Особенности расселения обыкновенных бурозубок (sorex araneus l.) как фактор ограничения генного потока
На правах рукописи
Тумасьян Филипп Анатольевич Особенности расселения обыкновенных бурозубок (Sorex araneus L.) как фактор ограничения генного потока Специальность 03.02.08 – экология (биологические наук
и)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва 2013
Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном Учреждении Науки Институте проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН Научный руководитель д.б.н. Щипанов Николай Александрович
Официальные оппоненты:
Северцов Алексей Сергеевич, д.б.н., профессор, зав. кафедрой биологической эволюции биологического факультета Федерального государственного образовательного учреждения Высшего профессионального образования Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова Хляп Людмила Айзиковна, к.б.н., с.н.с лаборатории сохранения биоразнообразия и использования биоресурсов Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Науки Института проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН
Ведущая организация: Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Систематики и Экологии Животных СО РАН (г.
Новосибирск)
Защита состоится 21.05.2013 г в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 002.213.01 в Институте проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН по адресу г. Москва, Ленинский просп., д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН Автореферат разослан 19.04.2013 г Секретарь диссертационного совета:
к.б.н. Кацман Елена Александровна
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы и степень её разработанности Представление о начальных этапах дивергенции за счет ослабления потока генов между отдельными популяциями вида важно для понимания механизмов возникновения генетически обособленных парапатричных форм (Coyne, 1992;
Coyne, Orr, 2004;
Gavrilets et all., 1998;
2000). Как отмечает Г.М.
Хьюит (Hewitt, 1988), парапатрия распространена шире, чем кажется на первый взгляд. Однако далеко не все виды обладают формами с хорошо маркированными генетическими признаками и представляют удобную модель для исследования внутривидовой дифференциации. Обыкновенная бурозубка – один из таких видов, демонстрирующих впечатляющее количество хорошо различимых, генетически самостоятельных форм. Группы населения этого вида, которые наследуют общий набор акроцентриков и метацентриков, выделяют как парапатричные хромосомные расы (Hausser et al., 1994). К настоящему времени у обыкновенной бурозубки известно, по крайней мере, 74 такие расы (Wjcik et al., 2003;
Orlov et al., 2007;
Pavlova, 2010). Кроме подразделения на расы у этого вида обнаружено и явно выраженное структурирование на популяционном уровне, причем уровень различий между популяциями внутри одной расы соответствуют уровню различий между расами В общем виде факторы, (Polly, 2007).
способствующие ослаблению потока генов между такими парапатричными формами, могут быть разделены на внешние и внутрипопуляционные.
Внешние факторы более очевидны, но их далеко не всегда обнаруживают в реальных условиях. В частности, для большей части межрасовых гибридных зон обыкновенной бурозубки не выявлена связь их локализации с факторами среды. В этом случае их поддержание принято объяснять пониженной жизнеспособностью гибридов (Searle, Wojcik, 1998;
Bulatova et al., 2011). Однако это объяснение не подходит для популяций внутри одной хромосомной расы. Существует предположение, что ограничение потока генов между внутривидовыми формами обыкновенной бурозубки может быть связано с популяционными особенностями расселения (Shchipanov, 2007) и в таком случае не обязательно связано с наличием внешних преград.
Проведение исследований в зоне контакта генетически различных группировок, принадлежащих к одной хромосомной расе, позволяет исключить влияние пониженной жизнеспособности гибридов и оценить влияние особенностей расселения на ограничение генного потока. Такое исследование может внести вклад в понимание ранних этапов дивергенции вида у обыкновенной бурозубки.
Цель работы:
Оценить влияние особенностей расселения на ограничение потока генов между популяциями внутри одной хромосомной расы у обыкновенной бурозубки.
Задачи:
Оценить пространственно-генетическую неоднородность 1.
модельной популяции.
Оценить пространственное распределение особей и 2.
пространственную структуру популяции как результат расселения.
Оценить влияние запаха конспецифика на особенности 3.
перемещения молодых особей.
4. С использованием симуляционной модели проанализировать скорость и величину генного потока между популяциями с учетом возможных вариантов расселения.
Научная новизна работы Впервые проведены эксперименты с обыкновенными бурозубками в "открытом поле" и получены общие характеристики их исследовательского поведения. Показана разнокачественность особей по реакции на след конспецифика: выявлены особи, реагирующие на след, и зверки, индифферентные к этому сигналу. Экспериментально показано, что для особей, реагирующих на след конспецифика, привлекательность следа зависит от его давности. Предложена гипотеза, объясняющая связь типа поиска участка при расселении с индивидуальными различиями в выраженности реакции на запах конспецифика. Показано, что итоговое пространственное распределение особей соответствует различным типам поиска участка при расселении. Выявлено градиентное изменение соотношения особей с различным типом поиска на разных частях популяционного пространства. С использованием симуляционной модели ограничения генного потока, построенной с учетом реальных характеристик населения, показана возможность длительного ослабления генного потока при изменении типа поиска на периферии популяций.
Теоретическая и практическая значимость Полученные в ходе исследования результаты вносят вклад в понимание механизмов начальных этапов внутривидовой дивергенции:
разнокачественность особей, ключевой фактор для функционирования популяции как целостной системы, может приводить и к дифференциации локальных популяций внутри вида. Полученные результаты могут быть использованы в курсах лекций по популяционной экологии.
Практическими результатами исследования являются разработанные методики изучения поведенческих реакций на запах конспецификов в лабораторных и полевых условиях. Эти методики универсальны и могут быть использованы для различных видов мелких млекопитающих.
Методология и методы исследований Работа построена как проверка ключевых характеристик гипотезы о влиянии дифференцированного расселения на ограничение генного потока.
