Введение
В биологии два родственных вида или популяции считаются симпатрическими, если они сосуществуют на одной и той же географической территории и, следовательно, часто встречаются друг с другом. Исходно скрещивающаяся популяция, распадающаяся на два или более различных вида, разделяющих общий ареал, является примером симпатрического видообразования. Такое видообразование может быть результатом репродуктивной изоляции – препятствующей жизнеспособности или способности к размножению гибридного потомства, тем самым снижая поток генов – что приводит к генетической дивергенции. Симпатрическое видообразование может возникать, но не обязательно, через вторичный контакт, который подразумевает видообразование или дивергенцию в аллопатрии, за которым следует расширение ареалов и образование области симпатрии. Симпатрические виды или таксоны, находящиеся во вторичном контакте, могут как скрещиваться, так и не скрещиваться.
In biology, two related species or populations are considered sympatric when they exist in the same geographic area and thus frequently encounter one another. An initially interbreeding population that splits into two or more distinct species sharing a common range exemplifies sympatric speciation. Such speciation may be a product of reproductive isolation – which prevents hybrid offspring from being viable or able to reproduce, thereby reducing gene flow – that results in genetic divergence. Sympatric speciation may, but need not, arise through secondary contact, which refers to speciation or divergence in allopatry followed by range expansions leading to an area of sympatry. Sympatric species or taxa in secondary contact may or may not interbreed.
Типы популяций
В природе существует четыре основных типа пар популяций. Симпатрические популяции (или виды) противопоставляются парапатрическим популяциям, которые контактируют друг с другом в смежных, но не совпадающих ареалах и не скрещиваются; перипатрическим видам, которые разделены лишь областями, где ни один из организмов не встречается; и аллопатрическим видам, которые обитают в полностью различных, не смежных и не перекрывающихся ареалах. Аллопатрические популяции, изолированные друг от друга географическими факторами (например, горными хребтами или водными преградами), могут испытывать генетические – и, в конечном итоге, фенотипические – изменения в ответ на различные условия окружающей среды. Эти изменения могут приводить к аллопатрическому видообразованию, которое, вероятно, является основным механизмом видообразования.
Развитие определений и противоречия
Отсутствие географической изоляции как чёткого барьера между симпатрическими видами вызвало споры среди экологов, биологов, ботаников и зоологов относительно правомерности использования этого термина. В связи с этим исследователи долгое время дискутировали об условиях, при которых симпатрия действительно применима, особенно в контексте паразитизма. Поскольку паразитические организмы часто обитают на нескольких хозяевах на протяжении жизненного цикла, эволюционный биолог Эрнст Майр утверждал, что внутренние паразиты, существующие в разных хозяевах, демонстрируют аллопатрию, а не симпатрию. Однако сегодня многие биологи рассматривают паразитов и их хозяев как симпатрических (см. примеры ниже). В противоположность этому, зоолог Майкл Дж. Д. Уайт считал две популяции симпатрическими, если генетическое скрещивание было возможно в зоне перекрытия их ареалов. Это можно уточнить, указав, что симпатрия происходит в пределах одной демы; то есть, репродуктивные особи должны иметь возможность находить друг друга в одной и той же популяции, чтобы считаться симпатрическими. Другие ставят под сомнение способность симпатрии приводить к полному видообразованию: до недавнего времени многие исследователи считали её невозможной, сомневаясь, что один лишь отбор способен создать различные, но не географически изолированные виды. В 2003 году биолог Карен Маккой предположила, что симпатрия может выступать в качестве механизма видообразования только тогда, когда «вероятность спаривания между двумя особями зависит [исключительно] от их генотипов, [а гены] распространены по всему ареалу популяции в период размножения». По сути, симпатрическое видообразование требует очень сильных сил естественного отбора, действующих на наследуемые признаки, поскольку отсутствует географическая изоляция, способствующая разделению. Тем не менее, последние исследования начинают указывать на то, что симпатрическое видообразование не такое уж редкое явление, как считалось ранее.
