Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности расселения обыкновенных бурозубок (Sorex araneus L.) как фактор ограничения генного потока

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Особенности расселения обыкновенных бурозубок (Sorex araneus L.) как фактор ограничения генного потока"

На правах рукописи

Тумасьян Филипп Анатольевич

Особенности расселения обыкновенных бурозубок (Богех агапеи$ Ь.) как фактор ограничения генного потока

Специальность 03.02.08 - экология (биологические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1<? МАЙ 2013

005059095

Москва 2013

005059095

Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном Учреждении Науки Институте проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН

Научный руководитель д.б.н. Щипанов Николай Александрович Официальные оппоненты:

Северцов Алексей Сергеевич, д.б.н., профессор, зав. кафедрой биологической эволюции биологического факультета Федерального государственного образовательного учреждения Высшего профессионального образования Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова Хляп Людмила Айзиковна, к.б.н., с.н.с лаборатории сохранения биоразнообразия и использования биоресурсов Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Науки Института проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН Ведущая организация: Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Систематики и Экологии Животных СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 21.05.2013 г в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 002.213.01 в Институте проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН по адресу г. Москва, Ленинский просп., д. 33 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН

Автореферат разослан 19.04.2013 г

Секретарь диссертационного совета: к.б.н. Кацман Елена Александровна

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы и степень её разработанности

Представление о начальных этапах дивергенции за счет ослабления потока генов между отдельными популяциями вида важно для понимания механизмов возникновения генетически обособленных парапатричных форм (Coyne, 1992; Coyne, Orr, 2004; Gavrilets et all., 1998; 2000). Как отмечает Г.М. Хьюит (Hewitt, 1988), парапатрия распространена шире, чем кажется на первый взгляд. Однако далеко не все виды обладают формами с хорошо маркированными генетическими признаками и представляют удобную модель для исследования внутривидовой дифференциации. Обыкновенная бурозубка - один из таких видов, демонстрирующих впечатляющее количество хорошо различимых, генетически самостоятельных форм. Группы населения этого вида, которые наследуют общий набор акроцентриков и метацентриков, выделяют как парапатричные хромосомные расы (Hausser et al., 1994). К настоящему времени у обыкновенной бурозубки известно, по крайней мере, 74 такие расы (Wôjcik et al., 2003; Orlov et al., 2007; Pavlova, 2010). Кроме подразделения на расы у этого вида обнаружено и явно выраженное структурирование на популяционном уровне, причем уровень различий между популяциями внутри одной расы соответствуют уровню различий между расами (Polly, 2007). В общем виде факторы, способствующие ослаблению потока генов между такими парапатричными формами, могут быть разделены на внешние и внутрипопуляционные.

Внешние факторы более очевидны, но их далеко не всегда обнаруживают в реальных условиях. В частности, для большей части межрасовых гибридных зон обыкновенной бурозубки не выявлена связь их локализации с факторами среды. В этом случае их поддержание принято объяснять пониженной жизнеспособностью гибридов (Searle, Wojcik, 1998; Bulatova et al., 2011). Однако это объяснение не подходит для популяций внутри одной хромосомной расы. Существует предположение, что ограничение потока генов между внутривидовыми формами обыкновенной бурозубки может быть связано с популяционными особенностями

расселения (БЪсЫрапоу, 2007) и в таком случае не обязательно связано с наличием внешних преград.

Проведение исследований в зоне контакта генетически различных группировок, принадлежащих к одной хромосомной расе, позволяет исключить влияние пониженной жизнеспособности гибридов и оценить влияние особенностей расселения на ограничение генного потока. Такое исследование может внести вклад в понимание ранних этапов дивергенции вида у обыкновенной бурозубки.

Цель работы:

Оценить влияние особенностей расселения на ограничение потока генов между популяциями внутри одной хромосомной расы у обыкновенной бурозубки.

Задачи:

1. Оценить пространственно-генетическую неоднородность модельной популяции.

2. Оценить пространственное распределение особей и пространственную структуру популяции как результат расселения.

3. Оценить влияние запаха конспецифика на особенности перемещения молодых особей.

4. С использованием симуляционной модели проанализировать скорость и величину Ценного потока между популяциями с учетом возможных вариантов расселения.

Научная новизна работы

Впервые проведены эксперименты с обыкновенными бурозубками в "открытом поле" и получены общие характеристики их исследовательского поведения. Показана разнокачественность особей по реакции на след конспецифика: выявлены особи, реагирующие на след, и зверки, индифферентные к этому сигналу. Экспериментально показано, что для особей, реагирующих на след конспецифика, привлекательность следа зависит от его давности. Предложена

гипотеза,

объясняющая связь типа поиска участка при расселении с

индивидуальными различиями в выраженности реакции на запах конспецифика.

Показано, что итоговое пространственное распределение особей соответствует различным типам поиска участка при расселении. Выявлено градиентное изменение соотношения особей с различным типом поиска на разных частях популяционного пространства. С использованием симуляционной модели ограничения генного потока, построенной с учетом реальных характеристик населения, показана возможность длительного ослабления генного потока при изменении типа поиска на периферии популяций.

Теоретическая и практическая значимость

Полученные в ходе исследования результаты вносят вклад в понимание механизмов начальных этапов внутривидовой дивергенции: разнокачественность особей, ключевой фактор для функционирования популяции как целостной системы, может приводить и к дифференциации локальных популяций внутри вида. Полученные результаты могут быть использованы в курсах лекций по популяционной экологии.

Практическими результатами исследования являются разработанные методики изучения поведенческих реакций на запах конспецификов в лабораторных и полевых условиях. Эти методики универсальны и могут быть использованы для различных видов мелких млекопитающих.

Методология и методы исследований

Работа построена как проверка ключевых характеристик гипотезы о влиянии дифференцированного расселения на ограничение генного потока. Для этого использовали метрические характеристики населения, полученные в природе с использованием апробированных и оригинальных методик.

Оценку пространственно-генетической неоднородности населения проводили при сравнении частот гаплотипов Б-петли митохондриальной ДНК и аллелей микросателлитных локусов, взятых с 4 обследованных участков. Основные материалы диссертации получены методом мечения с повторным отловом на линиях живоловок. Эти материалы легли в основу оценок пространственного распределения особей и пространственной структуры популяции как итога расселения. Для оценки влияния запаха конспецифика на перемещение

обыкновенных бурозубок использовали виварные эксперименты: классические тесты "открытого поля" и тесты в многокамерной вольере оригинальной конструкции. Для проверки полученных результатов в природных условиях использовали оригинальный тест с "чистыми" и "грязными" ловушками. Значение выявленных особенностей расселения для ограничения генного потока определяли при проведении симуляции с использованием компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Взаиморасположение участков особей в пространстве может быть охарактеризовано распределением дистанций до ближайшего соседа, полученных при учетах на линии. У обыкновенной бурозубки характер взаиморасположения участков особей свидетельствует о существовании двух различных типов поиска участка при расселении.

2. По реакции на запах конспецифика можно выделить индифферентных и реактивных к этому сигналу особей обыкновенной бурозубки. Различия в реакции на запах конспецифика определяют и различия в типе поиска участка при расселении.

3. Смена двух типов расселения, показанная у обыкновенной бурозубки, способна поддерживать ограничение генного потока даже при отсутствии внешних преград.