Для этого использовали метрические характеристики населения, полученные в природе с использованием апробированных и оригинальных методик.
Оценку пространственно-генетической неоднородности населения проводили при сравнении частот гаплотипов D-петли митохондриальной ДНК и аллелей микросателлитных локусов, взятых с 4 обследованных участков. Основные материалы диссертации получены методом мечения с повторным отловом на линиях живоловок. Эти материалы легли в основу оценок пространственного распределения особей и пространственной структуры популяции как итога расселения. Для оценки влияния запаха конспецифика на перемещение обыкновенных бурозубок использовали виварные эксперименты: классические тесты "открытого поля" и тесты в многокамерной вольере оригинальной конструкции. Для проверки полученных результатов в природных условиях использовали оригинальный тест с "чистыми" и "грязными" ловушками. Значение выявленных особенностей расселения для ограничения генного потока определяли при проведении симуляции с использованием компьютерного моделирования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Взаиморасположение участков особей в пространстве может быть охарактеризовано распределением дистанций до ближайшего соседа, полученных при учетах на линии. У обыкновенной бурозубки характер взаиморасположения участков особей свидетельствует о существовании двух различных типов поиска участка при расселении.
По реакции на запах конспецифика можно выделить 2.
индифферентных и реактивных к этому сигналу особей обыкновенной бурозубки. Различия в реакции на запах конспецифика определяют и различия в типе поиска участка при расселении.
3. Смена двух типов расселения, показанная у обыкновенной бурозубки, способна поддерживать ограничение генного потока даже при отсутствии внешних преград.
Степень достоверности и апробация результатов Основные материалы диссертации были представлены: на 3-х конференциях молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН "Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых" (Москва, 2006;
2008;
2010);
3-ей всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих международной (Новосибирск, 2007);
конференции "Целостность вида у млекопитающих (изолирующие барьеры и гибридизация)" международной конференции (Петергоф, 2010);
3-ей "Advances in the biology of shrews III" (Сыктывкар, 2010), IX Съезде Териологического общества при РАН "Териофауна России и сопредельных территорий" (Москва, 2011);
международной конференции "Проблемы популяционной и общей генетики" (Москва, 2011);
всероссийской научной конференции проблемы современной териологии" "Актуальные (Новосибирск, 2012). Работа также неоднократно обсуждалась на разных её этапах на семинарах лаборатории Популяционной экологии и межлабораторных семинарах ИПЭЭ РАН.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 в журналах, поименованных в списке ВАК.
Объем и структура Диссертация изложена на 168 страницах машинописного текста;
состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа иллюстрирована 30 рисунками и 15 таблицами. Список литературы включает 182 работы, из которых 113 на иностранном языке.
Благодарности Автор выражает сердечную признательность сотрудникам лаборатории популяционной экологии ИПЭЭ РАН и персонально С.А.
Шиловой, О.В. Бурскому, Б.И. Шефтелю за проявленный интерес к данной работе, а также людям, в разное время принимавшим участие в сборе полевого материала на стационаре Крутицы. Отдельная благодарность А.А.
Калинину, Т.Б. Демидовой, А.В. Купцову, С.В. Павловой, М.В. Холодовой, А.В. Чабовскому за неоценимую помощь в работе. Отдельно хотелось бы поблагодарить А.А. Распопову за разрешение использовать её материалы по молекулярным маркерам и коллег из Института Биологии им. Ненского Польской Академии Наук проф. Кристофа Турлейского Turlejski) (Krzysztof за возможность работать в его лаборатории и Александра Михальского (Aleksander Michalski) за помощь в использовании оборудования для анализа результатов опытов открытого поля. Нельзя не отметить терпение и понимание, проявленное со стороны моих родных и знакомых, за что и им большое спасибо. Данная работа не могла бы быть выполнена без грамотного руководства, терпения и конструктивной критики со стороны ее руководителя Николая Александровича Щипанова, благодарность которому от автора не имеет границ.
Работа выполнена при финансовой поддержке программ "Биоразнообразие" и "Живая природа" Президиума РАН, ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг.
(Госконтракт 02.740.11.0282), Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (МК-2500.2011.4) и грантов РФФИ 08-04-00553-а, 12-04-00937-а, 12-04-31200-мол_а.
Содержание работы Глава 1. Обзор литературы Сделан обзор основных работ по экологии и внутривидовой дифференциации обыкновенной бурозубки. Гибридные зоны хромосомных рас, могут быть связаны со средовым барьером (Fredga, 1996), различием предпочитаемых местообитаний (Polyakov et al., 2003), или не связаны с факторами среды (Орлов и др., 2012). Существование таких зон объясняют пониженной жизнеспособностью гибридов и, как следствие, ограничением генного потока между расами (Bulatova et al., 2011). Однако результаты анализа молекулярных маркеров противоречат представлениям об ограничении потока генов, связанного с признаком «раса» (Fivaz et al., 2003;
Horn et al, 2011). Изучение полиморфизма энзимов, молекулярной и морфологической изменчивости показывает, что различия между популяциями внутри расы могут быть не меньше, чем между популяциями разных рас (Balloux et al., 2003;
Ratkiewicz et al., 2003;
Polly, 2007;
Распопова, Щипанов, 2011;
Бобрецов, и др., 2012). Рассмотрена гипотеза о смене типа расселения на разных частях популяционного пространства как факторе ограничения генного потока (Щипанов и др., 2008). Проанализированы данные о расселении и использовании пространства обыкновенными бурозубками (Croin Michielsen, 1966;
Shillito, 1963;
Chirchfield, 1990;
Tegelstrm et al., 1991;
Hanski et al., 1991;
Stockley, 1992), о факторах, влияющих на формирование социальной системы бурозубок (Taylor, 1998;
Отмечена значимость ольфакторной коммуникации Rychlik, 1998).
