Введение

Эволюционный механизм видообразования Механизмы репродуктивной изоляции - это совокупность эволюционных механизмов, поведения и физиологических процессов, имеющих решающее значение для видообразования. Они препятствуют разным видам порождать потомство или гарантируют, что потомство будет стерильным. Эти барьеры поддерживают целостность вида, уменьшая поток генов между родственными видами. Механизмы репродуктивной изоляции классифицируются по-разному. Зоолог Эрнст Майр классифицировал механизмы репродуктивной изоляции в две широкие категории: презиготические для тех, кто действует до оплодотворения (или до спаривания в случае животных), и постзиготические для тех, кто действует после него. Механизмы генетически контролируются и могут появляться у видов, географическое распространение которых перекрывается (симпатрическое видообразование) или отдельно (аллопатрическое видообразование).

Презиготическая изоляция

Механизмы презиготической изоляции являются наиболее экономичными с точки зрения естественного отбора популяции, поскольку ресурсы не тратятся на производство потомков, которые являются слабыми, нежизнеспособными или стерильными. Эти механизмы включают физиологические или системные барьеры для оплодотворения.

Временная или среда обитания изоляция

Любой из факторов, препятствующих встрече потенциально фертильных особей, будет репродуктивно изолировать членов отдельных видов. Типы барьеров, которые могут вызвать эту изоляцию, включают: различные места обитания, физические барьеры и разницу во времени половой зрелости или цветения. Пример экологических или природных различий, которые препятствуют встрече потенциальных пар, встречается у двух видов рыб семейства Gasterosteidae (островные). Один вид живет круглый год в пресной воде, в основном в небольших ручьях. Другие виды зимой живут в море, но весной и летом особи мигрируют в речные устья, чтобы размножаться. Члены двух популяций репродуктивно изолированы из-за их адаптации к различным концентрациям соли. Танец спаривания, песни самцов, чтобы привлечь самку, или взаимное ухаживание пары - все это примеры типичного поведения ухаживания, которое позволяет как признание, так и репродуктивную изоляцию. Это связано с тем, что каждая из стадий ухаживания зависит от поведения партнера. Самцы переходят ко второму этапу выставки, только если самка проявляет определенные реакции в своем поведении. Он перейдет на третий этап, когда она проявит второе ключевое поведение. Поведение обеих связей синхронизируется во времени и в конечном итоге приводит к совокуплению или освобождению гамет в окружающую среду. Ни одно животное, не приспособленное к оплодотворению, не может выполнить эту сложную цепочку поведения. На самом деле, даже малейшей разницы в моделях ухаживания двух видов достаточно, чтобы предотвратить спаривание (например, конкретный рисунок песни действует как механизм изоляции у различных видов кузнечиков рода Chorthippus). Даже там, где между видами существуют минимальные морфологические различия, различий в поведении может быть достаточно, чтобы предотвратить спаривание. Например, Drosophila melanogaster и D. simulans, которые считаются близнецами из-за их морфологического сходства, не спариваются, даже если они хранятся вместе в лаборатории. Drosophila ananassae и D. pallidosa - близнецы из Меланезии. В дикой природе они редко производят гибридов, хотя в лаборатории можно получить плодородных потомков. Исследования их полового поведения показывают, что самцы ухаживают за самками обоих видов, но самки выражают заметное предпочтение спариваться с самцами своего вида. На хромосоме II обоих видов была обнаружена другая регуляторная область, которая влияет на поведение отбора самок. Эти соединения служат для идентификации особей одного вида и одного или разного пола. Испаренные молекулы летучих феромонов могут служить в качестве химического сигнала широкого действия. В других случаях феромоны могут быть обнаружены только на небольшом расстоянии или при контакте. У видов группы меланогастерных дрозофил феромоны самок представляют собой смеси различных соединений, существует явный диморфизм в типе и/или количестве соединений, присутствующих для каждого пола. Кроме того, существуют различия в количестве и качестве составных соединений между родственными видами, предполагается, что феромоны служат для различения между индивидуумами каждого вида. Пример роли феромонов в половой изоляции можно найти у "кукурузных буровых" в роде Ostrinia. В Европе есть два близнеца, которые иногда скрещиваются. Самки обоих видов производят феромоны, которые содержат летучее соединение, которое имеет два изомера, E и Z; 99% соединения, вырабатываемого самками одного вида, находится в форме изомера E, в то время как самки другого вида производят 99% изомера Z. Производство соединения контролируется только одним локусом, и межвидовой гибрид производит равное сочетание двух изомеров. Самцы, со своей стороны, почти исключительно обнаруживают изомер, испускаемый самками их вида, так что гибридизация, хотя и возможна, редка. Восприятие самцов контролируется одним геном, отличным от генетического, отвечающего за выработку изомеров, гетерозиготные самцы показывают умеренный ответ на запах любого типа. В этом случае только 2 "лока" создают эффект этологической изоляции между видами, которые генетически очень похожи.