Степень достоверности и апробация результатов

Основные материалы диссертации были представлены: на 3-х конференциях молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН "Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых" (Москва, 2006; 2008; 2010); 3-ей всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих (Новосибирск, 2007); международной конференции "Целостность вида у млекопитающих (изолирующие барьеры и гибридизация)" (Петергоф, 2010); 3-ей международной конференции "Advances in the biology of shrews III" (Сыктывкар, 2010), IX Съезде Териологического общества при РАН "Териофауна России и сопредельных территорий" (Москва, 2011); международной конференции "Проблемы популяционной и общей генетики" (Москва, 2011); всероссийской

научной конференции "Актуальные проблемы современной териологии" (Новосибирск, 2012). Работа также неоднократно обсуждалась на разных её этапах на семинарах лаборатории Популяционной экологии и межлабораторных семинарах ИПЭЭ РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 в журналах, поименованных в списке ВАК.

Объем и структура

Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста; состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка литературы и 2 приложений. Работа иллюстрирована 30 рисунками и 15 таблицами. Список литературы включает 182 работы, из которых 113 на иностранном языке.

Благодарности

Автор выражает сердечную признательность сотрудникам лаборатории популяционной экологии ИПЭЭ РАН и персонально С.А. Шиловой, О.В. Бурскому, Б.И. Шефтелю за проявленный интерес к данной работе, а также людям, в разное время принимавшим участие в сборе полевого материала на стационаре Крутицы. Отдельная благодарность A.A. Калинину, Т.Б. Демидовой, A.B. Купцову, C.B. Павловой, М.В. Холодовой, A.B. Чабовскому за неоценимую помощь в работе. Отдельно хотелось бы поблагодарить A.A. Распопову за разрешение использовать её материалы по молекулярным маркерам и коллег из Института Биологии им. Ненского Польской Академии Наук проф. Кристофа Турлейского (Krzysztof Turlejski) за возможность работать в его лаборатории и Александра Михальского (Aleksander Michalski) за помощь в использовании оборудования для анализа результатов опытов открытого поля. Нельзя не отметить терпение и понимание, проявленное со стороны моих родных и знакомых, за что и им большое спасибо. Данная работа не могла бы быть выполнена без грамотного руководства, терпения и конструктивной критики со стороны ее руководителя Николая Александровича Щипанова, благодарность которому от автора не имеет границ.

Работа выполнена при финансовой поддержке программ "Биоразнообразие" и "Живая природа" Президиума РАН, ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (Госконтракт 02.740.11.0282), Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МК-2500.2011.4) и грантов РФФИ 08-04-00553-а, 12-04-00937-а, 12-04-31200-мол_а.

Содержание работы

Глава 1. Обзор литературы

Сделан обзор основных работ по экологии и внутривидовой дифференциации обыкновенной бурозубки. Гибридные зоны хромосомных рас, могут быть связаны со средовым барьером (Fredga, 1996), различием предпочитаемых местообитаний (Polyakov et al., 2003), или не связаны с факторами среды (Орлов и др., 2012). Существование таких зон объясняют пониженной жизнеспособностью гибридов и, как следствие, ограничением генного потока между расами (Bulatova et al., 2011). Однако результаты анализа молекулярных маркеров противоречат представлениям об ограничении потока генов, связанного с признаком «раса» (Fivaz et al., 2003; Horn et al, 2011). Изучение полиморфизма энзимов, молекулярной и морфологической изменчивости показывает, что различия между популяциями внутри расы могут быть не меньше, чем между популяциями разных рас (Balloux et al., 2003; Ratkiewicz et al., 2003; Polly, 2007; Распопова, Щипанов, 2011; Бобрецов, и др., 2012). Рассмотрена гипотеза о смене типа расселения на разных частях популяционного пространства как факторе ограничения генного потока (Щипанов и др., 2008). Проанализированы данные о расселении и использовании пространства обыкновенными бурозубками (Croin Michielsen, 1966; Shillito, 1963; Chirchfield, 1990; Tegelström et al., 1991; Hanski et al., 1991; Stockley, 1992), о факторах, влияющих на формирование социальной системы бурозубок (Taylor, 1998; Rychlik, 1998). Отмечена значимость ольфакторной коммуникации (Churchfield, 1990).

Глава 2. Материалы и методы

Место работы

Материал собран в Старицком р-не Тверской области, где на 4 участках проводили долгосрочные исследования бурозубок с использованием индивидуального мечения. Автор участвует в работе с 2006 г. Для леса около д. Крутицы - участок К (рисунок 1) обработаны данные за период с 1995 по 2008 г. Здесь были расположены 3 линии живоловок: 100 ловушек в ельнике (линия 1), 50 в сосняке (линия 2) и 50 в ольшанике (линия 3). Около д. Заброво - участок 3 -наблюдения вели с 1997 по 2008 г. на двух линиях в ельнике по 50 ловушек каждая (линии 4 и 5). Около д. Боканово - участок Б, наблюдения проводили с 2006 по 2010 год, на лугу (линия 6) и на зарастающем поле (линия 7), по 50 ловушек каждая. В смешанном лесу между участками К, Б и 3 располагался участок В (см. рис. 1). Здесь учеты проводили только в отдельные годы (всего 8 лет) в период с 1997 по 2007 г, (линия 8, 100 ловушек). Дистанции между центрами всех участков (средние координаты всех учетных линий), измерены в приложении Google Earth без учета рельефа (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Схема района 1100м исследований: К, Б, В, 3 - участки наблюдений; 1-8 -учетные линии; 9 - сосняки, 1700 м _ зарастаЮщие молодым лесом поля, 11 — J— 1500 м смешанные и мелколиственные леса, 12 -2400 м ельники, отсутствие штриховки - луга и поля; Стрелками обозначены кратчайшие

1600 м

расстояния между участками, их значения -на выносках справа.

2S00 м

Методы и материалы полевых исследований

Отлов и меченые. Работу проводили с индивидуально мечеными зверьками в соответствии с разработанным протоколом (Щипанов и др., 2000), особенностью

которого является короткая (3 часа в сутки) экспозиция настороженных живоловок, что позволяет особям большую часть суток перемещаться свободно. Относительную численность оценивали как количество пойманных обыкновенных бурозубок на 100 ловушек в среднем за один день во время учетной сессии. Использован материал по 4234 обыкновенным бурозубкам (17670 регистрации).

Молекулярные маркеры

Ткани (фаланги пальцев) брали прижизненно, этикетируя индивидуальным номером особи. ДНК выделяли стандартным методом с использованием набора Diatom™DNA Prep (Изоген, Москва). Амплификацию митохондриальной ДНК проводили с праймерами LI5774 (Shields, Kocher 1991) и Hl6498 (Southern et al., 1988). За основу взяты условия, описанные в работе Андерсон с соавторами (Anderson et al. 2005). Очищенный осаждением в NH4EtOH амплификат сиквенировали на автоматическом сиквенаторе ABI PRISM 3730 Applied Biosystems. Изучали изменчивость фрагмента левого вариабельного домена D-петли митохондриальной ДНК (138 н.п.). Получено 42 сиквенса. Кроме того, для оценки генного потока дополнительно были использованы 42 образца D-петли и данные по полиморфизму 85, 88, 89, 89, 87, 86 образцов микросателлитных локусов L9, LI6, В30, D103, D106 соответственно, полученные А. А. Распоповой и проанализированные совместно (Щипанов и др., 2011). Выравнивание сиквенсов проводили в программе BioEdit 7.0.9.0 (Hall, 1999). Оценку генетической однородности проводили в парах выборок на основе анализа частот гаплотипов фрагментов D-петли мтДНК и аллелей микросателлитов.

Оценка распределения оседлых особей в пространстве

Метрические характеристики использования пространства. Для оценки использован параметрический подход, позволяющий оценивать участок обитания среднестатистической особи (Shchipanov et al., 2005; Щипанов и др., 2008, 2010). Основной параметр размера участка - средний радиус стандартной активности S, рассчитывали как среднее квадратичное отклонение всех координат регистрации от центра активности для особей с числом поимок 3 и более. Центр активности

вычисляли для каждой особи как среднюю арифметическую координат регистрации.

