Кіріспе
Эволюциялық биологияда симпатрикалық түрлену – тірі қалған ата-баба түрінен жаңа түрдің эволюциясы, олар екеуі де бір географиялық аймақта мекендеуін жалғастырады. Эволюциялық биология мен биогеографияда симпатрикалық және симпатрия – ареалдары үстігіше келіп, кем дегенде кейбір жерлерде бірге кездесетін организмдерді атау үшін қолданылатын терминдер. Егер бұл организмдер тығыз туыс болса (мысалы, бауырлас түрлер), мұндай таралу симпатрикалық түрленудің нәтижесі болуы мүмкін. Этимологиялық тұрғыдан симпатрия сөзі алынған. Симпатрикалық түрлену – түрленудің үш дәстүрлі географиялық режимінің бірі. Аллопатрикалық түрлену – бір түрдің екі немесе одан көп популяциясының географиялық оқшаулануынан туындаған түрлердің эволюциясы. Бұл жағдайда гендер ағынының болмауы дивергенцияға (таралуға) ықпал етеді. Парапатрикалық түрлену – географиялық жағынан жақын орналасқан популяциялардың ерекше түрлерге эволюциясы. Бұл жағдайда екі топтың араласуы шектелгеніне қарамастан, дивергенция (таралу) жүзеге асады. Симпатрикалық түрленуде араласуға географиялық кедергі жоқ. Бұл санаттар – әртүрлі топтардың нөлден (симпатрикалық) толық (аллопатрикалық) кеңістіктік бөлінуіне дейінгі үздіксіздіктің ерекше жағдайлары. Дегенмен, бактерияларда осыған ұқсас процесс ("белгілі экологиялық нишаларды иеленетін жаңа бактериялық түрлердің пайда болуы" деп анықталған) жиірек кездесуі мүмкін, себебі бактериялар жыныстық көбеюдің біртектілендіру әсерімен шектелмейді және көлденең гендер алмасу арқылы салыстырмалы түрде күрт және жылдам генетикалық өзгеріске ұшырайды.
In evolutionary biology, sympatric speciation is the evolution of a new species from a surviving ancestral species while both continue to inhabit the same geographic region. In evolutionary biology and biogeography, sympatric and sympatry are terms referring to organisms whose ranges overlap so that they occur together at least in some places. If these organisms are closely related (e. g. sister species), such a distribution may be the result of sympatric speciation. Etymologically, sympatry is derived
Sympatric speciation is one of three traditional geographic modes of speciation. Allopatric speciation is the evolution of species caused by the geographic isolation of two or more populations of a species. In this case, divergence is facilitated by the absence of gene flow. Parapatric speciation is the evolution of geographically adjacent populations into distinct species. In this case, divergence occurs despite limited interbreeding where the two diverging groups come into contact. In sympatric speciation, there is no geographic constraint to interbreeding. These categories are special cases of a continuum from zero (sympatric) to complete (allopatric) spatial segregation of diverging groups. In bacteria, however, the analogous process (defined as "the origin of new bacterial species that occupy definable ecological niches") might be more common because bacteria are less constrained by the homogenizing effects of sexual reproduction and are prone to comparatively dramatic and rapid genetic change through horizontal gene transfer.
