ограничивающих возможность дальнейшего распространения и эволюционного развития вида.

В исследовании сообщества трех двойниковых видов щетинистых крыс p. Proechimys Верхней Амазонии Перу (глава 5) был предложен возможный механизм формирования аллозимной изменчивости в популяциях, включающий цепь причинно-следственных событий, в которых ведущая роль принадлежала хромосомным преобразованиям. Было также высказано предположение, что виды, обитающие в узких рамках биотопов первичного тропического леса, очень уязвимы к любым изменениям внешней среды. Возможно, здесь кроется разгадка причин повышенной чувствительности тропических экосистем к антропогенному воздействию.

При исследовании другой группы эндэмичных тропических видов млекопитающих -капромин Кубы (глава 6), был выявлен совершенно иной характер дивергенции видов и подвидов по сравнению со щетинистыми крысами Перу, который позволил объяснить феномен «завышенных» таксономических рангов кубинских хутий по отношению к их белковой дивергенции.

При исследовании третьей группы тропических эндемиков, жестковолосых мышей р. Lophuromys изолированного горного массива Бале Эфиопии, была обнаружена микрогеографическая подразделенность популяций всех трех исследованных видов, сформировавшаяся при последних плейстоценовых оледенениях. Генетическую структуру этих популяций можно было расшифровать только при использовании аллозимного анализа.

Последним из выбранных нами объектов для демонстрации механизма формирования аллозимной изменчивости в популяциях был'«спасенный»> от вымирания европейский бобр Castor fiber L. В проведенном исследовании был впервые определен уровень генетического разнообразия автохтонных и интродуцированных популяций этого вида, а также доказана его уникальная способность к быстрому формированию популяционной генетической гетерогенности. Эта способность имела, на наш взгляд, решающее значение в противодействии популяций давлению инбредной депрессии при выживании в условиях катастрофического снижения численности вида.

Проведенное исследование показывает, что в области популяционной и экологической генетики, как и в области эволюционной биологии, осталось множество нерешенных вопросов. Как это ни странно, решение некоторых из пих лежит на поверхности. Большая же часть требует для своего решения совместного труда исследователей различного профиля. Очень многое в данном направлении уже сделано. Во всяком случае, почва для данного исследования была подготовлена трудами выдающихся ученых Э. Майра, С. Райта, Р. Левонтина, Ф. Айалы, Н. П. Дубинина, Ю.П. Алтухова, Ю.Г. Рычкова, И.А. Шилова, В.Е. Соколова и многих других исследователей.

В заключение еще раз вернемся к вопросу о неопределенности нашего объяснения природы генной изменчивости популяций, к так называемому "парадоксу изменчивости". Л.И.

Корочкин неоднократно подчеркивал, что произошедшая эволюция не поддается экспериментальной проверке, и перенесение выявленных экспериментальных фактов на эволюционные события, по сути, всегда спекулятивно. Другого же пути познания эволюционных процессов нет (Корочкин, 1983, 2001). С этим нельзя не согласиться. Но тенденция развития научных исследований в области эволюционной биологии, особенно последнего десятилетия, такова, что под давлением все новых и новых фактов, многие предположения и выводы о путях и механизмах эволюции, которые раньше казались фантастическими, постепенно становятся дискуссионными, а затем и общепризнанными. То же и с изменчивостью природных популяций. Она становится вполне предсказуемой при всестороннем анализе многообразия связей живой природы, в некоторых случаях настолько предсказуемой, что ею можно уже управлять (Алтухов, 2003). Поэтому остается надеяться, что "парадокс изменчивости", как одна из загадок природы, сформулированная в свое время Ричардом Левонтиным (Левонтин, 1978), одним из крупнейших представителей чикагской школы генетиков Ф. Добжанского, будет, в конце концов, исчерпан.

ВЫВОДЫ

1. Единых механизмов поддержания генной изменчивости в популяциях не существует. В каждом конкретном случае неповторимое многообразие внутренних (видоспецифичных) и внешних (средовых) факторов формирует в популяции свою структуру изменчивости, которая отражает ее адаптационный оптимум и определяется совокупным влиянием биологических, экологических и эволюционных факторов.

2. Уровни полиморфизма и гетерозиготности в природных популяциях не случайны. При изучении конкретных популяций практически всегда удается выявить тот или иной превалирующий фактор среды, ту или иную биологическую характеристику вида, определенные события в его эволюционной истории, влияние которых отражено в структуре их аштозимной изменчивости.

3. При широком географическом охвате изучаемых близкородственных видов и популяций в их генофондах можно выделить древние и эволюционно новые аллели. Сохранение или потеря анцестрального полиморфизма расселяющимися популяциями обусловлены варьированием селективности аллелей в меняющейся среде и гибридизацией популяций, в совокупности приводящих к их генетической дивергенции. Идентификация древних аллелей позволяет в некоторых случаях уточнить происхождение популяций.

4. Оценки дифференциации близких видов по критерию сходства-различия частот белковых генов в популяциях и по структуре полиморфизма этих же генов могут существенно

различаться. Объяснение этой неоднозначности позволяет в некоторых случаях описать механизм эволюционной дивергенции исследованных видов.

5. Относительная экологическая специализация популяций может сопровождаться как снижением, так и повышением у них генной изменчивости. В обоих случаях это ограничивает возможности дальнейшего распространения и эволюционного развития вида, что связано не с его отдельными экологическими, биологическими или социально-поведенческими признаками, а с их взаимообусловленной совокупностью.

6. Соотношение морфологической и белковой дивергенции видов и форм может быть обусловлено особенностями последнего этапа их эволюционного развития. Быстрая адаптивная эволюция популяций в условиях огромного биотопического разнообразия может привести к образованию большого числа форм, таксономические ранги которых могут быть «завышены» относительно уровня их белковой дивергенции. Длительное совместное существование популяций в узких рамках однородной и высокостабильной среды, в которой возможности морфологических адаптаций уже исчерпаны, может привести к появлению видов-двойников при их независимой белковой дивергенции.

7. Уникальность исторического развития некоторых видов отражена в структуре ныне живущих популяций. Длительная изоляция в период плейстоценового оледенения может приводить к формированию микрогеографической подразделенное™. популяций с сохранением у них элементов реликтового генофонда.

8. Формирование локальной межпопуляционной гетерогенности у реинтродуцированного вида происходит в соответствии с его внутренними биологическими и социально-поведенческими особенностями. Учет этих особенностей при спасении исчезающих видов должен быть необходимым элементом соответствующих природоохранных мероприятий

Благодарпости

Данная работа не могла быть выполнена без всесторонней помощи моего учителя и главного оппонента академика Ю.П. Алтухова, а также ближайших коллег и соавторов работ, с которыми мы на протяжении многих полевых сезонов проводили комплексное изучение рассмотренных видов в различных экспедициях и обрабатывали полученный материал: Анискина В.М., Беровидеса В., Боротто Р., Булатовой Н.Ш., Варшавского A.A., Даркова A.A., Зимы Я., Исаева С.И., Калабушкина Б.А., Лавренченко Л.А., Лаврова В.Л., Лебедева B.C., Ленси Л.Л., Лихновой О.П., Лущекиной A.A., Малыгина В.М., Мочека А.Д., Мунтяну А.И., Наджафовой P.C., Николаева А.Г., Никоновой O.A., Орлова В.Н., Победоносцевой Е.Ю., Рафиева А.Н., Савельева А.П., Салменковой Е.А.. Приношу им глубокую благодарность.

Большинство работ выполнено при финансовой поддержке Российского фонда

фундаментальных исследований (гранты 98-04-48566, 99-04-49169, 03-04-48908, 03-04-48924) и

фондов «Приоритетные направления генетики» № 2192, «Биологическое разнообразие»,

«Динамика генофондов животных, растений и человека».

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Милишников А.Н., Камачо А. Генетическая изменчивость и дивергенция двух эндемичных видов кубинских хутий Capromys pilorides и Mysateles prehensilis // ДАН СССР. 1988. Т. 302. №5. С. 1241-1245.

2. Лавренченко Л.А., Орлов В.Н., Милишников А.Н. Систематика и распространение млекопитающих в междуречье Баро-Акобо // Эколого-фаунистические исследования в юго-западной Эфиопии. Ред. В.Е.Соколов. М., 1989. С. 72-94.