Оценка взаиморасположения участков. Оценку проводили по двум независимым параметрам: 1) минимальной индивидуальной дистанции и 2) доле собственной активности хозяев участка, позволяющей оценивать дистанцию до соседа с учетом распределения активности особи в пространстве. Минимальной считали дистанцию между ближайшими центрами активности оседлых особей. Долю собственной активности хозяина участка оценивали как отношение суммы всех его поимок к сумме поимок ближайшего соседа в ловушки, посещенные и хозяином. Взаиморасположение участков определяли для каждой учетной линии, исходя из распределения числа особей с различными дистанциями до соседа. Распределение оценивали для дистанций, полученных за все годы наблюдений.

Эксперименты

Исследовательская активность в "открытом поле". Опыты проводили в камере из прозрачного оргстекла размером 50x50 см. Продолжительность опытов -5 мин, эксперименты фиксировали на бытовую видеокамеру Sony Handycam в отсутствии наблюдателя. Общие характеристики исследовательской активности получены в дезодорированной, "чистой", камере. Влияние запаха конспецифика изучали в камере со следами предыдущего зверька - "грязной". Этот опыт начинали через 5 мин после предыдущего. Обработку видеоматериалов для получения длины пройденного маршрута проводили совместно с польскими коллегами, проф. К. Турлейским и А. Михальским. Наличие реакции на след конспецифика оценивали по различиям в средней длине трека в сериях опытов в "чистой" и в "грязной" камерах. Всего протестировано 11 сеголеток (6 самцов и 5 самок) в 65 опытах в "чистой" и 51 в "грязной" камерах.

Значимость следа конспецифика для выбора направления перемещения изучали в многокамерной вольере. Отдельные камеры были соединены переходами таким образом, что из центральной камеры вело четыре равных по длине маршрута (по 1.5 м) с равным количеством вертикальных переходов (по 4 перехода). Испытуемой особи предоставляли возможность выбора маршрута по следам

конспецифика различной давности или без следа. Предпочтение того или иного маршрута оценивали для всей выборки по соотношению числа выбранных маршрутов и их предложений. Каждого зверька использовали лишь в одном опыте. Всего проведен 61 опыт с сеголетками (32 самки и 29 самцов).

Полевой эксперимент по влиянию запаха конспецифика на использование особями пространства проводили, используя два набора однотипных ловушек. Один оставляли нетронутым, со всеми свойственными запахами - "грязные" ловушки, другой мыли и дезодорировали после каждой постановки - "чистые" ловушки. Чистые ловушки выставляли строго на место "грязных". Отлов "чистыми" и "грязными" ловушками чередовали через день. Значимость запаха для особей во всей выборке оценивали по различиям в уловистости в "чистые" и "грязные" ловушки. Характер использования пространства оценивали по соответствию распределения активности среднестатистической особи нормальному. В ходе эксперимента на участке Б поймана 131, на участке В - 28 особей (552 и 48 поимок соответственно).

Симуляции расселения

Частоты расселения получены в уравнениях 1) "прямого поиска" (Мштау, 1967) которое описывает распределение индивидуальных дистанций перемещения от места рождения в случайном направлении "по прямой". При таком типе расселения модальная дистанция всегда меньше размеров индивидуального участка. 2) В уравнении для "спирального поиска" (\Vaser, 1985), которое предполагает целенаправленный поиск свободного участка, ближайшего к натальному. Модальная дистанция расселения при спиральном поиске примерно равна диаметру индивидуального участка во всех случаях, когда вероятность расселения больше 0.5 < 0.5).

где Р„ - вероятность обнаружения особи на и-ной дистанции от натального участка; и - класс дистанции от натального участка, измеряемый в диаметрах

(1)

(2)

среднего индивидуального участка; / - скорость оборота популяции. Симуляцию доли особей, расселяющихся из двух соседних популяций с альтернативными маркирующими аллелями, проводили аналогично симуляции в гибридной зоне рас Москва-Селигер (Щипанов и др., 2008). Рассчитывали долевое соотношение частот двух альтернативных маркеров популяций на линии. Расчет проводили для точек на линии, последовательно удаленных на 20 м (средняя дистанция между центрами активности сеголеток). Частоты маркера оценивали с учетом его притока в точку, в соответствии с коэффициентами для определенного типа поиска при скорости оборота популяции /=0.26. Поскольку вероятность обнаружения особи с увеличением порядкового номера класса убывает бесконечно, расчет проводили для 14 классов дистанции от натального участка, так как далее даже при "прямом" типе поиска вероятность оседания становится меньше 1 %. Таким образом, при симуляции "спирального поиска" мы учитываем практически 100% вероятности, а при симуляции "прямого поиска" исключаем около 1% частот, приходящихся на дальние дистанции. Однако, такое исключение редких частот имеет биологический смысл, так как иначе придется допустить, что выживание зверьков при перемещении на соседний участок и на дистанцию > 14 диаметров участка равновероятно. Накопление доли особей с маркером соседней популяции прослеживали для каждой из точек до 1000 поколений. Исходную дистанцию между границами популяций принимали за 1000 м. При симуляции смены типа поиска полагали, что за пределами материнской популяции особи расселяются по типу "прямого поиска".

Статистическая обработка

Для рядов данных, распределенных нормально, использовали I критерий при попарных, или величину рассчитанную в АЫОУА при множественных сравнениях. Связанность данных оценивали коэффициентом корреляции Пирсона. Для распределений отличных от нормального использовали тесты Манна-Уитни при попарных и Крускола-Уоллеса при множественных сравнениях, корреляцию оценивали ранговым критерием Спирмена. Тест у? использовали для сравнения пропорций (таблица 2x2) и проверки соответствия фактического и ожидаемого

распределения натуральных частот. Все оценки выполнены в пакете программ Statistica 7.

Уровень различий в частотах микросателлитных локусов оценивали по величине Fsl, полученной в программе Arlequin 3.5.1.3(Excoffier and Lischer, 2010). Уровень различий в частотах гаплотипов D-петли оценивали по соответствию фактической и ожидаемой пропорций значимо несовпадающих/совпадающих по частотам гаплотипов. Значимо несовпадающими считали гаплотипы, разница частот которых была больше их вариансы. Ожидаемое количество значимо несовпадающих частот гаплотипов считали как сумму их варианс. Такой подход позволил исключить редкие, случайно встреченные, гаплотипы и оценить собственно различие частот. При другом варианте анализа основной вклад в варьирование вносит внутригрупповое разнообразие (99.3%) за счет высокой доли гаплотипов, встречающихся единично (около 70%).

Расчеты, симуляции и подготовка данных для статистического анализа проведена в программе Excel, данные о регистрациях особей собраны в единой базе данных Access (пакет программ Microsoft Office 2003).

Глава 3. Неоднородность населения обыкновенных бурозубок на обследованной территории

Многолетнюю динамику численности сравнивали на участках К и 3, где получены достаточно длинные ряды данных, совпадающие по времени. Значимая корреляция между уровнями численности в текущий год найдена в разнотипных местообитаниях в пределах участка К, линии 1, 2, 3 (см. рисунок 1). Динамика численности в ельнике на участке 3 (линии 4 и 5) не связана с численностью в ельнике на участке К или других линиях участка К (таблица 1). Отсутствие связи динамики численности на участке 3 со всеми местообитаниями на участке К позволила предположить что миграционный поток между участками 3 и К ослаблен.