Дәлел
Симпатрикалық түрлену оқиғалары өсімдіктерде жиі кездеседі, олар көптеген гомологты хромосома жиынтықтарын жинауға бейім, нәтижесінде полиплоидия пайда болады. Полиплоидты ұрпақтар ата-ана өсімдіктерімен бір ортада тіршілік етеді (сондықтан симпатрия), бірақ көбейтуге қабілетсіз. Симпатриялық түрленудің баламалы механизмдері үшін бірнеше модельдер ұсынылған. Ең танымал модель, бұзылушы таңдауға негізделген, алғаш рет 1966 жылы Джон Мейнард Смит ұсынған. Мейнард Смит гомозиготты жеке тұлғалар белгілі бір экологиялық жағдайларда, белгілі бір қасиет бойынша гетерозиготты аллельдерге қарағанда жоғары тіршілікке ие болуы мүмкін екенін болжады. Осылайша, табиғи іріктеу механизмі бойынша гомозиготылық гетерозиготылыққа қарағанда басымдыққа ие болып, ақырында түрленуге әкеледі. Симпатриялық дивергенция жыныстық қақтығыстар нәтижесінде де пайда болуы мүмкін. Бұзылу көп гендік белгілерде де жүзеге асуы мүмкін. Орталық жер қыран (Geospiza fortis) Санта-Крус аралындағы популяциясында гендік қордың айырмашылығын көрсетеді. Мүсіндеу морфологиясы екі түрлі өлшем стандартына сәйкес келеді, ал аралық белгілеріне ие жеке тұлғаларға қарсы іріктеу жүргізіледі. Кейбір қасиеттер (сиқырлы қасиеттер деп аталады), мысалы, мүсіндеу морфологиясы, жұптасу сигналдарына да әсер ететіндіктен, түрленуді қозғауы мүмкін. Бұл жағдайда, әртүрлі мүсіндеу фенотиптері әртүрлі құс үндеріне әкелуі мүмкін, бұл гендік қорлар арасындағы алмасуға кедергі жасайды. Осыған ұқсас жүйе жылқының ілгегі балдырмаларында да байқалады, онда эхолокация шақыру жиілігі сиқырлы қасиет болып көрінеді. Бұл балдырмаларда шақырудың тұрақты жиілік компоненті олжаның мөлшерін анықтау ғана емес, сонымен қатар әлеуметтік коммуникацияның кейбір аспектілерінде де маңызды рөл атқарады. Үлкен құлақты жылқының ілгегі балдырмасы (Rhinolophus philippinensis) бойынша жүргізілген зерттеулер симпатрикалық морфтар арасындағы шақыру жиілігінің күрт өзгеруі көбейту оқшауланумен байланысты екенін көрсетті. Симпатриялық түрленудің тағы бір жақсы зерттелген жағдайы - жәндіктердің бірнеше түрлі қонақ өсімдіктерімен қоректенуі. Бұл жағдайда жәндіктер әртүрлі өсімдіктердің қорғаныс механизмдерін жеңу үшін күресіп, маманданған. (Drès and Mallet, 2002) Алма құрты Rhagoletis pomonella қазіргі уақытта симпатриялық немесе, дәлірек айтқанда, гетеропатрикалық (қараңыз, гетеропатрия) түрленуден өтуі мүмкін. Бұл түрдің алмамен қоректенетін түрі 1800-1850 жылдар аралығында, яғни Солтүстік Америкаға алма алғаш рет енгізілгеннен кейін, көк шыршамен қоректенетін түрінен спонтанды түрде пайда болған сияқты. Алма жейтін түр қазір көк шыршамен қоректенбейді, ал көк шырша жейтін түр алмамен қоректенбейді. Бұл жаңа түрдің пайда болуына алғашқы қадам болуы мүмкін. Кейбір паразиттік құмырсқалар симпатриялық түрлену арқылы дамыған болуы мүмкін. Крейтерлік көлдер мен аралдар сияқты оқшауланған және салыстырмалы түрде біртекті орталар симпатриялық түрленуді көрсетуге ең қолайлы географиялық жағдайлардың бірі болып табылады. Мысалы, Никарагуа кратерлік көліндегі цихлидтер балықтарына сипатталған тоғыз түр және симпатриялық түрлену арқылы дамыған ондаған сипатталмаған түрлер кіреді. Монострома латиссимум, теңіздің