Синтопия
Синтопия — частный случай симпатрии. Она означает совместное обитание двух видов в одной и той же среде обитания в одно и то же время. Как и более широкое понятие симпатрии, термин "синтопия" особенно часто используется по отношению к близким видам, которые могут гибридизироваться или даже являться близкородственными. Симпатрические виды встречаются вместе в одном регионе, но не обязательно занимают одни и те же местообитания, в отличие от синтопических видов. Области синтопии представляют интерес, поскольку позволяют изучать механизмы сосуществования близких видов без конкурентного вытеснения. Например, в Северной Америке синтопичными оказались два вида летучих мышей — Myotis auriculus и M. evotis. В то же время, мраморный тритон и гребенчатый тритон имеют обширный симпатрический ареал на западе Франции, но различаются по предпочтениям к среде обитания и лишь изредка встречаются синтопично в одних и тех же нерестовых водоемах.
Симпатрическая видообразование
Отсутствие географических барьеров при изолировании симпатрических популяций подразумевает, что возникающие виды избегают скрещивания посредством других механизмов. До завершения видообразования две расходящиеся популяции могут все еще давать жизнеспособное потомство. По мере продвижения видообразования отбираются механизмы изоляции – такие как гаметическая несовместимость, препятствующая оплодотворению яйцеклетки – для увеличения репродуктивной изоляции между двумя популяциями.
Дискриминация по виду
Симпатрические группы часто проявляют большую способность различать свой собственный вид и другие близкородственные виды, чем аллопатрические группы. Это демонстрируется в изучении гибридных зон и проявляется в различиях уровней презиготной изоляции (факторов, препятствующих образованию жизнеспособной зиготы) как в симпатрических, так и в аллопатрических популяциях. Существует две основные теории, объясняющие этот процесс: 1) дифференциальное слияние, согласно которой в симпатрии сохраняются только популяции, обладающие высокой способностью к различению видов; и 2) смещение признаков, предполагающее, что в областях совместного обитания видов отличительные признаки усиливаются для облегчения их различения.
Укрепление
Усиление — это процесс, посредством которого естественный отбор укрепляет репродуктивную изоляцию. В симпатрии усиление повышает различимость видов и половую адаптацию, чтобы избежать неблагоприятной гибридизации и способствовать видообразованию. Если гибридное потомство бесплодно или менее жизнеспособно, чем негибридное, то спаривание между особями разных видов будет подвергаться отбору против. Естественный отбор снижает вероятность такой гибридизации, отбирая способность различать партнеров своего вида и других видов.
Репродуктивные перемещения
Перемещение репродуктивных признаков усиливает репродуктивные барьеры между симпатрическими видами, стимулируя расхождение признаков, критически важных для размножения. Расхождение часто проявляется в ассортиативном спаривании между особями двух видов. Например, расхождение в брачных сигналах двух видов ограничит гибридизацию, снижая способность распознавать особь другого вида как потенциального партнера. Подтверждение гипотезы о перемещении репродуктивных признаков поступает из наблюдений симпатрических видов в перекрывающихся ареалах обитания в естественных условиях. Повышенная презиготическая изоляция, связанная с перемещением репродуктивных признаков, наблюдалась у цикад рода Magicicada, трехспинных колюшек и цветковых растений рода Phlox.
Дифференциальный синтез
Альтернативным объяснением дискриминации видов в симпатрии является дифференциальное слияние. Эта гипотеза предполагает, что из множества видов, исторически вступавших в контакт друг с другом, в симпатрии сохраняются (и, следовательно, наблюдаются сегодня) лишь те виды, которые проявляют сильную дискриминацию при спаривании. Виды же, не обладающие выраженной дискриминацией при спаривании, предположительно сливались в процессе контакта, формируя единый вид. Дифференциальное слияние признается реже, чем смещение признаков, и ряд его следствий опровергается экспериментальными данными. Например, дифференциальное слияние подразумевает более высокую степень постзиготной изоляции среди симпатрических видов, поскольку это препятствует их слиянию. Однако Койн и Орр обнаружили одинаковый уровень постзиготной изоляции как у симпатрических, так и у аллопатрических пар видов у близкородственных дрозофил. Тем не менее, дифференциальное слияние остается возможным, хотя и не исчерпывающим, фактором, способствующим дискриминации видов.