Для выявления генетической неоднородности исследовали выборки со всех модельных участков. Оказалось, что по частотам аллелей микросателлитных

локусов выборка с участка 3 достоверно отличается от всех выборок, а выборки с участков К, Б и В между собой практически не различаются. При анализе частот гаплотипов Б-петли получены сходные результаты (рисунок 2). Уровень различий не был связан с расстоянием (Я3 <0.1).

Таблица 1. Корреляция (7?,) динамики численности в различных местообитаниях (линиях) на участках К и 3. * р < 0.05.

Участок Местообитание (№ К 3

линии) (1) (2) (3) (4, 5)

Ельник (1) - 0.82* 0.89* 0.35

К Сосняк (2) 0.82* - 0.87* 0.19

Ольшаник (3) 0.89* 0.87* - 0.49

3 Ельник (4, 5) 0.35 0.19 0.49 -

Рисунок 2. Значение (для аллелей 003 микросателлитов) и / (для гаплотипов

0.025

о.о2 фрагмента О-петли) при сравнении их

0.015

В-Б К-Б К-В 3-К 3—Б 3-В

■ г" Ш ^ * р < 0.05

0.01 0.005 0

частот в парах выборок

Независимые по динамике численности участки К и 3, оказались различны также и по частотам молекулярных маркеров. Отсутствие достоверных различий участков К, Б и В по частотам микросателлитных локусов позволяет рассматривать их как единую популяцию КБВ, генетически отличную от популяции участка 3. Пограничное пространство между этими популяциями находится между участками В и 3. Поэтому участок В мы рассматриваем как периферию популяции КБВ.

Не выявлено различий в средней многолетней численности обыкновенных бурозубок в лесных местообитаниях. В ельниках она составила (± Ж) 6.7 ± 4.1, в сосняке 5.7 ± 4.5, в смешанных лесах 6.5 ± 3.9 особей на 100 ловушек. В открытых

местообитаниях с развитым травостоем средняя многолетняя численность была выше, чем в лесах и составила 22.9 ± 17.5 на зарастающем поле и 16.4 ± 12.6 особей на 100 ловушек на лугу.

Таким образом, генетическая неоднородность наших выборок не была связана с биотопическими различиями местности. Физические преграды, способные ограничить миграцию, на изученной территории также не обнаружены.

Глава 4. Взаиморасположение участков как итог различных типов поиска участка при расселении

Вслед за Кларком и Эвансом (Clark, Evans, 1954), мы характеризуем взаимное расположение участков оседлых особей, используя дистанцию до ближайшего соседа - минимальную индивидуальную дистанцию. Оценку минимальной дистанции проводили для особей с числом регистрации больше среднего значения.

Распределение пространственной активности особи на участке

соответствует нормальному (рисунок 3), поэтому, вероятность присутствия

среднестатистической особи на определенном удалении от центра её участка может

быть оценена как величина обратная кумуляте нормального распределения.

Рисунок 3. Кумулята

процента числа регистрации

оседлых особей на разном

удалении от центральной

координаты s

— нормальное распределение о фактический процент

Это предположение было проверено по фактическому соотношению числа регистрации на участке особи хозяина участка и его соседа, с учетом дистанции между центрами их активности, выраженной в долях стандартного отклонения. Фактическая и ожидаемая (для определенной минимальной дистанции) доли собственной активности хорошо совпадали: частоты регистрации значимо не

° ^ <1?

различались,/ = &ЛА, df=l, р < 0.32 (рисунок 4).

Минимальные дистанции, 8 Ц Фактическая Ц Ожидаемая

Рисунок 4. Ожидаемая и фактическая доля собственной активности особей с различными дистанциями до ближайшего соседа

Распределение

минимальных дистанций в выборках либо соответствовало логнормальному распределению с небольшим локальным пиком в области среднего значения (проверка нормальности сделана для распределения логарифмов дистанций), либо пик в области среднего значения достигал величины, значимой для достоверного отклонения (рисунок 5). Мы полагаем, что логнормальное распределение может определяться случайным рассеиванием, как это предсказывает модель "прямого поиска", а появление значимого локального пика вызвано оседанием особей на определенной дистанции друг от друга. Таким образом, появление пика в области среднего значения может свидетельствовать о целенаправленном поиске участка на оптимальной дистанции расселения, как предсказывает модель "спирального поиска". В этом случае, различия в распределении участков указывают на различия в типе поиска.

Рисунок 5.

Ожидаемое Распределение

логнормальное

распределение \ -

минимальных дистанции

Фактическое

число (столбики) и средняя минимальная дистанция (пунктир) на линиях 8 и 2

К-С (1=0.07, р>0.20 Липлиефорса р>02( Шапиро-Уилка №=0.98, р=0.12

32.4 48.6 64.8 81.0 972 0.1

К-С 11=0.17, р<0.06 Липлиефорса р<0.01 Шапиро-Уилка №031, р = 0.001

7 38.6 51.4 64 2 77.0 89.8

Минимальная дистанция, м

Ключевым для выявления типа поиска по итогам расселения является соответствие преобладающих дистанций нулевому или единичному классу. Для определения границ этих классов индивидуальную минимальную дистанцию относили к средней минимальной дистанции по выборке. Полученное значение

округляли до целого. Рамка на рисунке 5 показывает пограничные значения натуральных величин дистанций, попадающих при таком расчете в единичный класс. Дистанции слева от границы рамки считали нулевыми. Оказалось, что дистанции, в пределах границ рамки можно рассматривать также и как оптимальные.

Среди особей с индивидуальными дистанциями в пределах 12-24 м, доля перезимовавших на своих участках, была достоверно (х2 = 4.5, р < 0.034) выше среднего значения доли перезимовавших зверьков, имевших индивидуальные дистанции за пределами этого класса.

Для выявления преобладающего типа поиска оценивали отклонение соотношения числа дистанций в нулевом и единичном классах от ожидаемого при каждом из типов. При г = 0.26 это соотношение для модели "прямого поиска" составляет 1.34, а для модели "спирального поиска" - 0.41. На участке В (линия 8) соотношение нулевых и единичных дистанций составляло 1.4 (45/32) и было практически неотличимо от ожидаемого для прямого поиска. На линии 2 -неотличимо от ожидаемого для "спирального поиска": 0.41 (16/39). На линиях 4, 5, 7 и 8 это соотношение свидетельствует о преимущественном использовании расселяющимися особями "спирального поиска". На линиях 1 и 3 расселение, может быть объяснено присутствием особей, использующих разные типы поиска, примерно в равной пропорции (рисунок 6).

* р<0.05

Рисунок 6. Отклонение соотношения числа дистанций в нулевом и единичном классах от ожидаемого при "прямом" и "спиральном" типе поиска.

Достоверность отличий оценена по х

Глава 5. Поведенческая основа разных типов поиска участка при расселении Обыкновенная бурозубка известна как агрессивный вид,

чувствительный к недостатку корма (Churchfield, 1990). Его считают низкосоциальным и территориальным (Rychlik, 1998). Вместе с тем, бурозубки охраняют лишь непосредственно примыкающее к особи пространство (Олейниченко, 2008). По-видимому, патрулирование и охрана всей своей территории для этого вида невозможна из-за отсутствия энергетического резерва: бурозубки постоянно функционируют близко к своему физиологическому пределу (Ochosinska, Taylor, 2005).

Занятость участка может быть определена за счет случайных столкновений с хозяином, вероятность которых растет при приближении к центру активности. Таким образом, лишь частота встреч с хозяином территории ограничивает вселение и обеспечивает изоляцию участков. При этом зверек, обнаружив, что участок занят, движется дальше в случайном направлении в поисках свободного участка. Именно такой тип поиска описывает модель "прямого поиска" (Murray, 1967).