3. Орлов В.Н., Булатова Н.Ш., Милипшиков А.Н. Кариотипы некоторых видов грызунов и насекомоядных млекопитающих // Эколого-фаунистические исследования в юго-западной Эфиопии. Ред. В.Е. Соколов. М., 1989. С. 95-109.

4. Милишников А.Н., Лавренченко Л.А., Рафиев А.Н., Орлов В.Н. К вопросу о морфологическкой и биохимической идентификации некоторых форм надвидового комплекса Mus musculus s.lato // Домовая мышь. M., 1989. С. 80-98.

5. Milishnikov A., Bulatova N., Camacho A. Peculiarities of molecular and chromosomal evolution in the endemic species of Capromyinae (Rodentia) in Cuba // Folia Zool. 1990. Vol. 39. N. 2. P.183-192.

6. Милишников A.H., Рафиеев A.H., Лавренченко Л.А., Орлов В.Н. Высокий уровень интрогреессии генов Mus domesticus в популяции Mus musculus s.str. Закавказья // ДАН СССР. 1990. Т.311. N. 3. С. 764-768.

7. Milishnikov A.N., Likhnova O.P., Orlov V.N. Protein variation in four species of Ethiopian rodents // Folia Zool. 1992. Vol. 41. N. 1. P. 1-9.

8. Милишников А.Н. Белковая изменчивость, дивергенция и эволюция кубинских хутий // В сб. Исследования фауны Кубы. М.: Наука. 1993. С. 97-110.

9. Милишников А.Н. Генетическая дифференциация и аллозимная изменчивость трех видов щетинистых крыс рода Proechimys (Rodentia, Echimyidae) Перуанской Амазонии // Млекопитающие Перуанской Амазонии. М.: Наука. 1994. С. 83-93.

10. Милишников А.Н., Рафиев А.Н., Орлов В.Н. Популяционно-генетическая изменчивость домовых мышей Mus musculus L. 1758 s. stricto из западной, центральной и юго-восточной частей ареала вида // Генетика. 1994. Т. 30. № 7. С. 906-912.

11. Милишников А.Н. Сравнительная белковая изменчивость в популяциях // Домовая мышь. Происхождение, распространение, систематика, поведение. М.: Наука. 1994. Гл. 4.1. С. 116140.

12. Милишников А.Н., Лихнова О.П., Никонова О.А., Лавров В.Л., Орлов В.Н. Аллозимная изменчивость европейского бобра Castor fiber 1758 (Castoridae, Rodentia) из Воронежского государственного заповедника// Генетика. 1994. Т. 30. № 4. С. 529-534.

13. Малыгин В.М., Анискин В.М., Исаев С.И., Милишников А.Н. Amphinectomys savamys Maligin, gen. et sp. n. - новый род и вид хомяков (Cricetidae, Rodentia) из Перуанской Амазонии // Зоол. журн. 1994. Т. 73, Вып. 7, 8. С. 195-208.

14. Анискин В.М., Варшавский А.А., Исаев С.И., Малыгин В.М., Милишников А.Н. Диагностика и особенности экологии трех морфологически сходных видов щетиниствх крыс рода Proechimys из Перуанской Амазонии // Зоол. журн. 1995. Т. 74. Вып. 11. С. 78-93.

15. Lavrenchenko L.A., Milishnikov A.N., Aniskin V.M., Warshavsky A.A., Woldegabriel Gebrekidan. The genetic diversity of small mammals of the Bale Mountains, Ethiopia // Sinet: Ethiopian Journal of Science. 1997. V.20, №2. P.213-233.

16. Милишников A.H., Савельев А.П., Лихнова О.П. Аллозимная изменчивость европейского бобра Castor fiber L.,1758 из бассейнов рек Березина и Чепца // Генетика. 1997. Т. 33. №. 5. С.674-680.

17. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Варшавский А.А., Милишников А.Н. Кариологическая дифференциация трех видов жестковолосых мышей рода Lophuromys (Murinae, Rodentia) Национального Парка Бале, Эфиопия//Генетика. 1997. Т. 33. №7. С. 967-973.

18. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Варшавский А.А., Милишников А.Н. Кариотипы и хромосомная дифференциация двух видов рода Tachyoryctes (Rodentia, Tachyoryctidae) из Эфиопии // Генетика. 1997. Т. 33. №. 9. С. 1266-1272.

19. Lavrenchenko L.A., Orlov V.N., Milishnikov A.N. A checklist of the mammals of the Baro-Acobo interfluve // Ecological and faunistic studies in Ethiopia. Part I. Fauna, ecology and systematics of Vertebrates. Addis Ababa, 1997. P. 24-44.

20. Анискин B.M., Лавренченко Л.А., Варшавский A.A., Милишников А.Н. Хромосомные наборы и цитогенетическая дифференциация двух видов африканских мышей рода Mus (Rodentia, Muridae) // Генетика. 1998. Т. 34. № 1. С. 93-99.

21. Милишников А.Н., Рафиев А.Н., Мунтяну А.И. Генотипическая изменчивость в популяциях курганчиковых мышей Mus spicilegus Petenyi, 1882 на различных фазах жизненного цикла // Генетика. 1998. Т. 34. № 7. С. 947-952.

22. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Милишников А.Н., Варшавский А.А. Кариотипы мелких млекопитающих (Insectivora, Rodentia) Национального парка Бале, Эфиопия // Поведение,

коммуникация и экология млекопитающих. Ред. В.Е. Соколов, В.В. Рожнов и М.А. Сербенюк. - М.: ИПЭЭ РАН, 1998. С. 217-236.

23. Милишников А.Н., Исаев С.И, Анискин В.М, Варшавский А.А., Малыгин В.М. Высокая аллозимная изменчивость в популяциях трех видов щетинистых крыс Верхней Амазонии: Связь с экологией и эволюцией // Генетика. 1999. Т. 35. № 7. С. 961- 968.

24. Lavrenchenko L.A., Milishnikov A.N., Aniskin V.M., Warshavsky A. A. Systematics and phylogeny of the genus Stenocephalemys Frick, 1914 (Rodentia, Muridae): a multidisciplinary approach // Mammalia. 1999. V. 63. N. 4. P. 475-494.

25. Milishnikov A.N., Lavrenchenko L.A. Microgeographic differentianion of Lophuromys species (Rodentia, Muridae) from Bale Mountains National Park of Ethiopia // Systematics and phylogeny of Rodents and Lagomorphs. Eds. A.K. Agadjanian and V.N. Orlov. M., 2000. P. 116-119.

26. Lavrenchenko LA., Milishnikov A.N., Warshavsky A.A. The allozymic phylogeny: evidence for coherent adaptive patterns of speciation in Ethiopian endemic rodents from an isolated mountaine massif// Isolated Vertebrate Communities in the Tropics (Rheinwald, G., ed.). Bonner Zoologische Monographien. 2000. Vol. 46. P. 245-254.

27. Милишников A.H., Лавренченко Л.А., Анискин B.M., Варшавский A.A. Анализ аллозимной изменчивости в популяциях трех видов жестковолосых мышей рода Lophuromys (Rodentia, Muridae) Национального парка Бале Эфиопии // Генетика. 2000. Т. 36. № 12. С. 1697-1706.

28. Милишников А.Н., Савельев А.П. Генетическое различие и сходство интродуцированных популяций европейского бобра (Castor fiber L., 1758) Кировской и Новосибирской областей России // Генетика, 2001. Т. 37. № 1. С. 124-127.

29. Милишников А.Н., Савельев А.П. Иерархия бобровых сообществ бассейна Вятки по данным аллозимного анализа // Современные проблемы природопользования, охотоведения и звероводства. Материалы Межд. научно-практ. конф., посвящ. 80-летию ВНИИОЗ (28-31 мая 2002 г.).- Киров, 2002. С. 306-308.

30. Савельев А.П., Графодатский А.С., Беклемишева В.Р., Милишников А.Н. Первые результаты генетических и биохимических исследований тувинского бобра // Современные проблемы природопользования, охотоведения и звероводства. Материалы Межд. научно-практ. конф., посвящ. 80-летию ВНИИОЗ (28-31 мая 2002 г.).- Киров, 2002. С. 352-353.

31. Saveljev А.Р., Milishnikov A.N. Genetical and biological peculiarities of cross-composed and aboriginal beaver populations in Russia // Acta Zoologica Lituanica, 2002. V. 12 N. 4. P. 397-402.

32. Bulatova N., Lavrenchenko L., Orlov V., Milishnikov A. Notes on chromosomal identification of rodent species in western Ethiopia // Mammalia. 2002, v.66. N.l P. 128-132.

