Кіріспе
Географиялық оқшауланған популяциялар арасында жүзеге асатын түрлену – аллопатрикалық түрлену (көне грекше ἄλλος (állos) 'басқа') – сондай-ақ географиялық түрлену, викарианттық түрлену немесе оның бұрынғы атауы – «қос дөңгелек» моделі деп те аталады. Бұл биологиялық популяциялардың географиялық жағынан бір-бірінен оқшаулануы нәтижесінде ген ағынына кедергі келтіретін немесе тоқтатып тастайтын түрлену механизмі. Мұндай географиялық өзгерістерге континенттердің қозғалысы, таулардың, аралдардың, су қоймаларының немесе мұздықтардың пайда болуы жатады. Адамның шаруашылық қызметі, мысалы, егін шаруашылығы немесе құрылыс, түрлердің таралу аймағын өзгерте алады. Бұл факторлар аймақтың географиясын айтарлықтай өзгертіп, бір түрдің популяциясын оқшауланған кіші популяцияларға бөлуіне әкелуі мүмкін. Викарианттық популяциялар әртүрлі табиғи іріктеуге ұшырап, генетикалық дрейфке түседі және бөлінген популяциялардың гендік жиынында әртүрлі мутацияларды жинақтайды. Бұл кедергілер екі популяция арасында генетикалық ақпарат алмасуын болдырмай, репродуктивтік оқшаулануға алып келеді. Егер екі популяция қайтадан қарым-қатынасқа түссе, олар көбейе алмайды – бұл, тиімді түрленуді білдіреді. Эмиграцияға себеп болатын популяцияның таралуы сияқты басқа оқшаулау факторлары да түрленуге әкелуі мүмкін (мысалы, мұхит аралында түрдің таралуы мен оқшаулануы). Мұндай жағдай перипатрикалық түрлену деп аталады, ол аллопатрикалық түрленудің ерекше түрі болып саналады. Аллопатрикалық түрлену әдетте екі негізгі модельге бөлінеді: викарианттық және перипатрикалық. Бұл модельдер популяция мөлшері және географиялық оқшаулау механизмдері бойынша өзгешеленеді. Аллопатрия және викариант терминдері биогеографияда кеңінен қолданылады, олардың ареалдары бір-бірімен көп ортақ емес, бірақ жақын орналасқан организмдер арасындағы қарым-қатынасты сипаттайды – олар бірге кездеспейді немесе тек тар байланыс аймағында ғана кездеседі. Тарихи тұрғыдан алғанда, түрлену режимдерін атау үшін қолданылатын тіл биогеографиялық таралымды тікелей көрсетеді. Сондықтан, аллопатрия симпатрияға (бір аймақтағы түрленуге) қарама-қарсы географиялық таралымды білдіреді. Сонымен қатар, аллопатрикалық, викарианттық және географиялық түрлену терминдері ғылыми әдебиетте көбінесе бір-бірін алмастырып қолданылады. Бұл түрлерді анықтау, оқшаулау кедергілерін анықтау, репродуктивтік оқшаулануды өлшеу және т.б. сияқты көптеген мәселелерге әкеледі. Дегенмен, сөздік және математикалық модельдер, зертханалық тәжірибелер және эмпирикалық деректер табиғатта аллопатрикалық түрленудің болатынын нақты көрсетеді. 1960 жылдары тектоникалық плиталардың қабылдануымен үйлесім тапқан викарианттық теория 1950 жылдардың басында осы венесуэлалық ботаникпен әзірленген. Ол Оңтүстік Америка мен Африкада кездесетін өсімдіктер мен жануарлардың ұқсастығын екі континент ажырамас бұрын бір популяция болғандығымен түсіндірді. Қазіргі уақытта викарианттық түрлену түрленудің ең көп таралған түрі болып саналады. Аллопатрикалық түрленуді ген ағыны континуумындағы ең шеткі нүкте ретінде қарастыруға болады. Аллопатриядағы популяциялар арасындағы ген ағыны деңгейі болады, мұнда – ген алмасу жылдамдығын көрсетеді. Симпатрияда (панмиксис) бұл көрсеткіш , ал папатрикалық түрленуде – бүкіл континумды білдіреді. Дегенмен, кейбір ғалымдар географиялық режимге ғана негізделген жіктеу схемасы түрленудің күрделілігін толыққанды көрсетпейді деп санайды. Аллопатрия көбінесе түрленудің бастапқы немесе «нөлдік» моделі ретінде қарастырылады, бірақ бұл да талқылауға ашық мәселе.