Мы предположили, что возможен также поиск участка, основанный на опосредованной коммуникации (Тумасьян, Щипанов, 2012). Изучение исследовательского поведения обыкновенных бурозубок в открытом поле выявило разнокачественность особей по реакции на запах конспецифика. Часть зверьков уменьшали длину пробега при наличии следа (выборка 1), а часть особей значимой реакции не проявили (выборка 2). Дисперсионный анализ гнездового плана выявил значимое влияние гнездящегося фактора "№ особи" в обеих выборках {р < 0.03), однако фактор "тип эксперимента" достоверно влиял на длину пройденного маршрута лишь в выборке 1 (F = 7.08; р < 0.01). Особей, проявляющих реакцию на след конспецифика, в дальнейшем называем "реактивными" а не проявляющих -"индифферентными".

Анализ выборки реактивных (достоверно предпочитавших след чистому маршруту) особей в многокамерной вольере показал, что доля выбора маршрута со следом давностью до 5 минут была значимо меньше <j = 4.2; р < 0.05), а в градации 5—10 мин значимо больше (/2 = 4.5; р < 0.05) чем средняя доля по выборке (рисунок 7). Исходя из обнаруженных реакций, была предложена гипотеза поиска оптимального положения участка реактивными зверьками: большая

привлекательность следа конспецифика по сравнению с его отсутствием

ограничивает дистанцию расселения, а избегание свежих следов - обеспечивает

достаточную изоляцию участков. В результате особь находит свободный участок

ближайший к натальному, что, собственно и названо Васером (Waser, 1985)

"спиральный поиск".

При проведении

эксперимента на участке Б, на

основании соотношения поимок в

"грязные" и "чистые" ловушки были

сформированы выборки

"реактивных" и "индифферентных"

Рисунок 7. Выбор маршрута особями с особей. У реактивных особей было участка Б в 2006-2007 гг (пунктир -

средняя доля по выборке) обнаружено значимое отклонение

распределения пространственной активности от ожидаемого нормального за счет экскурсий (и = 400, х = 66.19, df = 29, р < 0.001). Радиус пространства, знакомого особям благодаря экскурсионной активности, был оценен как 240 м. (Щипанов, Тумасьян и др., 2011). Распределение активности индифферентных особей практически не отличалось от нормального (п = 50, х = 6.94, df= 27, р < 0.99), т.е. экскурсии отсутствовали. Отметим, что экскурсионная активность упоминается Васером (Waser, 1995) как условие реализации именно "спирального поиска".

Можно предполагать, что тип поиска у обыкновенных бурозубок в основном определяется реакцией на запах конспецифика. Во всяком случае, предположения о локализации преобладающего типа поиска на основе распределения дистанций, не противоречат реакции на запах, выявленной в полевом эксперименте. На участке Б, где распределение минимальных дистанций соответствовало "спиральному поиску" (см. линии 6 и 7, рисунок 6), преобладали реактивные особи: посещаемость "грязных" ловушек более чем двукратно превышала посещаемость "чистых":£/= 17, Z= 3.18,/? = 0.001 (Тумасьян, Щипанов 2013). На участке В (линия 8), где распределение соответствовало "прямому

поиску", различия в посещении "грязных" и "чистых" ловушек отсутствовали: и = 7.0,2= 1.14, р = 0.25.

Глава 6. Стратегии расселения на популяционном пространстве

В непосредственной близости от пограничной области (участок В) распределение минимальных дистанций соответствует ожидаемому для "прямого поиска". На линиях 8 и 9 участка Б, линии 2 участка К и линиях 4, 5 участка 3 преобладают особи с соотношением минимальных дистанций, ожидаемым при "спиральном поиске" (см. рисунки 1 и 6). Смена характера распределения прослеживается в пространстве, но не связана с типом местообитания. Так, в ельнике (линия 1) на участке К и в ельнике на участке 3 (лини 4,5) различия в соотношениях числа нулевых и единичных дистанций высоко достоверны (х* = 9.3; р < 0.002). В то же время эти соотношения в моховом сосняке (линия 2), на лугу (линия 6) и на зарастающем лесом поле (линия 7) неразличимы (р > 0.33).

Таким образом, на пространстве популяции КБВ распределение минимальных дистанций наиболее соответствует ожидаемому при "прямом поиске" в области границы и градиентно изменятся в сторону большего совпадения со "спиральным поиском" при удалении от нее. Значение такой дифференциации распределения особей с разным типом поиска на популяционном пространстве можно показать с помощью модели, симулирующей накопление доли маркирующих аллелей за счет иммиграции особей из соседней популяции. Симуляция показывает, что при отсутствии дифференциации населения по типу поиска система стремиться к выравниванию частот. В случае повсеместного "прямого поиска" доля маркера довольно быстро приближается к 0.5, то есть к равновесному состоянию, В случае повсеместного "спирального поиска" тенденция к выравниванию частот сохраняется, однако процесс сильно замедлен. При смене "спирального" типа поиска на "прямой" в зоне интерградации тенденция к выравниванию частот пропадает, и доля маркера стабилизируется на достаточно низком уровне (рисунок 8).

Рисунок 8. Накопления

0,5

-600 И-М

-о-600У7

маркера соседней популяции в ряду поколений (для дистанции в 600 м от центра зоны интерградации). Ж— повсеместно

спирачьный поиск, М — повсеместно прямой поиск; \V-Ki - смена типа поиска в зоне интерградации

Заключение

Нами было обнаружено различие особей по реакции на запах конспецификов. Мы полагаем, что этими различиями можно объяснить и различие в типах поиска. При анализе распределения индивидуальных дистанций также было показано соответствие взаимного расположения участков особей итогам расселения, ожидаемым при разном типе поиска. Это дало основание предполагать, что в популяции обыкновенной бурозубки существует разнокачественность особей по типу поиска, приводящая к различиям в итогах расселения.

Оба варианта расселения значимы для устойчивого существования популяции. Лишь при "прямом" типе поиска возникают большие дистанции расселения и особи могут выполнять "пионерную" функцию, обеспечивая быстрое заселение депопулированных пространств. "Спиральный поиск", напротив, сильно ограничивает максимальные дистанции расселения. Этот тип поиска подразумевает выбор оптимальной индивидуальной дистанции и, соответственно, оптимизацию плотности локальной популяции. Дальнее расселение, возникающее при "прямом" поиске, поддерживает потоки генов как внутри, так и между отдельными популяциями. Минимизация дистанции расселения при "спиральном" поиске замедляет поток генов. Однако, как показывает симуляция, в обоих случаях стабильного ослабления генных потоков без дополнительных факторов не возникает. Сочетание различных типов поиска - необходимое условие обособления

локальных популяций в отсутствии внешних преград, способствующее стабилизации положения проницаемой популяционной границы.

Вместе с тем, реальная ситуация оказалась сложнее, чем использованная для симуляции. Смена характера распределения происходила градиентно. Однако, градиентный переход лишь усложняет условия симуляции, но не может принципиально изменить результат.

Все это позволяет заключить, что разнокачественность особей по типу поиска при расселении может предопределять подразделенность обыкновенной бурозубки на локальные группы населения, обмен генами между которыми ограничен достаточно для накопления значимых различий частот аллелей. Однако необходимо подчеркнуть, что рассмотренный фактор ограничения генного потока не исключает других факторов, способствующих дивергенции внутривидовых групп населения.

Выводы

1. Обыкновенная бурозубка - эвритопный вид, заселяющий практически все типы местообитаний лесной зоны умеренного климата. На изученной территории генетическая неоднородность вида не связана с биотопическими различиями местности или физическими преградами.