33. Милишников А.Н., Лавренченко Л.А., Лебедев B.C. Происхождение домовых мышей Закавказья (надвидовой комплекс Mus musculus). Новый взгляд на пути их расселения и эволюцию // Генетика. 2004. Т.40. № 9. С. 1234-1250.

34. Милишников А.Н. Разграничение древнего и эволюционно-нового полиморфизма в популяциях надвидового комплекса домовых мышей Mus musculus sensu lato // Доклады Академии Наук. 2004 а. Т. 397, № 2. С. 281-285.

35. Милишников А.Н. Структура генофондов Mus и Lophuromys в аспекте их происхождения // Вестн. Томского Университета. 2004 б. № 10, С. 54-56.

36. Милишников А.Н. Существуют ли закономерности в формировании аллозимной изменчивости у видов млекопитающих? // Вестн. Томского Университета. 2004 в. № 10, 5153

37. Милишников А.Н. Популяционно-генетическая структура бобровых сообществ (Castor fiber L. 1758) и оценка эффективной репродуктивной величины Ne элементарной популяции // Генетика. 2004 г. Т.40. № 7. С. 949-960.

38. Милишников А.Н. Репродуктивный потенциал и генная изменчивость в популяциях курганчиковых (Mus spicilegus ) и домовых (Mus musculus s. str.) мышей как результат их эволюции//Доклады Академии Наук. 2005а. Т. 404. № 5. С. 710-714.

39. Милишников А.Н. Разрешим ли "парадокс изменчивости" природных популяций? / Эволюционная биология. Ред. В.Н.Стегний. Томск: Томский государственный университет, 20056. Т. 3. С. 208-232.

40. Милишников А.Н., В.Н. Орлов. Экологическая специализация популяций и уровень их белково-генетической изменчивости / В сб. Динамика генофондов растений, животных и человека. ИОГен РАН, М. 2005. С.25-27.

41. Милишников А.Н. Два типа генетической дифференциации в эволюции видов-двойников щетинистых крыс p. Proechimys Верхней Амазонии // Доклады Академии Наук. 2006. Т. 408. № 4. С. 564-568.

Тезисы докладов

42. Милишников А.Н., Рафиев А.Н. Высокий уровень интрогрессии ядерных белковых генов Mus domesticus в популяции Mus musculus s. str. Азербайджана // V съезд Всесоюзного териол. о-ва. Тездокл. М., 1990. С.87.

43. Рафиеив А.Н., Милишников А.Н., Наджафова P.C. Оценка уровня полиморфизма и гетерозиготности четырех форм домовых мышей // Эволюционные генетические исследования млекопитающих. Тез докл. Всесоюзного совещания. Ч. 2. Владивосток. 1990. 47-48.

44. Milishnikov A.N., Aniskin V.M., Isaev S.I., Warshavskiy A.A., Maligin V.M. Evolutionary phenomenon of excessive genetic variability in spiny rats of the genus Proechimys under tropical environmental conditions // 2-nd Symp. Ecological Genetics in Mammals. Abstract. Lodz, Poland. 1994. P. 16-17.

45. Milishnikov A.N. Genetic identification and protein variability levels in the species of Mus musculus s. lato complex // 2-nd European Congress of Mammalogy: Abstrakt book. Southampton, England. 1995. P. 52.

46. Aniskin V.M., Lavrenchenko L.A., Milishnikov A.N., Warshavsky A.A. Chromosome Studies in small mammals of the Bale Mountains National Park, Ethiopia // Origin and evolution. Fifth International Congress of Systematics and Evolutionary Biology. Budapest, August 17-24, 1996. Abstracts. P. 225.

47. Милишников A.H., Савельев А.П. Европейский бобр (Castor fiber L., 1758): генная изменчивость вида после его восстановления // Редкие виды млекопитающих России и сопредельных территорий. Тез. докл. Меад. совещ. 9-И апр.1997 г. Москва. - М., 1997. С.60.

48. Милишников А.Н., Савельев А.П. Современное значение генетических исследований В.К. Хлебовича // Проблемы сохранения и оценки состояния природных комплексов и объектов. Материалы научно-практ. конф., посвящ.70-летию Воронежского биосферного гос. заповедника. Воронеж, 1997. С. 156.

49. Lavrenchenko L.A., Milishnikov A.N., Aniskin V.M., Warshavsky A.A. Systematics and phylogeny of the genus Stenocephalemys Frick, 1914 (Rodentia, Muridae): a multidisciplinary approach // Abstracts of 8th International African Small Mammal Symposium. Museum National D'Histoire Naturelle, Paris, 1999. P. 37.

50. Bulatova N.Sh., Lavrenchenko L.A., Orlov V.N., Milishnikov A.N. Chromosome identification of mammalian species in western Ethiopia // Abstracts of 8th International African Small Mammal Symposium. Museum National D'Histoire Naturelle, Paris, 1999. P. 18.

51. Милишников A.H., Савельев А.П. Микрогеографическая аллозимная изменчивость в интродуцированных популяциях европейского бобра (Castor fiber L.) // VI Съезд Териологического общества. Тез. докл. Москва, 13-16 апр.1999 г. - М., 1999. С.159.

52. Lavrenchenko L.A., Milishnikov A.N., Warshavsky A.A. The allozymic phylogeny: evidence for coherent adaptive patterns of speciation in Ethiopian endemic rodents from an isolated mountaine massif // Abstracts of 4th International Symposium "Isolated Vertebrate Communities in the Tropics", Bonn. 1999. P. 25.

53. Saveljev A., Milishnikov A. Genetical and biological peculiarities of cross-composed and aboriginal beaver populations in Russia // Abstract 5th Baltic Theriological Conference. Birstonas, Lithuania, April 15-18,2002. P. 44-45.

Подписано в печать 07.08.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 3.5 п.л. Тираж 150экз. Заказ № 522 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Милишников, Александр Николаевич

Введение.

Положения, выносимые на защиту.

Цели и задачи работы.

Новизна исследования.

Теоретическое и практическое значение диссертации.

Глава 1 Материалы и методы.

Глава 2. Количественные и качественные характеристики генной изменчивости у видов Mus musculus L. 1758. Принципы и ограничения белковой диагностики видов и форм.

2.1 Аллозимная изменчивость в популяциях Mus domesticus Rutty, 1772, связь с расселением мышей и их экологией.

2.2. Аллозимная изменчивость в популяциях Mus musculus s. str. и ее связь с синантропностью вида.

2.3. Сравнительная аллозимная изменчивость видов Mus, включая М. spicilegus, М. macedonicus, М. caroli, М. mahomet.

2.4. Соотношение дискретности и непрерывности в таксономическом положении домовых мышей.

2.5. Выводы из главы.

Глава 3. Разграничение древнего и эволюционно нового полиморфизма в популяциях надвидового комплекса домовых мышей Mus musculus s. lato. Новый взгляд на происхождение, пути расселения и эволюцию домовых мышей Закавказья.

3.1. Краткая история вопроса о происхождении популяций синантропных домовых мышей Закавказья.

3.2. Обоснование нового подхода к идентификации генофонда популяций домовых мышей Закавказья.

3.3. Дифференциация аллелофонда, вычленение анцестрального полиморфизма и анализ генотипического равновесия в популяциях домовых мышей.

3.4. Филогенетические взаимоотношения у домовых мышей, реконструкция процесса формирования их генофондов и гипотеза происхождения закавказских популяций. 83 3.3. Выводы из главы.

Глава 4 Репродуктивный потенциал и генная изменчивость в популяциях курганчиковых (Mus spicilegus Petenyi, 1882) и домовых мышей (Mus musculus s. str.) как результат их эволюции.

Выводы из главы.

Глава 5 Два типа генетической дифференциации в эволюции видов-двойников щетинистых крыс p. Proechimys.

5.1. Постановка проблемы в изучении тропических видов животных и формулировка цели исследования.

5.2. Эколого-биологические характеристики исследованных видов.

5.3. Межвидовая генетическая изменчивость исследованных видов щетинистых крыс p. Proechimys.

5.4. Структура аллозимной изменчивости исследованных видов, выявление двух типов генетической дифференциации видов, связь хромосомных и белковых изменений в их эволюции, адаптация видов к среде обитания.

5.5. Выводы из главы.

Глава 6. Формирование аллозимной изменчивости в популяциях цепкохвостых хутий п/сем Capromyinae Кубы.

