Аллопатрическое видообразование: географическая изоляция и эволюция.

Введение

Аллопатрическое видообразование (от древнегреческого ἄλλος (állos) «другой») – также называемое географическим видообразованием, викариантным видообразованием или, более раннее название, модель «гантели» – это способ видообразования, возникающий, когда биологические популяции становятся географически изолированными друг от друга в такой степени, что это препятствует или нарушает поток генов. Различные географические изменения могут возникать, такие как движение континентов и образование гор, островов, водоемов или ледников. Деятельность человека, такая как сельское хозяйство или застройка, также может изменять распределение популяций видов. Эти факторы могут существенно изменить географию региона, приводя к разделению популяции вида на изолированные субпопуляции. Затем викариантные популяции подвергаются генетическим изменениям, поскольку они испытывают различное селективное давление, подвергаются генетическому дрейфу и накапливают различные мутации в генофондах обособленных популяций. Барьеры препятствуют обмену генетической информацией между двумя популяциями, что приводит к репродуктивной изоляции. Если две популяции вступают в контакт, они оказываются неспособными к размножению – что, по сути, и является видообразованием. Другие изолирующие факторы, такие как расселение популяции, приводящее к эмиграции, также могут вызывать видообразование (например, расселение и изоляция вида на океаническом острове) и рассматриваются как особый случай аллопатрического видообразования, называемый перипатрическим видообразованием. Аллопатрическое видообразование обычно подразделяется на две основные модели: викарианство и перипатрическое видообразование. Эти модели различаются по размеру популяций и географическим механизмам изоляции. Термины аллопатрия и викарианство часто используются в биогеографии для описания взаимоотношений между организмами, ареалы которых существенно не перекрываются, но находятся в непосредственной близости друг от друга – они либо не встречаются вместе, либо встречаются только в узкой зоне контакта. Исторически язык, используемый для обозначения способов видообразования, напрямую отражал биогеографическое распределение. Таким образом, аллопатрия представляет собой географическое распределение, противоположное симпатрии (видообразование в пределах одной и той же области). Кроме того, термины аллопатрический, викариантный и географическое видообразование часто используются как взаимозаменяемые в научной литературе. Это порождает множество различных проблем в определении видов, определении изолирующих барьеров, измерении репродуктивной изоляции и т.д. Тем не менее, словесные и математические модели, лабораторные эксперименты и эмпирические данные убедительно подтверждают существование аллопатрического видообразования в природе. Теория викарианства, которая получила подтверждение с принятием теории тектоники плит в 1960-х годах, была разработана в начале 1950-х годов венесуэльским ботаником, который обнаружил объяснение сходству растений и животных, найденных в Южной Америке и Африке, предположив, что изначально они составляли единую популяцию до того, как два континента разошлись. В настоящее время видообразование посредством викарианства широко признается как наиболее распространенная форма видообразования.

Speciation that occurs between geographically isolated populations

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.

Аллопатрическое видообразование можно представить как крайнюю точку в континууме потока генов. Таким образом, уровень потока генов между популяциями в аллопатрии будет равен , где равен скорости обмена генами. В симпатрии (панмиксис), а в парапатрическом видообразовании представляет собой весь континуум, хотя некоторые ученые утверждают, что схема классификации, основанная исключительно на географическом режиме, не обязательно отражает сложность видообразования. Аллопатрия часто рассматривается как модель видообразования по умолчанию или «нулевая» модель, но и это также является предметом дискуссий.