Allopatric speciation (from Ancient Greek ἄλλος (állos) 'other') – also referred to as geographic speciation, vicariant speciation, or its earlier name the dumbbell model – is a mode of speciation that occurs when biological populations become geographically isolated from each other to an extent that prevents or interferes with gene flow. Various geographic changes can arise such as the movement of continents, and the formation of mountains, islands, bodies of water, or glaciers. Human activity such as agriculture or developments can also change the distribution of species populations. These factors can substantially alter a region's geography, resulting in the separation of a species population into isolated subpopulations. The vicariant populations then undergo genetic changes as they become subjected to different selective pressures, experience genetic drift, and accumulate different mutations in the separated populations' gene pools. The barriers prevent the exchange of genetic information between the two populations leading to reproductive isolation. If the two populations come into contact they will be unable to reproduce—effectively speciating. Other isolating factors such as population dispersal leading to emigration can cause speciation (for instance, the dispersal and isolation of a species on an oceanic island) and is considered a special case of allopatric speciation called peripatric speciation. Allopatric speciation is typically subdivided into two major models: vicariance and peripatric. These models differ from one another by virtue of their population sizes and geographic isolating mechanisms. The terms allopatry and vicariance are often used in biogeography to describe the relationship between organisms whose ranges do not significantly overlap but are immediately adjacent to each other—they do not occur together or only occur within a narrow zone of contact. Historically, the language used to refer to modes of speciation directly reflected biogeographical distributions. As such, allopatry is a geographical distribution opposed to sympatry (speciation within the same area). Furthermore, the terms allopatric, vicariant, and geographical speciation are often used interchangeably in the scientific literature. From this arises a host of various issues in defining species, defining isolating barriers, measuring reproductive isolation, among others. Nevertheless, verbal and mathematical models, laboratory experiments, and empirical evidence overwhelmingly supports the occurrence of allopatric speciation in nature. The Vicariance theory, which showed coherence along with the acceptance of plate tectonics in the 1960s, was developed in the early 1950s by this Venezuelan botanist, who had found an explanation for the similarity of plants and animals found in South America and Africa by deducing that they had originally been a single population before the two continents drifted apart. Currently, speciation by vicariance is widely regarded as the most common form of speciation;
Allopatric speciation can be represented as the extreme on a gene flow continuum. As such, the level of gene flow between populations in allopatry would be , where equals the rate of gene exchange. In sympatry (panmixis), while in parapatric speciation, represents the entire continuum, although some scientists argue that a classification scheme based solely on geographic mode does not necessarily reflect the complexity of speciation. Allopatry is often regarded as the default or "null" model of speciation, but this too is debated.
Ұрықтандыру изоляциясы
Репродуктивті оқшаулану аллопатриядағы генетикалық дивергенцияны қозғаушы негізгі механизм болып табылады және дивергентті таңдау арқылы күшейтілуі мүмкін. Аллопатриялық түрлендірудің ең көп цитаталанған механизмдері – презиготалық және постзиготалық оқшаулану, сондықтан аллопатриялық түрлендіру оқиғасында қайсысы бірінші дамығанын анықтау қиын. Ол көбінесе симпатриялық түрлендіру зерттеулерінде қолданылады, себебі ол екі популяция арасындағы ген ағынын қажет етеді. Дегенмен, күшейту аллопатриялық түрлендіруде де рөл атқара алады, онда көбеюге кедергісіз болып, бұрын оқшауланған екі популяция бірігеді. Екінші рет кездескенде, жекелеген организмдер көбейіп, төмен жарамдылыққа ие гибридтер пайда болады. Гибридтердің қасиеттері жекелеген организмдерді жұбай таңдауда айырмашылыққа итермелейді, осылайша популяциялар арасындағы презиготалық оқшаулану артады, бұл гибридтік түрлену деп аталады. Күшейту ген ағыны болғанда және тірі гибридтер пайда бола алғанда, түрлендірудің барлық географиялық режимдерінде (және географиялық емес режимдерде) рөл атқара алады. Тірі емес гибридтердің пайда болуы – репродуктивті сипаттағы орын ауыстырудың бір түрі, көптеген анықтамалар бойынша бұл түрлендіру оқиғасының аяқталуы болып табылады. Аллопатриядағы күшейту табиғатта кездесетіні көрсетілді (күшейту арқылы түрлендірудің дәлелі), бірақ классикалық аллопатриялық түрлендіру оқиғасынан гөрі сирек кездеседі. Фишерлік жыныстық таңдау да, егер әрбір популяция арасындағы