6.1. Особенности заселения Антильского региона древней фауной, таксономическая градация форм сем. Capromyidae и фрагментарный характер их распределения по островам.

6.2. Генетическая дифференциация форм кубинских хутий и проблема «завышенных» таксономических рангов.

6.3. Филогенетические связи кубинских видов Capromys и южноамериканских Proechimys, Dactilomys и Myocastor.

6.4. Выводы из главы.

Глава 7. Формирование микрогеографической изменчивости в изолированных популяциях трех эндемичных видов жестковолосых мышей надвидового комплекса Lophuromys jlavopunctatus s. lato.

7.1. Особенности аллозимной диагностики африканских мышевидных грызунов.

Таблица 24.

Частоты аллелей полиморфных локусов в популяциях трех видов Lophuromys, обитающих в Национальном парке Бале.

7.3. Происхождение микрогеографической подразделенности исследованных видов Lophuromys и факторы ее поддержания.

7.4. Выводы из главы.

Глава 8. Формирование аллозимной изменчивости в интродуцированных популяциях европейского бобра (Castor fiber L., 1758). Проблема статуса «спасенного» вида.

8.1. Краткая история катастрофической депрессии и последующего искусственного восстановления численности европейского бобра Castor fiber L., 1758.

8.2. Оценка уровня аллозимной изменчивости в воронежской автохтонной популяции европейского бобра. Сравнение с изменчивостью канадского бобра.

8.3. Сравнительная оценка аллозимной изменчивости коренных и интродуцированных популяций европейского бобра.

8.4. Популяционная иерархия бобровых сообществ в бассейне р. Чепца Кировской области и факторы поддержания генетической генетической гетерогенности.

8.5. Выделение элементарной популяции и оценка ее эффективной репродуктивной величины Ne.

8.6. Выводы из главы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Формирование аллозимной изменчивости в популяциях млекопитающих"

Почти 40 лет назад Джон Хабби и Ричард Левонтин опубликовали данные по уровню белково-генетической изменчивости в природных популяциях дрозофилы (Habby, Levontin, 1966, Levontin, Habby, 1966) и одновременно Гарри Гаррис - в популяциях человека (Harris, 1966). Это были сенсационные результаты, так как они прямо указывали на то, что популяции обладают невероятно большим запасом генной изменчивости в виде наследственно детерминированных белков и ферментов (аллозимов). Кроме этого, стало совершенно очевидным, что исследование множества дискретных менделирующих признаков у животных, каковыми являются аллозимы, позволяет объективно и достаточно адекватно оценивать не только состояние генома отдельной особи, но и популяции, а также вида в целом, при соблюдении правила репрезентативности выборок.

С этого времени в мире начался настоящий бум на измерение генной изменчивости в популяциях различных групп животных и растений. Главной целью этих исследований было ответить на вопрос - для чего популяциям необходим столь большой объем белково-генетической изменчивости, каким образом она формируется и поддерживается в популяциях, какая часть генотипической изменчивости служит основой для адаптивной эволюции. Поток публикаций на эту тему был столь велик, что уже через несколько лет появились первые сводки по аллозимной изменчивости природных популяций животных (Nei, 1972, Powell, 1975, Ayala, 1976, Nevo et al., 1978). Наиболее впечатляющей из них, безусловно, была сводка Э. Нево с соавторами (Nevo et al., 1984), в которой были представлены данные по полиморфизму и гетерозиготности в популяциях 1111 видов животных и растений. В этих обзорах была прослежена связь генной изменчивости популяций с их таксономической принадлежностью, размахом ареала видов, зональностью, их общей численностью, экологической специализацией, социальной структурой и другими параметрами. Однако при всей значимости этих обобщающих сводок оказалось, что выявленные в них закономерности далеко не всегда подтверждаются данными, полученными для конкретных природных популяций. Это отмечали и сами авторы, подчеркивая, что корреляционные связи экологических и генетических параметров получены для крупных таксономических единиц и широких эколого-биологических категорий и, вследствие этого, носят слишком общий характер, относительно низки и не способны охватить все причинные факторы популяционной изменчивости. Действительно, выявленными закономерностями невозможно было объяснить 2-3 кратные различия в уровне белковой изменчивости у близких видов, "нулевую" изменчивость, встречающуюся в популяциях самых различных групп животных, а также "сверхвысокую" изменчивость некоторых популяций, превосходящую средние оценки своего класса в 4-5 раз (см. Главу 2, табл. 2).

Практически сразу же после первых публикаций на эту тему, работы по выявлению аллозимной изменчивости в популяциях были начаты и в нашей стране. В исследованиях Ю.П.Алтухова и Ю.Г.Рычкова (Алтухов, 1969, 1974, Рычков, 1969, 1973, Алтухов, Рычков, 1970), впоследствии сложившихся в две мощные генетические школы, было показано, что подразделенность крупных популяций на элементарные популяции (Лебедев, 1946), является их неотъемлемым общебиологическим свойством, в котором поток генов между генетически гетерогенными субпопуляциями, то есть их генетическое взаимодействие, обеспечивает популяционной системе стабильность существования в длительном ряду поколений (Алтухов, Рычков, 1970, Рычков, 1969, 1973, Алтухов, 1974). В последующие годы само явление подразделенности, динамика и механизмы этого процесса были блестяще исследованы в рамках этих школ на множестве видов животных и растений, а также на модельных системах (Алтухов, Бернашевская, 1978, Алтухов, Победоносцева, 1978, Бланк, Алтухов, 1992, Животовский и др, 1996, Рычков, Балановская, 1992, Рычков и др., 1998).

Развитие аллозимного анализа в популяционно-генетических исследованиях подняло на новую ступень дискуссию о роли отбора в поддержании белкового полиморфизма и его адаптивном значении в эволюции. Непримиримые ранее сторонники «классической» (Muller, 1949, 1950) и «балансовой» (Dobzhansky, 1955, Levontin, 1957, Wallace 1958, Ford, 1964) гипотез популяционной структуры получили новую информацию о процессах, протекающих в природных популяциях. Однако обилие новых фактов еще более усложнило ситуацию с интерпретацией белковой изменчивости в популяциях. Оказалось, что различные предположения относительно характера протекающего в популяциях отбора, могут привести к различным предсказаниям уровня их гетерозиготности и к различным объяснениям видообразования, С одной стороны, накопилось достаточно новых доказательств того, что белковый полиморфизм в природных популяциях имеет селективное значение и поддерживается балансирующим отбором (Grant, 1980, Mitton, Grant, 1984, Nevo, Beiles, 1988, Altukhov, 1991, Mitton, 1997). С другой - пришло понимание того, что генофонд популяции представляет собой сложившуюся интегрированную систему, в которой нет случайных комбинаций генов (Левонтин, 1978). Стало ясно, что адаптивность белкового полиморфизма далеко не однозначна. Многочисленные примеры того, что более полиморфная система может быть менее адаптивной по сравнению с менее полиморфной системой, накладывала на концепцию адаптивности полиморфизма жесткие ограничения (Алтухов, 1983, Корочкин, 1987).

В этой связи новое развитие получила идея неадаптивного (нейтрального) популяционного полиморфизма, впервые высказанная С.С. Четвериковым (Четвериков, 1926) и развитая в трудах его последователей (Ромашов, 1931, Ромашов, Дубинин, 1932, Timofeeff-Ressovsky, 1934). Авторы новой (неоклассической) гипотезы нейтральных мутаций М. Кимура и Т. Ота (Kimura, Otha, 1971a,b,) представили множество доказательств соответствия своих теоретических построений имеющимся фактам и одновременно несоответствия этих фактов в построениях балансовой гипотезы. Распространяя полученные данные по нейтральности части нуклеотидных замен, лежащих вне сферы действия естественного отбора, в целом на эволюционный процесс, авторы и последователи этой гипотезы предложили теорию недарвиновской эволюции (Кимура, 1985, King, Juks, 1969, Yamazaki, Maruyama, 1972). Однако ограничения и условия, имевшиеся в предложенной нейтралистской теории, а именно, условия по размеру популяций, частоте возникновения адаптивных и нейтральных мутаций и другие, оказались неадекватными реальности и, вследствие этого, не всегда годными для объяснения причин и механизмов эволюционной дивергенции видов. Кроме того, гипотеза нейтральности белкового полиморфизма не была способна объяснить многие факты изменения функциональности белков и высокое сходство частот белковых аллелей у близкородственных видов.