2. Использование пространства обыкновенными бурозубками может быть охарактеризовано рядом формальных параметров. Нормальное распределение хорошо аппроксимирует частоту присутствия среднестатистической особи на разных частях её участка. Минимальная дистанция является удобной формальной характеристикой взаимного расположения участков и соответствует доле совмещенной в пространстве локомоторной активности.

3. У сеголеток обыкновенных бурозубок обнаружена разнокачественность особей, проявляющаяся по наличию или отсутствию выраженной реакции на запах конспецифика. Реакция на запах конспецифика связана с подвижностью особей и выбором направления их перемещения.

4. У индифферентных к запаху конспецифика особей определение занятости участка возможно лишь при прямых столкновениях. Такой тип поиска свободного участка определяет случайное распределение участков особей в пространстве.

Для особей, значимо реагирующих на след конспецифика (реактивные особи), экспериментально показана зависимость степени привлекательности следа от его давности. Градация степени привлекательности обеспечивает баланс реакций: центробежной, возникающей вследствие избегания свежего следа и центростремительной, возникающей вследствие предпочтения следа средней давности его отсутствию. Такой баланс способствует расселению на свободный участок, расположенный по возможности близко к месту рождения.

5. Ослабление генного потока между популяциями в пространстве совпадает с градиентным изменением долей особей с разными типами поиска свободного участка при расселении: доля зверьков, целенаправленно ищущих ближайший к месту рождения участок, возрастает при удалении от зоны контакта между популяциями.

6. Расселение, симулированное с использованием моделей "прямого" и "спирального поиска" и реальных характеристик видового населения, свидетельствует о возможности устойчивого ослабевания генных потоков между популяциями при смене типа расселения на их периферии. В этом случае разнокачественность особей в популяциях оказывается необходимым фактором поддержания популяционной подразделенное™ в отсутствие внешних преград.

Список публикаций по теме диссертации

Журналы из списка ВАК

1. Щипанов, H.A. и др., Мелкие млекопитающие юго-востока Тверской области. Сообщение 1. Фауна и биотопическое распределение / H.A. Щипанов, A.B. Купцов, A.A. Калинин, Т.Б. Демидова, В.Ю. Олейниченко, М.Г. Ляпина, Д.Ю. Александров, A.A. Распопова, C.B. Павлова, Ф.А. Тумасьян // Сибирский экологический журнал. - 2010. - №5. - С. 799 - 806.

2. Щипанов, Н. А., Тумасьян, Ф. А. и др., Два типа использования пространства оседлыми обыкновенными бурозубками Sorex araneus L. / H.A. Щипанов, Ф.А. Тумасьян, A.A. Распопова, A.B. Купцов // Известия РАН. Серия биологическая. - 2011. -№1. - С. 107-112.

3. Щипанов, H.A. и др., Мелкие млекопитающие юго-востока Тверской области. Сообщение 2. Разнообразие, популяционная плотность / H.A. Щипанов, A.B. Купцов, A.A. Калинин, Т.Б. Демидова, В.Ю. Олейниченко, М.Г. Ляпина, Д.Ю. Александров, A.A. Распопова, C.B. Павлова, Ф.А. Тумасьян // Сибирский экологический журнал. - 2012. - №1. - С. 123 - 129.

4. Тумасьян, Ф.А., Щипанов, H.A. Значение ольфакторной коммуникации при стратегии "спирального поиска" у обыкновенной бурозубки Sorex araneus L. / Ф.А. Тумасьян, H.A. Щипанов // Доклады Академии Наук. - 2012. - Т. 447. - № 3. - С. 347 - 349.

5. Тумасьян, Ф.А, Щипанов, H.A. Значение запаха конспецифика для использования пространства обыкновенными бурозубками Sorex araneus L. / Ф.А. Тумасьян, H.A. Щипанов // Известия РАН. Сер. Биол. - 2013. - № 3. - С. 368 - 376.

Прочие публикации

6. Тумасьян, Ф.А., Купцов, A.B. Перемещение обыкновенной бурозубки (Sorex araneus L.) в многокамерной вольере при наличии запаха конспецифика / Ф.А. Тумасьян, A.B. Купцов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН (5-6 октября 2006 г.). - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. - С. 290 - 296.

7. Купцов, A.B., Тумасьян, Ф.А., Щипанов, H.A. Хоминг обыкновенной бурозубки Sorex araneus / A.B. Купцов, Ф. А. Тумасьян, H.A. Щипанов // Биология насекомоядных млекопитающих. Материалы 3 всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих (15-20 сентября 2007г.) - Новосибирск: "Церис", 2007. - С. 59 - 62.

8. Купцов, A.B. и др.. Моделирование вероятностей возвращения обыкновенной бурозубки (Sorex araneus) на участок обитания при экспериментальных перемещениях / A.B. Купцов, A.A. Распопова, Ф.А. Тумасьян, H.A. Щипанов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН (10 - 11 апреля 2008 г.). - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008.-С. 193- 199.

9. Тумасьян, Ф.А., Щипанов, H.A. Дистанции между сеголетками обыкновенных бурозубок (Sorex araneus) как итог расселения на разных частях популяционного пространства / Ф.А. Тумасьян, H.A. Щипанов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН (8-9 апреля 2010 г.). - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. - С. 351 - 356.

10. Тумасьян, Ф.А., Распопова, A.A., Щипанов, H.A. Влияние типа расселения на поток генов между популяциями обыкновенной бурозубки / Ф.А. Тумасьян, A.A. Распопова, H.A. Щипанов // Целостность вида у млекопитающих (изолирующие барьеры и гибридизация). Материалы конференции. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. - С. 90.

11. Tumasian, Ph. A., Shchipanov, N.A. Surviving winter with respect to the portion of shared areas in the common shrew (Sorex araneus) / Ph. A. Tumasian, N.A. Shchipanov // Advances in the biology of shrews III, Materials of the International Conference. - M: KMK, 2010. - P. 67 - 68.

12. Щипанов, H.A. и др., Опыт применения живоловок для мониторинга популяций мелких млекопитающих / H.A. Щипанов, И.Ф. Куприянова, A.B. Бобрецов, A.A. Калинин, Ф.А. Тумасьян, А.Н. Щипанов // Труды Печоро-Илычского заповедника. - 2010. - Вып. 16. - С. 208 -221.

13. Щипанов, H.A., и др., Индивидуальные различия в социальном поведении обыкновенной бурозубки (Sorex araneus L.) могут препятствовать межпопуляционным потокам генов / H.A. Щипанов, Ф.А. Тумасьян, A.A. Распопова, C.B. Павлова // Международная конференция "Проблемы популяционной и общей генетики". Сборник тезисов. - М.: Цифровичок, 2011.-С. 170-171.

14. Тумасьян, Ф.А. Значимость следа конспецифика для обыкновенной бурозубки Sorex araneus L. в зависимости от численности и пространственного распределения особей. / Ф.А. Тумасьян // Териофауна России и сопредельных территорий. Материалы международного совещания. - M.: КМК, 2011. - С. 490.

15. Тумасьян, Ф.А. Гипотеза выбора оптимального взаиморасположения участков обитания на основе запахового сигнала конспецификов у обыкновенных бурозубок / Ф.А. Тумасьян // Актуальные проблемы современной териологии. Тезисы докладов. - Новосибирск: ООО "Сибрегионинфо", 2012. - С 164.

Подписано в печать: 16.04.2013 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 863 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Рождественка, д. 5/7, стр. 1 (495) 623-93-06; www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Тумасьян, Филипп Анатольевич, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК |

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ И ЭВОЛЮЦИИ

■ 1

имени А.Н. СЕВЕРЦОВА

на правах

рукопи

Тумасьян Филипп Анатольевич

:и

ОСОБЕННОСТИ РАССЕЛЕНИЯ ОБЫКНОВЕННЫХ БУРОЗУБОК (Sor araneus L.) КАК ФАКТОР ОГРАНИЧЕНИЯ ГЕННОГО ПОТОКА

Специальность 03.02.08 - экология (биологические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

i .