Механическая изоляция

Пары, которые хотят спариваться, могут не успеть, если их гениталии не совместимы. Отношение между репродуктивной изоляцией видов и формой их половых органов впервые было отмечено в 1844 году французским энтомологом Леоном Дюфуром. Жесткие оболочки насекомых действуют аналогично замку и ключу, поскольку они позволяют спариваться только между индивидуумами с взаимодополняющими структурами, то есть самцами и самками одного вида (называемыми соспецификами). Эволюция привела к развитию половых органов с все более сложными и расходящимися характеристиками, что приведет к механической изоляции между видами. Некоторые особенности половых органов часто превращают их в механизмы изоляции. Однако многочисленные исследования показывают, что органы, отличающиеся по анатомии, могут быть функционально совместимыми, что указывает на то, что другие факторы также определяют форму этих сложных структур. Механическая изоляция также происходит у растений, и это связано с адаптацией и коэволюцией каждого вида в привлечении определенного типа опылителя (где опыление является зоофильным) через коллекцию морфофизиологических характеристик цветов (называемый синдромом опыления), таким образом, что транспортировка пыльцы к другим видам не происходит.

Гаметическая изоляция

Синхронное нерест многих видов кораллов в морских рифах означает, что межвидовая гибридизация может иметь место, когда гаметы сотен особей десятков видов освобождаются в одном и том же водоеме одновременно. Примерно треть всех возможных скрещиваний между видами совместимы, в том смысле, что гаметы будут сливаться и приводить к индивидуальным гибридам. Эта гибридизация, по-видимому, играет важную роль в эволюции коралловых видов. Однако две трети возможных скрещиваний несовместимы. Было замечено, что у морских ежей рода Strongylocentrotus концентрация сперматоцитов, позволяющая 100% оплодотворение яйцеклеток одного вида, способна оплодотворить только 1,5% яйцеклеток других видов. Эта неспособность производить гибридное потомство, несмотря на то, что гаметы обнаруживаются в одно и то же время и в одном и том же месте, связана с явлением, известным как несовместимость гамет, которое часто встречается у морских беспозвоночных, и физиологические причины которого не полностью понятны. В некоторых кроссах дрозофилы после оплодотворения наблюдается отечность влагалища самки. Это препятствует оплодотворению яйцеклетки спермой другого вида. У растений пыльцевые зерна одного вида могут прорастать в стигме и расти в стиле других видов. Однако рост пыльцевых трубок может быть задержан в какой-то момент между стигмой и яйцеклетками, так что оплодотворение не происходит. Этот механизм репродуктивной изоляции распространен у ангиосперм и называется перекрестной несовместимостью или несовместимостью. Существует связь между самоинтегральностью и феноменом перекрестной несовместимости. В целом, скрещивание особей совместимого вида (SC) с особями несовместимого вида (SI) дает гибридное потомство. С другой стороны, взаимный крест (SI x SC) не будет производить потомство, потому что пыльцевые трубки не достигнут яйцеклеток. Это известно как односторонняя несовместимость, которая также возникает при скрещивании двух SC или двух SI видов.

Постзиготная изоляция

Ниже рассматривается ряд механизмов, которые после оплодотворения препятствуют успешному скрещиванию между популяциями.

Гибельность зиготы и нежизнеспособность гибридов

Тип несовместимости, который встречается так же часто у растений, как и у животных, возникает, когда яйцеклетка или яйцеклетка оплодотворяются, но зигота не развивается, или она развивается, и в результате индивид имеет сниженную жизнеспособность. Аналогичные результаты наблюдаются у комаров рода Culex, но различия наблюдаются между взаимными перекрестками, из которых делается вывод, что тот же эффект возникает в взаимодействии между генами ядра клетки (наследованных от обоих родителей), что и в генах цитоплазматических органелл, которые наследуются исключительно от женского прародителя через цитоплазму яйцеклетки. Неудача развития эндоспермы и последующий аборт наблюдаются во многих межплоидных скрещиваниях (то есть между популяциями с определенной степенью внутривидовой или межвидовой плоидии), а также в некоторых скрещиваниях у видов с тем же уровнем плоидии. Крах эндоспермы и последующий аборт гибридного эмбриона является одним из наиболее распространенных механизмов репродуктивной изоляции после оплодотворения, обнаруженных у ангиосперм.

Гибридная стерильность

Гибрид может иметь нормальную жизнеспособность, но обычно недостаточен с точки зрения размножения или стерилен. Это видно на примере мула и многих других хорошо известных гибридов. Во всех этих случаях стерильность обусловлена взаимодействием между генами двух видов, вызываемых хромосомным дисбалансом, обусловленным различным количеством хромосом у родительского вида, или цитоплазматическими взаимодействиями ядра, как в случае с Culex, описанном выше. Межвидовой стерильности гибридов у растений может быть много причин. Они могут быть генетическими, связанными с геномами или взаимодействием между ядерными и цитоплазматическими факторами, как будет обсуждаться в соответствующем разделе. Тем не менее, у растений гибридизация является стимулом для создания новых видов, что противоречит ситуации у животных. Хотя гибрид может быть стерильным, он может продолжать размножаться в дикой природе путем бесполого размножения, будь то вегетативное размножение или апомиксис или производство семян. Действительно, межвидовая гибридизация может быть связана с полиплоидией и, таким образом, происхождением новых видов, которые называются аллополиплоидами. Например, роза-канина - это результат многократных гибридизаций. Пшеница обыкновенная (Triticum aestivum) является аллогексаплоидной (аллополиплоидной с шестью наборами хромосом), которая содержит геномы трех различных видов.

Многочисленные механизмы

В общем, барьеры, разделяющие виды, состоят не только из одного механизма. Двойные виды дрозофилы, D. pseudoobscura и D. persimilis, изолированы друг от друга по среде обитания (персимилис обычно живет в более холодных регионах на больших высотах), по времени брачного сезона (персимилис обычно более активен утром, а псевдообскура ночью) и по поведению во время брака (самки обоих видов предпочитают самцов своих видов). Таким образом, хотя распространение этих видов перекрывается в широких районах запада Соединенных Штатов Америки, эти механизмы изоляции достаточно, чтобы держать виды отдельно. Так что, среди тысяч, которые были проанализированы, среди других видов было найдено лишь несколько фертильных самок. Однако, когда гибриды производятся между обоими видами, поток генов между ними будет продолжать затрудняться, поскольку гибридные самцы стерильны. Кроме того, в отличие от сильной энергии, проявленной стерильными самцами, потомки гибридных самок, скрещенных с родительскими видами, слабы и, как известно, нежизнеспособны. Этот последний механизм еще больше ограничивает генетический обмен между двумя видами мух в дикой природе. У млекопитающих, по крайней мере, есть все больше доказательств того, что это связано с высокими показателями мутации генов, определяющих мужскую принадлежность в Y-хромосоме. Было высказано предположение, что правило Халдена просто отражает тот факт, что мужской пол более чувствителен, чем женский, когда гены, определяющие пол, включены в гибридный геном. Но есть также организмы, в которых гетерозиготный пол - самка: птицы и бабочки, и в этих организмах соблюдается закон. Поэтому это не проблема, связанная с половым развитием, и не с половыми хромосомами. Холдейн предложил, что стабильность развития гибридного индивида требует полного дополнения генов каждого родительского вида, так что гибрид гетерозиготного пола не сбалансирован (то есть отсутствует по крайней мере одна хромосома от каждого родительского вида). Например, гибридный самец, полученный путем скрещивания самок D. melanogaster с самцами D. simulans, который не является жизнеспособным, не имеет Х-хромосомы D. simulans.

Механизмы после копуляции или оплодотворения у животных

Репродуктивная изоляция между видами появляется в некоторых случаях спустя длительное время после оплодотворения и образования зиготы, как это происходит, например, у близнецов Drosophila pavani и D. gaucha. Гибриды между обоими видами не являются стерильными в том смысле, что они производят жизнеспособные гаметы, яйцеклетки и сперматозоиды. Однако они не могут производить потомство, поскольку сперма гибридного самца не выживает в рецепторах спермы самки, будь то гибриды или из родительских линий. Точно так же сперма самцов двух родительских видов не выживает в репродуктивных путях гибридной самки. Развитие зиготы в взрослого человека - это сложный и деликатный процесс взаимодействия генов и окружающей среды, который должен быть выполнен точно, и если в обычном процессе есть какие-либо изменения, вызванные отсутствием необходимого гена или наличием другого, это может остановить нормальное развитие, вызывая нежизнеспособность гибрида или его стерильность. Следует помнить, что половина хромосом и генов гибрида принадлежит одному виду, а другая половина - другому. Если два вида генетически отличаются, маловероятно, что гены от обоих будут гармонично действовать в гибриде. С этой точки зрения, для достижения посткопуляционной изоляции потребуется всего несколько генов, в отличие от ситуации, описанной ранее для прекопуляционной изоляции. Во многих видах, где не существует прекопулятивной репродуктивной изоляции, производятся гибриды, но они только одного пола. Это относится к гибридизации между самками Drosophila simulans и самцами Drosophila melanogaster: гибридизированные самки умирают на ранних стадиях развития, поэтому среди потомства видны только самцы. Однако популяции D. simulans были зарегистрированы с генами, которые позволяют развивать взрослых гибридных самок, то есть жизнеспособность самок "спасается". Предполагается, что нормальная активность этих генов видообразования заключается в "ингибировании" экспрессии генов, которые позволяют росту гибрида. Также будут и регуляторные гены. Другой ген, также расположенный на Хромосоме II D. simulans, называется "Shfr", который также позволяет развивать женских гибридов, его активность зависит от температуры, при которой происходит развитие. Другие подобные гены были обнаружены в отдельных популяциях видов этой группы. Короче говоря, для эффективного посткопулятивного барьера изоляции, опосредованного нежизнеспособностью гибридов, требуется всего несколько генов. Не менее важной, чем выявление изолированного гена, является знание его функции. Ген Hmr, связанный с Х-хромосомой и связанный с жизнеспособностью мужских гибридов между D. melanogaster и D. simulans, является геном из семейства протоонкогенов myb, который кодирует регулятор транскрипции. Два варианта этого гена прекрасно функционируют у каждого отдельного вида, но в гибриде они не функционируют правильно, возможно, из-за различного генетического фона каждого вида. Исследование последовательности аллелей двух видов показывает, что замещения с изменением направления более распространены, чем синонимические замещения, что предполагает, что этот ген подвергся интенсивному естественному отбору. Модель Добжанского-Мюллера предполагает, что репродуктивные несовместимости между видами вызваны взаимодействием генов соответствующих видов. Недавно было продемонстрировано, что Lhr функционально дивергирует в D. simulans и будет взаимодействовать с Hmr, который, в свою очередь, функционально дивергирует в D. melanogaster, вызывая летальность мужских гибридов. Lhr находится в гетерохроматической области генома, и его последовательность расходилась между этими двумя видами в соответствии с механизмами положительного отбора. Важный вопрос, на который пока нет ответа, заключается в том, соответствуют ли обнаруженные гены старым генам, которые инициировали видообразование, способствуя гибридной нежизнеспособности, или это современные гены, которые появились после видообразования путем мутации, которые не разделяются различными популяциями и которые подавляют эффект примитивных генов нежизнеспособности. Ген OdsH (сокращение от Odysseus) вызывает частичную стерильность в гибриде между Drosophila simulans и родственным видом, D. mauritiana, который встречается только на Маврикии и имеет недавнее происхождение. Этот ген монофилен у обоих видов и также подвергся естественному отбору. Считается, что это ген, который вмешивается на начальных стадиях видообразова�...

Примеры механизмов предварительного оплодотворения

Хорошо документированный пример механизма изоляции перед оплодотворением приходит из исследования видов ирисов Луизианы. Эти виды радужной оболочки оплодотворялись с помощью межвидовой и одновидовой нагрузок пыльцы, и было продемонстрировано, что различия в росте пыльцевой трубки между межвидовой и одновидовой пыльцей привели к более низкой скорости оплодотворения межвидовой пыльцей. Это показывает, как определенная точка в процессе размножения манипулируется определенным изолирующим механизмом для предотвращения гибридов. Еще один хорошо документированный пример механизма изоляции растений до оплодотворения приходит из исследования двух видов березы, опыленных ветром. Изучение этих видов привело к открытию, что смешанные конспицифические и межвидовые нагрузки пыльцы все еще приводят к 98% конспицифических показателей оплодотворения, подчеркивая эффективность таких барьеров. В этом примере несовместимость пыльцевой трубки и более медленный генеративный митоз были связаны с механизмом изоляции после опыления.

Примеры механизмов после оплодотворения

Кресты между диплоидными и тетраплоидными видами Paspalum дают свидетельства о механизме после оплодотворения, предотвращающем образование гибридов, когда пыльца от тетраплоидных видов использовалась для оплодотворения самки диплоидного вида. Были признаки оплодотворения и даже образования эндоспермы, но впоследствии эта эндосперма разрушилась. Это свидетельствует о наличии механизма изоляции раннего периода после оплодотворения, при котором гибридный ранний эмбрион обнаруживается и избирательно прерывается. Этот процесс может также происходить позже во время развития, когда развитые гибридные семена избирательно прерываются.

Эффекты гибридного некроза

Гибриды растений часто страдают от аутоиммунного синдрома, известного как гибридный некроз. У гибридов специфические генные продукты, вносимые одним из родителей, могут быть неправильно признаны чужеродными и патогенными и, таким образом, вызывать повсеместную гибель клеток во всем растении. По крайней мере в одном случае рецептор патогена, кодируемый наиболее изменчивым семейством генов растений, был идентифицирован как ответственный за гибридный некроз.

Перестановка хромосом в дрожжах

В пивоваренных дрожжах Saccharomyces cerevisiae хромосомные перестановки являются основным механизмом репродуктивной изоляции различных штаммов. Хоу и другие. показал, что репродуктивная изоляция действует постзиготически и может быть связана с хромосомными перестановками. Авторы исследования скрестили 60 естественных изолятов, взятых из различных нишей, с эталонным штаммом S288c и выявили 16 случаев репродуктивной изоляции с уменьшенной жизнеспособностью потомства, а также выявили взаимные хромосомные транслокации в большой части изолятов. В цитоплазме, что изменяет сперматогенез, приводящий к стерильности. Интересно, что несовместимость или изоляция могут возникать и на внутривидовом уровне. Были изучены популяции D. simulans, которые показывают гибридную стерильность в соответствии с направлением креста. Фактором, определяющим стерильность, было установлено наличие или отсутствие микроорганизма Wolbachia и толерантность или восприимчивость популяции к этим организмам. Эта несовместимость между популяциями может быть устранена в лаборатории путем введения специфического антибиотика для уничтожения микроорганизма. Подобные ситуации известны у ряда насекомых, так как около 15% видов имеют инфекции, вызванные этим симбионтом. Было высказано предположение, что в некоторых случаях процесс видообразования происходил из-за несовместимости, вызванной этой бактерией. Два вида ос Nasonia giraulti и N. longicornis несут два разных штамма Wolbachia. Скрещивание инфицированной популяции с популяцией, не инфицированной, приводит к почти полной репродуктивной изоляции полувидов. Однако если оба вида свободны от бактерий или оба лечатся антибиотиками, то репродуктивный барьер отсутствует. Wolbachia также вызывает несовместимость из-за слабости гибридов в популяциях паукообразных клещей (Tetranychus urticae), между Drosophila recens и D. subquinaria и между видами Diabrotica (бобо) и Gryllus (крикет).