Примеры
В современных исследованиях все больше и больше подтверждается симпатрия. В связи с этим, симпатрическое видообразование – которое когда-то активно обсуждалось среди исследователей – постепенно приобретает признание как жизнеспособная форма видообразования.
Орка: частичная симпатия
Несколько различных типов косаток (Orcinus orca), характеризующихся широким спектром морфологических и поведенческих различий, обитают в симпатрии в Северной Атлантике, Северной части Тихого океана и Антарктическом океане. В Северной части Тихого океана три популяции косаток – известные как "временные", "прибрежные" и "оффшорные" – демонстрируют частичную симпатрию, регулярно пересекаясь. Результаты недавних генетических анализов на основе митохондриальной ДНК указывают на то, что это связано с вторичным контактом, когда три типа встретились после двунаправленной миграции "оффшорных" и "прибрежных" косаток между Северной Атлантикой и Северной частью Тихого океана. Таким образом, частичная симпатрия у этих косаток не является результатом видообразования. Более того, популяции косаток, состоящие из всех трех типов, были задокументированы в Атлантическом океане, что свидетельствует о межвидовом скрещивании. Следовательно, вторичный контакт не всегда приводит к полной репродуктивной изоляции, как это часто предполагалось.
Большой пятнистый кукушка и сорока: паразитизм на детенышах
Паразитический большой пёстрый кукушка (Clamator glandarius) и его сорока-хозяин, оба обитающие в Южной Европе, являются полностью симпатрическими видами. Однако продолжительность их симпатрии варьируется в зависимости от местоположения. Например, большие пёстрые кукушки и их сороки-хозяева в Хойя-де-Гаудикс, южная Испания, живут в симпатрии с начала 1960-х годов, в то время как виды в других местах стали симпатрическими относительно недавно. В Южной Африке большие пёстрые кукушки сосуществуют как минимум с 8 видами скворцов и 2 видами ворон – пестрой вороной и мысовой вороной. Большой пёстрый кукушка проявляет гнездовой паразитизм, откладывая в гнездо сороки яйцо, имитирующее её яйца. Поскольку яйца кукушки вылупляются раньше яиц сороки, птенцы сороки должны конкурировать с птенцами кукушки за ресурсы, предоставляемые сорочьей самкой. Эти отношения между кукушкой и сорокой в различных местах можно охарактеризовать как недавно возникшую симпатрию или древнюю симпатрию. Результаты эксперимента Солера и Мёллера (1990) показали, что в районах древней симпатрии (виды, сосуществовавшие на протяжении многих поколений) сороки с большей вероятностью отбраковывали большинство яиц кукушки, поскольку эти сороки развили контр-адаптации, помогающие в идентификации типа яйца. В районах недавней симпатрии сороки отбраковывали сравнительно меньше яиц кукушки. Таким образом, симпатрия может приводить к коэволюции, в результате которой оба вида претерпевают генетические изменения из-за селективного давления, которое один вид оказывает на другой.
Муравьи Акромирмекс: изоляция грибных садов
Муравьи-листорезы защищают и культивируют различные виды грибов как источник пищи в системе, известной как мутуализм «муравей-гриб». Муравьи-листорезы рода Acromyrmex известны своим мутуалистическим взаимодействием с грибами Basidiomycete. Колонии муравьев тесно связаны со своими грибными колониями и, возможно, со-эволюционировали с последовательной вертикальной линией грибов в каждой отдельной колонии. Популяции муравьев защищаются от горизонтального распространения чужеродных грибов в свою грибную колонию, поскольку такое распространение может привести к конкурентному давлению на местный грибной сад. Муравьиная колония выявляет и удаляет чужаков, подавляя конкуренцию и межвидовое скрещивание грибов. Эта активная изоляция отдельных популяций помогает поддерживать генетическую однородность грибной колонии, и этот механизм может способствовать симпатрическому видообразованию в пределах одной и той же среды обитания.