ех

ilfi

п;

Научный руководитель: доктор биологических наук Н.А. Щипанов

МОСКВА 2013

Содержание

Введение 4

Глава 1 Внутривидовая подразделенность обыкновенной бурозубки. Современные представления и подходы к изучению (Обзор литературы)

1.1 Современные представления о внутривидовой подразделенности у обыкновенной бурозубки 12

1.2 Расселение обыкновенной бурозубки 17

1.3 Популяционная подразделенность вида 21

1.4 Следствия независимости функционирования популяций. Связь расселения и потоков генов. Возможные подходы к оценке 24

1.5 Пространственное распределение активности обыкновенных бурозубок. Представления о социальной системе вида 27 Глава 2 Материалы и методы

2.1 Место полевых исследований 32

2.2 Учеты на живоловочных линиях 34

2.3 Анализ молекулярных маркеров 40

2.4 Эксперименты по изучению поведения 42

2.5 Расчеты и симуляции 52 Глава 3 Неоднородность населения обыкновенных бурозубок на изучаемой территории

3.1 Численность обыкновенной бурозубки на разных учетных линиях 58

3.2 Динамика численности на разных участках 61

3.3 Молекулярные маркеры потока генов 63 Глава 4 Взаиморасположение участков как итог различных типов поиска

4.1 Использование пространства оседлыми особями 71

4.2 Оценка размеров знакомого пространства 74

4.3 Размеры используемого пространства в различных биотопах 76

4.4 Оценка дистанций между особями 79

4.5 Распределение минимальных дистанций. Средняя минимальная дистанция как оптимальная дистанция взаимодействия особей 85

4.6 Оценка соответствия распределения участков итогам различных типов поиска 93

Глава 5 Поведенческая основа типа поиска

5.1 Исследовательская активность обыкновенных бурозубок в тестах открытого поля 98

5.2 Реакция на след конспецифика в многокамерной вольере. Значимость давности следа 113

5.3 Гипотеза выбора оптимальной дистанции на основе ольфакторной коммуникации при стратегии "спирального поиска" 114

5.4 Реакция на запах конспецифика в природе 116 Глава 6 Тип поиска участка при расселении на разных частях популяционного пространства в связи с ограничением генного потока

6.1 Оценка значения дифференцированного распределения особей с различным типом поиска на популяционном пространстве для ограничения потока генов 125

6.2 Особенности расселения как фактор ограничения потока генов между популяциями обыкновенной бурозубки. Обсуждение полученных результатов

131

Заключение 137

Выводы 139

Использованная литература 141

Приложение А. Характеристика молекулярной изменчивости левого вариабельного домена Б-петли митохондриальной ДНК 162

Приложение Б.Характеристики поведения особей в тестах открытого поля 153

Введение

Актуальность проблемы и степень её разработанности

Представление о начальных этапах дивергенции за счет ослабления потока генов между отдельными популяциями вида важно для понимания механизмов возникновения генетически обособленных парапатричных форм (Coyne, 1992; Coyne, Orr, 2004; Gavrilets et ail., 1998; 2000). Как отмечает Хьюит (Hewitt, 1988), парапатрия распространена шире, чем кажется на первый взгляд. Однако далеко не все виды обладают формами с хорошо маркированными генетическими признаками и представляют удобную модель. Обыкновенная бурозубка - один из таких видов, демонстрирующих впечатляющее количество генетически самостоятельных форм. Этот вид, обладает уникальными особенностями кариотипа. Сочетание 10 хромосомных плеч образует различные варианты метацентририков. На основании выявления групп населения, которые наследуют общий набор акроцентриков и метацентриков и занимают общее непрерывное пространство, выделяются хромосомные расы (Hausser et al, 1994). Со времени обнаружения хромосомного полиморфизма, обыкновенная бурозубка неизменно привлекала к себе внимание исследователей, однако интерес в первую очередь был связан с изучением цитогенетических особенностей. В результате многолетнего изучения к настоящему времени выявлено 74 хромосомные расы (Wôjcik et al, 2003; Orlov et al, 2007; Pavlova, 2010). Исследование биологии и распространения некоторых рас позволили обосновать их выделение в самостоятельные виды. Так, например, комплексное изучение расы Valais в Швейцарии позволило выявить самостоятельный вид Sorex antinorii (Briinner, Hausser, 1996). Большое внимание было уделено изучению гибридных зон. Этому в значительной мере способствовали работа, Хьюита (Hewitt, 1988), показавшая, что гибридные зоны можно рассматривать как "естественные

лаборатории эволюции". Изучению различных сторон биологии этого вида, способных внести вклад в понимание природы возникновения парапатричных, генетически обособленных форм, посвящена работа постоянно действующего международного цитогенетического комитета по изучению Sorex araneus (International Sorex araneus Cytogenetic Committee - ISACC), которая началась в 1987 году (Searle et al., 2007). Благодаря интенсивным комплексным исследованиям изменчивости в гибридных зонах и внутри отдельных хромосомных рас была выявлена дальнейшая подразделенность вида, которая по уровню различий соответствует межрасовой на энзимном, молекулярном и морфологическом уровне (Balloux et al., 2003; Ratkiewicz et al., 2003; Fivaz et al., 2003; Polly, 2007; Распопова, Щипанов, 2011; Бобрецов и др., 2012).

Как отмечает Полли (Polly, 2007. Р. 82): "...различия между популяциями внутри одной расы зачастую превышают различия между популяциями различных рас, а иногда и различных видов < в группе видов обыкновенной бурозубки >". Таким образом, у вида существует многоуровневая подразделенность, с очевидностью свидетельствующая о прерывистости генных потоков между отдельными группами населения.

В большинстве случаев не обнаруживают связи зон ограничения генного потока с внешними препятствиями для миграции особей. Локализацию гибридных зон между расами принято объяснять пониженной фитностью гибридов (Searle, Wojcik, 1998; Bulatova et al., 2011), однако в случае подразделенное™ внутри расы такое объяснение невалидно. Вместе с тем, прерывание потоков в гибридных зонах между хромосомными расами может поддерживаться за счет тех же принципов, что и популяционные границы, то есть быть связано с особенностями расселения, определяемыми внутрипопуляционными механизмами (Shchipanov, 2007). В частности, на примере рас Москва и Селигер было показано, что смена типа расселения со "спирального поиска" в центре популяции на "прямой поиск " на её периферии может поддерживать локализацию и ширину гибридной зоны в соответствии с фактическим распределением рас и гибридов (Щипанов и др., 2008а). Если

предположение о дифференцированном типе поиска верно, возникновение межпопуляционных границ можно было бы ожидать вне связи с наличием внешних преград. Проверка этой гипотезы может внести вклад в понимание природы хорошо документированной популяционной структурированности обыкновенной бурозубки.

С одной стороны исследование в гибридной зоне хромосомных рас более удобно, так как позволяет получать распределение особей из популяций различных рас, хорошо маркированных кариотипом. С другой стороны, такое исследование не позволяет исключить влияние пониженной фитности гибридов. В этой ситуации актуально изучение особенностей расселения в зоне, где этот фактор можно исключить. Оценка особенностей расселения в зоне контакта генетически различных группировок принадлежащих к одной хромосомной расе может внести вклад в понимание ранних этапов дивергенции обыкновенной бурозубки.