жасыл балдыры, сондай-ақ Оңтүстік-Батыс Жапон аралдарында симпатриялық түрленуді көрсетеді. Панмиктикалық болғанымен, ядролық интронға негізделген молекулалық филогенетика халықтың таңғажайып әртараптануын көрсетті. Африкалық цихлидтер де симпатриялық түрленудің кейбір дәлелдерін ұсынады. Олар Африканың Ұлы көлдерінде кең түрлілікке ие. Көптеген зерттеулер жыныстық іріктеуді көбейту оқшаулануын сақтаудың бір жолы деп көрсетеді. Әйелдердің еркектердің түсіне қатысты таңдауы африкалық цихлидтердегі жыныстық іріктеудің ең көп зерттелген механизмдерінің бірі болып табылады. Әйелдердің таңдауы цихлидтерде бар, өйткені әйелдер ұрпақ тәрбиелеуде көп жұмыс істейді, ал еркектер ұрпаққа аз энергия жұмсайды. Олар еркектерді таңдағанда, өзіне ұқсас немесе ең жарқын түстерді таңдайды, сезімталдыққа сүйенеді. Бұл көлдердегі симпатриялық түрленуді сақтауға көмектеседі. Цихлидтер акустикалық көбейту коммуникациясын да қолданады. Аталық цихлид әйелге ритуалдық көрсету ретінде дірілдейді, бұл белгілі бір сандағы импульстар мен импульс кезеңін тудырады. Әйелдердің жақсы гендерді және сезімталдықты таңдауы осы жағдайда шешуші факторлардың бірі болып табылады, ол өз түріндегі және ұрпақтың тіршілікке жарамдылығын арттыратын шақыруларды таңдайды. Аталықтар арасындағы бәсекелестік - ішкі жыныстық іріктеудің бір түрі және африкалық цихлидтерде түрленуге де әсер етеді. Аталықтар арасындағы ритуалдық күрестер қай аталықтардың жұптасуда сәтті болатынын анықтайды. Бұл симпатриялық түрлену үшін маңызды, өйткені ұқсас аталықтары бар түрлер бір әйелге бәсекелесуі мүмкін. Бір фенотипке артықшалық болуы мүмкін, бұл бір түрдің екінші түрге енуіне мүмкіндік береді. Зерттеулер бұл әсерді генетикалық жақын түрлерде, өзара шағылысу қабілетіне ие және фенотиптік түс айырмашылықтарын көрсететін түрлерде көрсетеді. Экологиялық сипаттамалық орын ауыстыру симпатриялық түрленудің тағы бір механизмі болып табылады. Әр көлде түрлердің қоныстануына болатын әртүрлі нишалар бар. Мысалы, әртүрлі диета және судың тереңдігі бір көлдегі түрлер арасындағы оқшаулануды сақтауға көмектеседі. Аллохрония симпатриялық түрленудің болғанын растайтын эмпирикалық дәлелдер ұсынады, өйткені көптеген жақында дивергенцияланған (сіңір түрлер) аллохрондық түрлердің мысалдары бар. Аллохронияға байланысты жүріп жатқан симпатриялық дивергенцияның мысалы теңіз жәндігі Clunio marinus болуы мүмкін. Жануарларда симпатриялық түрленудің сирек мысалы - Солтүстік-Шығыс Тынық мұхитындағы "тұрғын" және "көшпелі" касаткалардың дивергенциясы. Тұрғын және көшпелі касаткалар бір су айдынында тіршілік етеді, бірақ бір-бірінен аулақ болады және шағылыспайды. Екі түр де әртүрлі олжа түрлерін аулайды және әртүрлі диета, дауыс мінез-құлқы және әлеуметтік құрылымға ие. Түрлер арасындағы кейбір айырмашылықтар микроортаның контрастынан да туындауы мүмкін. Шамамен 200 000 жыл бұрын болған популяциялық тартылыс сол кездегі популяция мөлшерін және гендердің вариациясын күрт азайтты, бұл кейін бірнеше экотиптердің пайда болуына әкелді. Еуропалық тышқан (Mustela putorius) Еуропалық күзенге (Mustela lutreola) ұқсас сирек қара фенотипті көрсетті, ол орман бұлақтарының ерекшеліктеріне тікелей байланысты.