Поиск выхода из создавшегося положения привел исследователей к пониманию того, что без учета совокупного физиологического взаимодействия локусов в геноме и зависимости этого взаимодействия от того или иного порядка расположения генов, невозможно разрешить ни проблему адаптивной изменчивости, ни проблему адаптивной дивергенции (Левонтин, 1978). Благодаря заложенной ранее основе, к этому имелись все необходимые предпосылки (Четвериков, 1926, Ромашов, 1931, Fisher, 1930, Wright, 1931 и другие). В частности, свое время мощным толчком в развитии представлений о формировании генной изменчивости в процессах эволюции популяций явилось фундаментальное исследование Н.П. Дубинина по интеграции наследственных систем (Дубинин, 1948). В этой работе было показано, что неадаптивный сам по себе признак, добавочное жилкование крыла дрозофилы, включенный в систему наследственных факторов, ответственных за приспособительные физиологические реакции организма, также ведет себя как приспособительный. Этот поразительный для того времени факт насыщенности популяции элементами наследственности, приспособительные функции которых с точки зрения здравого смысла были просто невероятны, имел огромное значение в выработке современных взглядов на природу генома эукариот и послужил отправным мотивом многих исследований, в частности, в выработке концепции "генетического гомеостаза" И.МЛернера (Lerner, 1954). Позднее такие адаптивно-физиологические интегрированные блоки генов были названы К. Дарлингтоном и К. Мазером "супергенами" (Darlington, Mather, 1950), а их реальное существование было подтверждено во множестве работ (Levontin, Kojima, 1960, Dobzhansky, 1970, Thompson, Thodey, 1974, Струнников, 1974,1986).

Для понимания механизмов формирования генной изменчивости в популяциях чрезвычайно ценным оказалось также развитие концепции «адаптивной нормы» как совокупности разнообразных, наиболее приспособленных «средних» фенотипов в популяции (Dobzhansky, 1955). В работах школы Ю.П.Алтухова эта концепция была плодотворно развита сначала на примере нерки оз. Азабачьего (Алтухов, Варнавская, 1983), затем на примерах модального отбора в сортах хлопчатника (Алтухов, Абдулаев, 1978), у пород каракульских овец (Алтухов, Сарсенбаев и др., 1980), а также в серии работ по исследованию ели европейской и кедрового стланника (Алтухов Гафаров и др., 1986, Малюченко, Алтухов, 2002). Но наиболее убедительные доказательства существования «адаптивной нормы» в популяциях были получены при сопоставлении морфологической и генотипической изменчивости у новорожденных детей (Алтухов, 1984, Алтухов, Курбатова, 1990, Дуброва и др., 1990). В этих работах были не только подтверждены данные о тесной связи массы тела новорожденных и их смертности, полученные в свое время М. Карном и JI. Пенроузом (Karn, Penrose, 1951), но и впервые доказано, что существует единство морфо-физиологической нормы и оптимума генетического разнообразия популяций, которое обеспечивает им широкую неспецифическую устойчивость в варьирующей среде и поддержание путем отбора того уровня гетерозиготности, который связан с оптимальным «средним» фенотипом.

Таким образом, накопившиеся за 40 лет обширные данные по белково-генетической изменчивости природных, искусственных и лабораторных популяций, а также данные модельных экспериментов, позволили сформулировать следующие положения:

1. Полиморфизм и гетерозиготиость белковых генов в популяциях не могут быть произвольно большими, так как ограничены давлением "генетического груза", то есть выщеплением и элиминацией генотипов с пониженной приспособленностью.

2. Генофонд популяции представляет собой эволюционно сложившуюся интегрированную систему, в которой не существует случайных комбинаций генов. Объектами эволюции являются не отдельные гены, а системы генов.

3. Благодаря "балансирующему" отбору в широком диапазоне условий среды в популяциях формируется "адаптивная норма", которая характеризуется не только тем или иным количеством гетерозиготных особей, но и коадаптированным сочетанием генов в их целостных генотипах, определяющих, в конечном счете, фенотип популяции. Фенотипическая "нормальность" популяции скрывает в себе огромную генотипическую изменчивость.

Современная тенденция развития генетических и эволюционных исследований такова, что на смену анализа белковых генов в популяциях, приходят новые молекулярные, более технологичные ДНК-методы, позволяющие сопоставлять внутреннее содержание структурных и регуляторных генов с их фенотипическим проявлением. Однако надежды на этого "более соблазнительного отпрыска" биохимической и эволюционной генетики в разрешении всех ее проблем оказались, по мнению Р. Левонтина (Levontin, 1991), во многом разочаровывающими. При всей мощи и потенциале данного направления, а также его несомненной пользе для целей систематики и филогении, новые методы анализа ДНК пока не дают возможности изучать механизмы поддержания гомеостаза популяций, их стабильного воспроизводства, формирования генетической структуры, адаптации популяций и определения пределов давления на них естественных и искусственных факторов среды. Более того, они все больше уводят генетиков от самой популяции как многофункционального сообщества взаимосвязанных друг с другом и с внешней средой индивидуумов, так как находятся вне области многих практических вопросов функционирования популяций, особенно актуальных в наше время, когда давление цивилизации на живую природу приближается к критическому уровню. Поэтому, "парадокс изменчивости" (Левонтин, 1978), отражающий непредсказуемость изменчивости популяций и неопределенность нашего объяснения ее природы, доставшийся нам в наследство от белкового анализа, но не разрешенный и ДНК анализом, еще долго будет преподносить нам сюрпризы, не укладывающиеся ни в какие рамки готовых построений.

Если обратиться к иному направлению биологической науки, изучающему механизмы поддержания динамического равновесия между пространственно-этологической структурой популяций и средой, то сразу будет заметен разрыв между ним и направлениями, о которых шла речь выше. Эти работы были начаты в 60-е годы прошлого века (Наумов, 1956, 1967, Шилов, 1967, 1977, Шварц, 1967, Winne-Edwards, 1962) и получили дальнейшее развитие в отечественных исследованиях (Панов, 1983, Шилова, 1993, Громов, 2000, Щипанов, 2001). Было сформулировано понятие «популяционного гомеостаза» (Шилов, 1977) как состояние динамического равновесия организма со средой по принципу обратной связи, при котором организм сохраняет свои свойства и способность существовать на фоне меняющихся внешних условий. Появились обобщающие работы по территориальному поведению и его адаптивной ценности в контексте эволюции биосоциалыюсти, во многом опередившие по глубине анализа западные исследования в этой области (Панов, 1983). Как ни странно, это важнейшее направление популяционной экологии и этологии, до сих пор оставалось практически вне поля зрения генетиков-популяционистов. Работ, связывающих все стороны гомеостаза популяций с их пространственно-этологической и популяционно-генетической структурой очень мало. Можно сослаться лишь на немногие публикации, в которых имеются прямые доказательства связи социальной структуры вида, с особенностями локальной дифференциации генных частот в популяциях, например, пионерская работа в этой области Р.К Селандера (Selander, 1970) по исследованию генотипической изменчивости в колониях домовых мышей. В то же время зоологи и генетики, оперируя различными причинными факторами, часто приходят к одним и тем же результатам. Очевидно, что социальная организация популяций, определяющая в них динамику численности, половозрастной состав, репродуктивную стратегию, дифференциальную смертность и другие параметры, во многом определяет в них и популяционно-генетическую структуру, и динамику генотипической изменчивости, и формирование оптимальных фенотипов. Именно этот уровень организации биологических систем спускает нас с небес на землю, направляя не на поиски общих закономерностей формирования изменчивости видов, а на всестороннее изучение самих популяций во всем многообразии их экологических, пространственно-этологических, генотипических, исторических и других характеристик. Такая постановка проблемы предполагает, что аллозимный анализ природных популяций не только не исчерпан, но и актуален. Это особое направление в изучении популяционной генетики может стать связующим звеном двух уровнней изучения популяций и видов филогенетического, геногеографического и эволюционного с одной стороны, и внутрипопуляционного, выявляющего тонкие механизмы формирования генной изменчивости в популяциях и их адаптации - с другой.

И, наконец, необходимо упомянуть о работах выдающегося энциклопедиста в области эволюционной биологии профессоре Н.Н. Воронцове, внесшего неоценимый вклад не только в специальные разделы общей биологии (Воронцов, 1966,1967), но и в осмысление синтетической теории эволюции и многих фундаментальных научных идей биологии (Воронцов, 1980, 1984, 1999). Его исторический подход в изложении биологических теорий и дискуссий на самом деле является оригинальной формой сравнительного научного анализа эволюционных концепций и демонстрации того, что каждая предложенная ранее теория составляет фендамент современного понимания эволюционного процесса.