Репродуктивная изоляция

Репродуктивная изоляция выступает в качестве основного механизма генетической дивергенции в аллопатрии и может усиливаться дивергентным отбором. Презиготическая и постзиготическая изоляция часто приводятся в качестве наиболее часто упоминаемых механизмов аллопатрического видообразования, и поэтому сложно определить, какая из них возникла первой в ходе аллопатрического видообразования. Чаще она рассматривается в исследованиях симпатрического видообразования, поскольку требует потока генов между двумя популяциями. Однако усиление (reinforcement) также может играть роль в аллопатрическом видообразовании, когда репродуктивный барьер ослабевает, воссоединяя две ранее изолированные популяции. При вторичном контакте особи размножаются, давая низкоприспособленные гибриды. Характеристики гибридов заставляют особей проявлять избирательность в выборе партнера, что усиливает презиготическую изоляцию между популяциями, явление, известное как гибридное видообразование. Усиление может играть роль во всех географических (и других, негеографических) режимах видообразования, при условии наличия потока генов и возможности формирования жизнеспособных гибридов. Образование нежизнеспособных гибридов является формой репродуктивного смещения признаков, которое, согласно большинству определений, означает завершение процесса видообразования. Усиление в аллопатрии наблюдалось в природе (доказательства видообразования посредством усиления), хотя и реже, чем классическое аллопатрическое видообразование. Фишеровский половой отбор также может приводить к репродуктивной изоляции, если существуют незначительные различия в селективном давлении (например, риске хищничества или различиях в среде обитания) между популяциями. (См. раздел «Дальнейшее чтение» ниже). Математические модели, касающиеся репродуктивной изоляции по расстоянию, показали, что популяции могут испытывать возрастающую репродуктивную изоляцию, напрямую коррелирующую с физическим, географическим расстоянием. Это иллюстрируется моделями кольцевых видов; размер изолированной популяции имеет значение, поскольку особи, колонизирующие новую среду обитания, вероятно, содержат лишь небольшую выборку генетической вариации исходной популяции. Это способствует дивергенции из-за сильного селективного давления, приводя к быстрой фиксации аллеля в популяции-потомке. Это создает потенциал для эволюции генетической несовместимости. Эта несовместимость вызывает репродуктивную изоляцию, приводя к быстрым событиям видообразования. Когда популяция вида переживает период расширения и сокращения географического ареала, она может оставлять за собой небольшие, фрагментированные, периферически изолированные популяции. Эти изолированные популяции будут содержать образцы генетической вариации от более крупной родительской популяции. Эта вариация повышает вероятность экологической специализации и эволюции репродуктивной изоляции. Центрифугирующее видообразование в значительной степени игнорируется в научной литературе. Тем не менее, исследователи представили множество доказательств в поддержку этой модели, большая часть которых до сих пор не опровергнута. Описаны примеры микроаллопатрического видообразования в природе. Рико и Тернер обнаружили внутриозерную аллопатрическую дивергенцию *Pseudotropheus callainos* (*Maylandia callainos*) в озере Малави, разделенную всего 35 метрами. Густав Паулаи обнаружил доказательства того, что виды из подсемейства Cryptorhynchinae микроаллопатрически видообразовались