Rhagoletis pomonella, the apple maggot, may be currently undergoing sympatric or, more precisely, heteropatric (see heteropatry) speciation. The apple feeding race of this species appears to have spontaneously emerged from the hawthorn feeding race in the 1800–1850 AD time frame, after apples were first introduced into North America. The apple feeding race does not now normally feed on hawthorns, and the hawthorn feeding race does not now normally feed on apples. This may be an early step towards the emergence of a new species. Some parasitic ants may have evolved via sympatric speciation. Isolated and relatively homogeneous habitats such as crater lakes and islands are among the best geographical settings in which to demonstrate sympatric speciation. For example, Nicaragua crater lake cichlid fishes include nine described species and dozens of undescribed species that have evolved by sympatric speciation. Monostroma latissimum, a marine green algae, also shows sympatric speciation in southwest Japanese islands. Although panmictic, the molecular phylogenetics using nuclear introns revealed staggering diversification of population. African cichlids also offer some evidence for sympatric speciation. They show a large amount of diversity in the African Great Lakes. Many studies point to sexual selection as a way of maintaining reproductive isolation. Female choice with regards to male coloration is one of the more studied modes of sexual selection in African cichlids. Female choice is present in cichlids because the female does much of the work in raising the offspring, while the male has little energy input in the offspring. She exerts sensory bias when picking males by choosing those that have colors similar to her or those that are the most colorful. This helps maintain sympatric speciation within the lakes. Cichlids also use acoustic reproductive communication. The male cichlid quivers as a ritualistic display for the female which produces a certain number of pulses and pulse period. Female choice for good genes and sensory bias is one of the deciding factors in this case, selecting for calls that are within her species and that give the best fitness advantage to increase the survivability of the offspring. Male male competition is a form of intrasexual selection and also has an effect on speciation in African cichlids. Ritualistic fighting among males establishes which males are going to be more successful in mating. This is important in sympatric speciation because species with similar males may be competing for the same females. There may be a fitness advantage for one phenotype that could allow one species to invade another. Studies show this effect in species that are genetically similar, have the capability to interbreed, and show phenotypic color variation. Ecological character displacement is another means for sympatric speciation. Within each lake there are different niches that a species could occupy. For example, different diets and depth of the water could help to maintain isolation between species in the same lake. Allochrony offers some empirical evidence that sympatric speciation has taken place, as many examples exist of recently diverged (sister taxa) allochronic species. A case of ongoing sympatric divergence due to allochrony might be found in the marine insect Clunio marinus. A rare example of sympatric speciation in animals is the divergence of "resident" and "transient" orca forms in the northeast Pacific. Resident and transient orcas inhabit the same waters, but avoid each other and do not interbreed. The two forms hunt different prey species and have different diets, vocal behaviour, and social structures. Some divergences between species could also result from contrasts in microhabitats. A population bottleneck occurred around 200,000 years ago greatly reducing the population size at the time as well as the variance of genes which allowed several ecotypes to emerge afterwards. The European polecat (Mustela putorius) exhibited a rare dark phenotype similar to the European mink (Mustela lutreola) phenotype, which is directly influenced by peculiarities of forest brooks.
Дау
Біршама уақыт бойы симпатриялық түрленудің мүмкін екенін дәлелдеу қиын болды, себебі оның қалай жүзеге асатынын тікелей бақылауға болмады. 1940-50 жылдардағы Майрдің ғылыми өркендеу кезеңінен бері, гендер ағыны деп аталатын шағылысу кезінде түрленудің қалай болатынын түсіндіретін механизмдер ұсынылды. Ал жақында ғана симпатриялық дивергенцияның нақты мысалдары тәжірибелік жолмен зерттелді. Қазіргі талқылау симпатриялық түрленудің табиғатта қаншалықты жиі кездесетіні және тіршілік әртүрлілігінің қанша пайызы оған байланысты екеніне қатысты жүрді.
