Аллозимная популяционная генетика морских беспозвоночных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, доктор биологических наук в форме науч. докл. Пудовкин, Александр Иванович

• Пудовкин, Александр Иванович
• доктор биологических наук в форме науч. докл.
• 1998

Оглавление диссертации доктор биологических наук в форме науч. докл. Пудовкин, Александр Иванович

Актуальность проблемы. Несмотря на интенсивное внедрение в популяционную генетику методов молекулярной биологии, позволяющих выявлять изменчивость ядерной и митохондриальной ДНК, генетически детерминированные варианты ферментов (аллозимы), выявляемые методом зимограмм (сочетание гель-электрофореэа ферментов с последующим гистохимическим окрашиванием на специфическую ферментативную активность) продолжают оставаться наиболее широко распространенными генными маркерами, используемыми в популяционной и эволюционной генетике, таксономии, рыбохозяйственной и сельскохозяйственной науке. Причинами широкого использования аллозимных маркеров являются относительная простота и дешевизна метода зимограмм, его огромная производительность, позволяющая получать сведения о генотипическом составе популяций любых видов животных и растений. При этом каждый индивид легко может быть охарактеризован по нескольким десяткам генных локусов. Поэтому актуальным является всестороннее изучение уровня и характера этой изменчивости (обычно называемой аллозимной) у максимально широкого спектра видов разной экологии, таксономического положения, биогеографичёской принадлежности. Продолжает быть актуальной разработка методов количественной оценки и статистического анализа этой изменчивости.

Изучение популяционно-генетической структуры видов морских беспозвоночных, менее изученных в сравнении с наземными видами, является актуальным, поскольку морские беспозвоночные характеризуются целым спектром особенностей биологии, многие из которых отсутствуют у наземных беспозвоночных. Таким образом, данные по популяционно-генетической структуре морских беспозвоночных значительно дополняют и расширяют понимание микроэволюционных процессов, которое было достигнуто при исследовании наземных видов. Кроме того, поскольку большинство из изученных нами в этом отношении видов являются ценными объектами промысла, сведения о популяционно-генетической структуре этих видов существенны для рыбохозяйствен-,;юй науки и практики. Эти сведения также полезны для разработки мероприятий по сохранению и рациональному использованию биологиче-5 > !1Х ресурсов, сохранению популяций редких и находящихся в опасно-• ¡1 видов.

Целью исследований является изучение уровня и характера ал-(. мной изменчивости у морских беспозвоночных - обширной группы * о гных, недостаточно изученных в этом отношении. В работе решася следующие задачи: ; 1) оценить уровень внутривидового генетического разнообразия (с Использованием аллозимов как маркеров генов) удостулных видов мормоллюсков и иглокожих и сопоставить его с аналогичными показателями, полученными другими авторами на других видах этих же таксономических групп, а также у видов другого таксономического и биогеографического положения;

2) на основе собственных данных, данных сотрудников лаборатории автора, а также литературных данных (собранных в систематизированную базу данных), рассмотреть основные факторы, определяющие уровень и характер аллозимной изменчивости у морских беспозвоночных;

3) используя аллозимы, как маркеры генов, исследовать популя-ционно-генетическую структуру нескольких экономически важных (промысловых) видов, а также некоторых повсеместно встречающихся (в зал. Петра Великого) видов донных беспозвоночных (моллюсков и иглокожих);

4) рассмотреть, модифицировать и предложить новые количественные показатели генетической изменчивости и методы ее анализа.

Научная новизна и значимость работы. Изучена аллозимная изменчивость у 20 видов морских моллюсков и иглокожих, ранее не изученных в этом отношении. На основе анализа собственных и обширных литературных данных (систематизированных в форме базы данных) показано, что морские беспозвоночные обладают значительно более высоким уровнем генного разнообразия, чем наземные беспозвоночные (включая пресноводных). Предложен новый показатель генетической изменчивости популяции - гетерозиготность полиморфной части генома, что позволило отчетливее увидеть разницу в уровне генного разнообразия у беспозвоночных и позвоночных.

Впервые подробно описана популяционно-генетическая структура у трех ценных промысловых моллюсков - гигантской устрицы, приморского гребешка и мидии Грея в российской части их видового ареала. Выявлено наличие микропространственной генетической гетерогенности в поселениях мидии Грея, что является веским свидетельством действия дифференцирующего естественного отбора на участки генома этой мидии, маркируемые исследованными генами. Выявлены возрастные изменения частот аллелей (по трем аллозимным локусам) в поселении литорального брюхоногого моллюска Шоппа эКкапа, что также рассматривается как свидетельство действия естественного отбора на аллозимную изменчивость. Предложен новый подход для анализа двулокусных генотипических ассоциаций, который позволил выявить неравновесие по сцеплению (по аллозимным локусам) в популяции морского моллюска (приморского гребешка).

Предложенное в работе понимание соотношения нейтральной и селективно значимой изменчивости позволяет более эффективно планировать исследования для выявления влияния экологических и биологических особенностей вида на уровень и характер аллозимной изменчивости.

Подробное описание популяционно-генетической структуры у ценных промысловых видов (гребешка и устрицы) имеет очевидную практическую ценность, поскольку конкретные популяции (или популяционные системы) являются единицами учета запасов и управления ресурсами эксплуатируемых видов, а также единицами, на которые направлены охранные мероприятия в случае видов, находящихся в опасности.

Три из сделанных в ходе работы компьютерных программ -MULTTEST (Зайкин, Пудовкин, 1991), CHIHW и CHIRXC (Zaykin, Pu-dovkin, 1993) оказались полезными для многих исследователей, о чем можно судить по довольно частому их цитированию.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Советско-Американском симпозиуме по программе "Биологическая продуктивность мирового океана" (Ленинград, 1976), I и II Всесоюзных конференциях по морской биологии (Владивосток, 1977, 1982), II Всесоюзном совещании по биохимической генетике, кариологи-ческому полиморфизму и мутагенезу у рыб (Ленинград, 1978), XIV Международном генетическом конгрессе (Москва, 1978), XIV Тихоокеанском научном конгрессе (Хабаровск, 1979), IV и V Съездах ВОГиС (Кишинев, 1982, Москва, 1987), II Всесоюзном съезде океанологов (Ялта, 1982), III Всесоюзном совещании по проблемам рационального использования промысловых беспозвоночных (Калининград, 1982), V и VI Всесоюзных симпозиумах "Молекулярные механизмы генетических процессов" (Москва, 1983,1987), I Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1985), III Всесоюзном совещании по генетике, селекции и гибридизации рыб (Тарту, 1986), семинаре Центра демографической и популяционной генетики Техасского университета (США, Хьюстон, 1988), семинаре Отделения экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета (США, Ирвайн, 1988), семинарах Бодегской морской лаборатории Калифорнийского университета (США, Бодега-Бей, 1988,1994), III Школе-семинаре по генетике и селекции животных (Новосибирск, 1989), VIII Международном совещании по пектинидам (Франция, Шербур, 1991), VII Международном конгрессе по изозимам (Новосибирск, 1992), семинаре Колледжа по морским наукам Университета штата Делавер (США, Луис, 1992), семинаре Морской биологической лаборатории Гётеборгского университета (Швеция, Чарно, 1995), семинаре Отделения биологических наук Университета штата Монтана (США, Миссула, 1996), семинаре Лаборатории генома и популяций Университета Монпелье (Франция, Сэт, 1997).

Публикации. Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, изложены в 44 работах.

Объем диссертации и ее структура. Диссертация представлена к защите в виде научного доклада, изложенного на 67 страницах; содержит 18 рисунков и 16 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Материалы и методы исследования

Животные для исследования уровня генетического разнообразия собирались аквалангистами в зал. Восток (зал. Петра Великого Японского моря). Устриц, гребешков и мидий, для изучения их популяционно-генетической структуры, собирали в разных локальностях в пределах российской части их видовых ареалов (будут точнее указаны в соответствующих разделах работы). Для сбора и транспортировки устриц и мидий использовался водолазный катер (40 т водоизмещения), для сбора гребешков организовывались месячные экспедиции на более крупном судне "Луговое" (300 т), способном к автономному плаванию на о. Сахалин и Курильские острова. Животные собирались водолазами (аквалангистами) с глубин 1 - 30 м.

Генное разнообразие (ГР) изучалось у 20 видов - 4 видов морских ежей, 7 видов морских звезд и 9 видов двустворчатых моллюсков; названия видов приведены в табл. 1. Популяционно-генетическая структура изучалась у 4 видов моллюсков - тихоокеанской устрицы Сгаээоз^еа д|'даз, приморского гребешка М1гиИорес1еп уезэоег^з, мидии Сгепотуй-1из дгауапиз, морской улитки Шоппа з^капа - и морской звезды РаШ\а ресйпКега.

ГР - показатель, идентичный ожидаемой (из правила Харди-Вайнберга) гетерозиготности у диплоидных видов,, размножающихся половым путем и осуществляющих перекрестное оплодотворение. Поскольку бывает необходимым сравнивать виды, в которых наблюдаются разные системы размножения и для которых правило Харди-Вайнберга не приложимо (например, размножающихся клонально), то для характеристики степени генетической изменчивости у таких видов стали использовать термин ГР. В настоящее время этот термин используют и в отношении перекрестно размножающихся видов, таким образом термин ГР практически вытесняет более громоздкий и более узкий термин "ожидаемая гетерозиготность". Поскольку большая часть излагаемого исследования была выполнена до широкого распространения термина ГР, мы иногда продолжаем использовать словосочетание "ожидаемая гетерозиготность".

Для выявления генетической изменчивости использовался электрофорез белков в крахмальном геле с последующей окраской гелей для выявления специфической ферментативной активности. Это широко распространенный метод, подробно описанный в различных руководствах, в частности в нашей книге "Генетика изоферментов" (М., 1977). Электрофорез проводили на биостанции "Восток" Института биологии моря ДВО РАН.

Материалом для базы данных о внутривидовом ГР животных различных таксономических групп служили литературные данные (более

150 статей). Всего были собраны данные в отношении более чем 400 видов. Критерием для включения данных в базу было наличие в работе информации о полокусных значениях ГР или о частотах аллелей, из которых можно было бы получить их.

Рассчитывались следующие популяционно-генетические параметры: наблюдаемая и ожидаемая (из правила Харди-Вайнберга) гетерози-готность, уровни полиморфизма Р95 и Р99 (процент полиморфных локу-сов, в которых частота преобладающего аллеля не превышает 0,95 и 0,99, соответственно). При сравнении ГР у разных видов, в разных группах животных (табл. 1, рис. 2-4) уровни полиморфизма и значения гете-розиготности рассчитывались как видовые показатели (усреднялись по всем локусам, изученным у вида). При анализе материала литературной базы данных генетическая изменчивость рассматривала^ полокусно. При этом полиморфными считались локусы, которые содержат какое-либо аллельное разнообразие. Такой полиморфизм обозначался буквой Р. Ожидаемая гетерозиготность (= ГР) обозначалась буквой Н: H¡ = 1 -Zj(Xj)2, где х, - частота /-го аллеля в у-ом локусе. Показатели Р и Н рассчитывались в отношении всех локусов (с учетом дуплицированных). Например, сведения об изменчивости по фосфоглюконатдегидрогеназе сообщаются в отношении 103 видов; однако суммарное число локусов Pgd у этих видов составило 122. Из них полиморфными были 9 локусов. Таким образом доля полиморфных локусов (Р) у этих 103 видов составила: Р = 9/122 = 7,38%. Средняя гетерозиготность. (Н) по каждому отдельному ферменту рассчитывалась так: Н = X¡H/n, где п - суммарное число локусов, полиморфных и мономорфных (в нашем случае 122), Н,-гетерозиготность в /-ом локусе. Показатель гетерозиготности полиморфной части генома (/?), предложенный автором (Пудовкин, 1987а) вычислялся так: h = 1

Данные о полокусной гетерозиготности, а также генотипические и аллельные частоты полиморфных локусов, которые использовались при анализе популяционно-генетической структуры, подвергались разнообразному статистическому анализу. В последние годы широко использовались компьютерные программы - как широкопрофильные биометрические пакеты (SYSTAT, SATISTICA), так и специализированные программы для анализа популяционно-генетических данных (BIOSYS, NTSYS). Кроме того создавались собственные программы для анализа данных - MULTTEST (Зайкин, Пудовкин, 1991), CHIHW и CHICXR (Zaykin, Pudovkin, 1993), DBOOT (Пудовкин и др., 1996)-и моделирования генетических процессов (несколько неопубликованных программ). Собственные программы составлялись на алгоритмическом языке С++, для разработки программ использовалась система Borland С++, vers. 3.1.