на Рапе и окружающих ее островках. Тройка видов ныряющего жука (*Paroster*), симпатрически распространенных в водоносных горизонтах региона Йилгарн в Австралии, вероятно, микроаллопатрически видообразовалась в пределах площади 3,5 км². Термин был первоначально предложен Хобартом М. Смитом для описания уровня географического разрешения. Симпатрическая популяция может существовать при низком разрешении, тогда как при более высоком разрешении (т. е. в небольшом, локализованном масштабе внутри популяции) она является «микроаллопатрической». Бен Фицпатрик и его коллеги утверждают, что это первоначальное определение «вводит в заблуждение, поскольку смешивает географические и экологические понятия». Экологическая аллопатрия — это обратный порядок аллопатрического видообразования в сочетании с усилением. Термины аллопарапатрический и аллосмпатрический используются для описания сценариев видообразования, когда дивергенция происходит в аллопатрии, но видообразование происходит только при вторичном контакте, или «смешанных» событий видообразования, — добавляя уровень надежности, недоступный ранним исследователям. Континенты и даже горы являются областями, где наблюдаются подобные процессы. Острова часто являются домом для эндемичных видов — существующих только на острове и больше нигде в мире, — причем почти все таксоны, обитающие на изолированных островах, имеют общее происхождение с видом на ближайшем континенте. Несмотря на критику, обычно существует корреляция между островным эндемизмом и разнообразием: чем выше разнообразие (видовое богатство) острова, тем выше увеличение эндемизма. Повышенное разнообразие эффективно стимулирует видообразование. Кроме того, количество эндемиков на острове напрямую коррелирует с относительной изоляцией острова и его площадью. В некоторых случаях видообразование на островах происходит быстро. Дисперсия и видообразование *in situ* объясняют происхождение организмов на Гавайях. Различные географические режимы видообразования широко изучались в гавайской биоте, и в частности, цветковые растения, по-видимому, видообразовались преимущественно в аллопатрических и парапатрических режимах. Эта закономерность указывает на повторяющиеся викариатные события видообразования в этих группах. Аллопатрическое видообразование, опосредованное расселением, также считается важным фактором диверсификации в Неотропиках. На глобальном уровне задокументированы закономерности увеличения эндемизма на больших высотах как на островах, так и на континентах, часто ограниченные градиентными зонами. Формирование Гималаев и Тибетского плато, например, стимулировало видообразование и диверсификацию многочисленных растений и животных, таких как папоротники *Lepisorus*; рыбы глиптостерноидные (Sisoridae); и комплекс видов *Rana chensinensis*. Поднятие также стимулировало викариатное видообразование у маргариток *Macowania* в горах Дракенсберг в Южной Африке, а также у древесных ползунов *Dendrocincla* в Андах Южной Америки. Ларамийская орогения в позднем меловом периоде даже вызвала викариатное видообразование и радиацию динозавров в Северной Америке. Адаптивная радиация, такая как у галапагосских вьюрков, наблюдаемая Чарльзом Дарвином, часто является следствием быстрого аллопатрического видообразования среди популяций. Однако в случае галапагосских вьюрков, а также других островных радиаций, таких как гавайские медососы, вероятно, были обусловлены экологическим видообразованием, поскольку географическая изоляция была ограничена.