Какие же вопросы еще не решены или только начинают осознаваться в качестве актуальных в области популяционной генетики? Прежде всего, остается мало изученной причинная связь генной изменчивости популяций с их экологией, популяционно-генетической структурой вида с его социальной организацией и поведенческими характеристиками. Практически совсем не понятно какова доля древнего и эволюционно нового полиморфизма в генофонде современных популяций и насколько может быть отражено в их генетической структуре и изменчивости влияние геоклиматических и других факторов прошедшей эволюции. До сих пор нет ясности в вопросе о причинах неравномерности темпов морфологической, хромосомной и белковой эволюции видов. Актуальным вопросом по-прежнему остается возможность оценки адаптационного потенциала популяций.

В этом же плане актуальной является и проблема спасения исчезающих видов. При хорошо разработанном регламенте их охраны (Кодекс практических мер., 1992), пока нет достаточно четких критериев определения минимального размера жизнеспособной популяции и ее эффективной численности. Не совсем понятно какие популяционно-генетические свойства вида могут быть утеряны необратимо и какие восстановлены при катастрофическом снижении и последующем восстановлении его численности, а также чем принципиально, может отличаться «спасенный» реинтродуцированный вид от прежнего нативного вида. Очевидно, что от решения этих вопросов во многом зависит выработка правильной стратегии и тактики соответствующих природоохранных мероприятий.

Положения, выносимые на защиту.

Цели и задачи работы

Целыо настоящей работы является выявление связи аллозимной изменчивости популяций с их биологическими характеристиками, средой обитания, происхождением и эволюционной историей.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ уровня и разнообразия аллозимной изменчивости в популяциях различных таксономических групп грызунов и сформулировать принципы ограничения белковой диагностики видов.

2. Доказать возможность дифференциации древнего и эволюционно нового полиморфизма в генофонде популяций для установления их происхождения.

6. Описать структуру аллозимной изменчивости автохтонных и реинтродуцированных популяций европейского бобра и выявить главные факторы формирования в них генетической гетерогенности.

Ввиду сложности рассматриваемой темы и дискуссионности многох вопросов, рассматриваемых в данной диссертации, автор считает необходимым дать краткие пояснения по следующему: 1 - причинам вовлечения в исследование большого числа таксонов, 2 - по выбранному методологическому подходу в подборе материала и его анализу, 3 - по структуре диссертации.

1. Использование множества видов и подвидов животных из 7 семейств (см. табл. 1) является не случайным, отвечает специфике темы и содержанию всех поставленных задач и имеет ряд преимуществ, которые дают возможность:

1.1. Сравнивать как близкие, так и удаленные таксономические формы (Старого и Нового Света).

1.2. Анализировать виды из различных климатических зон.

1.3. Анализировать виды, имеющие различную биологию и социально-поведенческие особенности.

1.4. Сравнивать виды и формы как с различной, так и очень сходной экологией в условиях симбиотопии.

1.5. Выбора наиболее ярких и контрастных примеров, демонстрирующих превалирующее влияние тех или иных эволюционных факторов (дрейфа, отбора и миграции).

1.6. Сравнить виды, имеющих различную эволюционную историю и происхождение.

1.7. Сравнить автохтонные и искусственно интродуцированные популяции.

2. В диссертации используется многофункциональный подход в изучении природных популяций и видов, так как он позволяет не только выявить скрытые причинно-следственные связи, раскрывающие механизмы поддержания генной изменчивости в популяциях, но и в определенной мере предсказать их. Главным методом исследования в диссертации является аллозимный анализ, позволяющий достаточно объективно оценивать количество и структуру генной изменчивости в популяциях. Однако сам по себе аллозимный анализ способен лишь констатировать наличие генетической изменчивости и дифференциации между теми или иными формами животных, дать количественную характеристику этой дифференциации в виде разнообразных оценочных коэффициентов (гендистанций) и измерить внутрипопуляционную изменчивость по полиморфности генных локусов и их гетерозиготности, дать динамику генных частот. Какие-либо окончательные выводы по формированию генной изменчивости в популяциях, особенностям изменчивости вида в целом, таксономии той или иной группы или конкретной формы можно ожидать только при совместном осмыслении биохимических, экологических, социально-поведенческих, кариологических, морфологических и исторических данных. С этой целью в качестве вспомогательных мы воспользовались данными по экологии, морфологии и кариологии популяций, полученными моими ближайшими коллегами в ходе совместных полевых работ. На эти данные мы ссылаемся как на внешние литературные источники, которые привлекаются для более объективного понимания процессов и механизмов формирования аллозимной изменчивости в популяциях, с тем лишь отличием, что эти данные получены для популяций, на которых нами был проведен аллозимный анализ. Для полноты охвата той или иной таксономической группы в диссертации использованы также литературные данные по аллозимной изменчивости тех популяций, которые были нам не доступны. Эти данные в некоторых случаях были нами переработаны для получения тех оценочных популяционных параметров, которые не приводятся в огигинальных работах, но которыми пользуемся мы. Кроме того, в единичных случаях в эти первичные литературные данные вносились поправки по относительной подвижности белков на электрофореграммах. Благодаря этому стала возможной унификация в обозначении белковых аллелей в популяциях и создание единого информационного массива по аллозимной изменчивости популяций группы Mus.

3. Разбивка полученных данных по главам произведена в диссертации не по принципу описания различных таксономических форм (хотя внешне это выглядит именно так), а концептуально, по темам, сформулированным в задачах исследования. Кроме того, мы постарались изложить имеющийся в нашем распоряжении материал таким образом, чтобы очередная поставленная задача была связана с предыдущей. Думается, это может способствовать лучшему восприятию его читателем. Разноплановость обсуждаемой проблемы и ограничение объема диссертации не позволили дать подробный общий литературный обзор по проблеме поддержания белково-генетической изменчивости в природных популяциях. В мировой литературе на эту тему имеются достаточно полные обзоры (Левонтин, 1978, Ayala, 1983, Ward, 1992, Алтухов, 2003, Динамика популяционных генофондов, 2004). Вместо этого в диссертации в расширенном введении и в начале каждой главы дается краткий обзор имеющихся данных по конкретной рассматриваемой проблеме. В конце каждой главы делаются частные выводы по полученным в главе данным.

Новизна исследования

Описана генная изменчивость, выявлены диагностические видоспецифичные белковые аллели и проведена биохимическая дифференциация 32 видов грызунов из 7 семейств: Muridae, Castoridae, Capromyidae, Cricetidae, Echimyidae, Rhizomyidae. В соавторстве дано первоописание нового рода и вида плавающего хомяка Amphinectomys savamis Malygin gen. et sp. п. (Малыгин и др. 1994). У большинства исследованных видов аллозимная изменчивость описана впервые.

Создан единый информационный массив данных, включающий в себя аллелофонд 39 популяций 8 видов домовых мышей (Mus musculus L.) Старого и Нового Света. Доказано, что, все так называемые видоспецифичные локусы и аллели синантропных видов домовых мышей имеют не абсолютную, а лишь относительную диагностическую ценность. Предложен способ идентификации в генофонде популяций древних и эволюционно новых аллелей. Частично реконструирован генофонд предковой популяции синантропных домовых мышей, и описана картина сохранения и потери древних аллелей в 39 широко расселившихся популяциях 8 евразийских видов. Показана генетическая связь закавказских популяций синантропных домовых мышей с популяциями М. castaneus "oriental" Северной Индии и Пакистана и М. т. wagneri Туркмении, Узбекистана и Таджикистана. Предложена и обоснована гипотеза первичного происхождения закавказских популяций из центрально-азиатского очага.

Впервые изучена динамика генотипической изменчивости в жизненном цикле курганчиковых мышей Mus spicilegus Petenyi, которая сопоставлена с особенностями биологии и экологии вида. Выявлены причины и раскрыт механизм поддержания облигатно низкого уровня аллозимной изменчивости в популяциях этого вида в' сравнении с другими видами домовых мышей.