таңдау қысымында (мысалы, хищниктерден қорғану қаупі немесе тіршілік ортасының айырмашылығы) шағын өзгерістер болса, репродуктивті оқшаулануға әкелуі мүмкін. (Қосымша оқу бөлімін қараңыз). Қашықтыққа байланысты репродуктивті оқшаулануға қатысты математикалық модельдер популяциялардың физикалық, географиялық қашықтықпен тікелей байланысты репродуктивті оқшаулануды күшейтуін көрсетеді. Бұл сақина түрлерінің үлгілерінде көрсетілген; оқшауланған популяцияның мөлшері маңызды, себебі жаңа ортаға қоныстанған организмдер бастапқы популяцияның генетикалық вариациясының шағын үлесін ғана қамтиды. Бұл күшті таңдау қысымына байланысты дивергенцияны ынталандырады, нәтижесінде ұрпақ популяциясында аллельдің тез бекітілуіне әкеледі. Бұл генетикалық үйлеспеушіліктің дамуына мүмкіндік береді. Бұл үйлеспеушіліктер репродуктивті оқшаулануға әкеліп, жылдам түрлендіру оқиғаларын тудырады. Түрдің популяциясы географиялық ареалдың кеңеюі мен қысқару кезеңін бастан өткенде, ол кішкентай, фрагменттелген, шеткі оқшауланған популяцияларды қалдыруы мүмкін. Бұл оқшауланған популяцияларда үлкен ата-ана популяциясының генетикалық вариациясының үлгілері болады. Бұл вариация экологиялық нишаның мамандануына және репродуктивті оқшауланудың эволюциясына әкеледі. Центрифугалық түрлендіру ғылыми әдебиеттерде көбінесе ескерілмейді. Дегенмен, зерттеушілер бұл модельді қолдауға көптеген дәлелдер келтірді, олардың көп бөлігі әлі де жоққа шығарылмаған. Табиғаттағы микроаллопатриялық түрлендірудің мысалдары сипатталған. Рико және Тернер Малави көлінде тек 35 метрдей ғана бөлінген Pseudotropheus callainos (Maylandia callainos) -тың лакустриналық аллопатриялық дивергенциясын тапты. Густав Паулай Cryptorhynchinae тұқымдасына жататын түрлердің Рапа және оның айналасындағы аралдарда микроаллопатриялық түрленуі туралы дәлелдерді тапты. Австралияның Йилгарн аймағындағы су қоймаларында тұратын суға секіруші құрттардың (Paroster) симпатриялық таралған үштігі 3,5 км² аумақта микроаллопатриялық түрленді. Терминді бастапқыда Гобарт М. Смит географиялық шешімнің деңгейін сипаттау үшін ұсынған. Симпатриялық популяция төмен ажыратылымда болуы мүмкін, ал жоғары ажыратылыммен қарағанда (яғни популяция ішіндегі шағын, локальді масштабта) ол "микроаллопатриялық" болып табылады. Бен Фицпатрик және оның әріптестері бұл бастапқы анықтама "географиялық және экологиялық ұғымдарды шатастырып, адастыратын" деп санайды. Экологиялық аллопатрия – бұл күшейтумен байланысты аллопатриялық түрлендірудің кері реттелген түрі. Аллопатрияда дивергенция пайда болған, бірақ түрлендіру тек екінші рет кездескенде ғана пайда болатын түрлендіру сценарийларын сипаттау үшін аллопатриялық және аллосимпатриялық терминдер қолданылған, бұл "аралас режимдегі" түрлендіру оқиғаларына әкеледі – бұл ерте зерттеушілерге қолжетімсіз беріктік деңгейін қосады. Континенттерде және тіпті тауларда. Аралдар көбінесе эндемикалық түрлерге үй иесі болады – тек аралда ғана кездесетін және әлемнің басқа жерінде жоқ түрлер, сондай-ақ оқшауланған аралдардағы барлық таксондар жақын континенттегі түрмен ортақ ата-тегін бөліседі. Қарсылықтарға қарамастан, аралдардың эндемикалық түрлері мен әртүрлілігі арасында әдетте байланыс бар; яғни, аралдың әртүрлілігі (түрлердің саны) қаншалықты жоғары болса, эндемизм де соншалықты артады. Әртүрліліктің артуы түрлендіруді ынталандырады. Сонымен қатар, аралдағы эндемиктердің саны аралдың салыстырмалы оқшаулануымен және оның ауданымен тікелей байланысты. Кейбір жағдайларда, аралдарда түрлендіру жылдам жүреді. Гавайидегі организмдердің пайда болуын түсіндіретін факторлар – таралу және in situ түрлендіру. Гавайи биотасындағы географиялық режимдердің көптеген түрлері зерттелді, және әсіресе гүлді өсімдіктер аллопатриялық және парапатриялық режимдерде түрленген сияқты көрінеді. Бұл үлгі осы топтар арасында қайталама викарианттық түрлендіру оқиғаларын көрсетеді. Таралу арқылы аллопатриялық түрлендіру де Неотропика айманындағы әртүрліліктің маңызды қозғаушы күші деп саналады. Аралдар мен континенттердегі биіктеп орналасқан жерлерде эндемизмнің арту үлгілері жаһандық деңгейде құжатталған, көбінесе градиентті аймақтармен шектелген. Гималай тауларының және Цинхай-Тибет платосының пайда болуы, мысалы, Lepisorus папоротниктері сияқты көптеген өсімдіктер мен жануарлардың түрленуіне және әртүрліленуіне әкелді; glyptosternoid балықтары (Sisoridae); және Rana chensinensis түрлерінің кешені. Көтерілу Оңтүстік Африканың Дракенсберг тауларындағы Macowania ромашкаларында, сондай-ақ Оңтүстік Американың Анд тауларындағы Dendrocincla ағаш өрмелеушілерінде викарианттық түрлендіруді де ынталандырды. Кейінгі Кретадағы Ларамид орогенезі Солтүстік Америкадағы динозаврлардың викарианттық түрленуіне және таралуына әкелді. Чарльз Дарвин байқаған Галапагос финкалары сияқты адаптивті радиация көбінесе популяциялар арасындағы жылдам аллопатриялық түрлендірудің салдары болып табылады. Дегенмен, Галапагос финкаларының жағдайында, Гавайидің бал құмырсқалары сияқты басқа аралдардағы радиациялар да шектеулі географиялық бөлінуді көрсетеді және, ықтимал, экологиялық түрлендіру арқылы қозғалған.