2.2. Уровень и характер аллозимной изменчивости у морских беспозвоночных

2.2.1. Гипотезы о возникновении и поддержании аллозимно-го полиморфизма (обзор литературы). Тридцать два года назад работами Левонтина и Харриса (Lewontin, Hubby, 1966; Harris, 1966) началась эра аллозимных исследований. Аллозимы - это генетически детерминированные варианты ферментов, кодируемые аллелями одного и того же генного локуса. Вслед за вышеупомянутыми пионерскими работами Левонтина и Харриса последовала серия работ, выполненных на разных видах животных, результатом которых была констатация универсальности аллозимной изменчивости - она была выявлена у всех изученных групп животных, растений и микроорганизмов. Этот факт был воспринят большинством генетиков как веское подтверждение справедливости баллансовой теории генетического полиморфизма. Существо этой теории в том, что поддержание генетического полиморфизма рассматривается в качестве стратегии существования вида в условиях изменчивой в пространстве и времени природной среды. При этом уровень (степень) полиморфизма представляется весьма существенным генетическим параметром, который позволяет судить о современном состоянии и эволюционном потенциале популяции или вида в целом.

Первым довольно крупным обобщением была небольшая, но имевшая большой эффект работа Selander, Kaufman (1973), которая часто цитируется до сих пор. На основании данных об аллозимной изменчивости у 44 видов беспозвоночных и позвоночных были сделаны весьма широкие обобщения. Было отмечено, что беспозвоночные (среди которых были 19 видов дрозофил, три наземных улитки, сверчок и мечехвост) обладают более высоким генным разнообразием чем позвоночные (которые были представлены в этой работе 14 видами грызунов и 2 видами других млекопитающих, 4 видами ящериц, и по 1 виду рыб и птиц). Средние ожидаемые гетерозиготности для беспозвоночных и позвоночных составили 0,151 и 0,058. Авторы объясняли эти различия на основе теории об адаптивных стратегиях видов в отношении неопределенности среды их обитания (Levins, 1968). Согласно этой теории небольшие, малоподвижные организмы (какими являются многие беспозвоночные) воспринимают окружающую среду как "грубозернистую", тогда как крупные, подвижные организмы, обладающие большим внутренним гомеостазом (какими являются позвоночные) чаще воспринимают свою среду обитания как более определенную, "мелкозернистую". В условиях "грубозернистой" среды, по теории Левинса, оптимальная стратегия состоит в наличии у вида большого генетического разнообразия, поскольку для различных "зерен" средовой мозаики требуются различные генотипы. При существовании вида в условиях "мелкозернистой" среды оптимальной эволюционной стратегией будет наличие у вида одного фенотипа, максимально адаптированного к наиболее часто встречаемой совокупности экологических условий. В большой серии последующих работ разных авторов эта гипотеза подтверждалась, опровергалась, модифицировалась.

Коротко перечислим наиболее значительные гипотезы и обобщения в рассматриваемой области. Grassle (1967,1972), Bretsky, Lorenz (1969,1970) предположили, что эволюция видов в условиях стабильной среды приводит к обеднению их генофондов, а при последующем изменении условий существования вида приводит к его вымиранию из-за недостатка генетической изменчивости, необходимой для адаптации к новым условиям. Powell (1971) пытался экспериментально подтвердить эту идею (см. ниже раздел 2.2.5), выращивая дрозофил в условиях различной гетерогенности среды. Позже, для подтверждения этой же идеи исследовали аллозимную изменчивость у видов, обитающих в условиях стабильной среды - в океанической абиссали и в тропических водах. Выводы оказались неожиданными - и в тропиках, и в глубоком море у животных обнаруживалась высокая гетерозиготность (Ayala et al., 1973, 1975; Schopf, Gooch, 1971,1972; Doyle, 1971,1972). Оценивали генное разнообразие у видов - "живых ископаемых" - ланцетника (Manwell, 1975), мечехвоста (Seiander et al., 1970), моллюска тридакны (Ayala et al., 1973). Предполагалось, что "живые ископаемые" будут иметь пониженное генное разнообразие, что и обусловило сохранение ими архаичной морфологии. Оказалось, что "живые ископаемые" тоже обладают высоким генетическим разнообразием. Тогда была предложена гипотеза о стабильности трофических ресурсов как факторе, обусловливающем высокий уровень генетической изменчивости (Ayala et al., 1975; Valentine, 1976; Valentine, Ayala, 1978; Айала, 1981). Однако, при детальном анализе аллозимной изменчивости у 93 видов ракообразных было показано, что в локусах, кодирующих различные ферментные системы, обнаруживаются разнонаправленные корреляции с факторами среды, причем характер коррелированное™ отличается у видов разной экологии (Nelson, Hedgecock, 1980; Хеджкок, Нелсон, 1981).

Еще один пример обнаружения псевдозакономерности - работа Миттона и Луиса (Mitton, Lewis, 1989). Эти авторы, взяв из обзора (Nevo et al., 1984) значения средней видовой гетерозиготности для 71 вида костистых рыб (к которым они ошибочно присовокупили миногу), вычислили коррелированность между значениями гетерозиготности и двух биологических характеристик - плодовитости и диаметра яйца (икринки). На основании этих коэффициентов корреляции Миттон и Луис сделали весьма существенный вывод, что "вариабельность среды обитания играет преобладающую роль в контроле уровня генетической изменчивости у костистых рыб". Уэйплз (Waples, 1991) пересмотрел анализ Миттона и Луиса, более корректно вычислив коэффициенты корреляции и учтя таксономическую гетерогенность выборки видов, рассмотренных

Миттоном и Луисом. Их выборка состояла из трех различных групп рыб и коррелированность в разных группах была разнонаправленной. Используя рандомизационные тесты, Уэйплз показал, что коэффициенты корреляции, на которых основывалось далеко идущее заключение Мит-тона и Луиса, были статистически несущественными.

Таким образом, какой-нибудь ясной и универсальной закономерности в отношении связи уровня генного разнообразия вида и характером среды его обитания до сих пор не выявлено.

Параллельно с перечисленными выше "селекционисткими" гипотезами существовала, эволюировала и становилась все более популярной теория нейтральности молекулярного генетического полиморфизма, в том числе и аллозимного (Kimura, 1968; King, Jukes, 1969, Kimura, 1983). Суть ее состоит в том, что в результате постоянного мутационного давления в популяциях возникают мутации. Большинство из них вредные. Они в первых же поколениях отсекаются отбором и не накапливаются в популяциях. Более редки слабо вредные, нейтральные и приспособительно полезные, мутации. Последние особенно редки и, хотя именно они обусловливают приспособительную эволюцию, их доля в общем пуле накопленных у вида мутаций невелика. Большим достоинством теории нейтральности является хорошо разработанный математический аппарат, что позволяет моделировать эволюционный процесс, делать определенные предсказания, которые могут быть сопоставлены с фактическими данными.

В соответствии с теорией нейтральности уровень молекулярного полиморфизма определяется равновесием между притоком новых мутаций (вследствие постоянно идущего мутационного процесса) и их утратой в популяциях конечной численности в результате стохастических процессов (дрейфа генов). Для аллозимной изменчивости равновесное значение величины генного разнообразия (Н) описывается формулой (Ohta, Kimura, 1973):

Н= 1 - 1Л/(1 +8Nev), [1] где Ne - генетически эффективная численность вида, v -частота нейтральных мутаций, выявляемых электрофоретически.

Если справедлива теория нейтральной эволюции, то различия в уровне генного разнообразия между видами должно быть прежде всего обусловлено различиями в генетически эффективной численности видов. На рис. 1-А (из: Soulé, 1976) приведены эмпирические данные о зависимости ГР у вида от его эффективной численности. Видна коррелированность между этими параметрами (г = 0,70). Таким образом, различия в эффективной численности "объясняют" около половины наблюдаемых между видами различий в величине генного разнообразия (г2 = 0,49). Следует отметить, что формула [1] характеризует равновесное состояние, которое достигается за весьма длительный эволюционный период. Выход на конечное равновесное значение ГР достигается за очень длительное время - примерно за 4Ne поколений (см. рис. 1-Б; из: Souié, 1976). Поэтому, если в истории вида (или даже его родительского предшественника) имело место значительное и достаточно продолжительное сокращение численности, то возникшее из-за этого обеднение генофонда будет чувствоваться очень долго даже после того, как вид восстановит свою численность. Можно полагать, что для большинства видов ГР находится значительно ниже равновесного значения вследствие пережитых когда-то эпизодов "бутылочного горла численности". На рис. 1-В (из: Nei, 1984), приведены, фактические данные о ГР и численности у 72 видов позвоночных и беспозвоночных, а также расчетные кривые, отражающие зависимость ГР от Ne в соответствии с формулой [1]. Здесь тоже видна коррелированность эмпирических оценок ГР и численности вида. Наблюдаемый значительный недостаток ГР по сравнению с предсказываемым теорией (сплошная кривая), по мнению Нея, скорее всего обусловлен упоминавшимися выше эпизодами низкой численности в эволюционной истории видов.

К настоящему времени накопилась огромная литература - не менее 20 тысяч статей, в которых приводятся данные о характере и уровне аллозимной изменчивости у самых разных групп организмов:-бактерий, грибов, растений, животных. Наиболее полная сводка по этому вопросу (к сожалению, уже довольно старая) приводит данные в отношении 1111 видов растений и животных (Nevo et al., 1984). Обзор Ward et al. (1992) приводит данные в отношении 1018 видов животных. Исходные данные этого обзора в значительной степени перекрываются с таковыми Nevo et al. (1984), но подход к анализу значительно отличается. В этом море "аллозимной" литературы рассматриваются, в основном, следующие три группы вопросов: 1) уровень аллозимной изменчивости у видов различной экологии и таксономического положения. 2) популя-ционно-генетическая структура у различных видов; 3) сходство видов и попытки установить их филогенетические связи.

Наше исследование относится к первым двум вопросам - описанию уровня и характера аллозимной изменчивости у морских беспозвоночных (собственные материалы относятся к моллюскам и иглокожим) и к описанию популяционно-генетической структуры у нескольких широко распространенных видов из этих же групп.

2.2.2. Генное разнообразие у 20 видов морских моллюсков и иглокожих. Когда автор и сотрудники его лаборатории приступали в 1973 г. к исследованию аллозимной генетики морских беспозвоночных, самая полная сводка данных (Selander, Kaufman, 1973) включала сведения о 24 видах беспозвоночных, среди которых был лишь один морской вид - мечехвост. Вскоре однако, появились данные в отношении некоторых видов морских моллюсков и иглокожих.

В табл. 1 представлены данные о 20 видах иглокожих и морских двустворчатых моллюсков, изученных автором в отношении уровня ал-лозимной изменчивости. Данные, представленные в этом разделе, опубликованы в следующих наших работах: Манченко и др., 1977; Пудовкин и др., 1978; Манченко, Пудовкин, 1979; Манченко и др., 1979; Пудовкин, 1983; Пудовкин и др., 1984; Пудовкин, Манченко, 1984; Пудовкин, 1987а, б; Пудовкин, Манченко, 1989.

На рис. 2 показаны величины ГР для этих же 20 видов, а также других 68 видов морских беспозвоночных разных таксономических групп (губок, кишечнополостных, ракообразных, полихет, немертин, форонид, сипункулид, брахиопод, моллюсков, иглокожих), изученных в лаборатории автора его сотрудниками (Манченко, 1989; Заславская и др., 1992). На этом рисунке приведены также литературные данные в отношении морских беспозвоночных. На рис. 3 представлены распределения величин ГР для 237 видов морских беспозвоночных; сюда включены данные по 88 видам, изученным в нашей лаборатории, и по 149 видам, сведения о которых найдены в литературе. Эти 237 видов относятся к следующим таксономическим группам (в скобках указано число исследованных видов): ракообразные (76), кишечнополостные (46), моллюски (46), иглокожие (34), губки (11), полихеты (8), немертины (7), брахиоподы (4), форониды (3), хелицеровые (1), сипункулиды (1). На рис. 4 приведены средние значения ГР для перечисленных групп беспозвоночных, а также для 551 вида позвоночных и 254 видов неморских беспозвоночных (последние две группы данных заимствованы из обзора Nevo et al., 1984).

Из рассмотрения приведенных данных следует:

1) морские беспозвоночные характеризуются уровнем изменчивости, существенно большим, чем позвоночные (величины ГР равны, соответственно 0,145±0,008 и 0,054±0,005);

2) морские беспозвоночные имеют более высокий уровень ГР, чем неморские беспозвоночные (0,145±0,008 и 0,099±0,006);

3) среди морских беспозвоночных ракообразные обладают значительно меньшим ГР (ракообразные: 0,061+0,006; все остальные: 0,184+0,009); другие группы морских беспозвоночных не обнаруживают контрастных различий в уровне ГР.

Итак, гипотеза, высказанная впервые Силандером и Кауфманом (Selander, Kaufman, 1973) на основе очень ограниченного материала (44 вида) - о более высоком ГР у беспозвоночных в сравнении с позвоночными - теперь представляется вполне подтвержденной (по данным о 1042 видах животных). Однако теперь стало ясно, что наибольшее ГР характерно не для всех беспозвоночных, а для морских беспозвоночных (за исключением ракообразных). Причины отличия ракообразных от всех других морских беспозвоночных совершенно неясны, и нам не удалось найти обсуждения этого факта в литературе.

В табл. 2 приведены оценки эффективной численности (вехние и нижние границы 95%-ых доверительных интервалов) для видов позвоночных, неморских и морских беспозвоночных (соответствуют значениям ГР, приведенным на рис. 4). Значения Л/9 рассчитывались из формулы [1] для двух значений частоты мутаций (ч): 10"7 (№е1,1984) и 5,25-10"8 (Пудовкин, Манченко, 1984); различия в значениях V обусловлены разными допущениями, в обоих случаях правдоподбными.

Полученные пределы для значений генетически эффективной численности видов представляются разумными - для позвоночных они составляют от 117711 до 336732, для морских беспозвоночных (без учета ракообразных) - от 547124 до 1357957.

2.2.3. Анализ литературных данных, систематизированных в форме базы данных. В рассмотрение были включены 157 работ, в которых содержались данные об аллозимной изменчивости в отношении отдельных локусов у позвоночных и беспозвоночных животных (для более чем 400 видов). В этих работах содержатся сведения в отношении 68 ферментных систем. У многих видов имеется несколько генных локусов, кодирующих ферменты с идентичной функцией (дуплицированные локусы). Для данных по всем 68 ферментам степень дуплицированности локусов составила 1,42 для беспозвоночных и 1,48 для позвоночных (в среднем 1,44).

Нашему анализу подвергались полокусные значения ГР Дожидаемой гетерозиготности, И). Если в работах-источниках эти значения отсутствовали, они вычислялись из аллельных частот. По некоторым ферментам данные скудны или просто единичны. По 43 ферментам изменчивость изучена у более чем 10 видов (см. табл. 3; эти данные составили 99,2% всех полокусных значений гетерозиготности). Отметим, что для этих 43 ферментов нет ни одного, который был бы полиморфным у всех изученных видов или, наоборот, был бы мономорфен у них. Степень полиморфизма варьирует от 6,8% (7 из 103 случаев для локуса креатинкиназы, Н = 0,010) до 78,3% (18 из 23 случаев для локуса алано-пиндегидрогеназы, Н = 0,276). На рис. 5 приведены значения Н и 95%-ые доверительные интервалы. Очевидна весьма существенная неоднородность различных ферментных локусов. На рис. 6 приведены распределения числа локусов по величинам ожидаемой гетерозиготности у беспозвоночных (суммарно 6430 локусов) и позвоночных (3941 локус) по 43 хорошо изученным ферментам. Видно, что в обоих случаях характер распределений довольно схож: распределения Ьобразны: имеется много мономорфных локусов (с нулевой гетерозиготностью) и некоторый "шлейф" полиморфных локусов. Видно также, что доля мономорфных локусов у беспозвоночных существенно ниже, чем у позвоночных (0,570 и 0,715; р« 0,001).

Величину средней ожидаемой гетерозиготности (Н) можно выразить следующим образом (Пудовкин, 1987):

Н = P-h, [2] где Р- доля полиморфных локусов, h - среднее значение ожидаемой гетерозиготности по полиморфным локусам (см. раздел 2.1.). Таким образом, средняя ожидаемая гетерозиготность разлагается на два независимых компонента - Р и h. Интересно, что в нашей совокупности данных Р и h обнаруживают коррелированность (г=0,429; р < 0,01). На рис. 6 (справа) приведены значения Р, Ни/) для позвоночных и беспозвоночных (по 43 ферментам). Видно, что статистически существенные различия между позвоночными и беспозвоночными наблюдаются по Р и Н (параметр, зависящий от Я), но не наблюдается по h. Ниже мы вернемся к этим различиям.

Наиболее полно представлены в рассматриваемых литературных данных 23 фермента (см. табл. 3) - в отношении них имеются сведения не менее чем по 20 видам в каждой из 2-х сравниваемых групп - позвоночных и беспозвоночных; эти данные составляют 82,6% всех полокус-ных значений гетерозиготности в нашей базе данных. На рис. 7 приведена диаграмма рассеяния для значений ожидаемой гетерозиготности по этим 23 ферментным локусам у беспозвоночных и позвоночных. Видно, что имеется статистически существенная коррелированность между этими значениями (г=0,639; р < 0,01). На рис. 8 приведены значения разностей (по Р, Н и h) у беспозвоночных и позвоночных по этим же локусам. Видно, что различия по Р и Н статистически существенны, тогда как доверительный интервал для разности по h перекрывает 0-ое значение. Таким образом, по этому параметру (гетерозиготности полиморфных локусов по 23 ферментам) беспозвоночные не отличаются от позвоночных, т.е. наблюдается та же закономерность, которая наблюдалась по данным о 43 ферментах.

2.2.4. Различие ГР у морских и наземных моллюсков. Из приведенных на рис. 2 и 4 данных с очевидностью следует, что морские беспозвоночные, в среднем, обладают уровнем ГР, статистически существенно более высоким, чем неморские беспозвоночные, а те, в свою очередь, имекЗт больший уровень ГР, чем позвоночные. Эти выводы получены при сравнении животных разных таксономических групп. Например, среди наземных беспозвоночных нет иглокожих (не бывает пресноводных иглокожих), а среди морских беспозвоночных нет насекомых. Поскольку разные таксономические группы могут весьма значительно различаться по уровню ГР (см. текст выше, рис. 3 и 4, а также Nelson, Hedgecock, 1980; Хеджкок, Нелсон, 1981; Ward et al., 1992), возникает вопрос, не создаются ли обнаруженные различия сравнением различных таксономических групп, отличающихся по уровню ГР, а не сравнением морских и неморских видов. Однако эта же закономерность наблюдается и в пределах одного таксона - у моллюсков (Пудовкин, Манченко, 1988). В табл. 4 приведены данные о ГР у морских и неморских двустворок и гастропод. Видно, что морские виды в обоих классах моллюсков имеют существенно более высокое ГР. Интересно, что аналогичные данные имеются и в отношении морских и пресноводных рыб (Gyliensten, 1985; Ward et al., 1994) - морские рыбы обнаруживают более высокий уровень аллозимного полиморфизма, чем пресноводные; проходные рыбы имеют промежуточное ГР.

2.2.5. Возможные причины большего внутривидового ГР у морских беспозвоночных в сравнении с наземными видами. Нам представляется, что эти различия вполне объяснимы, в основном, в рамках теории нейтральности молекулярного полиморфизма. Вряд ли возможно объяснить их с точки зрения приспособительности аллозимного полиморфизма, поскольку как морские беспозвоночные, так и наземные беспозвоночные - это гигантские группы животных, включающие виды самой различной таксономической принадлежности и характеризующиеся самыми разными экологическими особенностями. Едва ли можно предположить наличие у всех морских беспозвоночных какой-либо общей для них адаптивной стратегии, отличающей их от наземных беспозвоночных.

В теории нейтральности лишь два параметра - генетически эффективная численность (Л/„) и частота мутаций (v) ^ определяют ГР вида (см. формулу [1]). Вряд ли можно думать об отличии частоты мутирования у морских и наземных позвоночных. Для этого нет никаких оснований. Иначе обстоит делос генетически эффективной численностью. We в формуле [1] понимается как видовой параметр, усредненный (как гармоническое среднее) за весьма значительное время - равновесие, описываемое этой формулами, достигается примерно за 4Ng поколений (Kimura, 1983). Поэтому при оценке Ne следует учитывать эволюционную историю вида. Второй существенный момент - Ne относится ко всему виду, а не к отдельной популяции. Поскольку любой вид представляет собой пространственно подразделенную популяцибнную систему (см. Алтухов, 1989а), Ne зависит от;интенсивности генного потока (т) между популяциями, составляющими вид, и от частоты (Я) вымирания этих популяций и замены их новыми (Maruyama, Kimura, 1980):

Ne - n-N-m/k, [3] где Й- эффективная численность отдельной популяции, л - число популяций, составляющих вид.

Многие наземные виды (улитки, различные почвенные животные) имеют в настоящее время огромные численности. Эти виды состоят из локальных колоний (популяций), обмен между которыми очень ограничен. В силу естественных климатических флюктуации (засухи, морозы, лесные пожары, наводнения и пр.) многие колонии погибают, а потом заменяются новыми. В этом случае Ne для всего вида много меньше суммы Ne составляющих вид популяций (см. формулу [3]). Для морских видов такие ситуации менее характерны из-за высокой расселительной способности (соответственно, отношение /л/Я у морских видов больше, чем у наземных).

Таким образом, большее постоянство экологических условий в море и способность к интенсивному межпопуляционному генетическому обмену у морских видов делает менее вероятным для морских видов ситуации "бутылочного горла численности" (Nei et al., 1975). Соответственно, Ng для них выше, чем для наземных видов.

Непостоянство экологических условий заставляет виды, обитающие в таких условиях, постоянно претерпевать изменения своих генофондов. Эти изменения обусловлены действием естественного отбора, адаптирующего вид к новым условиям. В непостоянной экологической среде адаптирующий естественный отбор тоже меняет свою направленность и интенсивность. Как будет зависеть ГР в локусе, подверженном действию отбора, от его интенсивности и от уровня генетического обмена между популяциями? Экспериментально на этот вопрос пытался ответить Пауэлл (Powell, 1971). Его выводы состояли в том, что ГР в популяции тем выше, чем более разнородна среда обитания. Однако внимательный пересмотр его данных Неем (цит. по: Kimura, 1983) обнаружил, что в экспериментах Пауэлла утрата ГР в условиях гетерогенной среды была даже большей, чем предсказывалось теорией нейтральности. Таким образом, вопрос остался открытым.

Мы (совместно с Д.В.Зайкиным) попытались ответить на этот вопрос с помощью компьютерного моделирования. Моделируемая ситуация такова. Рассматривается изменчивость по одному генному локусу в 25 популяциях (равной численности Л/), в каждом поколении обменивающихся мигрантами. Рассматриваемый локус содержит 4 кодоми-нантных аллеля. Модель включала следующие шаги.

1) Все популяции инициируются генотипическими частотами, находящимися в Харди-Вайнберговских пропорциях. Стартовые частоты всех аллелей во всех популяциях равны 0,25. Соответственно, исходное значение ГР составляет 0,75.

2) Перед временем формирования гамет, на все популяции действует естественный отбор. В каждой популяции в каждом поколении направление и интенсивность отбора разные - коэффициенты отбора генерируются случайным образом со средним значением равным 0 и с известной дисперсией (о2), которая задается исследователем.

3) После действия отбора рассчитываются частоты аллелей и формируются гаметы. Происходит оплодотворение в каждой популяции. Генотипический состав в новом поколении снова оказывается в равновесии Харди-Вайнберга.

4) Между популяциями происходит обмен мигрантами: каждая популяция отдает т-Л/ своих особей в общий пул мигрантов и получает из него тоже т-Л/ особей. Численность популяций не меняется.

5) Возвращаемся к шагу 2 и делаем все последующие шаги столько раз, сколько поколений мы хотим наблюдать нашу эволюирующую популяционную систему.

На рис. 9 приведены результаты двух реализаций этой модели для следующих значений коэффициента миграции и интенсивности отбора: т = 0,01; а-0,50 и т~ 0,05; а- 0,10. Видно, что в первом случае (моделирующем наземный вид с низкой миграцией и со значительными колебаниями параметров среды) наблюдается значительное снижение ГР (от 0,75 до 0,60-0,65); во втором случае (симулирующем морской вид, находящийся под менее интенсивным давлением отбора и характеризующийся более интенсивной межпопуляционной миграцией) сни-, жение ГР значительно менее выражено (от 0,75 до 0,70).

Сравним, в самых общих чертах, недавнюю эволюционную историю наземных и морских видов. Четвертичный период характеризовался серией оледенений в высоких и умеренных широтах, похолоданием и уменьшением влажности в тропиках. Многие виды при этом вымирали, географические ареалы других сокращались, сокращалась численность видов. Некоторые виды переживали похолодание (или другие неблагоприятные условия) в рефугиях; при этом численность видов значительно сокращалась. Таким образом, многие виды претерпевали эффект "бутылочного горла численности", причем эти эпизоды пониженной численности затрагивали многие поколения. В таких условиях происходит значительная утрата ГР (см. е! а!., 1975), на восполнение которой требуется геологическое время, часто большее, чем продолжительность существования вида.

Имея в виду описанный выше сценарий эволюционных изменений, обусловливающий наличие меньшего ГР у наземных видов, можно понять, почему позвоночные (среди которых большинство - наземные виды) и беспозвоночные (среди которых много морских видов) отличаются по показателям Р и Н, но не отличаются по /? (ГР полиморфных локусов; см. раздел 2.2.3; рис. 6 и 8). В течение периодов "бутылочного горла численности" происходит утрата аллельной изменчивости во многих ло-кусах (фиксируется наиболее частый аллель), что отражается в меньшем Р (и, соответственно, Н). В локусах, которые остались полиморфными, тоже уменьшается ГР, их /? тоже снижается. Однако, после восстановления численности вида, эти локусы продолжают дрейфовать: в некоторых из них ГР уменьшается, в других - возрастает. Эти изменения, в условиях восстановившейся численности происходят сходным образом у позвоночных и беспозвоночных. Те же локусы, которые полностью утратили изменчивость в течение периода низкой численности, остаются мономорфными до тех пор, пока не "дождутся" нейтральной мутации (которые случаются редко, порядка 0,5-10"7 на локус, на поколение). Таким образом, утратившие изменчивость (мономорфные) локу-сы дольше сохраняют влияние периодов низкой видовой численности, которые имели место в эволюционной истории вида, что и отражается в повышенной доле мономорфных локусов среди позвоночных.

Похолодания приводили к существенному изменению условий существования, к которому виды или приспосабливались, или вымирали. Приспособление к новым условиям существования осуществляется за счет направленного естественного отбора, который в экстремальных условиях может быть весьма интенсивным. Интенсивный отбор снижает численность популяции, что в свою очередь, за счет стохастических процессов, еще больше снижает генетическую изменчивость. Кроме того, направленный отбор, как известно, непостредственно снижает ГР (Зои!е, 1976; см. рис. 10).

Поскольку за периодом похолодания наступает период потепления, "средовой ландшафт" вида снова меняется и естественный отбор приспосабливает вид к новым условиям обитания. Таким образом, наземные виды беспозвоночных (и позвоночных) эволюировали в условиях изменяющейся (иногда весьма радикально) среды обитания, что приводило к резким колебаниям видовой численности и изменениям генофондов в результате действия естественного отбора флюктуирующей интенсивности и направленности. Все эти факторы снижают ГР вида.

Каковы отличия эволюции морских видов в этот же период? Похолодания вызывали изменения географических ареалов. Северные границы видов смещались к югу. Однако в условиях моря резкое сокращение ареала и образование рефугий менее вероятно в силу большего постоянства средовых условий в море, из-за редкости физических изолирующих барьеров, а также из-за наличия у многих морских видов эффективных механизмов расселения (за счет планктонных стадий развития или других способов пребывания в толще воды и, соответственно, возможности разноса течениями). Поскольку водная среда по сравнению с наземной значительно более стабильна по своим свойствам, то и давление естественного отбора в ней будет менее интенсивно, соответственно и снижение численности вида будет менее выражено. Перечисленные различия между наземными и морскими видами обусловливают и разную геологическую продолжительность существования видов (см. ниже).

Выше говорилось, что формула [1] описывает равновесное состояние, достигаемое асимптотически за весьма значительное время. Если вид перенес ситуацию "бутылочного горла численности", которая длилась в течение достаточного времени (десятки и сотни поколений), то его генофонд окажется очень обедненным (Ые'| е1 а1., 1975). При восстановлении численности и при ее дальнейшем росте вид станет накапливать ГР (за счет мутационного процесса) и величина ГР станет стремиться к новому равновесному значению, соответствующему текущей численности вида. Как указывалось выше, ГР достигнет этого равновесного значения примерно через 4Л/е поколений. Для многих видов беспозвоночных Л/е составляет порядка миллиона особей, длительность поколения может быть несколько лет; скажем, 3 года. Тогда равновесное значение ГР будет достигнуто за 12 млн. лет. Поскольку продолжительность существования вида часто бывает меньше этой величины, это значит, что многие виды никогда не достигают равновесного значения ГР. Это также значит, что чем больше геологический возраст вида, тем большую изменчивость он должен был накопить (т.е. иметь большее значение ГР).

В этой связи интересны следующие данные. Геологический возраст большинства видов млекопитающих составляет 1-2 млн. лет (Webb, 1969), а у морских беспозвоночных - 6 млн. лет (Durham, 1971). Интересны данные в отношении ископаемых морских гастропод. Виды, с телепланической личинкой (находится в планктоне более 2 месяцев) имеют среднюю длительность существования 18,8 млн. лет; виды с более коротким пелагическим развитием имеют меньшую продолжительность существования - 13,5 млн лет (Scheltema, 1978). Все современные виды морских гастропод, для которых характерно длительное пелагическое развитие, имеют обширные географически ареалы и большой геологический возраст (Шелтема, 1981). Поскольку наземные виды беспозвоночных не имеют пелагической расселительной стадии, а также в связи с их иной, более драматической эволюционной историей, представляется, что наземные виды беспозвоночных имеют значительно меньший геологический возраст, чем морские беспозвоночные.

Факты и соображения, приведенные выше, компактно представлены в табл. 5. Безусловно, не все виды морских беспозвоночных обладают всеми перечисленными в таблице особенностями. Кроме того, эти особенности, когда они присущи видам, выражены у них в разной степени. Следует подчеркнуть, что некоторые факторы оказывают влияние на ГР двумя путями - опосредованным, за счет уменьшения Л/е и прямым, за счет непосредственного действия на ГР. Например, предполагаемая большая интенсивность естественного отбора, действующего на наземные виды, а) приводит к уменьшению численности вида (в связи с чем сдвигается величина равновесного значения ГР: см. формулу [1]), б) оказывает прямое эродирующее влияние на ГР - устраняет менее благоприятные аллели (см. рис. 10); в) увлекает к фиксации нейтральные аллели, сцепленные с теми, на которые действует отбор ("эффект попутчика").

Из табл. 5 видно, что большинство морских видов беспозвоночных действительно характеризуется особенностями биологии и экологии, которые прямо или опосредовано (через влияние на эффективную численность вида) способствуют наличию большего внутривидового ГР (в сравнении с наземными беспозвоночными).

2.2.6. Методические и концептуальные причины сложностей и неудач в выявлении корреляций в уровне ГР вида и его биологическими и экологическими особенностями. Как говорилось выше, в последние 20 лет высказывалось много гипотез, связывающих особенности биологии и экологии вида с уровнем его ГР (см. раздел 2.2.1). Однако, наблюдения (и основанные на них теоретизирования) одной группы авторов редко подтверждались работами другой группы авторов. Новые результаты генерировали новые гипотезы, которые опять не подтверждались в дальнейшем. Рассмотренные ниже факты и соображения -большой вклад "шумящей" нейтральной изменчивости, большие ошибки выборочное™ - делают понятным, почему до сих пор не получено повторяемых данных, показывающих наличие каких-либо биологически содержательных закономерностей, определяющих уровень аллозимной изменчивости у видов разной биологии и экологии. Возможно, "сигнал" -искомые корреляции - и имеется, но на фоне весьма значительного "нейтрального шума" его трудно выявить.

Когда высказывались гипотезы о механизмах поддержания генетического полимрфизма (роль адаптивных стратегий вида и пр.) имелось в виду, что вся выявляемая генетически детерминированная изменчивость селективно значима. Именно в таком понимании формулировалась гипотеза Левинса (Levins, 1968) и производные от нее гипотезы (см. раздел 2.2.1). Сейчас картина представляется иной. Основная масса молекулярной изменчивости - селективно нейтральна. Это аргументируется множеством фактов. Перечислим основные (Kimura, 1983; Nei, 1984, 1987):

1) большая изменчивость псевдогенов в сравнении функционирующими генами;

2) большая изменчивость 3-го нуклеотида в кодоне, замена которого является синонимичной (соответствует той же аминокислоте);

3) меньшая изменчивость участков генов, кодирующих функционально существенные части белковых молекул;

4) на белковом уровне - это меньшая частота аминокислотных замен в функционально нагруженных участках белковых молекул, зависимость средней частоты аминокислотных замен в рассматриваемом белке от "функциональной плотности" белковой молекулы.

На аллозимном уровне значительный вклад селективно нейтральной изменчивости выражается в зависимости ГР вида от его генетически эффективной численности (см. разделы 2.2.1 и 2.2.5). На этот фактор, не связанный с селективно значимой изменчивостью, приходится не менее 50% всех межвидовых различий по уровню ГР (и это лишь при самом приблизительном учете эффективной численности вида; при большей осведомленности на этот фактор может прийтись еще больше изменчивости). Второй существенный фактор - межлокусные различия в уровне ГР (тоже, в основном, обусловленные не слективными причинами - см. разделы 2.2.1 и 2.2.3; рис. 5). Содержательный анализ зависимости ГР в различных генных локусах от свойств кодируемых ферментов, их четвертичной структуры, от таксономической принадлежности видов показал (Ward et al., 1992), что на два фактора - эффективную численность вида и межлокусную дисперсию ГР - приходится более 70% всей аллозимной изменчивости (72,5 % у позвоночных, 75,9% у беспозвоночных). Таким образом на все остальные мыслимые факторы, которые могли бы определять величину ГР у исследуемого вида, остается менее 30% выявляемой изменчивости.

Еще одна причина трудностей в выявлении коррелированности между ГР видов и особенностями их биологии и экологии - большие ошибки выборочное™. На рис. 2 приведены 95%-ые доверительные интервалы для оценок гетерозиготности у трех видов, резко различающихся по гетерозиготности (указана в скобках): голотурия Euapta godef-froi (0,022), коралл Acropora florida (0,194) и моллюск Pinctada nigra (0,494). Видно, что доверительные интервалы чрезвычайно велики. Это делает межвидовые сравнения малосодержательными. Рассчитаем, каковы должны быть различия в величине гетерозиготности между двумя видами, чтобы их можно было выявить на уровне значимости а и с надежностью р. Это можно сделать по формуле (Cochran, Сох, 1957): dlsd = t{a) + f(p/2), [4] где d- разница между видами по величине гетерозиготности, sd - ошибка разницы, /(а) и í((3/2) - соответствующие нормированные отклонения в функции нормального распределения. Простые выкладки после упрощающих допущений (см. Пудовкин и др., 1984) позволяют вычислить минимальное число локусов для нескольких значений различий в величине ГР, чтобы с 95%-ой надежностью выявлять эти различия на 5% уровне значимости (см. табл. 6; в расчетах использовалась величина дисперсии полокусной гетерозиготности, равная 0,0305, которая получена для суммарного распределения гетерозиготностей, представленных на рис. 6).Заметим, что при вычислениях мы воспользовались нормальным приближением. При ограниченном числе локусов следовало бы использовать распределение Стьюдента, что еще увеличило бы минимальное число локусов. Вычисленные значения с очевидностью показывают, что при сравнении пар видов (при использовании реалистичного в настоящее время числа локусов - от 20 до 40) можно с уверенностью выявить лишь очень значительные различия - 0,15 и более. Поскольку максимальный диапазон различий гетерозиготности составляет 0,60 (см. рис. 2), а 90% всех значений гетерозиготности находятся в диапазоне 0,05 - 0,40, очевидно, что попарные видовые сравнения малоинформативны - в большинстве случаев различия окажутся статистически несущественными. Чтобы увеличить чувствительность сравнения, надо уменьшить ошибку разницы, для чего надо увеличить число локусов. Это можно сделать, рассматривая не пару видов, а группы видов, характеризующиеся определенными свойствами, например сравнивать тропические виды и умеренноводные, литоральные и глубоководные, виды беспозвоночных и позвоночных.

Из сказанного, однако, можно извлечь некоторую информацию для более эффективного планирования исследований. Для того, чтобы выявить возможно существующую взаимосвязь между особенностями экологии вида и уровнем его ГР, следует использовать набор локусов, идентичный для всех исследуемых видов. Это устранит межлокусный компонент досперсии по ГР среди видов, который весьма существен (до 50% наблюдаемой межвидовой дисперсии по ГР). Вторым моментом является отбор видов с известной эволюционной историей, чтобы устранить (или минимизировать) "эффекты бутылочного горла" (на них приходится тоже около 50% межвидовой дисперсии по внутривидовому ГР). Безусловно, оба эти требования сложно выполнить. Но если их соблюсти, тогда появится некоторая надежда "выявить сигнал на фоне шума" - обнаружить влияние факторов среды обитания на ГР.

2.3. Популяционно-генетическая структура у некоторых видов морских беспозвоночных

2.3.1. Изучение популяционно-генетической структуры морских беспозвоночных проводится, в основном, для выяснения следующих вопросов: а) влияние интенсивности межпопуляционного генетического обмена на пространственную генетическую дифференциацию видов; б) экологическая обусловленность пространственной и временной генетической дифференциации популяций. Помимо решения названных вопросов изучение популяционно-генетической структуры у видов разной биологии и таксономической принадлежности имеет и общебиологический интерес, поскольку популяционно-генетическая структура вида - существенная характеристика его биологии.

Знание популяционно-генетической организации промысловых видов имеет также очевидное практическое значение, поскольку именно популяции (или взаимосвязанные лолуляционные системы) являются единицами учета и управления промысловыми ресурсами вида (Алтухов, 1989а).

Мы исследовали популяционно-генетическую структуру у четырех видов (гребешка, мидии, устрицы и морской звезды патирии), в развитии которых имеется пелагическая (расселительная) личиночная стадия. В отношении этих видов мы предполагали обнаружить слабую пространственную дифференциацию. У брюхоногого моллюска литорины, не имеющей пелагической расселительной стадии, которую мы исследовали в отношении микропрастранственной гетерогенности, мы ожидали увидеть значительную пространственную дифференциацию.

В отношении двух промысловых видов (устрицы и гребешка) имелись литературные данные, но выводы разных авторов были противоречивы. Мидия Грея, литорина и патирия впервые изучены нами и нашими сотрудниками.

2.3.2. Гигантская устрица Сгабвозиеа д1да&. Излагаемые ниже результаты наших исследований устрицы опубликованы в следующих работах: Никифоров, Пудовкин, 1977; Пудовкин и др., 1979; Пудовкин и др., 1981; Пудовкин, Никифоров, 1982; Пудовкин и др., 1982; Никифоров, Пудовкин, 1988; Пудовкин, Никифоров, 1988. Гигантская устрица исследована по 11 полиморфным и 19 мономорфным аллозимным локусам в

6 локальностях в Приморье (см. рис. 11) и одной локальности на юге Сахалина (лагуна Буссе, зал. Анива; здесь изучены 10 полиморфных локусов). Полиморфизм был выявлен в локусах, кодирующих следующие ферменты (в скобках указаны обозначения локусов): аспартатами-нотрансфераза (АаП), изоцитратдегидрогеназа (№-2), кислая фосфа-таза (Ар), лейцинаминопептидаза (1ар-7, ¿.ар-2), октопиндегидрогеназа (ОсН1), 6-фосфоглюконатдегидрогеназа (6-Рдф, фумараза (Я/т-2), эсте-раза (ЕэМ), неидентифицированный мышечный белок (вр-12). В табл.

7 приведены данные об изменчивости изученных локусов и результаты теста на гетерогенность аллельных частот. Среди приморских поселений выявлена высоко существенная (р « 0,0001) пространственная гетерогенность аллельных частот в 10 локусах из 11. При попарном сравнении локальностей оказалось, что все они статистически существенно отличаются одна от другой. На рис. 12 представлены дендрограммы, визуализирующие генетические различия между всеми 7-ю исследованными поселениями по каждому отдельному локусу, а также суммарно по всем локусам. Видна "мозаичность" генетической дифференцированно-сти поселений - различные поселения отличаются по разным локусам. В целом, сахалинское поселение, удаленное от остальных приморских поселений на 750 км, наиболее значительно отличается от них. Усредненное попарное генетическое расстояние (От Нея) для приморских поселений составляет 0,016, а с включением сахалинского поселения оно становится равным 0,020.

По всем локусам, кроме Ос/Л, в приморских поселениях наблюдается дефицит гетерозигот (см. рис. 13), причем по семи локусам (Ар, 1.ар-2, Рдт-3, 6-Рдс1, Рит-2, ЕзМ, вр-12) он является высокосущественным. Обсуждение этого факта приводится в разделе 2.3.7.

Наиболее вероятными причинами, способными создать различия в частотах аллелей между 6-ю изученными приморскими поселениями, представляются следующие три: дрейф генов; приток генов из других поселений, генетически отличных от изученных нами; естественный отбор, благоприятствующий в разных поселениях различным генотипам.

Если различия между поселениями (происходящими от какой-то предковой популяции) созданы лишь дрейфом генов, то число поколений (0, необходимых для создания генетической дифференцированно-сти между популяциями, характеризуемой стандартизованной дисперсией аллельных частот (Fs(), оценивается формулой (Crow, Kimura, 1970): f = -ln(1-Fs,)-2/\fe. [5]

Генетически эффективная численность (Л/е) исследованных поселений составляет не менее 73000 особей (рассчитывалась как среднее гармоническое самых минимальных оценок численности каждого поселения). В соответствии с формулой [5], чтобы достичь при такой численности наблюдаемой дисперсии аллельных частот только за счет генного дрейфа, понадобится не менее 2500 поколений в условиях полной репродуктивной изоляции поселений. Поскольку гигантская устрица имеет пелагическую личинку, находящуюся в планктоне около месяца, кажется совершенно невероятным, чтобы поселения устриц, находящиеся на расстоянии 20-200 км одно от другого, в течение 2500 поколений не обменивались мигрантами. Более реальной представляется другая ситуация: наблюдающиеся различия между поселениями являются результатом равновесия между дифференцирующим действием дрейфа и интегрирующим влиянием миграции. Такая ситуация аппроксимируется островной моделью Райта и описывается выражением (Crow, Kimura, 1970): т = (1-Fs()/(Fst-4A/e) [6], из которого получаем

We = (1-Fs,)/(Fsr4m) [7].

Подставив в [6] фактические значения Fs, и Л/е получим т=0,0001, что представляется нереалистично малым. Если подставить в [7] более реалистичные значения коэффициентов миграции (0,10; 0,05; 0,01), то эффективные численности поселений должны составлять соответственно 73,145 и 726 особей, что, очевидно, не соответствует действительности. Изложенные соображения говорят о том, что дрейф не может быть единственным (или даже основным) фактором, создающим различия между исследованными поселениями устриц.

Представляется, что наиболее вероятной причиной, обусловливающей выявленные генетические различия между изученными приморскими поселениями, является естественный отбор, благоприятствующий в разных поселениях разным аллелям (или генотипам). Действие естественного отбора, очевидно, не исключает влияние дрейфа генов, а накладывается на него.

Таким образом, популяционно-генетическая структура гигантской устрицы в зал. Петра Великого представляется следующей. В заливе имеется несколько пространственно разобщенных поселений устриц (устричных банок), приуроченных к хорошо прогреваемым устьевым районам, в каждом из которых насчитываются десятки или сотни тысяч моллюсков (а в двух из них не менее, чем по миллиону особей). Генетически эти поселения очень схожи - усредненное генетическое расстояние для приморских поселений составляет лишь 0,016, а если учесть и все исследованные мономорфные локусы (их 19), то расстояние оказывается равным 0,0059. По-видимому, столь незначительная генетическая дифференцированность обусловлена значительным генетическим обменом между.поселениями, который осуществляется распространением планктонных личинок. Однако между поселениями имеются различия (статистически высоко значимые, см. табл. 7), предположительно обусловленные естественным отбором. По-видимому, различия возникают в течение жизни одного, ныне живущего поколения, поскольку постоянно нивелируются притоком мигрантов из других поселений и соответственно не достигают значительной величины. Огромная плодовитость устрицы (одна самка за нерест выметывает до 100 млн. яиц) может позволить популяции легко выдержать небольшие селекционные дифференциалы по многим локусам одновременно.

Популяционно-генетическая структура тихоокеанской устрицы изучалась также японским (Ри]ю, 1979) и американскими (Вигокег е! а!., 1979) авторами. Данные этих исследований выявляют картину генетической дифференциации поселений, очень близкую к той, которую выявили мы, однако трактовка полученных данных и понимание популяци-онно-генетической структуры у японского и американских авторов диаметрально противоположны и отличаются от наших. Фудзио исследовал 8 поселений, расположенных вдоль побережья на протяжении 50 км в небольшом заливе Исиномаки. Как и в нашем случае, между всеми поселениями (при попарном сравнении) обнаруживается статистически существенная гетерогенность аллельных частот. Усредненный по всем локусам показатель генетического расстояния (вычислен нами по приведенным в работе аллельным частотам) составил 0,0121 (для наших приморских поселений он составляет 0,0160). Однако Фудзио считает, что эти различия могут быть обусловлены генным дрейфом, что нам представляется совершенно невероятным. Трудно представить себе, чтобы поселения, находящиеся в среднем на расстоянии 6,25 км одно от другого в пределах небольшого залива, могли быть столь генетически изолированными. Американские авторы, наоборот, подчеркивают высокое генетическое сходство между поселениями из префектур Мияги и Хиросима (расстояние по морю между ними около 1500 км) и даже между португальским и японскими поселениями, что они объясняют значительным генетическим обменом между поселениями. Поскольку эти авторы оперировали только индексами генетического сходства и не рассчитывали показатели гетерогенности аллельных частот, они не заметили, что между двумя японскими поселениями имеются высокосущественные различия: суммарный по 12 полиморфным локусам показатель гетерогенности (рассчитывался нами) составил 245,2, что много больше критического значения х2 = 68>° (Для р=0,001 при 36 степенях свободы). Если же сравнивать суммарные генетические расстояния между исследованными нами приморскими и сахалинским (расстояние 750 км) поселениями и аналогичное расстояние между двумя японскими поселениями (расстояние 1500 км), то получим близкие величины: с учетом только полиморфных локусов (10 и 12) генетические расстояния составят 0,0285 и. 0,0186; с учетом полиморфных и мономорфных локусов (29 и 22) расстояния будут 0,0098 и 0,0102 (американские авторы рассматривали показатели, усредненные по полиморфным и мономорф-ным локусам).

2.3.3. Мидия Грея Crenomytilus grayanus исследовалась нами в двух сериях работ. Первый этап исследования выполнялся в конце 70-х годов (Картавцев, Пудовкин, 1977; Картавцев и др., 1977; Пудовкин и др., 1978; Картавцев, Пудовкин, 1978; Пудовкин и др., 1979; Пудовкин и др., 1981; Пудовкин и др., 1982; Картавцев, Пудовкин, 1983), второй этап - в начале 80-х (Балакирев, Пудовкин, 1984; Пудовкин, Балакирев, 1985). Эти исследования имели несколько различные цели и использовали разные аллозимные маркеры. На первом этапе изучалась популя-ционно-генетическая структура, в основном, в макропространственном масштабе (десятки и сотни километров); о микропрорстранственной изменчивости были получены лишь фрагментарные сведения. На втором этапе работа была сконцентрирована на микропространственном масштабе (десятки метров).

Макропространственная генетическая изменчивость изучалась в 5 локальностях в пределах Залива Петра Великого Японского моря (см. рис. 11). Расстояния между локальностями составляли от 20 до 200 км. Кроме этого были исследованы несколько локальностей в зал. Восток (залив второго порядка, входящий в зал. Петра Великого). Здесь расстояния между локальностями были от 2 до 10 км. Для характеристики генетической изменчивости использовались 5 полиморфных аллозим-ных локусов: тетразолиевой оксидазы (То-3 и Го-5), глутамат-оксало-ацетат трансаминазы (Got-1), 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (6-Pgd), лейцинаминопептидазы (Lap-1). В табл. 8 дана характеристика изменчивости и приведены результаты теста на гетерогенность аллельных частот. Аллельные частоты оказались очень близки как в зал. Восток, так и в пределах всего зал. Петра Великого - тест не выявил статистически существенной гетерогенности. Отсутствие пространственной разнородности в пределах не очень большого залива кажется вполне понятным, так как личинки у мидии Грея находятся в планктоне около месяца, что должно обусловить значительный генетический обмен между поселениями. Наибольшее значение показателя гетерогенности, хотя и не достигающее статистической значимости, наблюдается по локусу ¿.ар-7. В действительности изменчивость по этому локусу в зал. Восток изучена более подробно - в 9 локальностях; в табл. 8 для сопоставимости данных в отношении других локусов, для локуса ¿.ар-? приведены сгруппированные данные, объединяющие соседние выборки. Если рассматривать все 9 выборок по отдельности, то гетерогенность окажется значимой: X2 - 18,41, что больше ^(.05; 8) = 15,51. Таким образом, объединение выборок из соседних локальностей устраняет имеющуюся гетерогенность, а рассмотрение необъединенных данных позволяет выявить ее. В конце этой серии исследований, когда мы стали предполагать наличие микропространственной неоднородности аллельных частот, мы стали отмечать принадлежность животных отдельным друзам и таким образом получили возможность оценить генетические различия между отдельными друзами, находящимися в пределах одной локальности. В табл. 9 приведены такие данные в отношении изменчивости по трем локусам. Видно, что по локусам воН и 6-Рдб выявляется статистически существенная гетерогенность. Суммарно существенность гетерогенности для всех 3 локусов высока: X2 - 70,44 > ^(.001; 34) = 62,49.

По локусам То-3, воМ и 6-Рдс/ наблюдается статистически существенный дефицит гетерозигот (см. рис. 13). Обсуждение этого факта приводится в разделе 2.3.7.

Второй этап исследования мидии Грея был направлен непосредственно на выявление микропространственной генетической гетерогенности в отдельном поселении мидии. В зал. Восток были взяты выборки мидий в 15 точках (микролокальностях), расстояние между которыми составляло от 10 до 200 м (в среднем 40 м). В каждой точке с площади 1,5 х 1,5 м собирались 50-100 взрослых животных (5 лет и более). Иногда в такой микролокальности находилась одна друза мидий (она извлекалась целиком), иногда друза мидий и расположеные близ нее небольшие группки мидий и отдельные животные.

В качестве генетических маркеров использовали аллозимы четырех локусов: 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (6-Рдф, глюкозофосфат-изомеразы (вр/), неорганической пирофосфатазы (/рр) и фсюфоглкжо- . мутазы (Рдт). Эти 4 локуса были выбраны потому, что они высокополиморфны (см. табл. 10) и могут быть выявлены в результате одного сеанса электрофореза в одном блоке геля, что создает значительные удобства для анализа большого количества животных. В таблице указано количество изученных животных и приведены характеристики изменчивости в отношении каждого из 4 локусов; здесь же даны результаты теста на гетерогенность аллельных частот среди микролокальностей. Видно, что по всем локусам наблюдается статистически существенная гетерогенность. Суммированное по всем 4 локусам значение X2гетерогенности составляет 182,7 при 91 степени свободы; соответствующая этому вероятность нулевой гипотезы (однородность аллельных частот) много меньше 0,0001. Таким образом, наличие микропространственной гетерогенности в исследованной совокупности микролокаль-ностей не вызывает сомнения.

Следует заметить, что хотя по всем локусам выявлена статистически существенная разнородность, степень различий между микроло-кальностями очень мала - максимальная дифференциация наблюдается по локусу Рдт, но даже и здесь усредненное значение генетического расстояния (От) составило 0,011; по оставльным локусам оно значительно меньше (см. табл. 10).

На основании изложенных данных и соображений популяционно-генетическая структура мидии Грея представляется следующей. Каждое отдельное поселение является генетически гетерогенным, причем различия могут наблюдаться между группировками (например, друзами) находящимися на очень незначительном расстоянии друг от друга (метры или десятки метров). Личиночные пулы, производимые этими генетически отличающимися микропространственными группировками, смешиваются, и оседающая в разных участках залива молодь является гететически более однородной, чем взрослые особи. Иначе говоря, имеет место очень значительный генетический обмен между различными макро- и микролокальностями. По-видимому, в различных микроло-кальностях условия среды различаются и благоприятствуют преимущественному выживанию различных генотипов (т.е. имеет место разнообразящий естественный отбор). В результате этого происходит некоторая генетическая дифференциация микропоселений. Мы, полагаем, таким образом, что генетические различия между микропространственными группировками возникают в течениие жизни одного поколения (поэтому эти различия невелики). В какой период жизненного цикла действие отбра наиболее значительно, неизвестно. Отбор может быть весьма действенным на личиночной стадии, в период оседания.

2.3.4. Морская звезда РаАпа ресАпКега изучена в отношении изменчивости по трем аллозимным локусам (малатдегидрогеназы, Ш/?-1 и Ш/7-2; глютамат-оксалоацетаттрансаминазы, (ЗоП) в нескольких локальностях в зал. Петра Великого (см. рис. 11) и в одной локальности на о. Сахалин (лагуна Буссе, зал. Анива). Результаты этого раздела опубликованы в работах: Манченко, Пудовкин, 1977; Пудовкин и др., 1981. В табл. 11 приведены результаты теста на гетерогенность аллельных частот. Не выявлено статистически существенной гетерогенности ни в пределах зал. Петра Великого, ни при сравнении сахалинской выборки с приморскими поселениями.

Патирия имеет в своем развитии стадию личиночнки, находящуюся в планктоне до 4 недель. Поэтому генетическая однородность в пределах зал. Петра Великого кажется вполне понятной. Однако отсутствие различий между приморскими и сахалинским поселением, удаленном от первых на расстояние более 750 км, отделенным от них значительным пространством открытого моря, трудно преодолимого для личинок, представляется неожиданным (см. аналогичную географическую ситуацию в отношении устрицы, раздел 2.3.2, и гребешка, раздел 2.3.6). Однако следует иметь в виду, что патирия была изучена лишь в отношении 3 локусов. При большем наборе локусов ситуация может оказаться иной.

2.3.5. Брюхоногий моллюск (морская улитка) ЫНоппа вКкапа не обладает планктонной личиночной стадией. Самки откладывают кладки, из которых появляется молодь, ведущая ползающий образ жизни. За свою жизнь улитки не удаляются от места рюедения более, чем на несколько десятков метров. Эта особенность биологии 1. зМапа позволила предположить, что в поселении этих литорин может наблюдаться значительная микропространственная генетическая дифферен-цированность.

Результаты излагаемого в настоящем разделе исследования опубликованы в работе: Заславская и др., 1994. Исследования проводились в двух локальностях в зал. Восток, в 20 км от г. Находка. В первой локальности улитки собирались в бухте, защищенной от прибоя, среди крупных валунов. Сбор производился с площади 0,5 х 0.7 м, с поверхности валунов, расщелин и литоральных ванн. Вторая локальность находилась на противоположной стороне залива на расстоянии 4 км от первой. Здесь улитки собирались на галечном пляже. У них определялся возраст по кольцам нарастания на раковинах. При этом безошибочно определялась группа сеголеток, а остальные группы, чтобы избежать возможной ошибки, рассматривались суммарно. Кроме возраста учитывалась скульптурированность раковин. Были выделены две фенотипи-ческие группы - с наличием скульптуры и без таковой. Моллюски, собранные в первой локальности были сгруппированы в 4 возрастно-фенотипические группы; собранные во второй локальности - в 3 группы.

Для оценки генетической изменчивости литорин использовали ал-лозимы 5 полиморфных локусов; эстеразы О (Е^-О), глюкозофосфат-изомеразы (вр/), неорганической пирофосфатазы (1рр) и неспецифической эстеразы (Еэ^2 и Ег£-9).

Во всех выборках наблюдались равновесные пропорции генотипов. В табл. 12 приведены результаты теста на гетерогенность геноти-пических частот как при сравнении локальностей (суммарно для обеих возрастных групп), так и возрастных групп в пределах каждой локальности. Из таблицы видно, что по всем локусам наблюдаются статистически существенные различия между моллюсками из разных локальностей. При группировке по возрасту обнаруживаются различия между сегалетками и более старшими моллюсками в обеих локальностях. Максимальная дифференциация наблюдается по локусам Est-2 и Est-9. При группировке по раковинным фенотипам (скульптурированные или без скульптуры) статистически существенных различий не выявляется.

Частоты генотипов по локусам Gpi и Est-2 не различаются в возрастных группах. Максимальные различия между возрастными группами наблюдаются в локусе Est-9. Суммарное значение показателя X2, оценивающего существенность различия между возрастными группами по частотам генотипов этого локуса, равно 22,26 (d.f.= 4; р < 0,0005), По этому же локусу наблюдается максимальное различие между локально-стями. Следует отметить, что возрастные различия по этому локусу од-нонаправлены в обеих локальностях: с возрастом уменьшается частота преобладающего аллеля. Детальный полокусный анализ позволяет обнаружить возрастные различия также по локусам /рр и Est-D.

Рис. 14 визуализирует генетические различия между всеми 7 выборками (возрастно-фенотипическими группами), представленными в координатах главных факторов. Первый фактор, на который приходится 64% общей изменчивости, отражает дифференциацию между моллюсками из разных локальностей. Второй главный фактор, включающий около 22% общей изменчивости, отражает различия между сеголетками и моллюсками других возрастных групп.

Обнаруженную пространственную генетическую дифференциацию легко можно было бы объяснить лишь дрейфом генов. Однако выявленные нами различия в генотипическом составе между сеголетками и половозрелыми моллюсками в пределах каяодой локальности свидетельствуют о влиянии естественного отбора на дифференциацию двух поселений. Следует отметить, что выявленные пространственные и возрастные различия, хотя статистически высоко значимы, очень малы по абсолютной величине. Среднее генетическое расстояние (Dm) по всем 5 локусам составляет 0,019 между локальностями и 0,002 между возрастными группами.

2.3.6. Двустворчатый моллюск приморский гребешок Mizu-hopecten yessoensis был изучен нами наиболее полно - локальности сбора моллюсков охватывают практически всю российскую часть его географического ареала (см. рис. 15): япономорское континентальное побережье (Приморский и Хабаровский края), о. Сахалин, южнокурильское мелководье. Материалы этого раздела опубликованы в следующих работах: Пудовкин, Долганов, 1994; Pudovkin, Dolganov, 1995; Dolganov, Pudovkin, 1995; Долганов, Пудовкин, 1997; Пудовкин и др., 1998; Долганов, Пудовкин, 1998).

Животных собирали в течении четырех летне-осенних сезонов. Для сбора гребешков организовывались месячные экспедиции на небольшом судне (MPC), способном к автономному плаванию в открытом море, вдоль приморского побережья, на о. Сахалин и Курильские о-ва. В Приморье (куда мы будем относить также прибрежные локальности, административно входящие в Хабаровский край) гребешков собирали в 19 локальностях вдоль побережья на протяжении 1200 км от о. Фуру-гельма на юге (близ корейской границы) до зал. Чихачева (Татарский пролив) на севере. На Сахалине гребешков собирали в заливах Анива и Терпения, на Курильских островах в 3-х локальностях - близ островов Анучина и Шикотан и в зал. Измены. В некоторых локальностях брались повторные выборки, от 2 до 4 раз. Всего было собрано и генотипирова-но более 4300 животных.

Для характеристики генетической изменчивости использовалось 6 высокополиморфных локусов: аспартатаминотрансферазы (Аа*), зсте-разы (EstD-2), глкжозофосфат-изомеразы (вр/), октопиндегидрогеназы (ОЩ, фосфоглюкомутазы {Рдт) и неидентифицированного мышечного белка (Ср-1). В табл. 13 приведены некоторые показатели генетической изменчивости гребешка по каждому исследованному локусу.

Поскольку частоты аллелей во всех повторных выборках из одних и тех же локальностей оказались гомогенными, все повторное™ были объединены. Таким образом, мы располагали данными о тенотипиче-ских и аллельных частотах в 24 локальностях. Генотипические частоты во всех локальностях и по всем локусам не отличались статистически существенно от равновесных (по Харди-Вайнбергу); оценка существенности производилась с учетом поправок на множественность тестов (см. Зайкин , Пудовкин, 1991). На рис. 16 графически представлены генетические различия между гребешками из всех 24 локальностей. Видно, что выявляется компактный приморский кластер (включает все приморские выборки, кроме фуругельмской), от которого примерно на равном удалении находятся фуругельмская-выборка (обозначена цифрой 1), выборка из зал. Анива (20), выборка из зал. Терпения (21) и три курильские выборки (22, 23 и 24). В табл. 14 приведены результаты теста на гетерогенность 19 приморских выборок. Видно, что статистически существенная гетерогенность среди приморских локальностей создается лишь одной локальностью, фуругельмской (что вполне соответствует диаграмме на рис. 16). Частоты аллелей среди остальных 18 приморских выборок вполне однородны. В приморских поселениях отсутствуют и возрастные различия. У 1500 гребешков был определен возраст (по кольцам нарастания на раковине). Эти гребешки были разделены на 7 возрастных групп (6 групп от 1 года до 6 лет и седьмая группа включала гребешков 7 лет и старше). Между этими группами не было обнаружено гетерогенности аллельных частот. Эти же 1500 гребешков были сгруппированы по годам рождения й 9 групп (1979-1987 годов рождения): Между годовыми когортами тоже не было обнаружено различий в частотах аллелей. Выявленное временное постоянство генетического состава приморских поселений дополнительно свидетельствует о генетической гомогенности приморской популяции.

Различия между тремя курильскими выборками тоже оказались статистически несущественными (см. табл. 15). Таким образом, все исследованные нами локальности можно отнести к 5 различным группам: приморские локальности (за исключением фуругельмской), фургельм-ская, анивская, локальность в зал. Терпения, курильские локальности. Сведения о полокусных различиях при такой группировке даны в табл. 13. Видно, что по трем локусам (Gp/, Odh и EstD-2) гетерогенность отсутствует. Максимальная гетерогенность выявляется по локусу Gp-1. Усредненное по всем локусам значение Gs( составляет 0,018. Усредненное по всем парным сравнениям величина стандартного генетического расстояния Нея составляет 0,0172.

Отличие фуругельмского поселения от других приморских поселений представляет существенно иную ситуацию по сравнению с отличием, скажем, поселения из зал. Анива и приморскими поселениями. В последнем случае поселения разделены сотнями километров открытого моря, морскими течениями. И то, и другое моежет быть существенным препятствием для миграции личинок. В первом же случае фуругельм-ское поселение отделено от ближайших других приморских поселений лишь десятком километров мелководья, которые никак не могут быть серьезным препятствием для обмена личинками между поселениями. Однако фуругельмское поселение статистически существенно отличается от остальных приморских поселений и степень его отличия близка к таковой анивского поселения от приморских (генетические расстояния равны 0,05 и 0,08; см. также рис. 16). Мы полагаем, что отличие фуругельмского поселения обусловлено притоком личинок от какого-то другого, неизвестного нам поселения, находящегося к югу от фуругельмского (видимо, в водах Кореи). Интересно, что наше предположение нашло косвенное подтверждение в том, что только в фуругельмском поселении выявляется неравновесие по сцеплению (см. подробнее в работе: Пудовкин и др., 1998), что и должно наблюдаться в смешанной популяции (см. Nei, Li, 1973).

Популяционно-генетическая структура гребешка на охотоморском побережье Хоккайдо изучалась также японскими авторами (Kijima et al., 1984). В нашем и японском исследовании 4 локуса оказались идентичными - Рдт, Gpi, Aat и Gp-1. На рис. 17 показаны различия по этим 4 локусам между основными поселениями, изученными нами и японскими авторами. Видно, что хоккайдские поселения (пять генетически гомогенных поселений японских авторов на рисунке обозначены Я2) кластеризуются с нашими курильскими поселениями (объединенная выборка из курильских поселений 22-24 обозначена буквой К). Поселение из лагуны Notoro Lake (Я1) оказалось ближе к поселению из зал. Терпения (21).

На основании изложенных выше данных популяционно-генети-ческая структура гребешка представляется нам таковой. Имеются следующие генетически отличающиеся одна от другой группировки приморского гребешка: приморская, простирающаяся на 1200 км вдоль побережья Приморья от зал. Чихачева на севере до зал. Посьета на юге; на самом юге приморской популяции находится фуругельмское поселение, статистически существенно отличающееся от остальных приморских поселений (по-видимому, из-за притока иммигрантов); поселение в зал. Анива (юг о. Сахалин); поселение в зал. Терпения (середина охо-томорского побережья о. Сахалин); поселение на южно-курильском мелководье. К сожалению, на основании имеющихся данных не представляется возможность сказать о причинах генетической дифференциации между поселениями. Вероятно, это сочетание случайного дрейфа генов, дифференцирующего действия естественного отбора, благоприятствующего различным генотипам в разных локальностях, и эпизодического обмена личинками между пространственно разобщенными поселениями. Обширные участки открытого моря между поселениями могут являться эффективным барьером для обмена личинками. Поселения, находящиеся недалеко друг от друга вдоль береговой линии (как приморские поселения), по-видимому, очень интенсивно обмениваются личинками и поэтому составляют генетически единую популяцию.

2.3.7. Общие черты популяционно-генетической структуры изученных видов. Нами изучена популяционно-генетическая структура 5 видов морских беспозвоночных - гигантской устрицы, мидии Грея, приморского гребешка, морской улитки литорины и морской звезды па-тирии. В жизненном цикле 4 из этих видов имеется планктонная личиночная стадия. У литорины такая стадия отсутствует - из кладки вылупляется молодь, ведущая ползающий образ жизни. Как и ожидалось, у видов с планктонной личиночной стадией либо не наболюдается пространственной дифференциации (у мидии Грея, при рассмотрении в макромасштабе; у морской звезды патирии), либо дифференциация очень слаба (приморский гребешок, гигантская устрица). Иная ситуация наблюдается у литорины - дифференциация даже между близкими ло-кальностями вполне ощутима, а дифференциация в макромасштабе весьма значительна. В табл. 16 приведены показатели пространственной дифференциации, которую мы выявили у изученных видов.

Различия в степени пространственной дифференциации у видов, имеющих планктонную расселительную стадию, и видов, не имеющей таковой, исследовались многими авторами. Бергер (Berger, 1973) сравнивал степень пространственной дифференциации у трех видов литорин - Littorina littorea (имеет планктонную личинку) и L. saxatilis и L. obtusata (не имеют планктонной личинки). Уровень пространственной гетерогенности двух последних видов оказался в несколько раз выше, чем у L. littorea. Сравнив 7 видов литорин, имеющих планктонную личинку, и трех видов литорин, не имеющих таковой, Уорд (Ward, 1990) заключает, что первые 7 видов обнаруживают в три раза меньшую степень пространственной дифференциации, чем 3 вида с прямым развитием. Уэйплз (Waples, 1987) исследовал 10 видов морских рыб и показал, что степень внутривидовой генетической дифференциации отрицательно коррелирует с расселительными возможностями видов.

В весьма содержательном обзоре (Ward et а)., 1992) приводятся данные о внутривидовой дифференциации (оцениваемой показателями Gs( и Dm) в пяти классах позвоночных и четырех группах беспозвоночных (у насекомых, ракообразных, моллюсков и "других"). В среднем, для исследованных 44 видов моллюсков Gst составляет 0,263. К сожалению, авторы обзора не приводят данных в отдельности для морских (многие из которых имеют расселительную личиночную стадию) и наземных видов, а также не указывают географического расстояния между сравниваемыми популяциями. Из приведенных в обзоре распределений значений Gst видно, что 18% видов имеет значение G5< меньше 0,05, а у 52% видов Gst больше 0,20. У птиц, которые являются группой, обнаруживающей минимальную внутривидовую дифференциацию (в среднем Gst составляет 0,076 у 16 изученных видов), 44% видов имеют Gs( меньше 0,05 и 6% видов имеют Gs( больше 0,20. Аналогичные цифры для 46 видов насекомых таковы: Gst в среднем составляет 0,097, меньше 0,05 -у 46% видов, больше 0,20 - у 20%. Таким образом; обнаруженные нами контрастные различия в степени пространственной дифференциации у Littorina sitkana (имеющей прямое развитие) и четырьмя другими видами (имеющими расселительную личиночную стадию) подтверждают наличие отчетливой обратной зависимости между степенью пространственной дифференциации вида и его расселительной способностью.

Интересной неожиданностью при исследовании мидии Грея оказалось обнаружение микропространственной генетической дифференциации (см. раздел 2.3.3) - наличие статистически существенных различий частот аллелей между группами моллюсков, находящихся на расстоянии нескольких метров или десятков метров. Поскольку у мидии Грея имеется личиночная стадия, находящаяся в толще воды до месяца, нам представляется совершенно неправдоподобным предполагать, что имеется какая-либо генетическая изолированность микропоселений и генный дрейф может быть причиной выявленной гетерогенности. Нам представляется наиболее вероятным, что такой причиной может быть естественный отбор, благоприятствующий в различных микролокально-стях различным генотипам.

Создание микропространственной генетической дифференциации поясняет схема, приведенная на рис. 18. Здесь рассматривается следующая ситуация. На ограниченной территории имеется три (I, I! и III) поселения мидии (или другого прикрепленного донного беспозвоночного с планктонной личинкой). Личинки, производимые каждым поселением, распространяются, перемешиваются и формируют общий личиночный пул ("а" на рис. 18). Личинки, достигающие каждого поселения, генетически однородны. Однако в разных локальностях в связи с различными экологическими условиями происходит естественный отбор, который формирует специфический "генетический облик" поселения (на схеме различия в "генетическом облике" обозначаются фигурами разной формы - квадратами, треугольниками, ромбами). В результате, личиночные пулы, производимые отдельными поселениями, будут генетически несколько различны, но, перемешиваясь, они снова сформируют единый, гомогенный личиночный пул, и цикл повторится.

Схема иллюстрирует 3 ситуации.

A. В пределах каждой локальности экологические условия одинаковы, поэтому более мелкие группировки животных (1, 2 и 3), составляющих поселение данной локальности, например отдельные друзы или группы друз, приуроченные к благоприятному для них участку грунта, будут генетически эквивалентны. Однако поселения из разных ло-кальностей будут различаться из-за действия отбора, адаптирующего "генетический облик" поселения к конкретным экологическим условиям. Поэтому при сравнении аллельных частот в различных поселениях будет выявляться гетерогенность.

Б. В пределах каждой локальности имеется микропространственная экологическая дифференцированность, т.е. несколько различных стаций. Поэтому отдельные микропоселения (1,2 и 3), приуроченные к различным стациям, будут оказываться в несколько различных условиях и отбор будет формировать в каждом из них специфический "генетический облик". В разных локальностях в равной степени выражены все три стации, населенные примерно равным количеством особей. Поэтому усредненные выборки из разных поселений будут генетически эквивалентными и в целом будет наблюдаться гомогенность аллельных частот. Иначе говоря, имеющаяся в действительности генетическая дифференцированность поселений не будет обнаружена.

B. Ситуация, близкая к Б, но в каждом поселении в различной степени представлены разные стации. Соответственно будут разниться по численности микропространственные группировки, имеющие различный "генетический облик": в первом многочисленно микропоселение с обликом "1", во втором - "2", в третьем - "3". Усредненный облик каждого из поселений будет отличаться от облика других поселений, в результате будет наблюдаться гетерогенность аллельных или генотипических частот.

Безусловно, рассмотренные случаи весьма схематичны. Отдельные стации, рассмотренные в пунктах Б и В, могут резко не разграничиваться, а постепенно перехолить одна в другую. В этом случае не будет генетически дискретных группировок, а будут иметь место микропространственные клины. Кроме того, микропространственные группировки могут генетически различаться, даже не будучи приуроченными к различным стациям, поскольку селективный агент, вызывающий генетическую дифференциацию, не обязательно связан с визуально выявляемыми ландшафтными различиями. Очевидно, наиболее общей ситуацией является вариант В, а А и Б - частные случаи.

По видимому, для мидии Грея характерна популяционная структура типа Б. У нее выявляется микропространственная гетерогенность. Однако при рассмотрении генетических различий в макромасштабе гетерогенность не выявляется. Для устрицы, видимо, характерен тип А или В.

Поскольку микропространственная гетерогенность у устрицы не изучалась, то отличить эти два типа мы не можем. Однако есть косвенное свидетельство наличия микропространственной неоднородности у устрицы - дефицит гетерозигот. На рис. 13 приведены данные о наличии дефицита гетерозигот в поселениях мидии и устрицы. Наблюдаемый в наших данных дефицит гетерозигот у устриц и мидий обусловлен, мы полагаем, эффектом Валунда - смешением личиночных пулов от генетически различающихся микропоселений, различия между которыми обусловлены разнообразящим отбором.

Дефицит гетерозигот часто наблюдается в поселениях морских моллюсков. Общепринятого удовлетворительного объяснения этому явлению до сих пор не предложено. Механизмов его создания может быть несколько. В работе Тгасеу е{ а1. (1975) предложена интересная модель. В период размножения генетически гомогенные популяции морских донных беспозвоночных распадаются на множество мелких эфемерных репродуктивных группировок, в пределах которых и осуществляется перекрестное оплодотворение. Действительно, при наружном оплодотворении, наблюдающемся у многих морских беспозвоночных, выметываемая самцами сперма способна оплодотворить яйцеклетки лишь в непосредственной близости, в пределах нескольких метров. Поскольку описанные выше репродуктивные группировки имеют весьма ограниченную численность (единицы или десятки особей), то их геноти-пический состав будет отличаться от такового соседних группировок в силу дисперсии выборочности. Молодь (личинки), произведенная такими группировками, будет перемешиваться и в целом среди молоди должен наблюдаться дефицит гетерозигот по всем полиморфным локу-сам из-за эффекта Валунда.

Пудовкин и Животовский (1980) показали, что эта привлекательная гипотеза неверна. После нашей недавней работы (Рийоук'ш е1 а1., 1996) можно несколько иначе продемонстрировать ошибочность гипотезы Трейси. Действительно, если частоты аллелей различаются среди репродуктивных группировок, то должен наблюдаться эффект Валунда:

Нт = Ннш-2аг(гд), [8] где Нт- гетерозиготность популяции, ожидаемая согласно модели Трейси; HHW-равновесная гетерозиготность в популяции; с?(гд) - дисперсия аллельных частот среди репродуктивных группировок в пределах популяции.

Однако в силу той же причины - малочисленности репродуктивных группировок - между самками и самцами должны наблюдаться различия в аллельных частотах. В силу этих различий в потомстве должен наблюдаться избыток гетерозигот {Robertson, 1965):

HR = HHW + <?(m/f), [9] где HR- гетерозиготность в популяции в соответствии с моделью Ро-бертсона, самцов и самок (матерей и отцов) из разных репродуктивных группировок. Поскольку численность репродуктивных группировок вдвое (при равном соотношении полов) больше числа самцов или самок по отдельности, то c?(m/f) = 2а2(гд). В реальности в популяции происходит наложение этих двух процессов - эффекта Валунда (создающего нехватку гетерозигот) и эффекта Робертсона (приводящего к избытку гетерозигот), которые, как показано выше, полностью уравновешивают друг друга. В результате при популяционной структуре, рассмотренной Трейси и сотрудниками, которая действительно характерна для многих морских беспозвоночных, наблюдается полное соответствие равновесию Харди-Вайнберга.

Еще один механизм создания микропространственной генетической гетерогенности предложен Д.Хеджкоком (Hedgecock, 1994). Его гипотеза состоит в том, что в силу значительных флюктуации биотических и абиотических условий (течения, температура, соленость, погодные условия, доступность пищи для личинок и пр.) подавляющее большинство личинок погибает. Успешно претерпевают метаморфоз и оседают лишь очень немногие. Поскольку плодовитость животных, имеющих планктонную личиночную стадию, очень велика (одна самка выметывает многие десятки миллионов личинок) возможна ситуация, что вся молодь, составляющая когорту оседания, происходит от одной или нескольких самок, которым "повезло" отнереститься в подходящее "окно" экологической мозаики, что случается редко. В этом случае между различными когортами оседающей молоди должны наблюдаться генетические различия в силу случайности формирования родительских групп (вариант дрейфа генов; эта ситуация близка той, которую рассматривали Тгасеу еу al., 1975). Поскольку в разные годы или в разные эпизоды оседания могут оказаться доступными для оседания разные микролокальности, то временная генетическая гетерогенность между различными когортами молоди транслируется в пространственную гетерогенность.

Хотя мы согласны, что сценарий Хеджкока правдоподобен, в нашем случае он маловероятен. При исследовании микропространнствен-ной гетерогенности у мидии Грея из микролокальности извлекали практически всех животных, которые имели самый разный возраст - от пяти до нескольких десятков лет (мидия Грея - долгожитель; встречаются экземпляры с возрастом около 100 лет). Таким образом, население каждой микролокальности происходит от многих разных когорт оседания. Поэтому возможные генетические различия между разными когортами оседающей молоди должны были бы нивелироваться при рассмотрении многовозрастных выборок. Кроме того, при справедливости сценария Хеджкока должен наблюдаться избыток гетерозигот (см. Pudovkin et al., 1996), чего мы никогда не наблюдали.

Выше мы отмечали, что выявленная пространственная генетическая дифференциация, хотя и высоко значима статистически, мала по абсолютному значению (см. табл. 16). Мы это объясняем тем, что дифференциация создается естественным отбором в течение жизни лишь одного поколения, поскольку из-за значительного генетического обмена между поселениями (осуществляемого планктонными личинками), личиночные пулы от разных поселений перемешиваются и оседающая молодь генетически однородна. Сказанное справедливо для поселений в пределах зал. Петра Великого. Однако при рассмотрении поселений, находящихся на значительном расстоянии, отделенных одно от другого водами открытого моря, являющимися барьером для обмена личинками, ситуация становится иной. Различия между такими генетически изолированными поселениями, создающимися дрейфом генов и дифференцирующим отбором, накапливаются от поколения к поколению. Видимо именно поэтому сахалинское поселение устрицы наиболее значительно отличается от всех приморских поселений (см. рис. 12). Поселения гребешка на Сахалине и Курильских островах отличаются от огромной приморской популяции, простирающейся вдоль материкового побережья более чем на 1200 км (см. рис. 16).

У морской улитки Littorina sitkana планктонная личинка отсутствует. Поэтому различия, создаваемые дрейфом и отбором, накапливаются в поколениях. В результате генетическая дифференциация между двумя поселениями, находящимися на расстоянии лишь 4 км, оказывается больше, чем между поселениями гребешка, разделенными 1200 км. При увеличении расстояния между поселениями литорин генетические различия между ними значительно возрастают (см. табл. 16).

Конечно, следует понимать, что выявленние генетических различий в очень значительной степени зависит от тех генетических маркеров, которые использует исследователь. Например, при исследовании гребешка были использованы 6 генных локусов. По трем из них (Рдт, Aat, Gp-1) была выявлена высоко значимая гетерогенность. Однако по трем другим (Gpi, Odh, EstD-2) различия между поселениями, находящимися на расстоянии сотен километров одно от другого, были статистически несущественны (табл. 13). Если бы в нашем наборе локусов не оказалось первых трех информативных локусов, мы не смогли бы выявить генетических различий между поселениями.

В настоящее время при изучении популяционно-генетической структуры широко используются ДНКовые маркеры. Иногда оказывается, что те популяции, которые были гомогенными при использовании аллозимных маркеров, обнаруживают существенную генетическую дифференцированность при использовании ДНКовых маркеров. Такая картина, например, наблюдалась при исследовании американской устрицы Crassosrea virginica (Reed, Avise, 1990; Karl, Avise, 1992). Безусловно, может оказаться, что при использовании других маркерных систем, популяционно-генетическая структура изученных нами видов может оказаться несколько иной, чем нам представляется сейчас.

В этой связи интересно рассмотреть результаты исследования, проведенного американскими авторами (Wilbur et al., 1997). Эти авторы, используя рестрикционный анализ митохондриальной ДНК, сравнили предоставленные нами образцы от 20 особей гребешка из Амурского залива (входит в зал. Петра Великого) с 9 особями из заливов Муцу (север о. Хонсю) и Учиура (юг о. Хоккайдо). Выяснилось, что между приморскими и японскими гребешками существуют статистически существенные различия в частотах гаплотипов. Однако при детальном сравнении отдельных гаплотипов оказалось, что различия между ними очень незначительны - от 1 до 3 нуклеотидных замещений. При этом многие приморские гаплотипы отличались от японских гаплотипов всего лишь одним нуклеотидным замещением. Такой характер различий говорит о недавних (в геологическом смысле) генетических обменах между приморскими и японскими поселениями. Обсуждая работу Wilbur et al. (1997) трудно не заметить огромное различие в производительности методов - мы, используя аллозимные маркеры, изучили более 4000 особей по 6 локусам, тогда как американские авторы смогли проанализировать лишь 29 особей и лишь по митохондриальной ДНК, представляющей собой фактически один генный локус (из-за отсутствия рекомбинации у митохондриальной хромосомы).