Тарих
Неміс эволюциялық биологы Эрнст Майр 1940 жылдары түрленудің географиялық, демек репродуктивтік оқшаулаусыз жүзеге аспайтынын айтты. Бұл гипотеза симпатриялық түрлену мүмкіндігі төңірегінде көптеген пікір таластарын тудырды. Майрдің гипотезасы танымал болды және сол себепті зор ықпалға ие болды, бірақ қазіргі таңда кеңінен күмәндануда. 1966 жылы Джон Мейнард Смит симпатриялық түрленудің қалай жүруі мүмкін екені туралы ең көп таралған гипотезаны алғаш ұсынды. Ол бөлшектендіруші таңдау (дизраптивті селекция) идеясын келтірді. Оның ойынша, егер екі экологиялық нишаны бір түр мекендесе, екі ниша арасындағы әртүрлі таңдаулар репродуктивтік оқшаулануға алып келуі мүмкін. Ерекше нишаларда мүмкіндігінше жоғары тіршілікке бейімделу арқылы, екі түр бір аймақта қалып, тіпті кездейсоқ жұптасқанның өзінде де бір түрден пайда болуы мүмкін. Симпатриялық түрлену гипотезасын қолдаудың қиындығы сол, әрқашан аллопатриялық сценарийді құрастыруға болады, оларды жоққа шығару қиын, бірақ қазіргі заманғы молекулалық генетикалық техникалар осы теорияны қолдауға мүмкіндік береді.
Гетеропатриялық түрлену
Гетеропатриялық түрлену – бір түрдің әртүрлі экотиптері немесе расалары географиялық тұрғыдан бірге өмір сүргенде, бірақ біртекті немесе гетерогенді ортада әртүрлі экологиялық нишаларды пайдаланғанда болатын симпатриялық түрленудің ерекше жағдайы. Осылайша, бұл популяция ішіндегі дамитын топтар арасындағы гендер ағынына географиялық емес, мінез-құлықтық тосқауыл қоятын симпатриялық түрленудің нақтылануы. Джон Мейнард Смиттың симпатриялық түрлену туралы маңызды еңбегінде, мінез-құлықтық бөлінудің гетерогенді (немесе жапсырмалы) ландшафтта симпатриялық түрленуді ынталандыру механизмі ретіндегі рөлі атап көрсетілген. Осы мінез-құлықтық және географиялық айырмашылықтың маңыздылығын мойындаған Уэйн Гетц пен Вейхо Кайтала, Майнард Смиттың симпатриялық түрленуге жағдай жасайтын факторларға жасаған талдауына толықтыру ретінде гетеропатрия терминін енгізді. Кейбір эволюциялық биологтар симпатриялық түрленуді әлі де күмәнді деп қараса да, теориялық және эмпирикалық зерттеулер оны белгілі бір экожүйелердегі тіршілік әртүрлілігінің мүмкін түсіндірмесі ретінде қолдайды. Бәсекелестік және симпатриялық экологиялық варианттардың нишалық бөлінуі, олар таңдамалы жұптасу арқылы жеке расаларға, содан кейін түрлерге айналады деген пікірлер айтылады. Таңдамалы жұптасу, егер жұптасу нишалық қалаумен байланысты болса, оңайрақ жүзеге асады, мысалы, алма құрты *Rhagoletis pomonella* дараларында әртүрлі расалардың ұшқындары ұшқыш иістерді пайдаланып, қайың мен алманы ажыратады және туған жемістерде жұптасқан серіктерін іздейді. Гетеропатрия термині симпатриялық түрлену мәселесін жеке тұлғалар мен популяциялардың ландшафтты пайдалану жойымен байланысты масштабтау мәселесіне дейін төмендету арқылы семантикалық тұрғыдан шешеді. Популяциялық тұрғыдан қарағанда, процесс симпатриялық сипатқа ие, бірақ жеке тұлғаның көзқарасынан алғанда, аралықтағы қанағаттандырмайтын нишалар арқылы ұшуға кеткен уақыт ескерілгенде, процесс аллопатриялық болып көрінеді.