Қауіп-қамау
Мұз дәуірлері омыртқалы жануарлар түрлерінің пайда болуына ықпал етуде маңызды рөл атқарды. Бұл refugia тұжырымы көптеген түрлер тобына және олардың биогеографиялық таралуына қолданылды, мысалы, далалық суырлар Cynomys mexicanus және C. ludovicianus.
Тарих және зерттеу әдістері
Ертедегі түрлендіру зерттеулері көбінесе географиялық таралуды көрсеткендіктен, географиялық, жартылай географиялық және географиялық емес деп аталды. Ол «Бөліну теориясы» терминін қолданды. Оның идеясын кейіннен Эрнст Майр негізін қалаушы эффекті арқылы түрленудің бір түрі ретінде түсіндірді, себебі ол негізінен шағын, географиялық тұрғыдан оқшауланған популяцияларға бағытталған. Чарльз Дарвиннің «Түрлердің шығу тегі» еңбегінде нақты географиялық негізделген түрлену моделін таныған-танымағаны туралы пікірлер қарама-қайшы. Ф. Дж. Саллоуэй Дарвиннің түрлендіру жөніндегі ұстанымы кем дегенде «шатастыратын» болғанын, тіпті кейіннен Вагнер мен Дэвид Старр Джорданды Дарвин симпатриялық түрлендіруді түрленудің ең маңызды жолы деп санағанына сендіріп жіберген болуы мүмкін деп санайды. Кейіннен биолог Эрнст Майр 1942 жылы жарық көрген «Систематика және түрлердің шығу тегі, зоологтың көзқарасынан» және 1963 жылы шыққан «Жануарлар түрлері және эволюция» еңбектерінде сол кездегі заманауи әдебиетті жинақтап, тұжырымдаған алғашқы ғалым болды. Иорданның еңбектері сияқты, олар табиғатты тікелей бақылауға сүйеніп, аллопатриялық түрлендірудің пайда болуын құжаттады, ол бүгінде кеңінен қабылданған. Дегенмен, Вагнер, Карл Джордан және Дэвид Старр Джордан эволюциялық тұжырымдама ретінде аллопатриялық түрлендірудің қалыптасуында маңызды рөл атқарды деп есептеледі, ал Майр мен Добжанский қазіргі эволюциялық синтездің қалыптасуына үлес қосты. 20 ғасырдың соңында аллопатриялық түрлендірудің математикалық модельдері жасалды, бұл географиялық оқшаулану екі популяцияның репродуктивтік оқшаулануына әкелуі мүмкін деген нақты теориялық мүмкіндікке жол ашты. Бүгінде бұл табиғатта кездесетін түрлендірудің ең көп таралған түрі саналады. Географиялық таралудың филогенетикалық деректермен байланысы биогеографияның викарианттық биогеография деп аталатын кіші саласын дамуына себеп болды. Қазіргі кезде қолданылатын басқа да әдістер популяциялар арасындағы гендер ағынын өлшеуді немесе Эквадордағы дендробатид бақалары арасында жүзеге асырылатын қоршаған ортаның ықпалымен болатын түрлендіруді қамтиды. Биотехнологиялық жетістіктер кең ауқымды, көп локусты геномдық салыстырулар жасауға мүмкіндік берді (мысалы, ата-бабамыз бен шимпанзелер арасында болған мүмкін болатын аллопатриялық түрлендіру оқиғасы), түрлердің эволюциялық тарихын экологиямен байланыстырып, филогенетикалық үлгілерді нақтылауға көмектеседі.