(Churchfield, 1990).
Глава 2. Материалы и методы Место работы Материал собран в Старицком р-не Тверской области, где на участках проводили долгосрочные исследования бурозубок с использованием индивидуального мечения. Автор участвует в работе с 2006 г. Для леса около д. Крутицы – участок К (рисунок 1) обработаны данные за период с 1995 по 2008 г. Здесь были расположены 3 линии живоловок: 100 ловушек в ельнике (линия 1), 50 в сосняке (линия 2) и 50 в ольшанике (линия 3). Около д.
Заброво – участок З - наблюдения вели с 1997 по 2008 г. на двух линиях в ельнике по 50 ловушек каждая (линии 4 и 5). Около д. Боканово – участок Б, наблюдения проводили с 2006 по 2010 год, на лугу (линия 6) и на зарастающем поле (линия 7), по 50 ловушек каждая. В смешанном лесу между участками К, Б и З располагался участок В (см. рис. 1). Здесь учеты проводили только в отдельные годы (всего 8 лет) в период с 1997 по 2007 г, (линия 8, 100 ловушек). Дистанции между центрами всех участков (средние координаты всех учетных линий), измерены в приложении Google Earth без учета рельефа (см. рисунок 1).
Рисунок 1. Схема района исследований: К, Б, В, З – участки наблюдений;
1-8 – учетные линии;
9 – сосняки, 10 – зарастающие молодым лесом поля, 11 – смешанные и мелколиственные леса, 12 – ельники, отсутствие штриховки – луга и поля;
Стрелками обозначены кратчайшие расстояния между участками, их значения – на выносках справа.
Методы и материалы полевых исследований Отлов и мечение. Работу проводили с индивидуально мечеными зверьками в соответствии с разработанным протоколом (Щипанов и др., 2000), особенностью которого является короткая (3 часа в сутки) экспозиция настороженных живоловок, что позволяет особям большую часть суток перемещаться свободно. Относительную численность оценивали как количество пойманных обыкновенных бурозубок на 100 ловушек в среднем за один день во время учетной сессии. Использован материал по обыкновенным бурозубкам (17670 регистраций).
Молекулярные маркеры Ткани (фаланги пальцев) брали прижизненно, этикетируя индивидуальным номером особи. ДНК выделяли стандартным методом с использованием набора Diatom™DNA Prep (Изоген, Москва). Амплификацию митохондриальной ДНК проводили с праймерами L15774 (Shields, Kocher 1991) и H16498 (Southern et al., 1988). За основу взяты условия, описанные в работе Андерсон с соавторами (Anderson et al. 2005). Очищенный осаждением в NH4EtOH амплификат сиквенировали на автоматическом сиквенаторе ABI PRISM 3730 Applied Biosystems. Изучали изменчивость фрагмента левого вариабельного домена D-петли митохондриальной ДНК (138 н.п.). Получено 42 сиквенса. Кроме того, для оценки генного потока дополнительно были использованы 42 образца D-петли и данные по полиморфизму 85, 88, 89, 89, 87, 86 образцов микросателлитных локусов L9, L16, B30, D103, D106 соответственно, полученные А. А. Распоповой и проанализированные совместно (Щипанов и др., 2011). Выравнивание сиквенсов проводили в программе BioEdit 7.0.9.0 (Hall, 1999). Оценку генетической однородности проводили в парах выборок на основе анализа частот гаплотипов фрагментов D-петли мтДНК и аллелей микросателлитов.
Оценка распределения оседлых особей в пространстве Метрические характеристики использования пространства. Для оценки использован параметрический подход, позволяющий оценивать участок обитания среднестатистической особи (Shchipanov et al., 2005;
Щипанов и др., 2008, 2010). Основной параметр размера участка – средний радиус стандартной активности S, рассчитывали как среднее квадратичное отклонение всех координат регистраций от центра активности для особей с числом поимок 3 и более. Центр активности вычисляли для каждой особи как среднюю арифметическую координат регистраций.
Оценка взаиморасположения участков. Оценку проводили по двум независимым параметрам: 1) минимальной индивидуальной дистанции и 2) доле собственной активности хозяев участка, позволяющей оценивать дистанцию до соседа с учетом распределения активности особи в пространстве. Минимальной считали дистанцию между ближайшими центрами активности оседлых особей. Долю собственной активности хозяина участка оценивали как отношение суммы всех его поимок к сумме поимок ближайшего соседа в ловушки, посещенные и хозяином.
Взаиморасположение участков определяли для каждой учетной линии, исходя из распределения числа особей с различными дистанциями до соседа.
Распределение оценивали для дистанций, полученных за все годы наблюдений.
Эксперименты Исследовательская активность в поле". Опыты "открытом проводили в камере из прозрачного оргстекла размером 50х50 см.
Продолжительность опытов – 5 мин, эксперименты фиксировали на бытовую видеокамеру в отсутствии наблюдателя. Общие Sony Handycam характеристики исследовательской активности получены в дезодорированной, "чистой", камере. Влияние запаха конспецифика изучали в камере со следами предыдущего зверька – "грязной". Этот опыт начинали через 5 мин после предыдущего. Обработку видеоматериалов для получения длины пройденного маршрута проводили совместно с польскими коллегами, проф. К. Турлейским и А. Михальским. Наличие реакции на след конспецифика оценивали по различиям в средней длине трека в сериях опытов в "чистой" и в "грязной" камерах. Всего протестировано 11 сеголеток (6 самцов и 5 самок) в 65 опытах в "чистой" и 51 в "грязной" камерах.
Значимость следа конспецифика для выбора направления перемещения изучали в многокамерной вольере. Отдельные камеры были соединены переходами таким образом, что из центральной камеры вело четыре равных по длине маршрута (по 1.5 м) с равным количеством вертикальных переходов (по 4 перехода). Испытуемой особи предоставляли возможность выбора маршрута по следам конспецифика различной давности или без следа. Предпочтение того или иного маршрута оценивали для всей выборки по соотношению числа выбранных маршрутов и их предложений.
Каждого зверька использовали лишь в одном опыте. Всего проведен 61 опыт с сеголетками (32 самки и 29 самцов).
Полевой эксперимент по влиянию запаха конспецифика на использование особями пространства проводили, используя два набора однотипных ловушек. Один оставляли нетронутым, со всеми свойственными запахами – "грязные" ловушки, другой мыли и дезодорировали после каждой постановки – "чистые" ловушки. Чистые ловушки выставляли строго на место "грязных". Отлов "чистыми" и "грязными" ловушками чередовали через день. Значимость запаха для особей во всей выборке оценивали по различиям в уловистости в "чистые" и "грязные" ловушки. Характер использования пространства оценивали по соответствию распределения активности среднестатистической особи нормальному. В ходе эксперимента на участке Б поймана 131, на участке В – 28 особей (552 и 48 поимок соответственно).
Симуляции расселения Частоты расселения получены в уравнениях 1) "прямого поиска" (Murray, 1967) которое описывает распределение индивидуальных дистанций перемещения от места рождения в случайном направлении "по прямой". При таком типе расселения модальная дистанция всегда меньше размеров индивидуального участка. 2) В уравнении для "спирального поиска" (Waser, 1985), которое предполагает целенаправленный поиск свободного участка, ближайшего к натальному. Модальная дистанция расселения при спиральном поиске примерно равна диаметру индивидуального участка во всех случаях, когда вероятность расселения больше 0.5 (t 0.5).
Pn = t (1 t ) n (1) [ ](1 t ) Pn = 1 (1 t ) 1+ 3 n 2 3 n 6n (2) где Pn – вероятность обнаружения особи на n-ной дистанции от натального участка;
n – класс дистанции от натального участка, измеряемый в диаметрах среднего индивидуального участка;
t – скорость оборота популяции. Симуляцию доли особей, расселяющихся из двух соседних популяций с альтернативными маркирующими аллелями, проводили аналогично симуляции в гибридной зоне рас Москва-Селигер (Щипанов и др., 2008). Рассчитывали долевое соотношение частот двух альтернативных маркеров популяций на линии. Расчет проводили для точек на линии, последовательно удаленных на 20 м (средняя дистанция между центрами активности сеголеток). Частоты маркера оценивали с учетом его притока в точку, в соответствии с коэффициентами для определенного типа поиска при скорости оборота популяции t=0.26. Поскольку вероятность обнаружения особи с увеличением порядкового номера класса убывает бесконечно, расчет проводили для 14 классов дистанции от натального участка, так как далее даже при "прямом" типе поиска вероятность оседания становится меньше %. Таким образом, при симуляции "спирального поиска" мы учитываем практически 100% вероятности, а при симуляции "прямого поиска" исключаем около 1% частот, приходящихся на дальние дистанции. Однако, такое исключение редких частот имеет биологический смысл, так как иначе придется допустить, что выживание зверьков при перемещении на соседний участок и на дистанцию 14 диаметров участка равновероятно. Накопление доли особей с маркером соседней популяции прослеживали для каждой из точек до 1000 поколений. Исходную дистанцию между границами популяций принимали за 1000 м. При симуляции смены типа поиска полагали, что за пределами материнской популяции особи расселяются по типу "прямого поиска".
Статистическая обработка Для рядов данных, распределенных нормально, использовали t критерий при попарных, или величину Fst рассчитанную в ANOVA при множественных сравнениях. Связанность данных оценивали коэффициентом корреляции Пирсона. Для распределений отличных от нормального использовали тесты Манна-Уитни при попарных и Крускола-Уоллеса при множественных сравнениях, корреляцию оценивали ранговым критерием Спирмена. Тест 2 использовали для сравнения пропорций (таблица 2х2) и проверки соответствия фактического и ожидаемого распределения натуральных частот. Все оценки выполнены в пакете программ Statistica 7.
Уровень различий в частотах микросателлитных локусов оценивали по величине Fst, полученной в программе Arlequin 3.5.1.3(Excoffier and Lischer, 2010). Уровень различий в частотах гаплотипов D-петли оценивали по соответствию фактической и ожидаемой пропорций значимо несовпадающих/совпадающих по частотам гаплотипов. Значимо несовпадающими считали гаплотипы, разница частот которых была больше их вариансы. Ожидаемое количество значимо несовпадающих частот гаплотипов считали как сумму их варианс. Такой подход позволил исключить редкие, случайно встреченные, гаплотипы и оценить собственно различие частот. При другом варианте анализа основной вклад в варьирование вносит внутригрупповое разнообразие (99.3%) за счет высокой доли гаплотипов, встречающихся единично (около 70%).
Расчеты, симуляции и подготовка данных для статистического анализа проведена в программе Excel, данные о регистрациях особей собраны в единой базе данных Access (пакет программ Microsoft Office 2003).
Глава 3. Неоднородность населения обыкновенных бурозубок на обследованной территории Многолетнюю динамику численности сравнивали на участках К и З, где получены достаточно длинные ряды данных, совпадающие по времени.
Значимая корреляция между уровнями численности в текущий год найдена в разнотипных местообитаниях в пределах участка К, линии 1, 2, 3 (см.
рисунок 1). Динамика численности в ельнике на участке З (линии 4 и 5) не связана с численностью в ельнике на участке К или других линиях участка К (таблица 1). Отсутствие связи динамики численности на участке З со всеми местообитаниями на участке К позволила предположить что миграционный поток между участками З и К ослаблен.
Для выявления генетической неоднородности исследовали выборки со всех модельных участков. Оказалось, что по частотам аллелей микросателлитных локусов выборка с участка З достоверно отличается от всех выборок, а выборки с участков К, Б и В между собой практически не различаются. При анализе частот гаплотипов D-петли получены сходные результаты (рисунок 2). Уровень различий не был связан с расстоянием (Rs 0.1).
Таблица 1. Корреляция (Rs) динамики численности в различных местообитаниях (линиях) на участках К и З. * p 0.05.
К З Местообитание (№ Участок линии) (1) (2) (3) (4, 5) Ельник (1) - 0.82* 0.89* 0. К Сосняк (2) 0.82* - 0.87* 0. Ольшаник (3) 0.89* 0.87* - 0. З Ельник (4, 5) 0.35 0.19 0.49 Рисунок 2. Значение Fst (для аллелей микросателлитов) и 2 (для гаплотипов фрагмента D-петли) при сравнении их частот в парах выборок Независимые по динамике численности участки К и З, оказались различны также и по частотам молекулярных маркеров. Отсутствие достоверных различий участков К, Б и В по частотам микросателлитных локусов позволяет рассматривать их как единую популяцию КБВ, генетически отличную от популяции участка З. Пограничное пространство между этими популяциями находится между участками В и З. Поэтому участок В мы рассматриваем как периферию популяции КБВ.
Не выявлено различий в средней многолетней численности обыкновенных бурозубок в лесных местообитаниях. В ельниках она составила (± SD) 6.7 ± 4.1, в сосняке 5.7 ± 4.5, в смешанных лесах 6.5 ± 3. особей на 100 ловушек. В открытых местообитаниях с развитым травостоем средняя многолетняя численность была выше, чем в лесах и составила 22.9 ± 17.5 на зарастающем поле и 16.4 ± 12.6 особей на 100 ловушек на лугу.
Таким образом, генетическая неоднородность наших выборок не была связана с биотопическими различиями местности. Физические преграды, способные ограничить миграцию, на изученной территории также не обнаружены.
Глава 4. Взаиморасположение участков как итог различных типов поиска участка при расселении Вслед за Кларком и Эвансом (Clark, Evans, 1954), мы характеризуем взаимное расположение участков оседлых особей, используя дистанцию до ближайшего соседа – минимальную индивидуальную дистанцию. Оценку минимальной дистанции проводили для особей с числом регистраций больше среднего значения.
Распределение пространственной активности особи на участке соответствует нормальному (рисунок 3), поэтому, вероятность присутствия среднестатистической особи на определенном удалении от центра её участка может быть оценена как величина обратная кумуляте нормального распределения.
Рисунок 3.
Кумулята процента числа регистраций оседлых особей на разном удалении от центральной координаты Это предположение было проверено по фактическому соотношению числа регистраций на участке особи хозяина участка и его соседа, с учетом дистанции между центрами их активности, выраженной в долях стандартного отклонения. Фактическая и ожидаемая (для определенной минимальной дистанции) доли собственной активности хорошо совпадали: частоты регистраций значимо не различались, 2 = 8.14, df = 7, p 0.32 (рисунок 4).
Рисунок 4. Ожидаемая и фактическая доля собственной активности особей с различными дистанциями до ближайшего соседа Распределение минимальных дистанций в выборках либо соответствовало логнормальному распределению с небольшим локальным пиком в области среднего значения (проверка нормальности сделана для распределения логарифмов дистанций), либо пик в области среднего значения достигал величины, значимой для достоверного отклонения (рисунок 5). Мы полагаем, что логнормальное распределение может определяться случайным рассеиванием, как это предсказывает модель "прямого поиска", а появление значимого локального пика вызвано оседанием особей на определенной дистанции друг от друга. Таким образом, появление пика в области среднего значения может свидетельствовать о целенаправленном поиске участка на оптимальной дистанции расселения, как предсказывает модель "спирального поиска". В этом случае, различия в распределении участков указывают на различия в типе поиска.
Рисунок 5.
Распределение минимальных дистанций и (столбики) средняя минимальная дистанция (пунктир) на линиях 8 и Ключевым для выявления типа поиска по итогам расселения является соответствие преобладающих дистанций нулевому или единичному классу.
Для определения границ этих классов индивидуальную минимальную дистанцию относили к средней минимальной дистанции по выборке.
Полученное значение округляли до целого. Рамка на рисунке 5 показывает пограничные значения натуральных величин дистанций, попадающих при таком расчете в единичный класс. Дистанции слева от границы рамки считали нулевыми. Оказалось, что дистанции, в пределах границ рамки можно рассматривать также и как оптимальные.
Среди особей с индивидуальными дистанциями в пределах 12-24 м, доля перезимовавших на своих участках, была достоверно (2 = 4.5, p 0.034) выше среднего значения доли перезимовавших зверьков, имевших индивидуальные дистанции за пределами этого класса.
Для выявления преобладающего типа поиска оценивали отклонение соотношения числа дистанций в нулевом и единичном классах от ожидаемого при каждом из типов. При t = 0.26 это соотношение для модели "прямого поиска" составляет 1.34, а для модели "спирального поиска" – 0.41. На участке В (линия 8) соотношение нулевых и единичных дистанций составляло 1.4 (45/32) и было практически неотличимо от ожидаемого для прямого поиска. На линии 2 – неотличимо от ожидаемого для "спирального поиска": 0.41 (16/39). На линиях 4, 5, 7 и 8 это соотношение свидетельствует о преимущественном использовании расселяющимися особями "спирального поиска". На линиях 1 и 3 расселение, может быть объяснено присутствием особей, использующих разные типы поиска, примерно в равной пропорции (рисунок 6).
Рисунок 6. Отклонение соотношения числа дистанций в нулевом и единичном классах от ожидаемого при "прямом" и типе поиска.
"спиральном" Достоверность отличий оценена по Глава 5. Поведенческая основа разных типов поиска участка при расселении Обыкновенная бурозубка известна как агрессивный вид, чувствительный к недостатку корма (Churchfield, 1990). Его считают низкосоциальным и территориальным (Rychlik, 1998). Вместе с тем, бурозубки охраняют лишь непосредственно примыкающее к особи пространство (Олейниченко, 2008). По-видимому, патрулирование и охрана всей своей территории для этого вида невозможна из-за отсутствия энергетического резерва: бурозубки постоянно функционируют близко к своему физиологическому пределу (Ochosiska, Taylor, 2005).
Занятость участка может быть определена за счет случайных столкновений с хозяином, вероятность которых растет при приближении к центру активности. Таким образом, лишь частота встреч с хозяином территории ограничивает вселение и обеспечивает изоляцию участков. При этом зверек, обнаружив, что участок занят, движется дальше в случайном направлении в поисках свободного участка. Именно такой тип поиска описывает модель "прямого поиска" (Murray, 1967).
Мы предположили, что возможен также поиск участка, основанный на опосредованной коммуникации (Тумасьян, Щипанов, 2012). Изучение исследовательского поведения обыкновенных бурозубок в открытом поле выявило разнокачественность особей по реакции на запах конспецифика.
Часть зверьков уменьшали длину пробега при наличии следа (выборка 1), а часть особей значимой реакции не проявили (выборка 2). Дисперсионный анализ гнездового плана выявил значимое влияние гнездящегося фактора "№ особи" в обеих выборках (p 0.03), однако фактор "тип эксперимента" достоверно влиял на длину пройденного маршрута лишь в выборке 1 (F = 7.08;
p 0.01). Особей, проявляющих реакцию на след конспецифика, в дальнейшем называем а не проявляющих "реактивными" – "индифферентными".
Анализ выборки реактивных (достоверно предпочитавших след чистому маршруту) особей в многокамерной вольере показал, что доля выбора маршрута со следом давностью до 5 минут была значимо меньше ( = 4.2;
p 0.05), а в градации 5 – 10 мин значимо больше (2 = 4.5;
p 0.05) чем средняя доля по выборке (рисунок 7). Исходя из обнаруженных реакций, была предложена гипотеза поиска оптимального положения участка реактивными зверьками: большая привлекательность следа конспецифика по сравнению с его отсутствием ограничивает дистанцию расселения, а избегание свежих следов – обеспечивает достаточную изоляцию участков. В результате особь находит свободный участок ближайший к натальному, что, собственно и названо Васером (Waser, 1985) "спиральный поиск".
При проведении эксперимента на участке Б, на основании соотношения поимок в "грязные" и "чистые" Рисунок 7. Выбор маршрута особями с ловушки были сформированы участка Б в 2006-2007 гг (пунктир – выборки и "реактивных" средняя доля по выборке) "индифферентных" особей. У реактивных особей было обнаружено значимое отклонение распределения пространственной активности от ожидаемого нормального за счет экскурсий (n = 400, 2 = 66.19, df = 29, p 0.001). Радиус пространства, знакомого особям благодаря экскурсионной активности, был оценен как 240 м. (Щипанов, Тумасьян и др., 2011). Распределение активности индифферентных особей практически не отличалось от нормального (n = 50, 2 = 6.94, df = 27, p 0.99), т.е. экскурсии отсутствовали.
Отметим, что экскурсионная активность упоминается Васером (Waser, 1995) как условие реализации именно "спирального поиска".
Можно предполагать, что тип поиска у обыкновенных бурозубок в основном определяется реакцией на запах конспецифика. Во всяком случае, предположения о локализации преобладающего типа поиска на основе распределения дистанций, не противоречат реакции на запах, выявленной в полевом эксперименте. На участке Б, где распределение минимальных дистанций соответствовало "спиральному поиску" (см. линии 6 и 7, рисунок 6), преобладали реактивные особи: посещаемость "грязных" ловушек более чем двукратно превышала посещаемость "чистых":U = 17, Z = 3.18, p = 0. (Тумасьян, Щипанов 2013). На участке В (линия 8), где распределение соответствовало "прямому поиску", различия в посещении "грязных" и "чистых" ловушек отсутствовали: U = 7.0, Z = 1.14, p = 0.25.
Глава 6. Стратегии расселения на популяционном пространстве В непосредственной близости от пограничной области (участок В) распределение минимальных дистанций соответствует ожидаемому для "прямого поиска". На линиях 8 и 9 участка Б, линии 2 участка К и линиях 4, участка З преобладают особи с соотношением минимальных дистанций, ожидаемым при "спиральном поиске" (см. рисунки 1 и 6). Смена характера распределения прослеживается в пространстве, но не связана с типом местообитания. Так, в ельнике (линия 1) на участке К и в ельнике на участке З (лини 4,5) различия в соотношениях числа нулевых и единичных дистанций высоко достоверны (2 = 9.3;
p 0.002). В то же время эти соотношения в моховом сосняке (линия 2), на лугу (линия 6) и на зарастающем лесом поле (линия 7) неразличимы (p 0.33).
Таким образом, на пространстве популяции КБВ распределение минимальных дистанций наиболее соответствует ожидаемому при "прямом поиске" в области границы и градиентно изменятся в сторону большего совпадения со "спиральным поиском" при удалении от нее. Значение такой дифференциации распределения особей с разным типом поиска на популяционном пространстве можно показать с помощью модели, симулирующей накопление доли маркирующих аллелей 0, за счет иммиграции особей 0, из соседней популяции.
0,3 600 W -M До ли 600 W Симуляция показывает, что 600 M 0, при отсутствии 0, дифференциации населения по типу поиска система 0 200 400 600 800 Поколения стремиться к выравниванию частот. В случае повсеместного "прямого поиска" доля маркера довольно быстро приближается к 0.5, то есть к равновесному состоянию. В случае повсеместного "спирального поиска" тенденция к выравниванию частот сохраняется, однако процесс сильно замедлен. При смене "спирального" типа поиска на "прямой" в зоне интерградации тенденция к выравниванию частот пропадает, и доля маркера стабилизируется на достаточно низком уровне (рисунок 8).
Рисунок 8. Накопления маркера соседней популяции в ряду поколений (для дистанции в 600 м от центра зоны интерградации). W – повсеместно спиральный поиск, М – повсеместно прямой поиск;
W-М – смена типа поиска в зоне интерградации Заключение Нами было обнаружено различие особей по реакции на запах конспецификов. Мы полагаем, что этими различиями можно объяснить и различие в типах поиска. При анализе распределения индивидуальных дистанций также было показано соответствие взаимного расположения участков особей итогам расселения, ожидаемым при разном типе поиска. Это дало основание предполагать, что в популяции обыкновенной бурозубки существует разнокачественность особей по типу поиска, приводящая к различиям в итогах расселения.
Оба варианта расселения значимы для устойчивого существования популяции. Лишь при "прямом" типе поиска возникают большие дистанции расселения и особи могут выполнять "пионерную" функцию, обеспечивая быстрое заселение депопулированных пространств. "Спиральный поиск", напротив, сильно ограничивает максимальные дистанции расселения. Этот тип поиска подразумевает выбор оптимальной индивидуальной дистанции и, соответственно, оптимизацию плотности локальной популяции. Дальнее расселение, возникающее при "прямом" поиске, поддерживает потоки генов как внутри, так и между отдельными популяциями. Минимизация дистанции расселения при "спиральном" поиске замедляет поток генов. Однако, как показывает симуляция, в обоих случаях стабильного ослабления генных потоков без дополнительных факторов не возникает. Сочетание различных типов поиска – необходимое условие обособления локальных популяций в отсутствии внешних преград, способствующее стабилизации положения проницаемой популяционной границы.
Вместе с тем, реальная ситуация оказалась сложнее, чем использованная для симуляции. Смена характера распределения происходила градиентно. Однако, градиентный переход лишь усложняет условия симуляции, но не может принципиально изменить результат.
Все это позволяет заключить, что разнокачественность особей по типу поиска при расселении может предопределять подразделенность обыкновенной бурозубки на локальные группы населения, обмен генами между которыми ограничен достаточно для накопления значимых различий частот аллелей. Однако необходимо подчеркнуть, что рассмотренный фактор ограничения генного потока не исключает других факторов, способствующих дивергенции внутривидовых групп населения.
Выводы Обыкновенная бурозубка эвритопный вид, заселяющий 1. – практически все типы местообитаний лесной зоны умеренного климата. На изученной территории генетическая неоднородность вида не связана с биотопическими различиями местности или физическими преградами.
2. Использование пространства обыкновенными бурозубками может быть охарактеризовано рядом формальных параметров. Нормальное распределение хорошо аппроксимирует частоту присутствия среднестатистической особи на разных частях её участка. Минимальная дистанция является удобной формальной характеристикой взаимного расположения участков и соответствует доле совмещенной в пространстве локомоторной активности.
У сеголеток обыкновенных бурозубок обнаружена 3.
разнокачественность особей, проявляющаяся по наличию или отсутствию выраженной реакции на запах конспецифика. Реакция на запах конспецифика связана с подвижностью особей и выбором направления их перемещения.
4. У индифферентных к запаху конспецифика особей определение занятости участка возможно лишь при прямых столкновениях. Такой тип поиска свободного участка определяет случайное распределение участков особей в пространстве.
Для особей, значимо реагирующих на след конспецифика (реактивные особи), экспериментально показана зависимость степени привлекательности следа от его давности. Градация степени привлекательности обеспечивает баланс реакций: центробежной, возникающей вследствие избегания свежего следа и центростремительной, возникающей вследствие предпочтения следа средней давности его отсутствию. Такой баланс способствует расселению на свободный участок, расположенный по возможности близко к месту рождения.
5. Ослабление генного потока между популяциями в пространстве совпадает с градиентным изменением долей особей с разными типами поиска свободного участка при расселении: доля зверьков, целенаправленно ищущих ближайший к месту рождения участок, возрастает при удалении от зоны контакта между популяциями.
6. Расселение, симулированное с использованием моделей "прямого" и "спирального поиска" и реальных характеристик видового населения, свидетельствует о возможности устойчивого ослабевания генных потоков между популяциями при смене типа расселения на их периферии. В этом случае разнокачественность особей в популяциях оказывается необходимым фактором поддержания популяционной подразделенности в отсутствие внешних преград.
Список публикаций по теме диссертации Журналы из списка ВАК Щипанов, Н.А. и др., Мелкие млекопитающие юго-востока Тверской 1.
области. Сообщение 1. Фауна и биотопическое распределение / Н.А. Щипанов, А.В.
Купцов, А.А. Калинин, Т.Б. Демидова, В.Ю. Олейниченко, М.Г. Ляпина, Д.Ю.
Александров, А.А. Распопова, С.В. Павлова, Ф.А. Тумасьян // Сибирский экологический журнал. – 2010. – №5. – С. 799 – 806.
Щипанов, Н. А., Тумасьян, Ф. А. и др., Два типа использования 2.
пространства оседлыми обыкновенными бурозубками Sorex araneus L. / Н.А. Щипанов, Ф.А. Тумасьян, А.А. Распопова, А.В. Купцов // Известия РАН. Серия биологическая. – 2011. – №1. – С. 107-112.
Щипанов, Н.А. и др., Мелкие млекопитающие юго-востока Тверской 3.
области. Сообщение 2. Разнообразие, популяционная плотность / Н.А. Щипанов, А.В.
Купцов, А.А. Калинин, Т.Б. Демидова, В.Ю. Олейниченко, М.Г. Ляпина, Д.Ю.
Александров, А.А. Распопова, С.В. Павлова, Ф.А. Тумасьян // Сибирский экологический журнал. – 2012. – №1. – С. 123 – 129.
Тумасьян, Ф.А., Щипанов, Н.А. Значение ольфакторной коммуникации 4.
при стратегии "спирального поиска" у обыкновенной бурозубки Sorex araneus L. / Ф.А.
Тумасьян, Н.А. Щипанов // Доклады Академии Наук. – 2012. – Т. 447. – № 3. – С. 347 – 349.
Тумасьян, Ф.А, Щипанов, Н.А. Значение запаха конспецифика для 5.
использования пространства обыкновенными бурозубками Sorex araneus L. / Ф.А.
Тумасьян, Н.А. Щипанов // Известия РАН. Сер. Биол. – 2013. – № 3. – С. 368 – 376.
Прочие публикации Тумасьян, Ф.А., Купцов, А.В. Перемещение обыкновенной бурозубки 6.
(Sorex araneus L.) в многокамерной вольере при наличии запаха конспецифика / Ф.А.
Тумасьян, А.В. Купцов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН ( – 6 октября 2006 г.). – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2006. – С. 290 – 296.
Купцов, А.В., Тумасьян, Ф.А., Щипанов, Н.А. Хоминг обыкновенной 7.
бурозубки Sorex araneus / А.В. Купцов, Ф. А. Тумасьян, Н.А. Щипанов // Биология насекомоядных млекопитающих. Материалы 3 всероссийской научной конференции по биологии насекомоядных млекопитающих (15 – 20 сентября 2007г.) – Новосибирск:
"Церис", 2007. – С. 59 – 62.
Купцов, А.В. и др., Моделирование вероятностей возвращения 8.
обыкновенной бурозубки (Sorex araneus) на участок обитания при экспериментальных перемещениях / А.В. Купцов, А.А. Распопова, Ф.А. Тумасьян, Н.А. Щипанов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН (10 – 11 апреля 2008 г.). – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2008. – С. 193 – 199.
Щипанов, Н.А. Дистанции между сеголетками 9. Тумасьян, Ф.А., обыкновенных бурозубок (Sorex araneus) как итог расселения на разных частях популяционного пространства / Ф.А. Тумасьян, Н.А. Щипанов // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Мат-лы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН (8 – 9 апреля 2010 г.). – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. – С. 351 – 356.
Тумасьян, Ф.А., Распопова, А.А., Щипанов, Н.А. Влияние типа 10.
расселения на поток генов между популяциями обыкновенной бурозубки / Ф.А. Тумасьян, А.А. Распопова, Н.А. Щипанов // Целостность вида у млекопитающих (изолирующие барьеры и гибридизация). Материалы конференции. – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. – С. 90.
11. Tumasian, Ph. A., Shchipanov, N.A. Surviving winter with respect to the portion of shared areas in the common shrew (Sorex araneus) / Ph. A. Tumasian, N.A.
Shchipanov // Advances in the biology of shrews III, Materials of the International Conference. – M: KMK, 2010. – P. 67 – 68.
12. Щипанов, Н.А. и др., Опыт применения живоловок для мониторинга популяций мелких млекопитающих / Н.А. Щипанов, И.Ф. Куприянова, А.В. Бобрецов, А.А. Калинин, Ф.А. Тумасьян, А.Н. Щипанов // Труды Печоро-Илычского заповедника. – 2010. – Вып. 16. – С. 208 – 221.
Щипанов, Н.А., и др., Индивидуальные различия в социальном поведении 13.
обыкновенной бурозубки (Sorex araneus L.) могут препятствовать межпопуляционным потокам генов / Н.А. Щипанов, Ф.А. Тумасьян, А.А. Распопова, С.В. Павлова // Международная конференция "Проблемы популяционной и общей генетики". Сборник тезисов. – М.: Цифровичок, 2011. – С. 170 – 171.
Тумасьян, Ф.А. Значимость следа конспецифика для обыкновенной 14.
бурозубки Sorex araneus L. в зависимости от численности и пространственного распределения особей. / Ф.А. Тумасьян // Териофауна России и сопредельных территорий.
Материалы международного совещания. – М.: КМК, 2011. – С. 490.
Тумасьян, Ф.А. Гипотеза выбора оптимального взаиморасположения 15.
участков обитания на основе запахового сигнала конспецификов у обыкновенных бурозубок / Ф.А. Тумасьян // Актуальные проблемы современной териологии. Тезисы докладов. – Новосибирск: ООО "Сибрегионинфо", 2012. – С 164.