Реконструирована хромосомная и белковая эволюция трех видов-близнецов амазонских щетинистых крыс p. Proechimys. Дано объяснение феномена "сверхвысокой" аллозимной изменчивости у двух относительно экологически специализированных видов и описан механизм генетической адаптации третьего вида к антропогенным биотопам. Предложен новый комплексный метод оценки генетической дифференциации близких видов. Белковая диагностика 285 зверьков в сообществе трех морфологически двойниковых видов щетинистых крыс p. Proechimys позволила провести другим авторам комплексный экологический и краниологический анализ и впервые получить оригинальные данные по экологии, социальной структуре и дисперсии краниальных признаков в исследованных популяциях.

Выявлены возможные причины опережения темпов морфологической дивергенции видов и подвидов кубинских цепкохвостых хутий p. Capromys и "завышения" их таксономических рангов относительно уровня аллозимной дивергенции между ними, связанными с особенностями эволюции данной группы гистрикогнатных грызунов.

Описан возможный механизм формирования микрогеографической подразделенное™ реликтовых популяций у трех эндемичных видов жестковолосых мышей p. Lophuromys горного массива Бале Эфиопии, переживших длительную изоляцию в период плейстоценового оледенения.

Впервые по нескольким десяткам аллозимных локусов измерен уровень генной изменчивости в двух автохтонных и двух интродуцированных популяциях европейского бобра Castor fiber L,, который сопоставлен с изменчивостью канадского бобра Castor canadensis Kuhl. Показано, что воронежская и белорусская автохтонные популяции сохранили высокий уровень генной изменчивости, несмотря на катастрофическое снижение численности вида в течение более чем 100 лет. Показано, что реинтродуцированная форма европейского бобра представляет собой генетически относительно однородное образование, в котором можно идентифицировать аллели двух материнских автохтонных популяций. Обосновано положение о том, что элементарной популяцией (микропопуляцией) бобрового сообщества следует считать колонию бобров как совокупность родственных разнотипных поселений. Доказано, что естественное формирование подразделенной популяционно-генетической структуры у интродуцированного бобра, связано с видоспецифичными этологическими механизмами обособления поселений друг от друга. Впервые дана оценка эффективной репродуктивной величины Ne минимальной бобровой популяции. Реинтродуцированная форма европейского бобра предложена в качестве модели для изучения генетических процессов у "спасенного" от исчезновения вида млекопитающих.

Теоретическое и практическое значение диссертации

Теоретическое значение диссертации прослеживается в рамках общебиологической концепции о связи живой и неживой природы, концепции поддержания общего гомеостаза популяции, раскрытии многообразия способов поддержания генной изменчивости в популяциях. Теоретическое значение диссертации заключается также в выяснении роли и действия дрейфа генов, мутаций и отбора в эволюционном развитии видов, причин различных темпов морфологических, хромосомных и белковых изменений у видов, в установлении связи нынешнего облика популяций с их эволюционной историей и видовыми биологическими характеристиками и в способе идентификации древних и эволюционно новых аллелей в популяциях. Кроме этого, теоретическим аспектом диссертации является новая попытка выяснения остро дискуссионного вопроса о происхождении закавказских популяций домовых мышей, а также попытка осмысления статуса "спасенного" от полного исчезновения европейского бобра при изучении генетических процессов в интродуцированных популяциях этого вида.

Практическое значение диссертации исходит из новых данных, полученных при изучении популяций европейского бобра, курганчиковой мыши, щетинистых крыс. В частности, описание аллозимной изменчивости в автохтонных и интродуцированных популяциях бобра, позволяет оценить эффективность проведенных в 30-70 годы прошлого века природоохранных мероприятий советских ученых, направленных на восстановление численности исчезающего вида. Получена первая приближенная оценка эффективной репродуктивной величины популяции - важнейшего показателя, позволяющего научно обоснованно рассчитывать допустимые пределы промысла этого ценного пушного зверя без нанесения популяциям ущерба в их стабильности и воспроизводстве.

Данные, полученные по генетике и экологии двух видов амазонских щетинистых крыс, позволяют сделать заключение, что тропические виды, приуроченные к нетронутым лесным биотопам, могут быть чрезвычайно чувствительны к вырубкам первичного тропического леса.

Белковая дифферециация исследованных форм животных из различных таксономических групп способствовала формированию «чистых» видоспецифичных коллекционных выборок биологического материала для Зоомузея МГУ, в том числе выборок из трехвидового сообщества морфологических двойников щетинистых крыс р. Proechimys.

Заключение Диссертация по теме "Зоология", Милишников, Александр Николаевич

выводы

4. Оценки дифференциации близких видов по критерию сходства-различия частот белковых генов в популяциях и по структуре полиморфизма этих же генов могут существенно различаться. Объяснение этой неоднозначности позволяет в некоторых случаях описать механизм эволюционной дивергенции исследованных видов.

7. Уникальность исторического развития некоторых видов отражена в структуре ныне живущих популяций. Длительная изоляция в период плейстоценового оледенения может приводить к формированию микрогеографической подразделенности популяций с сохранением у них элементов реликтового генофонда.

Благодарности

Данная работа не могла быть выполнена без всесторонней помощи моего учителя и главного оппонента академика Ю.П. Алтухова, а также ближайших коллег и соавторов работ, с которыми мы на протяжении многих полевых сезонов проводили комплексное изучение рассмотренных видов в различных экспедициях и обрабатывали полученный материал: Анискина В.М., Беровидеса В., Боротто Р., Булатовой Н.Ш., Варшавского А.А., Даркова А.А., Зимы Я., Исаева С.И., Калабушкина Б.А., Лавренченко Л.А., Лаврова В.Л., Лебедева B.C., Ленси Л.Л., Лихновой О.П., Лущекиной А.А., Малыгина В.М., Мочека А.Д., Мунтяну А.И., Наджафовой Р.С., Николаева А.Г., Никоновой О.А., Орлова В.Н., Победоносцевой Е.Ю., Рафиева А.Н., Савельева А.П., Салменковой Е.А. Приношу им глубокую благодарность.

Большинство работ выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 98-04-48566, 99-04-49169, 03-04-48908, 03-0448924) и фондов «Приоритетные направления генетики» № 2192, «Биологическое разнообразие», «Динамика генофондов животных, растений и человека».

В заключение еще раз вернемся к общему вопросу о неопределенности нашего объяснения природы генной изменчивости популяций, к так называемому "парадоксу изменчивости". Л.И. Корочкин неоднократно подчеркивал, что произошедшая эволюция не поддается экспериментальной проверке, и перенесение выявленных экспериментальных фактов на эволюционные события, по сути, всегда является спекулятивным. Другого же пути познания эволюционных процессов нет (Корочкин, 1983, 2001). С этим нельзя не согласиться. Но тенденция развития научных исследований в области эволюционной биологии, особенно последнего десятилетия, такова, что под давлением все новых и новых фактов, многие предположения и выводы о путях и механизмах эволюции, которые раньше казались фантастическими, постепенно становятся дискуссионными, а затем и общепризнанными. То же и с изменчивостью природных популяций. Она становится вполне предсказуемой при всестороннем анализе многообразных связей живой природы, в некоторых случаях настолько предсказуемой, что ею можно уже управлять (Алтухов, 2003). Поэтому остается надеяться, что "парадокс изменчивости", как одна из загадок природы, сформулированная в свое время Ричардом Левонтиным (Левонтин, 1978) - одним из крупнейших представителей чикагской школы генетиков Ф. Добжанского, будет, в конце концов, исчерпан.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Милишников, Александр Николаевич, Москва

1. Абатуров Б.Д., Магомедов М.-Р.Д. Зависимость смертности малых сусликов (Citellus pygmaeus) от плотности популяции и обеспеченности кормом // Зоол. Журн. 1982. Т.61. Вып. 6. С. 890-899.

2. Алтухов Ю.П. Аллозимная гетерозиготность, скорость полового созревания и продолжительность жизни // Генетика. 1998. Т. 34. № 7. 908-919.

3. Алтухов Ю.П. Балансирующий отбор как фактор поддержания аллозимного полиморфизма//Успехи соврем, биологии. 1989. Т. 107. N.3. С. 329-340.

4. Алтухов Ю.П. Внутривидовое генетическое разнообразие: мониторинг и принципы сохранения // Генетика. 1995. Т.31, № 10. С. 1333-1357.

5. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях: Учебн. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. / Отв. Ред. Л.А.Животовский. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. -431с.

6. Алтухов Ю.П. Концепция адаптивной нормы популяций и проблема аутбридинга // Вести. АМН СССР. 1984. N. 7. С. 16-21.

7. Алтухов Ю.П. Об иммуногенетическом подходе к проблеме внутривидовой дифференциации рыб // Успехи соврем, генетики. М.: Наука, 1969. Вып. 2. С. 161195.