Для решения этого вопроса необходимо получить ясное представление о закономерностях и особенностях расселения этого вида. Прямые оценки расселения у бурозубок затруднены особенностями биологии - молодые, только что вышедшие из гнезда, особи надежно неотличимы от старших сеголеток. Однако возможно сопоставление итогов расселения, таких как взаиморасположение участков, с обсуждаемыми моделями поиска. Для этого мы нуждаемся в характеристике использования особями пространства. Кроме этого необходимо выявление возможных поведенческих основ различных типов поиска, и разработка подходов сопоставления фактического и ожидаемого взаиморасположения участков. Подобные исследования могут быть проведены на примере модельных популяций. Предположительно, независимая динамика численности может свидетельствовать о независимом функционировании популяций на основе значимого снижения миграционных потоков (Щипанов, 2002). Ранее, группы населения с независимой динамикой численности, принадлежащие к одной хромосомной расе, были обнаружены у

обыкновенной бурозубки (БЬсЫрапоу а1., 2005). Все вышесказанное определило постановку цели и задач настоящего исследования.

Цель работы:

Оценить влияние особенностей расселения на ограничение потока генов между популяциями внутри одной хромосомной расы у обыкновенной бурозубки.

Задачи:

1. Оценить пространственно-генетическую неоднородность модельной популяции.

2. Оценить пространственное распределение особей и пространственную структуру популяции как результат расселения.

3. Оценить влияние запаха конспецифика на особенности перемещения молодых особей.

4. С использованием симуляционной модели проанализировать скорость и величину генного потока между популяциями с учетом возможных вариантов расселения.

Научная новизна работы

Популяционная структурированность обыкновенной бурозубки по генетическим и морфологическим признакам выявлена в целом ряде исследований, однако механизмы её поддержания до сих пор специально не изучали. В настоящей работе впервые представлен результат комплексного исследования популяционной подразделенности на основе оценки демографических и генетических параметров.

При изучении особенностей использования пространства особью разделены зона фуражировочной активности, охватывающая 95% пространственной активности особи и, знакомое пространство, многократно превышающее ее площадь. Впервые для вида изучено исследовательское поведение в тестах открытого поля. По реакции на запах конспецифика выявлена разнокачественность популяции обыкновенных бурозубок: часть

особей реагируют на запах, а часть индифферентна к этому сигналу. Экспериментально показано, что для особей, реагирующих на запах конспецифика, его привлекательность зависит от давности и возрастает в ряду: отсутствие следа, свежий след, старый след, след средней давности. Предложена гипотеза, объясняющая связь типа поиска участка с выявленными особенностями реакции на запах конспецифика. Показано, что итоговое распределение оседлых особей в пространстве связано с различными типами поиска участка при расселении. Выявлено градиентное изменение соотношения особей с различным типом поиска участка на разных частях популяционного пространства: преобладание "спирального поиска" в ядре и "прямого поиска" на периферии. В модели, с использованием натуральных характеристик, показана возможность длительного ослабевания генного потока при смене типа поиска со "спирального" (в центральной части), на "прямой" (на периферии).

Теоретическая и практическая значимость

Иерархическое структурирование вида может способствовать микроэволюционным процессам, так как на нижних уровнях иерархии могут формироваться "более или менее консолидированные, адаптированные к узкоареальным условиям комплексы генов". Такая подразделенность может способствовать дивергенции вида в пределах общего ареала (Северцов, 2003). Изучение факторов, обеспечивающих подобную подразделенность, вносит важный теоретический вклад в понимание механизмов ранней дивергенции вида. Разнокачественность особей, ключевой фактор для функционирования популяции как целостной системы, может приводить и к дифференциации локальных популяций внутри вида. Полученные результаты могут быть использованы в курсах лекций по популяционной экологии.

Практическими результатами исследования являются разработанные методики изучения реакции на запах конспецификов в лабораторных и

полевых условиях. Эти методики универсальны и могут быть использованы при изучении различных видов мелких млекопитающих.

Методология и методы исследований

Работа построена как проверка ключевых характеристик гипотезы о влиянии дифференцированного расселения на ограничение генного потока. Для этого использовали метрические характеристики населения, полученные в природе с использованием апробированных и оригинальных методик.

Оценку пространственно-генетической неоднородности населения проводили при сравнении частот гаплотипов Э-петли митохондриальной ДНК и аллелей микросателлитных локусов, взятых с 4 обследованных участков. Основные материалы диссертации получены методом мечения с повторным отловом на линиях живоловок. Эти материалы легли в основу оценок пространственного распределения особей и пространственной структуры популяции как итога расселения. Для оценки влияния запаха конспецифика на перемещение обыкновенных бурозубок использовали виварные эксперименты: классические тесты "открытого поля" и тесты в многокамерной вольере оригинальной конструкции. Для проверки полученных результатов в природных условиях использовали оригинальный тест с "чистыми" и "грязными" ловушками. Значение выявленных особенностей расселения для ограничения генного потока определяли при проведении симуляции с использованием компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Взаиморасположение участков особей может быть охарактеризовано распределением дистанций до ближайшего соседа, полученных при учетах на линии. У обыкновенной бурозубки характер взаиморасположения участков свидетельствует о существовании двух различных типов поиска участка при расселении.

2. По реакции на запах конспецифика можно выделить индифферентных и реактивных к этому сигналу особей обыкновенной бурозубки. Различия в реакции на запах конспецифика определяют и различия в типе поиска участка при расселении.

3. Смена двух типов расселения, показанная у обыкновенной бурозубки, способна поддерживать ограничение генного потока даже при отсутствии внешних преград.

Апробация работы

Основные материалы диссертации были представлены: на 3-х конференциях молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН "Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых" (Москва, 2006; 2008; 2010); 3-ей всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих (Новосибирск, 2007); международной конференции "Целостность вида у млекопитающих (изолирующие барьеры и гибридизация)" (Петергоф, 2010); 3-ей международной конференции "Advances in the biology of shrews III" (Сыктывкар, 2010), IX Съезде Териологического общества при РАН "Териофауна России и сопредельных территорий" (Москва, 2011); международной конференции "Проблемы популяционной и общей генетики" (Москва, 2011); всероссийской научной конференции "Актуальные проблемы современной териологии" (Новосибирск, 2012). Работа также неоднократно обсуждалась на разных её этапах на семинарах лаборатории популяционной экологии и межлабораторных семинарах ИПЭЭ РАН.

Благодарности

Автор выражает сердечную признательность всем сотрудникам лаборатории популяционной экологии ИПЭЭ РАН и персонально С.А. Шиловой, О.В. Бурскому, Б.И. Шефтелю за проявленный интерес и конструктивную критику работы на всех ее этапах. Хотелось бы поблагодарить всех людей в разное время принимавших участие в сборе полевого материала

на стационаре Крутицы. Отдельно хотелось бы поблагодарить A.A. Калинина, Т.Б. Демидову, A.B. Купцова, C.B. Павлову, М.В. Холодову, A.B. Чабовского за неоценимую помощь в работе. Отдельную благодарность хотелось бы выразить A.A. Распоповой за предоставленные материалы по молекулярным маркерам и разрешение использовать их в своей работе. Также хотелось бы поблагодарить коллег из Института Биологии им. Ненского Польской Академии Наук, а именно профессора Кристофа Турлейского (Krzysztof Turlejski) за предоставленную возможность работать в его лаборатории и Александра Михальского (Aleksander Michalski) за помощь в использовании оборудования для анализа результатов теста открытого поля. Нельзя не отметить терпение и понимание, проявленное со стороны моих родных и знакомых, за что и им большое спасибо. Данная работа не могла бы быть выполнена без грамотного руководства, терпения и конструктивной критики со стороны ее руководителя Николая Александровича Щипанова, благодарность которому от автора не имеет границ.

Работа выполнена при финансовой поддержке п