Reproductive isolation acts as the primary mechanism driving genetic divergence in allopatry and can be amplified by divergent selection. Pre zygotic and post zygotic isolation are often the most cited mechanisms for allopatric speciation, and as such, it is difficult to determine which form evolved first in an allopatric speciation event. It is more often invoked in sympatric speciation studies, as it requires gene flow between two populations. However, reinforcement may also play a role in allopatric speciation, whereby the reproductive barrier is removed, reuniting the two previously isolated populations. Upon secondary contact, individuals reproduce, creating low fitness hybrids. Traits of the hybrids drive individuals to discriminate in mate choice, by which pre zygotic isolation increases between the populations. known as hybrid speciation. Reinforcement can play a role in all geographic modes (and other non geographic modes) of speciation as long as gene flow is present and viable hybrids can be formed. The production of inviable hybrids is a form of reproductive character displacement, under which most definitions is the completion of a speciation event. Reinforcement in allopatry has been shown to occur in nature (evidence for speciation by reinforcement), albeit with less frequency than a classic allopatric speciation event. Fisherian sexual selection can also lead to reproductive isolation if there are minor variations in selective pressures (such as predation risks or habitat differences) among each population. (See the Further reading section below). Mathematical models concerning reproductive isolation by distance have shown that populations can experience increasing reproductive isolation that correlates directly with physical, geographical distance. This has been exemplified in models of ring species; The size of the isolated population is important because individuals colonizing a new habitat likely contain only a small sample of the genetic variation of the original population. This promotes divergence due to strong selective pressures, leading to the rapid fixation of an allele within the descendant population. This gives rise to the potential for genetic incompatibilities to evolve. These incompatibilities cause reproductive isolation, giving rise to rapid speciation events. When a population of a species experiences a period of geographic range expansion and contraction, it may leave small, fragmented, peripherally isolated populations behind. These isolated populations will contain samples of the genetic variation from the larger parent population. This variation leads to a higher likelihood of ecological niche specialization and the evolution of reproductive isolation. Centrifugal speciation has been largely ignored in the scientific literature. Nevertheless, a wealth of evidence has been put forth by researchers in support of the model, much of which has not yet been refuted. Examples of microallopatric speciation in nature have been described. Rico and Turner found intralacustrine allopatric divergence of Pseudotropheus callainos (Maylandia callainos) within Lake Malawi separated only by 35 meters. Gustave Paulay found evidence that species in the subfamily Cryptorhynchinae have microallopatrically speciated on Rapa and its surrounding islets. A sympatrically distributed triplet of diving beetle (Paroster) species living in aquifers of Australia's Yilgarn region have likely speciated microallopatrically within a 3.5 km2 area. The term was originally proposed by Hobart M. Smith to describe a level of geographic resolution. A sympatric population may exist in low resolution, whereas viewed with a higher resolution (i. e. on a small, localized scale within the population) it is "microallopatric". Ben Fitzpatrick and colleagues contend that this original definition, "is misleading because it confuses geographical and ecological concepts". Ecological allopatry is a reverse ordered form of allopatric speciation in conjunction with reinforcement. The terms allo parapatric and allo sympatric have been used to describe speciation scenarios where divergence occurs in allopatry but speciation occurs only upon secondary contact. or "mixed mode" speciation events.—adding a level of robustness unavailable to early researchers. continents, and even among mountains. Islands are often home to species endemics—existing only on an island and nowhere else in the world—with nearly all taxa residing on isolated islands sharing common ancestry with a species on the nearest continent. Not without challenge, there is typically a correlation between island endemics and diversity; that is, that the greater the diversity (species richness) of an island, the greater the increase in endemism. Increased diversity effectively drives speciation. Furthermore, the number of endemics on an island is directly correlated with the relative isolation of the island and its area. In some cases, speciation on islands has occurred rapidly. Dispersal and in situ speciation are the agents that explain the origins of the organisms in Hawaii. Various geographic modes of speciation have been studied extensively in Hawaiian biota, and in particular, angiosperms appear to have speciated predominately in allopatric and parapatric modes. The pattern indicates repeated vicariant speciation events among these groups. Dispersal mediated allopatric speciation is also thought to be a significant driver of diversification throughout the Neotropics. Patterns of increased endemism at higher elevations on both islands and continents have been documented on a global level. often constricted to graded zones. The formation of the Himalayan mountains and the Qinghai–Tibetan Plateau for example have driven the speciation and diversification of numerous plants and animals such as Lepisorus ferns; glyptosternoid fishes (Sisoridae); and the Rana chensinensis species complex. Uplift has also driven vicariant speciation in Macowania daisies in South Africa's Drakensberg mountains, along with Dendrocincla woodcreepers in the South American Andes. The Laramide orogeny during the Late Cretaceous even caused vicariant speciation and radiations of dinosaurs in North America. Adaptive radiation, like the Galapagos finches observed by Charles Darwin, is often a consequence of rapid allopatric speciation among populations. However, in the case of the finches of the Galapagos, among other island radiations such as the honeycreepers of Hawaii represent cases of limited geographic separation and were likely driven by ecological speciation.

Убежище

Ледниковые периоды сыграли важную роль в стимулировании видообразования у видов позвоночных. Эта концепция рефугиумов была применена к многочисленным группам видов и их биогеографическому распространению, например, к прерийным собакам Cynomys mexicanus и C. ludovicianus.

История и методы исследования

Ранние исследования видообразования обычно отражали географическое распространение и поэтому получили названия географическое, полугеографическое и негеографическое. Он использовал термин "теория разделения" (Separationstheorie). Его идея позже была интерпретирована Эрнстом Майром как форма видообразования эффекта основателя, поскольку она фокусировалась главным образом на небольших географически изолированных популяциях. Существуют споры о том, признал ли Чарльз Дарвин истинную географическую модель видообразования в своей публикации "Происхождение видов". Ф. Дж. Саллоуэй утверждает, что позиция Дарвина в отношении видообразования была, по меньшей мере, "вводящей в заблуждение" и, возможно, впоследствии дезинформировала Вагнера и Дэвида Старра Джордана, заставив их поверить, что Дарвин считал симпатрическое видообразование наиболее важным механизмом. Гораздо позже биолог Эрнст Майр первым обобщил современную литературу того времени в своей публикации 1942 года "Систематика и происхождение видов с точки зрения зоолога" и в последующей публикации 1963 года "Виды животных и эволюция". Как и работы Джордана, они опирались на непосредственные наблюдения природы, документируя случаи аллопатрического видообразования, которое сегодня широко признано. Однако считается, что Вагнер, Карл Джордан и Дэвид Старр Джордан сыграли значительную роль в формировании аллопатрического видообразования как эволюционной концепции, в то время как Майр и Добжанский внесли вклад в формирование современного эволюционного синтеза. В конце 20-го века были разработаны математические модели аллопатрического видообразования, что привело к чёткой теоретической обоснованности того, что географическая изоляция может привести к репродуктивной изоляции двух популяций. Сегодня это общепризнанно как наиболее распространенная форма видообразования, происходящая в природе. Сопоставление географического распространения с филогенетическими данными также породило подраздел биогеографии, называемый викариантной биогеографией. Другие современные методы используют измерения потока генов между популяциями или экологически обусловленное видообразование, наблюдаемое у дендробатидных лягушек в Эквадоре. Биотехнологические достижения позволили проводить широкомасштабные геномные сравнения по множеству локусов (например, в отношении возможного события аллопатрического видообразования, произошедшего между предками человека и шимпанзе), связывая эволюционную историю видов с экологией и уточняя филогенетические закономерности.

Early speciation research typically reflected geographic distributions and were thus termed geographic, semi geographic, and non geographic. of which he used the term Separationstheorie. His idea was later interpreted by Ernst Mayr as a form of founder effect speciation as it focused primarily on small geographically isolated populations. Controversy exists as to whether Charles Darwin recognized a true geographical based model of speciation in his publication of the Origin of Species. F. J. Sulloway contends that Darwin's position on speciation was "misleading" at the least and may have later misinformed Wagner and David Starr Jordan into believing that Darwin viewed sympatric speciation as the most important mode of speciation. Much later, the biologist Ernst Mayr was the first to encapsulate the then contemporary literature in his 1942 publication Systematics and the Origin of Species, from the Viewpoint of a Zoologist and in his subsequent 1963 publication Animal Species and Evolution. Like Jordan's works, they relied on direct observations of nature, documenting the occurrence of allopatric speciation, of which is widely accepted today. however, it is thought that Wagner, Karl Jordan, and David Starr Jordan played a large role in the formation of allopatric speciation as an evolutionary concept; where Mayr and Dobzhansky contributed to the formation of the modern evolutionary synthesis. The late 20th century saw the development of mathematical models of allopatric speciation, leading to the clear theoretical plausibility that geographic isolation can result in the reproductive isolation of two populations. Today, it is widely regarded as the most common form of speciation taking place in nature. Correlation of geographic distribution with phylogenetic data also spawned a sub field of biogeography called vicariance biogeography). Other techniques used today have employed measures of gene flow between populations, or the environmentally mediated speciation taking place among dendrobatid frogs in Ecuador Biotechnological advances have allowed for large scale, multi locus genome comparisons (such as with the possible allopatric speciation event that occurred between ancestral humans and chimpanzees), linking species' evolutionary history with ecology and clarifying phylogenetic patterns.