8. Алтухов Ю.П. Популяционная генетика рыб. М.: Пищ. пр-ть. 1974.245 с.

9. Алтухов Ю.П., Абдулаев Б.А., Садыков С.С. О возможности использования принципа модальной селекции для стабилизации и улучшения сортов хлопчатника // Генетика и селекция количественных признаков хлопчатника. Ташкент: Фан, 1978. С. 19-32.

10. Алтухов Ю.П., Бернашевская А.Г., Милишников А.Н. и др. Экспериментальное моделирование генетических процессов в популяционной системе Drosophila melanogaster, соответствующей кольцевой ступенчатой модели // Генетика. 1979. Е. 15. №4. с. 646-655.

11. Алтухов Ю.П., Бланк М.Л. Компьютерное моделирование генетических процессов в структурированных популяциях//Докл. АН СССР. 1991.Е.219. С. 1467-1472.

12. Алтухов Ю.П., Варнавская Н.В. Адаптивная генетическая структура и ее связь с внутрипопуляционной дифференциацией по пулу, возрасту и скорости роста у тихоокеанского лосося нерки, Oncorhynchus nerka (Walbaum) // генетика. 1983. Т. 19. №3 С. 796-807.

13. Алтухов Ю.П., Дуброва Ю.Е. Частота редких электрофоретических белковых вариантов среди спонтанных абортусов человека // ДАН СССР. 1982. Т. 262. № 4. С.982-985.

14. Алтухов Ю.П., Корочкин Л.И., Рычков Ю.Г. Наследственное биохимическое разнообразие в процессах эволюции и индивидуального развития // Генетика 1996. Т. 32. №6. С. 1450-1473

15. Алтухов Ю.П., Курбатова О.Л. Проблема адаптивной нормы в популяциях человека // Генетика. 1990. Т. 26. № 4. С. 383-398.

16. Алтухов Ю.П., Победоносцева Е.Ю. Экспериментальное моделирование генетических процессов в подразделенных популяциях // ДАН СССР. 1978. Т. 238. № 2. С. 466-469.

17. Алтухов Ю.П., Рычков Ю.Г. Популяционные системы и их структурные компоненты. Генетическая стабильность и изменчивость // Журн. Общ. Биологии. 1970. Т. 31. №5. С. 507-526.

18. Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А., Картавцев Ю.Ф. Связь аллозимной гетерозиготности с жизнеспособностью и скоростью роста горбуши // Цитология и генетика. 1991. Т. 25. № 1. С. 47-51.

19. Анискин В.М. Эволюционная цитогенетика колючих шиншилл Перуанской Амазонии (Rodentia, Echimyidae) // Млекопитающие Перуанской Амазонии. М. Наука. 1994. С. 62-82.

20. Анискин В.М., Варшавскийй А.А., Исаев С.И., Малыгин В.М., Милишников А.Н. Диагностика и особенности экологии трех морфологически сходных видов щетинистых крыс рода Proechimys из Перуанской Амазонии // Зоол. журн. 1995. Т.74. С. 78-93.

21. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Варшавский А.А., Милишников А.Н. Кариологическая дифференциация трех видов жестковолосых мышей рода1.phuromys (Murinae, Rodentia) Национального Парка Бале, Эфиопия // Генетика. 1997а. Т. 33. №7. С.967-973.

22. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Варшавский А.А., Милишников А.Н. Кариотипы и хромосомная дифференциация двух видов рода Tachyoryctes (Rodentia, Tachyoryctinae) из Эфиопии // Генетика. 19976. Т.ЗЗ. №.9. С.1266-1272.

23. Анискин В.М., Лавренченко Л.А., Варшавский А.А., Милишников А.Н. Хромосомные наборы и цитогенетическая дифференциация двух видов африканских мышей рода Mus (Rodentia, Muridae) // Генетика. 1998. Т. 34. № 1. С. 93-99.

24. Анискин В.М., Малыгин В.М., Варшавский А.А., Исаев С.И. Кариологические взаимоотношения трех хромосомных форм щетинистых крыс рода Proechimys (Rodentia, Echimyidae)//Генетика. 1991. Т. 27. С. 1066-1075.

25. Аргиропуло А.И. CeM.Muridae мыши М,:Л,: Из-во АН ССССР, 1940.169 с. Фауна СССР. Млекопитающие. Т. 3. Вып. 5.

26. Афанасьев К.И., Сусков И.И., Алтухов Ю.П. Оценка частоты редких электрофоретических вариантов белков крови у детей с врожденной патологией // Цитология и генетика. 1984. № 2. С. 129-134.

27. Берг Л.С. Труды по теории эволюции. Л.: Наука, 1977.387 с.

28. Билтуева Л.С., Рубцов Н.Б., Сердюкова Н.А. и др. Возможности анализа микроэволюционных преобразований хромосом млекопитающих // Генетика Т. 33. №8. С. 1094-1101.

29. Бланк М.Л., Алтухов Ю.П. Генетическая динамика в популяциях со сложной миграционной структурой //Докл. РАН. 1992. Т. 324. № 6. С. 1309-1313.

30. Булатова Н.Ш., Касумова Н.И., Манохина Н.В. О возможностях цитогенетического подхода к макро- и микросистематике кубинских хутий // Исследования фауны Кубы / Ред. В.Е.Соколов. М.: Наука, 1993.С. 88-97.

31. Булатова Н.Ш., Наджафова Р.С. Кариологические маркеры евроейских биохимических типов // Домовая мышь. М. Наука. 1994. 5.2. С. 172-177.

32. Булатова Н.Ш., Наджафова Р.С., Козловский А.И. Цитотаксономические различия домовых мышей Закавказья (Muridae, Rodentia) // Зоол. 1990. Т. 69. С. 111-119.

33. Варшавский А.А., Павлинов И.Я. Морфологическая дифференциация щетинистых крыс рода Proechimys (Rodentia, Echimyidae) Перуанской Амазонии // Млекопитающие Перуанской Амазонии. М. Наука. 1992. С. 20-32.

34. Варшавский С.Н. Определение возраста курганчиковой и домовой мышей // Бюлл. МОИП. Отд. биол. 1950. Т. 55. Вып. 6. С. 21-34.

35. Васильченко А. Заповедник «Азас» в опасности // Охота и охотн. хоз. 1990. № 3. С. 14-15.

36. Васин A.M. Бобры на севере Западной Сибири // Тр. Первого Евро-Амер. Конгресса по бобру. Казань 2001. С. 51-60.

37. Васин A.M. Динамика численности североазиатских бобров // Вопросы динамики популяций млекопитающих. Информационные материалы, Свердловск, 1988. С. 12-13.

38. Васин А.М. Об охране и сохранении аборигенных бобров в Тюменской области // Научные основы боброводства. Воронеж, 1984. С. 31-36.

39. Вассерлауф И.Э., Митренина Е.Ю., Стегний В.Н. Изменение структуры хромосом трофоцитов яичников Drosophyla melanogaster рода Drosophyla (Sophophora) при гибридном дисгенезе // Генетика. 2003. № 3. С.

40. Верещагин Н.К., Бурчак-Абрамович. История распространения и возможности восстановления речного бобра Castor fiber на Кавказе. Зоол. ж., 1958, т. 37, вып. 12.

41. Верещагин Р.А. Млекопитающие Кавказа: История формирования фауны. М.:, JL: Изд-во АН СССР, 1959.703 с.

42. Виноградов Б.С., Громов И.М. Грызуны фауны СССР. М.: JL: Изд-во АН СССР, 1952.296 с.

43. Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М.: Прогресс-Традиция, 1999.640 с.

44. Воронцов Н.Н. Синтетическая теория эволюции: ее источники, основные постулаты и нерешенные проблемы // Журн. Всесоюз. Хим. О-ва им. Д.И. Менделеева. 1980. Е. 25. № 3. С. 295-314.

45. Воронцов Н.Н. Теория эволюции: истоки, постулаты и проблемы. М.: Знание, 1984.

46. Воронцов Н.Н. Эволюция кариотипа / Руководство по цитологии. M.-JI.: Наука. 1966. Т. 2. С. 359-389.

47. Воронцов Н.Н. Эволюция пищеварительной системы грызунов (мышеобразные).51.

Информация о работе

Милишников, Александр Николаевич
доктора биологических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.08

Диссертация

Формирование аллозимной изменчивости в популяциях млекопитающих - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно