ВИД И ВИДООБРАЗОВАНИЕ У ЖИВОТНЫХ: МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА (ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РАССТОЯНИЯ)

Л. Я. Боркин*, С. Н. Литвинчук**

*Зоологический институт РАН Санкт-Петербург, Россия: lacerta@zin. ru;

**Институт цитологии РАН

Санкт-Петербург, Россия: slitvinchuk@yahoo. com

Анализируются возможности количественной оценки с помощью генетического расстояния (DNei) процессов дивергенции и видообразования у животных на осно — ве собственных и литературных данных по аллозимам. Отмечается, что уже Чарлз Дарвин признавал возможность неравномерной скорости эволюции в разных груп — пах. Показано, что чем глубже уровень дивергенции между популяциями, тем боль — ше D. Однако установление некоего абсолютного порога вида (D ≥ 0,15), а тем более рода (D ≥ 0,35) не имеет под собой теоретического обоснования и весьма спорно на практике. Классы позвоночных в среднем характеризуются разным уровнем гене — тических различий между видами. Обсуждается влияние кладогенеза (ветвления) на скорость эволюции. Сопоставлены уровни генетических различий при аллопа — трическом, криптическом и полиплоидном видообразовании, а также соотношение между генетическим расстоянием и репродуктивной изоляцией видов.

Ключевые слова: аллозимы, генетическое расстояние, видообразование, криптиче — ские и полиплоидные виды, репродуктивная изоляция.

Согласно Дарвину, образование новых видов происходит, главным образом, благодаря процессу дивергенции. Во многих местах своей книги он утверждал, что процесс эволюции происходит медленно и постепенно (градуально). Однако Дар — вин (1991) не только признавал возможность неравномерных темпов видообразова — ния, но и отмечал многообразие причин, могущих влиять на это.

В первой трети XX в. синтетическая теория эволюции соединила достижения дарвинизма и генетики, сделав упор на изучение изменчивости и провозгласив переход к популяционной биологии. Она показала, что существуют разные формы (модусы) видообразования, а скорость эволюционных преобразований может за — метно различаться на разных стадиях формирования видов и в ходе филогенетиче — ского развития той или иной группы животных. Тем не менее синтетическая теория эволюции не смогла адекватно решить вопрос о количественной оценке уровня ди — вергенции между видами. Действительно, методы классической генетики, основан — ные на скрещиваниях особей, не позволяли сравнивать отдаленные виды. Поэтому изучение генетики надвидовой эволюции было возможно лишь путем экстраполя — ции (Майр, 1968).

Анализ изменений отдельных морфологических признаков (в дарвинах) на самом деле был лишен больших перспектив, так как мог использоваться лишь в узких, филогенетически хорошо разработанных группах и отражал скорее «эво — люцию» самих этих признаков, нежели видов. Для объективной оценки эволюции видов требовалось разработать такой набор индикаторов, который в одинаковой степени мог бы применяться к самым разным группам, от простейших до млекопи — тающих, давать сравнимые результаты и иметь к тому же понятную генетическую

интерпретацию. Ясно, что морфологические признаки для этого не годятся, по — скольку они могут быть совершенно не похожи у различных животных (не говоря уже о растениях и микроорганизмах). Поэтому принципиально важный вопрос об универсальной количественной оценке дивергенции внутри и между видами стал решаться лишь во второй половине XX в. благодаря применению молекулярно — биохимических методов. Это означало переход эволюционной биологии на новый (современный) этап своего развития.

Молекулярная эволюционная генетика

В середине 1950-х гг. были разработаны новые способы разделения белков с по — мощью метода электрофореза в крахмальном или полиакриламидном геле. Было выяснено, что большинство ферментов представлено в организме в виде несколь- ких форм — «изоферментов» (Markert, Moller, 1959). Для 1984; Айа — ла, Кайгер, 1988). Генетическое расстояние (genetic distance, D) вычисляется через натуральный логарифм генетического сходства и может принимать значения от 0, когда нет никаких аллельных замещений, до бесконечности. Это связано с тем, что в процессе эволюции, протекающей в течение длительного времени, аллели в каждом локусе могут неоднократно полностью замещаться.

Генетическая оценка процесса дивергенции

Уже через три года после появления показателей генетического сходства (и раз — личия) появилась большая работа (Ayala, 1975), количественно оценивающая про — цесс географического видообразования в группе Drosophila willistoni. Генетическое расстояние (D) между локальными популяциями в среднем составляло 0,031±0,007, между подвидами — 0,230±0,016, между видами в стадии становления — 0,226±0,033, между видами-двойниками — 0,581±0,039 и между морфологически различимыми видами — 1,056±0,068 (Айала, 1984; Айала, Кайгер, 1988). Примерно такая же тен — денция увеличения генетических различий по мере усиления дивергенции была обнаружена и в других довольно разных группах животных от рыб до млекопитаю — щих (см. также: Воронцов, 1999, табл. 5). На основании литературных данных Ней (см.: Кимура, 1985) определил стандартные значения на разных уровнях диверген — ции: D = 0,00–0,05 между географическими популяциями («расами»), 0,02–0,20 — между подвидами, 0,1–2,0 между видами и превышает 1 между родами.

Проведенное нами (Халтурин и др., 2003) сопоставление разных уровней гене — тической дифференциации у амфибий из 11 семейств в целом также подтвердило положительную корреляцию между генетическим расстоянием и уровнем диверген — ции, хотя имеет место и сильное перекрывание значений. Суммарно оказалось, что между популяциями D = 0,00–0,63, между подвидами — 0,04–0,67, а между видами одного рода 0,11–4,50; еще сильнее различаются виды, относящиеся к разным видо — вым группам или родам. Однако перекрывание значений между разными уровнями дивергенции заметно уменьшается, если анализировать сопоставимые данные не суммарно, а только в пределах близкородственных групп (эволюционных линий). В качестве примера можно привести обычных бурых лягушек (Rana temporaria group), широко распространенных от Англии до Японии (рис. 1). Анализ другого массива данных по амфибиям (4853 попарных сравнений), включающего широко распространенные роды Pelobates, Bufo, Hyla и Rana (62 %), также довольно ясно продемонстрировал, что чем выше уровень дивергенции между популяциями, тем в среднем больше генетическое расстояние между ними. Любопытно, что среднее

Рис. 1. Генетическая дифференциация между популяциями и видами бурых лягушек и других видовых групп (по данным из: Nishioka et al., 1992)

значение D примерно утраивается при переходе от одного уровня к другому: между локальными популяциями внутри подвидов D = 0,045, между подвидами D = 0,162, тогда как между видами D = 0,494 (Боркин, Литвинчук, 2008).

Таким образом, многочисленные данные по молекулярной генетике видообра — зования в целом подтвердили концепцию Дарвина: виды формируются постепенно путем дивергенции, в ходе которой накапливаются генетические различия.

Существует ли минимальная граница вида?

Широкое использование электрофореза белков в целях эволюционной генети — ки и систематики быстро привело к накоплению все нарастающего, огромного мас — сива данных. Неизбежно возник вопрос, порожденный концепцией градуального видообразования Чарлза Дарвина (его не было в линнеевской концепции стабиль — ных и четко очерченных видов): можно ли определить минимальную границу вида по молекулярным данным? Иначе говоря, можно ли предложить критерий («ша — блон»), на практике отличающий подвид от вида? Действительно, анализ более чем

8000 генетических расстояний в разных группах растений и животных показал, что в 98 % случаев внутривидовые значения D меньше 0,10, а межвидовые — больше

0,15 (Thorpe, 1982). Сопоставив данные по североамериканским безлегочным сала — мандрам, Р. Хайтон (Highton, 1990) также пришел к выводу о том, что популяции, генетические различия между которыми достигают 15 % и более (т. е. D ≥ 0,15), следует относить к разным видам.

Тем не менее минимальное генетическое расстояние между видами амфибий за — метно различается в разных группах, варьируя от 0,02 до 0,65. Таким образом, мини — мальные межвидовые значения D среди амфибий в разных родах могут различаться в

30 раз (Халтурин и др., 2003; Боркин, Литвинчук, 2008; Литвинчук и Боркин, 2009). Заметные, хотя и не так сильно выраженные различия в минимальных межвидовых значениях выявлены и для амфибий Палеарктики (рис. 2). Генетическое расстояние между видами дрозофил варьирует от 0,024 до 1,950, в том числе в группе Drosophila obscura (Coyne, Orr, 1997, Table 1). Как видим, и здесь минимальное межвидовое зна — чение может не превышать различий между популяциями внутри вида.

Соблазн установления критического порога в 15 % генетических различий (Avise, 1975), по достижению которого сравниваемые популяции якобы следует относить к разным видам, вызвал серьезную критику. Справедливо утверждалось (например, Frost, Hillis, 1990; Veith, 1996), что использование условных критериев сходства для определения границ вида не имеет никаких теоретических предпосы — лок в современной эволюционной теории и бесперспективно на практике. Действи — тельно, формальный подход к оценке таксономического статуса, основанный на аб — солютизации минимального значения межвидовых генетических дистанций, можно рассматривать как современное проявление типологической концепции вида, давно отвергнутой в эволюционной систематике (Майр, 1968; Боркин, 1984). Однако пре- небрегать генетическими данными, на наш взгляд, также не стоит, поскольку они могут стимулировать более детальный анализ проблемы вида при изучении той или иной группы животных.

Таким образом, в очередной раз «шаблон» для вида был отвергнут. В этом смыс — ле весьма современными, несмотря на их почтенный возраст, выглядят следующие два высказывания Ч. Дарвина: «Не подлежит сомнению, что до настоящего времени

Рис. 2. Генетические расстояния (D) между видами одного рода в разных семействах амфибий Палеарктики, n — число попарно сравниваемых популяций

не удалось провести ясной линии демаркации между видами и подвидами <…>. Эти различия нечувствительно сливаются в один непрерывный ряд <…>» (1991, с. 59).

«Чрезвычайно важно помнить, что натуралисты не имеют золотого правила, при помощи которого можно было бы различать виды и разновидности <…>» (там же, с. 278).

Помимо вида, некий «молекулярный» критерий был предложен и для родов. При анализе большого массива данных было замечено, что значения генетического сходства (I) между видами одного рода (congeneric) примерно в 85 % случаев боль — ше 0,35, тогда как между родами — в 77 % случаев меньше (Thorpe, 1982; Thorpe, Solé-Cava, 1994). Таким образом, I = 0,35 можно было бы считать пограничным кри — терием для установления родового статуса. Это примерно соответствует генетиче — скому расстоянию, равному D = 1,05. Однако следует заметить, что само понятие рода, как в теории, так и особенно на практике, несравнимо более условно, чем по — нятие вида. Поэтому в условности любого абсолютного критерия родового ранга можно не сомневаться.

Существуют ли различия в уровне дивергенции между видами в разных группах животных?

Уже в 1975 г. Франциско Айала (1984; Айала, Кайгер, 1985) привел генетические данные для разных групп животных. Оказалось, что в среднем генетическое расстоя — ние между видами и близкородственными родами у млекопитающих D = 0,559, у са — ламандр — 0,742, у рыб — 0,760, у рептилий — 0,988, у беспозвоночных — 0,878, а у дрозофил — 1,066, различаясь, таким образом, почти в два раза. Растения оказались в этом отношении между рыбами и беспозвоночными (кроме дрозофилы): D = 0,808. Однако значительно больший по объему материал по позвоночным (Avise, Aquadro,

1982) дал другие результаты. В среднем наименьшие различия между видами были обнаружены у птиц (D = 0,10), в три раза они были больше у млекопитающих (0,30) и рыб (0,36), в пять раз у рептилий (0,51) и более чем в 10 раз у амфибий (1,12). Кстати, эти данные также подчеркивают всю беспочвенность разговоров о якобы существующем молекулярном стандарте вида. В исследовании по наземным позво — ночным (Mindell et al., 1990) также было показано, что межвидовые различия мини — мальны у птиц (D = 0,118), в 3–4 раза больше у млекопитающих (0,330) и рептилий (0,438) и максимальны у амфибий (0,809). Несмотря на некоторое несоответствие в цифрах, в целом порядок различий в разных классах совпал с ранее указанным (Avise, Aquadro, 1982). Заметим, что усредненное генетическое расстояние между видами у Drosophila (D = 0,87) выше, чем у позвоночных (рис. 3).

Рис. 3. Генетическое расстояние (среднее D) между видами одного рода

в разных группах животных (по данным из: Mindell et al. 1990; Coyne, Orr, 1997)

Н. Н. Воронцов (1999) подчеркнул резкие различия в уровне генетической дифференциации между дрозофилами и позвоночными животными. Так, у первых генетические дистанции между разными видами (D = 1,056) больше, чем между ро — дами рыб (0,528–0,761), и сопоставим с родами саламандр (1,170). Различия между видами-двойниками дрозофил (D = 0,581) соответствуют подродам хомячков рода Peromyscus и больше, чем между родами сусликов. Согласно Н. Н. Воронцову, это отражает существенные различия в темпах изменений структурных генов. По его мнению, дивергенция у дрозофил и некоторых других беспозвоночных идет преи — мущественно за счет накопления точковых мутаций, т. е. за счет замены структур — ных генов, тогда как у позвоночных эволюция идет за счет регуляторных генов. Эту идею Н. Н. Воронцов связал с принципиальными различиями в онтогенезе члени — стоногих (дрозофилы) и хордовых. Если первым свойственно детерминированное развитие, то для вторых характерен регуляторный тип развития. В последнем слу — чае мутации относительно небольшого числа пусковых регуляторных генов предо — пределяют различия в функционировании многочисленных мало изменяющихся в процессе эволюции структурных генов. На наш взгляд, высказанная гипотеза явно нуждается в дополнительном обосновании с привлечением значительно большего

массива данных по разным группам беспозвоночных животных. Кроме того, в рам- ках этой гипотезы было бы трудно объяснить серьезные различия в генетической дифференциации видов, наблюдаемые в разных классах позвоночных. Например, почему птицы демонстрируют исключительно низкий уровень генетических дис — танций между видами, сравнимый с уровнем межпопуляционных различий у амфи — бий, хотя оба эти класса имеют одинаковый (регуляторный) тип онтогенеза. Одна — ко различия в усредненных межвидовых генетических дистанциях между птицами и амфибиями гораздо большие, чем между последними и дрозофилой.

Следует заметить, что увеличение массива данных может повлиять на размах или усредненное значение D в разных классах животных. Например, в литературе широко используются данные Ф. Айалы по дрозофилам, согласно которым среднее значение D = 1,056 (например, Воронцов, 1999). Однако оно было получено только для группы Drosophila willistoni (Айала, 1984; Айала, Кайгер, 1988). Наш подсчет для значительно большего количества видов из 7 видовых групп рода (Coyne, Orr, 1997, Table 1) дает среднее значение D = 0,87. Новые данные по амфибиям (Халтурин и др.,

2003; Боркин, Литвинчук, 2008; Литвинчук и Боркин, 2009) заметно расширяют размах генетических расстояний между видами, сообщенных ранее (Avise, Aquadro,

1982): D = 0,02–4,50 против 0,1–3,0. В цитированной статье (Avise, Aquadro, 1982) рептилии были представлены всего лишь 5 родами ящериц и амфисбен (87 парных сравнений) с межвидовыми значениями D = 0,013–1,704. Согласно новым данным по змеям (528 парных сравнений 33 видов), генетические расстояния между видами в пределах рода в среднем составили от 0,536 (Coronella) до 1,311 (Elaphe) при раз — махе D = 0,176–2,944, что заметно увеличивает показатели для рептилий в целом (Боркин, 2003).

Таким образом, очевидно, что, с одной стороны, выводы о заметных различиях в межвидовых генетических расстояниях между разными классами позвоночных нуждаются в перепроверке на большем материале, чем это было ранее. С другой сто — роны, нет сомнений в том, что птицы на фоне других позвоночных, действительно, демонстрируют исключительно низкую генетическую дифференциацию на уровне видов. В пользу некоторой (цито)генетической особенности амфибий может слу — жить тот факт, что иммунологически на видовом уровне они различаются значи — тельно сильнее, чем млекопитающие. Кроме того, амфибии обладают необычайно широким размахом размера генома и известной консервативностью кариотипов. Можно предполагать, что скорость видообразования у амфибий заметно ниже, чем у млекопитающих, с чем, возможно, и связаны различия в генетических расстояни — ях между видами.

Кладогенез и филетическая эволюция

Возникает вопрос, в какой мере кладогенез (процесс ветвления, или распада на виды) в процессе эволюции какой-либо филогенетической линии влияет на генетическую трансформацию? Иначе говоря, может ли число видообразований (специаций) в данной группе животных влиять на генетическое расстояние между видами? В общей форме это проблема соотношения филетической эволюции (на — копления генетических различий в прямой линии «предок–потомок») и кладоге — неза. В «Происхождении видов» Чарльз Дарвин допускал возможность эволюции

без видообразования, отразив такие случаи прямыми вертикальными линиями на своей схеме дивергенции видов.

К сожалению, количественно измерить непосредственно сам процесс филетиче — ской эволюции практически невозможно по двум причинам. Во-первых, для перехо — да одного вида в другой обычно требуется огромный период времени в сотни тысяч или миллионы лет (например, большинство современных видов амфибий Европы возникло в плиоцене). Именно поэтому мы не можем наблюдать такие случаи в при — роде, и это часто используют для нападок на эволюционную теорию ее противники. Во-вторых, такой процесс возможен лишь в особых, к тому же долго сохраняющих — ся условиях, например на небольших островах, в изолированных горах, долинах или оазисах, т. е. когда отсутствует пространственное расселение с возможной после — дующей географической изоляцией и дивергенцией, что, как известно, и приводит к видообразованию. Фактически в опытных условиях можно измерить генетическое расстояние лишь для начальных процессов микроэволюции, например при сопо — ставлении популяции быстро размножающихся животных (таких как дрозофилы) в череде многих поколений.

Более того, различают два варианта эволюции видов без распада на боковые вет — ви (Воронцов, 1999). Это — анагенез, или прогрессивное, поступательное развитие в каком-либо направлении, связанное с действием движущей или ведущей формы естественного отбора, и стасигенез, или процесс длительного сохранения вида или группы видов без поступательного развития и ветвления. Стасигенез характерен для реликтовых групп и возможен при действии стабилизирующего отбора. Можно предполагать, что скорость эволюции в обоих вариантах будет различаться. Однако, на наш взгляд, на практике идентифицировать указанные варианты филетической эволюции не так уж и просто. Действительно, даже в достоверных случаях суще — ствования эволюционных реликтов, т. е. нынешних единичных представителей далеких предковых групп (например, мечехвост, латимерия или гаттерия) мы не можем исключать вероятности того, что они не являются результатом кладогенеза в предыдущие эпохи.

Для оценки возможного эффекта кладогенеза было предложено (Avise, Ayala,

1976) сопоставлять уровни генетической дифференциации между видами в раз — ных филогенетических линиях одного возраста, но отличающихся по числу видов, т. е. богатых и бедных видами. В случае филетической эволюции D должно быть функцией времени, а в случае влияния кладогенеза генетические расстояния долж — ны быть больше в линиях, богатых видами. Сравнение родов пресноводных рыб Се — верной Америки из семейства Cyprinidae, различающихся по числу видов, не выя- вил различий в межвидовых значениях D (Avise, Ayala, 1976).

Более широкий анализ был проведен на 111 родах наземных позвоночных (в сумме 511 видов). Было обнаружено (рис. 4), что во всех классах от амфибий до млекопитающих средние межвидовые значения D статистически достоверно выше в группах (родах) с большим числом видов по сравнению с малочисленными родами, особенно среди амфибий (D = 1,149 против 0.730) и рептилий (D = 0,637 против 0,343). Хотя не все использованные роды животных были одного и того же эволюционного возраста, всё же, по мнению авторов (Mindell et al., 1990), получен — ные различия явно указывают на влияния процессов кладогенеза на генетические расстояния между видами. Любопытно, что как в случае богатых видами линий, так

Рис. 4. Средние значения генетического расстояния (D) между видами в богатых (прерывистая линия) и бедных (сплошная линия) видами родах наземных позвоночных (по данным из: Mindell et al. 1990)

и бедных, различия между классами позвоночных в уровне усредненной межвидо — вой генетической дифференциации сохраняются.

При сравнительном анализе 5 родов североамериканских ящериц была обнару- жена положительная корреляция между средним межвидовым генетическим рас — стоянием и видовым разнообразием рода. Предполагается, что доля кладогенеза в полную генетическую дивергенцию составила от 15–25 % у бедных видами родов до 80 % у богатого видами рода Sceloporus (Mindell et al., 1990).

Надо заметить, что указанные результаты вступают в некоторое противоречие с широко принятой концепцией молекулярных часов, согласно которой эволюция мо — лекул имеет преимущественно нейтральный характер и является функцией време — ни, а скорость изменений практически постоянна (Кимура, 1985). Анализ большого массива данных по многим группам животных (более 1500 видов) выявил положи — тельную корреляцию между гетерозиготностью и генетическим расстоянием, или в более общей форме между внутривидовой изменчивостью и скоростью эволюции (Skibinski et al., 1993). По мнению данных авторов, изменчивость белков определя- ется как преимущественно нейтральными мутациями (80 %), так и сильным отбо — ром, но в меньшей степени. Компьютерные симуляции подтвердили определяющую роль мутационного давления в эволюции белков (Skibinski, Ward, 1998).

Модусы видообразования и генетические расстояния

Особый интерес представляет сравнительный анализ разных модусов видо — образования. В настоящее время общепринято, что аллопатрическое (или географи — ческое) видообразование наиболее широко распространено среди животных (Майр,

1968). В 1975 г. Ф. Айала, по-видимому, одним из первых применил молекулярно — генетические данные для обстоятельного анализа этого модуса видообразования, выделив в нем две стадии (Айала, 1984; Айала, Кайгер, 1985). На первой из них

обмен генами между популяциями в пределах вида по каким-либо причинам преры — вается. В ходе дивергенции изолированных популяций происходит их генетическая дифференциация как следствие адаптации к местным различающимся условиям, а также дрейфа генов. По мере накопления генетических различий в качестве по — бочного результата дивергенции возникают механизмы репродуктивной изоляции. На второй стадии ранее географически разобщенные (аллопатрические) популя — ции приходят в соприкосновение. В зоне их контакта естественный отбор работает на усиление репродуктивной изоляции между ними, большей частью вплоть до ее полного завершения, что означает появление новых видов и тем самым заверше — ние видового цикла. Ареалы репродуктивно изолированных видов могут уже пере — крываться в значительной мере. Если на первой стадии описанного видового цикла репродуктивная изоляция развивается в форме так называемых постзиготических механизмов, то на второй преимущественно в форме презиготических, которые, до- бавим, контролируются чаще всего значительно меньшим количеством генов.

В качестве примера была приведена генетическая дифференциация на разных стадиях эволюционной дивергенции в группе Drosophila willistoni, а также других животных, в том числе американских саламандр (Айала, 1984; Айала, Кайгер, 1985). Фактически именно географическое видообразование отражает рассмотренная нами выше положительная связь между генетической дифференциацией и уровнем дивергенции популяций (рис. 1 и 5). В ряде работ было показано, что по мере про — странственной удаленности популяций генетическое расстояние между ними уве — личивается. Однако чем больше географическое расстояние, тем в большей степени исторические факторы могут влиять на значения D (Veith, 1994). Сопоставление близких видов, ареалы которых географически изолированы (аллопатрия), сопри — касаются (парапатрия) или перекрываются (симпатрия), не выявляет соответству — ющего нарастания межвидовых дистанций.

На рис. 5 показаны генетические дистанции на разных уровнях аллопатриче- ского видообразования у амфибий. Можно заметить, что хотя виды и отличаются от внутривидовых группировок (популяции и подвиды), однако их разные катего — рии — аллопатрические, парапатрические и симпатрические виды — не располо — жены линейно по мере нарастания дистанций. Более того, симпатрические виды, которые по своей сути должны были бы быть наиболее дивергентными, в среднем различаются даже немного меньше, чем парапатрические и аллопатрические. Воз — можно, это связано с неоднородностью темпов дивергенции в разных эволюцион — ных линиях амфибий.

Обычно в ходе географического видообразования дивергенция популяций за- трагивает самые разные признаки, в первую очередь внешнеморфологические. Од- нако нередко встречаются виды, которые внешне весьма похожи друг на друга в такой степени, что их нельзя надежно идентифицировать. Они получили название видов-двойников или криптических видов. Благодаря использованию биохимических признаков число таких видов заметно выросло, и сейчас они обнаружены практиче — ски во всех группах животных (Thorpe, Solé-Cava, 1994). Наш анализ криптических видов у разных амфибий показал, что в целом имеется положительная корреляция уровня дивергенции с генетическим расстоянием и их видообразование происходит по аллопатрическому модусу (Халтурин и др., 2003; Боркин, Литвинчук, 2008; Лит — винчук и др., 2008). Так, среди чесночниц, ведущих ночной роющий образ жизни, криптические формы у Pelobates fuscus генетически различаются сильнее (D = 0,36),

чем локальные популяции и даже чем два подвида Pelobates syriacus (0,14), но все же явно меньше, чем эти два морфологически различимых вида (0,69). В целом среди амфибий обычные виды различаются сильнее (D = 0,02–4,50), чем криптические (0,08–1,17). В группе Drosophila willistoni виды-двойники характеризуются также меньшими, почти вдвое, значениями D по сравнению с морфологически различи — мыми видами (Айала, 1984; Айала, Крайгер, 1988).

Более сложной оказалась ситуация в группе зеленых лягушек (Pelophylax, или

Rana esculenta complex), обитающих на западе Палеарктики (Боркин, Литвинчук,

2008; Литвинчук и др., 2008). Генетические расстояния между криптическими вида — ми, особенно в случае их аллопатрии, оказались выше, чем между морфологически выраженными парапатрическими видами. Криптические аллопатрические виды дивергировали по аллозимам примерно в такой же степени, что и обычные сим- патрические, но в явно меньшей степени, чем морфологические аллопатрические виды. Это не совсем укладывается в известную схему генетической дифференциа — ции в процессе видообразования (Айала, 1984; Айала, Крайгер, 1988).

Интересным модусом является полиплоидное видообразование, реальность ко — торого среди обычных (неоднополых) животных относительно недавно отрицалась (например, Майр, 1968). В настоящее время во многих группах обнаружены даже ряды четной полиплоидии (например, у африканских шпорцевых лягушек 2n = 20,

36, 40, 72 и 108), хорошо известные у цветковых растений. Полагают, что в большин — стве случаев такие полиплоиды имеют гибридное происхождение. К сожалению, ге — нетических данных по таким комплексам немного. Среди амфибий (зеленые жабы Средней Азии, квакши Северной Америки) генетические расстояния между дипло — идными и тетраплоидными видами оказались невысокими и примерно равны раз- личиям, характерным для обычных подвидов (рис. 5). Возможно, это связано с их относительно молодым возрастом или с тем, что геномы этих ди- и тетраплоидных

Рис. 5. Генетические расстояния между разными категориями видов

(на примере амфибий)

видов близки и соотносятся непосредственно как предок — потомок. Полиплоидное видообразование часто рассматривают как вариант квантового, или мгновенного, ви- дообразования (термины, на наш взгляд, сомнительные).

Генетические расстояния и механизмы репродуктивной изоляции

Как известно, биологическая концепция вида, как, впрочем, и другие, большое внимание уделяет репродуктивной изоляции между видами, поскольку та опреде — ляет их генетическую (и эволюционную) обособленность (Майр, 1968). Обычно изолирующие механизмы подразделяются на две группы — действующие: а) до спаривания или, точнее, до образования зиготы и б) после. К последним относят- ся гибридная нежизнеспособность и стерильность гибридов. У хорошо изученных безлегочных саламандр рода Batrachoseps генетический обмен между популяция — ми (видами) отсутствует, если различия между ними составляют D ≈ 0,4 (Jockusch, Wake, 2002). Среди видов бесхвостых амфибий при D более 0,25, как правило, уже наблюдается частичная постзиготическая изоляция (Sasa et al., 1998). Однако пре — зиготическая (большей частью поведенческая) изоляция может возникать и при меньших генетических дистанциях. Так, в комплексе Plethodon glutinosus из семей- ства безлегочных саламандр Plethodontidae нижний предел межвидовых различий обычно не превышал 0,15 (Highton, 1990).

Более детально этот вопрос был изучен на дрозофиле с использованием опы — тов по гибридизации (Coyne, Orr, 1997). Анализ 171 видовой пары выявил поло — жительную корреляцию с генетическим расстоянием как пре-, так и постзиготиче — ской изоляции, т. е. чем больше значение D, тем сильнее репродуктивная изоляция и в целом, и в каждой из ее форм. Однако имеется серьезное различие между алло — и симпатрическими видами. И если среди первых уровни пре — и постзиготической изоляции не различаются, тогда среди вторых доминируют презиготическая форма изоляции. Так, у молодых симпатрических видов она примерно в 3 раза сильнее (D = 0,833 ± 0,049), чем у аллопатрических форм того же возраста (0,291 ± 0,059), если проводить сопоставление по генетическому расстоянию. Уровень же постзиго — тической изоляции не зависит от алло — и симпатрии среди молодых видов (D ≤ 0,5), поскольку влияния перекрывания ареалов на нее обнаружить не удалось. Если при — нимать, что изменение D во времени линейно и что значение D = 1 соответствует примерно 5 млн лет дивергенции, тогда для достижения видового статуса в услови — ях симпатрии популяциям дрозофил потребуется около 200 тысяч лет, а в условиях аллопатрии — 2,7 млн лет (Coyne, Orr, 1997).

Таким образом, в условиях симпатрии (вторичного контакта) ранее разобщен — ных популяций происходит резкое (быстрое) усиление презиготической формы ре — продуктивной изоляции, по грубым оценкам (Coyne & Orr, 1997), примерно в 10 раз. Следовательно, чем быстрее аллопатрические популяции окажутся в условиях сим- патрии, тем меньше будет генетическая дистанция между ними. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что в целом среди амфибий алло-, пара — и симпатриче — ские виды не сильно различаются по генетическим расстояниям (рис. 5). Действи — тельно, в разных филогенетических линиях пространственное расхождение, а затем схождение аллопатрических форм до их вторичного контакта и перекрывания могло происходить с разной скоростью и занимать разное время. Соответственно этому, уровень накопления генетических различий на стадии аллопатрии может заметно

различаться. Кроме того, более точные количественные оценки можно дать, лишь анализируя близкие виды, родственные отношения между которыми хорошо изу — чены. Так, важно сопоставлять сестринские (непосредственные результаты одного ветвления) и более далекие виды в пределах одной эволюционной линии.

Вопрос о связи между репродуктивной изоляцией и генетическим расстоя — нием был также изучен на примере широко распространенного вида безлегочных саламандр Desmognathus ochrophaeus, популяции которого демонстрируют разную степень презиготической (этологической) изоляции (Tilley et al., 1990). Хотя авто — рам удалось обнаружить общую положительную корреляцию между этологической изоляцией, географическим расстоянием и генетическими различиями (D), всё же парциальная зависимость первого и последнего параметров оказалась более слабой и статистически недостоверной. В результате они пришли к выводу, что этологи — ческая изоляция может возрастать по мере увеличения географической обособлен- ности популяций, поскольку пространственно далекие популяции подвержены более длительной дивергенции, а географическое обособление прерывает поток генов между популяциями. По мнению указанных авторов, высокий уровень пре- зиготической изоляции может развиться и в аллопатрических условиях. Это под — тверждается и тем, что этологическая изоляция между некоторыми популяциями Desmognathus ochrophaeus даже превышала уровень, наблюдаемый между симпатри — ческими видами этого же рода (Tilley et al., 1990).

Таким образом, ясно, что генетика репродуктивной изоляции представляет со — бой важную, но до сих пор еще недостаточно изученную область общей генетики видообразования у животных, особенно в сравнительном аспекте. Ранее предпо- лагалось, что в создании репродуктивной изоляции участвует значительное число генов (Майр, 1968). Однако позже было высказано мнение, что развитие изолиру — ющих механизмов само по себе не влечет изменений по существенной доле струк — турных генов (Avise, Ayala, 1976). Действительно, у дрозофил оно может вовлекать от 1–15 генов и более (Coyne, Orr, 1998). Такое же небольшое число генов можно ожидать в ряде случаев и для амфибий. Интересно, что и для дрозофил, и для ам- фибий выявлена так называемая асимметричная гибридизация, когда спаривание особей двух видов может быть успешным в одном направлении (самец — самка), но не в обратном (самка — самец).

Литература

Айала Ф. Введение в популяционную и эволюционную генетику. М. : Мир, 1984. 230 с. Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика : в трех томах. Т. 3. М. : Мир, 1988. 335 с. Аронштам А. А., Боркин Л. Я., Пудовкин А. М. Изоферменты в популяционной и эволюцион-ной генетике // Генетика изоферментов. М. : Наука, 1977. С. 199–249.

Боркин Л. Я. Что такое типология: видовой уровень проблемы // Методологические пробле-мы эволюционной теории. Тарту, 1984. С. 11–13.

Боркин Л. Я. О таксономической ревизии Ноткера Хельфенбергера (2001), посвященной груп-пе лазающих полозов Старого Света // Современная герпетология. 2003. Т. 2. С. 160–173.

Боркин Л. Я., Литвинчук С. Н. Генетические дистанции и видообразование у амфибий // Во-просы герпетологии : материалы III съезда Герпетологического общества им. А. М. Ни-кольского. СПб., 2008. С. 41–52.

Воронцов Н. Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М. : Прогресс-Традиция; АБФ,

1999. 640 с.

Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприят — ных рас в борьбе за жизнь. СПб. : Наука, 1991, 539 с.

Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М. : Мир, 1985. 398 с.

Литвинчук С. Н., Боркин Л. Я. Эволюция, систематика и распространение гребенчатых трито-нов (Triturus cristatus complex) на территории России и сопредельных стран. СПб. : Евро-пейский дом, 2009. 590 с.

Литвинчук С. Н., Розанов Ю. М., Боркин Л. Я., Скоринов Д. В. Молекулярно-биохимические и

цитогенетические аспекты микроэволюции у бесхвостых амфибий фауны России и со-предельных стран // Вопросы герпетологии : материалы III съезда Герпетологического

общества им. А. М. Никольского. СПб., 2008. С. 247–257.

Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М. : Мир, 1968. 597 с.

Халтурин М. Д., Литвинчук С. Н., Боркин Л. Я., Розанов Ю. М., Мильто К. Д. Генетическая

изменчивость у двух форм обыкновенной чесночницы Pelobates fuscus (Pelobatidae,

Anura, Amphibia), различающихся по размеру генома // Цитология. 2003. Т. 45, № 3.

С. 308–323.

Avise J. C. Systematic values of electrophoretic data // Systematic Zoology. 1975 («1974»). Vol. 23,

№ 4. P. 465–481.

Avise J. C., Aquadro C. F. A comparative summary of genetic distances in the Vertebrates // eds.

M. K. Hecht, B. Wallac, G. T. Prance G. T. Evolutionary Biology. N. Y. ; L., 1982. Vol. 15.

P. 151–185.

Avise J. C., Ayala F. J. Genetic differentiation in speciose versus depauperate phylads: evidence from

the California minnows // Evolution. 1976. Vol. 30. № 1. P. 46–58.

Ayala F. J. Genetic differentiation during the speciation process // Evolutionary Biology. 1975.

Vol. 8. P. 1–78.

Coyne J. A., Orr H. A. “Patterns of speciation in Drosophila” revisited // Evolution. 1997. Vol. 51,

№ 1. P. 295–303.

Coyne J. A., Orr H. A. The evolutionary genetics of speciation // Philosophical Transactions of the

Royal Society of London. 1998. Series B, Biological Sciences. Vol. 353, № 1366. P. 287–305.

Frost D. R., Hillis D. M. Species in concept and practice: herpetological applications // Herpeto-logica. 1990. Vol. 46, № 1. P. 87–104.

Highton R. Taxonomic treatment of genetically differentiated populations // Herpetologica. 1990.

Vol. 46, № 1. P. 114–121.

Hubby J. L., Lewontin R. C. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural

populations. 1. The number of alleles at different loci in Drosophila pseudoobscura // Genetics.

1966. Vol. 54, № 2. P. 577–594.

Jockusch E. L., Wake D. B. Falling apart and merging: diversification of slender salamanders

(Plethodontidae: Batrachoseps) in the American West // Biological Journal of the Linnean

Society. London. 2002. Vol. 76, № 3. P. 361–391.

Lewontin R. C., Hubby J. L. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural

populati class=MsoNormal>С. 308–323.

Avise J. C. Systematic values of electrophoretic data // Systematic Zoology. 1975 («1974»). Vol. 23,

№ 4. P. 465–481.

Avise J. C., Aquadro C. F. A comparative summary of genetic distances in the Vertebrates // eds.

M. K. Hecht, B. Wallac, G. T. Prance G. T. Evolutionary Biology. N. Y. ; L., 1982. Vol. 15.

P. 151–185.

Avise J. C., Ayala F. J. Genetic differentiation in speciose versus depauperate phylads: evidence from

the California minnows // Evolution. 1976. Vol. 30. № 1. P. 46–58.

Ayala F. J. Genetic differentiation during the speciation process // Evolutionary Biology. 1975.

Vol. 8. P. 1–78.

Coyne J. A., Orr H. A. “Patterns of speciation in Drosophila” revisited // Evolution. 1997. Vol. 51,

№ 1. P. 295–303.

Coyne J. A., Orr H. A. The evolutionary genetics of speciation // Philosophical Transactions of the

Royal Society of London. 1998. Series B, Biological Sciences. Vol. 353, № 1366. P. 287–305.

Frost D. R., Hillis D. M. Species in concept and practice: herpetological applications // Herpeto-logica. 1990. Vol. 46, № 1. P. 87–104.

Highton R. Taxonomic treatment of genetically differentiated populations // Herpetologica. 1990.

Vol. 46, № 1. P. 114–121.

Hubby J. L., Lewontin R. C. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural

populations. 1. The number of alleles at different loci in Drosophila pseudoobscura // Genetics.

1966. Vol. 54, № 2. P. 577–594.

Jockusch E. L., Wake D. B. Falling apart and merging: diversification of slender salamanders

(Plethodontidae: Batrachoseps) in the American West // Biological Journal of the Linnean

Society. London. 2002. Vol. 76, № 3. P. 361–391.

Lewontin R. C., Hubby J. L. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural

populations. 2. Amount of variation and degreee of heterozygosity in natural populations of

Drosophila pseudoobscura // Genetics. 1966. Vol. 54, № 2. P. 595–609.

Markert С. L., Moller F. Multiple forms of enzymes: tissue, ontogenetic, and species specific pat-terns // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

1959. Vol. 45. № 5. P. 753–763.

Mindell D. P., Sites J. W., Graur D. Mode of allozyme evolution: increased genetic distance associated

with speciation events // Journal of Evolutionary Biology. 1990. Vol. 3, № 1. P. 125–131.

Nei M. Genetic distance between populations // The American Naturalist. 1972. Vol. 106, № 949.

P. 283–292.

Nei M. Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of indi-viduals // Genetics. 1978. Vol. 89, № 3. P. 583–590.

Nishioka M., Sumida M., Borkin L. J., Wu Z. Genetic differentiation of 30 populations of 12 brown

frog species distributed in the Palearctic region elucidated by the electrophoretic method //

Scientific Report of the Laboratory for Amphibian Biology, Hiroshima University. 1992. Vol. 11. Part. 3. P. 109–160.

Sasa M. M., Chippindale P. T., Johnson N. A. Patterns of postzygotic isolation in frogs // Evolution.

1999 («1998»). Vol. 52, № 6. P. 1811–1820.

Skibinski D. O. F., Ward R. D. Are polymorphism and evolutionary rate of allozyme proteins limited

by mutation or selection? // Heredity. 1998. Vol. 81. P. 692–702.

Skibinski D. O. F., Woodwark M., Ward R. D. A quantitative test of the neutral theory using pooled

allozyme data // Genetics. 1993. Vol. 135, № 1. P. 233–248.

Thorpe J. P. The molecular clock hypothesis: biochemical evolution, genetic differentiation and sys-tematics // Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics. 1982. Vol. 13. P. 139–168.

Thorpe J. P., Solé-Cava A. M. The use of allozyme electrophoresis in invertebrate systematics //

Zoologica Scripta. 1994. Vol. 23, № 1. P. 3–18.

Tilley S. G., Verrell P. A., Arnold S. J. Correspondence between sexual isolation and allozyme differen-tiation: a test in the salamander Desmognathus ochrophaeus // Proceedings of the National

Academy of Sciences of the United States of America. 1990. Vol. 87, № 7. P. 2715–2719.

Veith M. Morphological, molecular and life history variation in Salamandra salamandra (L.) //

Mertensiella. Bonn. 1994. № 4. P. 355–397.

Veith M. Molecular markers and species delimitation: examples from the European batrachofau-na // Amphibia-Reptilia. 1996. Vol. 17, № 4. P. 303–314.

Species and Speciation in Animals: Molecular Genetic Evaluation (Genetic Distance)

L. J. Borkin*, S. N. Litvinchuk**

*Zoological Institute, Russian Academy of Sciences

St. Petersburg, Russia: lacerta@zin. ru;

**Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

St. Petersburg, Russia: slitvinchuk@yahoo. com

Perspectives of quantitative evaluation of divergence and speciation in animals by means of genetic distance (DNei) are analysed on the basis of authors’ and literature allozyme data. Historically, Charles Darwin mentioned the possibility of various rates of evolution. The level of protein divergence between populations is positively correlated with genetic distance. However, the existence of any criterion for species (D ≥ 0,15) or genus (D ≥ 0,35) is not supported by theory and taxonomic practice. Average genetic distance between congeneric species is different in the classes of vertebrates. Possible influence of the cladogenesis (branching) on rate of evolution is discussed. Genetic by selection is obvious: traits such as sterility that reduce the fitness of hybrid individuals, will always be costly and must therefore be a by-product of evolution in the parental populations (Jiggins, 2006). It can be easily seen this model is significantly different from the speciation model proposed by Ch. Darwin (1998) who believed that natural selection directly drove the formation of new species.

Second, the reproductive isolation may be directly favoured by natural selection, in a process called reinforcement (Butlin, 1987). If divergent populations hybridize while in contact and hybrid matings are less productive than within-species matings, then selec — tion may favour traits that reduce the probability of hybridization (Dobzhansky, 1937,

1940). Reinforcement is appealing because it provides a direct role for natural selection in the formation of pre-zygotic isolation and eventually in speciation, processes that are otherwise incidental. Despite its plausibility and increasing attention from evolutionary biologists, only a few well-documented cases of reinforcement have been published (Noor,

1999; Kirkpatrick, Ravigne, 2002; Servedio, Noor, 2003; Ortiz-Barrientos et al., 2009).

The reinforcement model predicts a pattern of increased pre-zygotic isolation in sym-patric species pairs compared to allopatric species of a similar age. This is a signature of the

reinforcement (Ortiz-Barrientos et al., 2009). Unfortunately, there are also other evolu-tionary processes that can lead to the same pattern. One possibility is that species always

diverge in allopatry while only those species pairs that already have a significant degree of

pre-zygotic isolation can coexist if they come to secondary contact. This alternative hy-pothesis was called differential fusion mechanism (Templeton, 1981; Butlin, 1987, 1995).

Then, ecological divergence may cause concomitant changes in mate recognition sig — nals that make sympatric populations of two nascent species less likely to mate with one another (Noor, 1999; Nosil et al. 2003). Finally, enhanced pre-zygotic isolation can evolve after speciation is complete (e. g. if all hybrids are sterile), to reduce costly interspecific courtship and mating. The third process is also interesting from the point of view of evo — lutionary biology. However, it is fundamentally different from reinforcement since it does not include the gene exchange between the populations in contact (Jiggins, 2006).

It is generally appreciated that one of the most important and influential empirical study of reinforcement is J. Coyne and H. Orr’s (1989, 1997) comparative analysis of reproductive isolation in Drosophila. This showed a clear pattern of increased pre-zygotic isolation in sympatric species pairs compared to allopatric species of a similar age, so, the pattern that was very consistent with reinforcement. However, M. Noor (1999) pointed out that alternative explanations for this pattern were not excluded. Thus, the question about plausibility of reinforcement has remained to be open.

In our research we used a combination of molecular phylogeographical and com- parative approaches (Лухтанов, 2007) for studying the speciation by reinforcement. We used a molecular phylogeny of Agrodiaetus, a group of small blue butterflies, to show that closely related sympatric species are more likely to differ in male colour pattern than al — lopatric species of a similar age and that this pattern is most likely the result of reinforce- ment (Lukhtanov et al., 2005; Lukhtanov, 2007; Kandul et al., 2007).

Agrodiaetus butterflies, the model system for studying evolution

Agrodiaetus, our model system, is a large and taxonomically diverse genus of blue butterflies (Insecta, Lepidoptera, Lycaenidae) (Forster, 1956–1961; Eckweiler, Häuser,

1997; Wiemers, 2003; Kandul et al., 2004). The monophyly of the genus is strongly sup — ported by molecular data (Kandul et al., 2002, 2004; Wiemers, 2003). The genus is very young from the point of view of its evolutionary history. It was estimated to have origi — nated only about 3 millions years ago (Kandul et al., 2004). However, the diversification processes were extremely intensive in the genus and resulted in at least 120 species dis — tributed throughout the Western Palaearctic and Central Asia. Thus, the rate of diversi- fication of this group has been extremely high. The highest species diversity is found in Caucasus, Iran and Turkey (Hesselbarth et al., 1995; Eckweiler, Häuser, 1997). Numerous populations among these taxa have pure allopatric distribution, i. e. do not share their dis- tribution ranges with their relatives. However, in several localities, especially in Turkey and Iran, up to 15 species can be found together, i. e. sympatrically (Hesselbarth et al.,

1995; Eckweiler, Häuser, 1997).

The females are typically brown on the upper surface of their wings, whereas males in

the majority of species have blue colouration. The blue colour seems to be plesiomorphic

because it was found in basal members of the genus and in outgroups, the closely related

genera of the Polyommatus section (Kandul et al., 2004). At the same time, some species

of the genus develop very unusual male wing colours: violet, greenish, gray, brown and

even orange as it was found in A. peilei. This is the only orange species in the Polyommatus

section. It is well known that male wing colouration, both in visible and ultraviolet wave-length ranges, is important mate recognition characteristic in butterflies, involved in the

formation of pre-zygotic reproductive isolation. This was a good reason to concentrate on

the study of this character (Lukhtanov et al., 2005).

The most remarkable characteristic of the genus Agrodiaetus is its unusual diversity of chromosomal complements, or karyotypes. Indeed, Agrodiaetus shows one of the highest interspecific chromosome number diversities known in the animal kingdom. The chromosome number is generally stable within species, but differences between closely related species are often high. The haploid chromosome numbers in Agrodiaetus range from n=10 in A. caeruleus to n=134 in A. shahrami (Lukhtanov, Dantchenko, 2002; Lukhtanov et al., 2006; Kandul et al., 2007).

Phylogeographic analysis of wing colour evolution in sympatric and allopatric taxa of Agrodiaetus

In our study we reconstructed the evolutionary history of the genus by using sequencing and phylogenetic analysis of mitochondrial (COI, COII, tRNA-leu) and nuclear

(EF1-α, ITS2) sequences (Kandul et al., 2002; 2004; Fig. 1). We determined the genetic

distance on the phylogeny for each pair of sister taxa, and noted each taxon’s wing colour

and whether the taxa were sympatric or allopatric in their distribution (Lukhtanov et al.

2005). Karyotypes were also analyzed using the squash method. In most cases, the same

individual specimen was used for both karyotype and phylogenetic analyses (Lukhtanov,

Danchenko, 2002; Kandul et al., 2007).

In our data, the smallest genetic divergences were found to occur between sister taxa

with allopatric distributions. This pattern indicates that speciation in Agrodiaetus started

in allopatry. An additional age–range correlation test (Barraclough, Vogler, 2000) also

revealed a pattern consistent with allopatric speciation in Agrodiaetus. The data analysis

showed that this first, allopatric stage is accompanied by rapid chromosomal evolution,

but not accompanied by any remarkable changes in butterfly morphology. The plesiomor-phic wing colouration remained unchanged even during very long period spent in allopa-try. At this first stage, morphologically identical, but chromosomally distinct allopatric

taxa arise.

Older taxa can become sympatric. We have discovered that the shift from allopatry to

sympatry in species pair with small and medium level of genetic divergence was accompa-nied by dramatic change of wing coloration. As a result, in Agrodiaetus the great majority

of allopatric species have similar colouration; whereas most the sympatric taxa demon-strate great differences in male wing colour (Fig. 1). This is exactly the pattern predicted

by reinforcement, however, the same pattern is predicted by differential fusion hypothesis

(see Introduction). In our study we were able to discriminate between the reinforcement

and the differential fusion mechanisms of the wing colour evolution. Reinforcement pre-dicts that primarily young phylogenetic lineages will demonstrate enhanced pre-zygotic

isolation because older lineages are less likely to hybridize, having already acquired full

reproductive isolation in allopatry. In contrast, according to differential fusion, the ap-pearance of new colouration is independent of interactions between taxa in sympatry.

This means that a change in colour is a random event or a by-product of ecological ad-aptation and can happen in any lineage independently of its age. Therefore, a new colour

can appear with equal frequency in sympatric and allopatric lineages (which we do not

observe), and no correlation would be expected between the frequency of the appearance

of a new colour and lineage age. However, our study demonstrated that there is a cor-relation between the colours and lineage age, and the more divergent sympatric taxa are

actually less likely to differ in colour pattern (Lukhtanov et al, 2005). This finding provides

Fig. 1. Relative abundance of Agrodiaetus pairs formed by taxa with different male wing colours (black bars) versus those with the same male wing colour (grey bars) as a function

of genetic distance (Lukhtanov et al., 2005, with modifications). Sympatric pairs of taxa (A) are presented separately from allopatric pairs of taxa (B). The genetic distance for each pair of taxa was recovered from the ML phylogenetic reconstruction inferred in PHYML under

the HKY + I + Γ model of DNA substitution

strong evidence for divergence being directly due to interactions between closely related taxa in sympatry and rejects the differential fusion mechanisms as a possible explanation of colour evolution in Agrodiaetus.

Our first findings were published (Lukhtanov et al., 2005) and obtained positive responses from the scientific community (Culotta, Pennisi, 2005). However, they were also criticized by Chris Jiggins (2006) who pointed two fundamental problems that remained to be solved.

First, given the importance of colour patterns in crypsis and thermoregulation, it seems quite plausible that the changes in colour might be largely driven by ecological selection, rather than reinforcement. The ecological character displacement can only occur in sympatry, and might drive sympatric species to diverge along different ecological dimensions as compared to allopatric species.

Second, the patterns observed by us in Agrodiaetus could evolve after speciation was completed (e. g. if all hybrids were sterile), to reduce costly interspecific mating. This process is rather difficult to distinguish from ‘true reinforcement’ which requires gene flow between taxa in contact.

Last three years our research group addressed these two problems using new field observations, new samples, new molecular markers and additional analyses.

Rapid colour evolution in Agrodiaetus: consequence of reinforcement or ecological character displacement?

Ecological character displacement (i) and reinforcement (ii) predict similar pattern: higher levels of character differences in areas of sympatry than in areas of allopatry. However, if ecology is a primary cause of character evolution, we can expect to find a correlation between ecological and morphological characters. So, the species pairs with

distinct wing colour differences should constitute a subset of the species pairs with clear differences in ecological characters that can affect coloration.

More specifically, for the blues of the family Lycaenidae, three hypotheses have been suggested to explain how the ecological divergence may affect the wing colour.

The first hypothesis deals with the possible role of wing colour in crypsys and mimicry (Jiggins, 2006). This hypothesis seems to be unlikely for two reasons: 1) there is no evidence for mimicry in Agrodiaetus; 2) the under surface of wings is cryptic, but it is nearly identical in all species. The upper surface of wings in males may be different, but it is visible to predators during flight only. However, we have never observed predators catching Agrodiaetus during flight. We have seen spiders systematically collecting Agrodiaetus, but they do this passively, using nets, regardless of wing colouration.

The second hypothesis deals with the larval food plants that can affect shades of wing colour through accumulation of plant pigments in wings. This mechanism is absolutely real (Knuttell, Fiedler, 2000), but the influence of food plants on wing colour is relatively low and cannot change the colour as dramatically as we observe in the majority of sympatric species pairs in Agrodiaetus.

The most plausible hypothesis is the third explanation: the importance of wing colour in thermoregulation. Lower reflectance seems to be adaptive for butterflies at high altitudes because it provides more efficient energy absorption from solar radiation (Biro et al., 2003). This hypothesis predicts that the species with lower wing reflectance will be found in cooler biotopes or/and in higher altitudes as compared with the species with higher reflectance.

We have checked these hypothesis by comparing and analyzing the differentiation in ecology (biotope, altitude and food plant) and wing colour in sympatric and allopatric sister species pairs. We discovered no correlation between ecological character displacement and wing colouration (Lukhtanov et al., unpublished). What’s more, we found that in Agrodiaetus ecological divergence in allopatry is common (Dantchenko, 1997, 2000), however does not lead to a change in colouration. Thus, our data argue that ecological character displacement has not participated in the formation of wing colour differences observed in sympatric species pairs of Agrodiaetus. In other words, we can conclude that sexual interaction rather than ecological selection drives wing colour evolution in the genus.

Reinforcement with gene flow in Agrodiaetus

We have used a combination of chromosomal, molecular nuclear (ITS2), molecular mitochondrial (COI) and morphological markers to perform an analysis of recent and ancient gene exchange between sympatric sister taxa in Agrodiaetus.

Chromosomal markers seem to be a powerful tool to analyze the ongoing hybridiza — tion because they permit us to distinguish easily between parental species, F1 hybrids and backcrosses. This is especially true for Agrodiaetus, in which the species exhibit remarka — ble diversity in their karyotypes (Fig. 2). The detecting hybrids and backcrosses between such divergent karyotypes is relatively easy. If parental races have different chromosome numbers, the meiotic karyotype in hybrids will include not only bivalents, but also multi — valents. The conclusion about hybridization may be additionally checked by counting the chromosomes in mitotic cells: their number in hybrids should be intermediate.

Analysis of chromosomal markers showed that ongoing between-species hybridi — zation is extremely rare in Agrodiaetus (Lukhtanov et al., 2006; Kandul et al., 2007).

Fig. 2. Karyotypes of Agrodiaetus in the metaphase I of male meiosis; n is the number

of bivalents (Lukhtanov, Dantchenko, 2002, with modifications). 1 A. surakovi, a part of an intact spermatocyst with metaphase I plates in pole (arrow) and side view. 2 A. admetus, n=79. 3 A. ripartii, n=90. 4 A. phyllis sheljuzhkoi, n=79. 5 A. demavendi, n=71. 6–7 A. dag — estanicus, n=40. 8 A. dagestanicus, side view of the metaphase plate. The smallest bivalent (arrow) is situated at the periphery of the plate. 9 A. ninae, n=34. 10 A. pseudactis, n=29.

11 A. eriwanensis, n=34. 12 A. damocles krymaeus, n=26. 13 A. aserbeidschanus, n=23.

14 A. altivagans, n=20 Bar represents 12.5 μm in 1, and 5 μm in 2–14

At the same time analysis of molecular markers revealed several cases, in which close — ly related sympatric species had identical mitochondrial sequences, but were deeply divergent in nuclear markers.

The incongruence in nuclear and mitochondrial phylogenetic reconstructions to — gether with between-species identity in mitochondrial genes tell us that in the past there was a hybridization between taxa in contact. During these cases of hybridiza — tion mitochondria of one species were replaced with mitochondria of another species (Шаповал, 2008).

Therefore, we conclude that in the past history there were gene exchanges between these taxa in zones of their secondary contacts. Consequently, at that time these taxa were rather conspecific populations of one species than reproductively isolated different species.

Conclusions

1) The sympatric distribution of relatively young sister taxa of Agrodiaetus strongly correlates with differences in male wing colour, the character involved in the formation of pre-zygotic reproductive barriers.

2) The pattern of higher wing colour differences observed in Agrodiaetus in sympatry has been originated in situ, i. e. in places of secondary contacts. It is a consequence of direct interaction between closely related populations in the contact zone.

3) Most likely, ecological selection was not a primary cause of the wing colour differentiation in sympatry.

4) The interactions between populations in contact included hybridization and gene flow, indicating that this process was true speciation by reinforcement rather than postspeciation evolution.

5) The enhanced pre-zygotic reproductive isolation between sympatric species of

Agrodiaetus was directly favoured by selection.

I thank A. Dantchenko (Moscow State University), N. Kandul (California Institute of Technology), N. Pierce (Harvard University) and N. Shapoval (Zoological Institute RAS) for help and collaboration in this study. Support for the research was provided by the Russian Foundation for Basic Research (grant RFFI 09-04-01234), by grant NSH-963.2008.4 (Leading Scientific Schools) and by the programs of the Presidium of Russian Academy of Science ‘Gene Pools and Genetic diversity’ and ‘Origin of biosphere and evolution of geo-biological systems’.

References

Лухтанов В. А. Тестирование моделей видообразования с использованием методов молеку- лярной и сравнительной филогенетики // Вычислительная филогенетика и геносисте — матика «ВФГС 2007». М. : Тов-во науч. изд. КМК, 2007. С. 154–157.

Шаповал Н. А. Митохондриальная интрогрессия у голубянок рода Agrodiaetus как подтверж — дение гипотезы Добржанского об усилении репродуктивной изоляции: магистерская диссертация. СПб. : Изд-во С.-Петербург. ун-та, 2008. 78 с

Barraclough T. G., Vogler A. P. Detecting the geographic pattern of speciation from species-level phylogeny // American Naturalist. 2000. Vol. 155. P. 419–434.

Biro L. P., Balint Z., Kertesz K., Vertesy Z., Mark G. I., Horvath Z. E., Balazs J., Mehn D., Kiricsi I., Lousse V., Vigneron J.-P. Role of photonic-crystal-type structures in the thermal regulation of a Lycaenid butterfly sister species pair // Physical Review E. 2003.Vol. 67. № 021907. P. 1–7.

Butlin R. K. Species, speciation, and reinforcement // American Naturalist. 1987. Vol. 130. P. 461–464.

Butlin R. K. Reinforcement: an idea evolving // Trends in Ecology and Evolution. 1995. Vol. 10.

P. 432–434.

Coyne J. A., Orr H. A. Patterns of speciation in Drosophila // Evolution. 1989. Vol. 43. P. 362–381.

Coyne J. A., Orr H. A. “Patterns of speciation in Drosophila” revisited // Evolution. 1997. Vol. 51.

P. 295–303.

Coyne J. A., Orr H. A. Speciation. Sunderland (Mass.) : Sinauer Associates, 2004. 545 p.

Culotta E., Pennisi E. Evolution in Action // Science. 2005.Vol. 310. P. 1878–1879.

Dantchenko A. V. Notes on the biology and distribution of the damone and damocles species-com — plex of the subgenus Polyommatus (Agrodiaetus) (Lepidoptera: Lycaenidae) // Nachrichten des Entomologischen Vereins Apollo. Suppl. 1997. Bd. 16. S. 23–42.

Dantchenko A. V. Agrodiaetus // Guide to the butterflies of Russia and adjacent territories / ed. by

V. K. Tuzov. Sofia ; Moscow : Pensoft, 2000. P. 196–214.

Darwin Ch. The origin of species. Kent : Wordsworth Classics of World Literature, 1998. 392 p.

(Reprint of the first (November 1859) edition, fully entitled “On the Origin of Species by

Means of Natural Selection or, The Preservation of favoured Races in the Struggle for Life”).

Dobzhansky T. Genetics and the origin of species. N. Y. : Columbia Univ. Press, 1937. 364 p.

Dobzhansky T. Speciation as a stage in evolutionary divergence // American Naturalist. 1940.

Vol. 74. P. 312–321.

Eckweiler W., Häuser C. An illustrated checklist of Agrodiaetus Hübner, a subgenus of Polyomma-tus Latreille, 1804 (Lepidoptera: Lycaenidae) // Nachrichten des Entomologischen Vereins

Apollo. Supplement. 1997. Bd. 16. S. 113–168.

Forster W. Bausteine zur Kenntnis der Gattung Agrodiaetus Scudd. (Lep. Lycaen) // Zeitschrift der

Wiener Entomologischen Gesellschaft. 1956. Bd. 41. S. 42–61, 70–89, 118–127 ; 1960. Bd. 45.

S. 105–142 ; 1961. Bd. 46. S. 8–13, 38–47, 74–94, 110–116.

Hesselbarth G., Oorchot H., Wagener S. Die Tagfalter der Türkei unter Berücksichtigung der an-grenzenden Länder. Deutschland, Bocholt : Selbstverlag Siegbert Wagener, 1995. Bd. 1–2.

S. 1–1354 ; Bd. 3. S. 1–847.

Jiggins C. Reinforced butterfly speciation // Heredity. 2006. Vol. 96. P. 107–108.

Kandul N. P., Lukhtanov V. A., Dantchenko A. V., Coleman J., Haig D., Sekercioglu C., Pierce N. The

evolution of karyotype diversity: a molecular phylogeny of Agrodiaetus Hübner, 1822 (Lepi-doptera: Lycaenidae) inferred from mtDNA sequences for COI and COII // 4th International

Conference on the Biology of Butterflies, Leeuwenhorst, the Netherlands. 2002. P. 33–34.

Kandul N. P., Lukhtanov V. A., Dantchenko A. V., Coleman J. W. S., Sekercioglu C. H., Haig D.,

Pierce N. E. Phylogeny of Agrodiaetus Hübner 1822 (Lepidoptera: Lycaenidae) inferred from

mtDNA sequences of COI and COII and nuclear sequences of EF1-α: karyotype diversification

and species radiation // Systematic Biology. 2004. Vol. 53. P. 278–298.

Kandul N. P., Lukhtanov V. A., Pierce N. E. Karyotypic diversity and speciation in Agrodiaetus but-terflies // Evolution. 2007.Vol. 61. P. 546–559.

Kirkpatrick M., Ravigne V. Speciation by natural and sexual selection: models and experiments //

American Naturalist. 2002. Vol. 159. P. 22–35.

Knuttel H., Fiedler K. On the use ultraviolet photography and ultraviolet wing patterns in butterfly

morphology and taxonomy // Journal of the Lepidopterists’ Society. 2000. Vol. 54. P. 137–144.

Lukhtanov V. A., Dantchenko A. V. Principles of highly ordered metaphase I bivalent arrange-ment in spermatocytes of Agrodiaetus (Lepidoptera) // Chromosome Research. 2002. Vol. 10.

P. 5–20.

Lukhtanov V. A., Kandul N. P., Plotkin J. B., Dantchenko A. V., Haig D., Pierce N. E. Reinforcement

of pre-zygotic isolation and karyotype evolution in Agrodiaetus butterflies // Nature. 2005.

Vol. 436. P. 385–389.

Lukhtanov V. A., Vila R., Kandul N. P. Rearrangement of the Agrodiaetus dolus species group (Lepi-doptera, Lycaenidae) using a new cytological approach and molecular data // Insect System-atics and Evolution. 2006. Vol. 37. P. 325–334.

Noor M. A. Reinforcement and other consequences of sympatry // Heredity. 1999. Vol. 83. P. 503–508.

Nosil P., Crespi B. J., Sandoval C. P. Reproductive isolation driven by combined effects of ecologi-cal adaptation and reinforcement // Proceedings of the Royal Society of London B. 2003.

Vol. 270. P. 1911–1918.

Ortiz-Barrientos D., Grealy A., Nosil P. The genetics and ecology of reinforcement: Implications for

the evolution of prezygotic isolation in sympatry and beyond // The Year in Evolutionary

Biology. N. Y. : New York Academy of Sciences, 2009. P. 156–182.

Servedio M. R., Noor M. A. F. The role of reinforcement in speciation: theory and data // Annual

Review of Ecology, Evolution and Systematics. 2003. Vol. 34. P. 339–364.

Templeton A. R. Mechanisms of speciation — a population genetic approach // Annual Review of

Ecology and Systematics. 1981. Vol. 12. P. 23–48.

Wiemers M. Chromosome differentiation and the radiation of the butterfly subgenus Agrodiaetus (Lepidoptera: Lycaenidae: Polyommatus) — a molecular phylogenetic approach. PhD thesis. University Bonn, 2003. 143 p. [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http://hss. ulb. uni-bonn. de/diss_online/math_nat_fak/2003/wiemers_martin/wiemers. htm.

Роль естественного отбора в видообразовании: усиление презиготической репродуктивной изоляции у бабочек-голубянок рода Agrodiaetus

В. А. Лухтанов

Зоологический институт РАН, Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия: lukhtanov@mail. ru

Согласно модели видообразования, предложенной в 1937 г. Ф. Добржанским, но — вые виды могут возникать в результате действия естественного отбора на усиление презиготической изоляции между двумя популяциями, которые and reinforcement // Proceedings of the Royal Society of London B. 2003.

Vol. 270. P. 1911–1918.

Ortiz-Barrientos D., Grealy A., Nosil P. The genetics and ecology of reinforcement: Implications for

the evolution of prezygotic isolation in sympatry and beyond // The Year in Evolutionary

Biology. N. Y. : New York Academy of Sciences, 2009. P. 156–182.

Servedio M. R., Noor M. A. F. The role of reinforcement in speciation: theory and data // Annual

Review of Ecology, Evolution and Systematics. 2003. Vol. 34. P. 339–364.

Templeton A. R. Mechanisms of speciation — a population genetic approach // Annual Review of

Ecology and Systematics. 1981. Vol. 12. P. 23–48.

Wiemers M. Chromosome differentiation and the radiation of the butterfly subgenus Agrodiaetus (Lepidoptera: Lycaenidae: Polyommatus) — a molecular phylogenetic approach. PhD thesis. University Bonn, 2003. 143 p. [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http://hss. ulb. uni-bonn. de/diss_online/math_nat_fak/2003/wiemers_martin/wiemers. htm.

Роль естественного отбора в видообразовании: усиление презиготической репродуктивной изоляции у бабочек-голубянок рода Agrodiaetus

В. А. Лухтанов

Зоологический институт РАН, Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия: lukhtanov@mail. ru

Согласно модели видообразования, предложенной в 1937 г. Ф. Добржанским, но — вые виды могут возникать в результате действия естественного отбора на усиление презиготической изоляции между двумя популяциями, которые дивергировали в аллопатрии и вступили во вторичный контакт. Этот гипотетический механизм принципиально отличается от других моделей видообразования, в большинстве которых формирование репродуктивной изоляции рассматривается как побочный продукт генетической дивергенции. Хотя теоретически такой механизм может ра — ботать, эмпирические доказательства существования его в природе малочисленны и ненадежны. В нашем исследовании, используя методы молекулярной филогенети — ки, мы показали, что симпатрическое обитание эволюционно молодых сестринских видов бабочек рода Agrodiaetus четко коррелирует с различиями в окраске крыльев и обнаруженная картина является результатом отбора на усиление презиготической изоляции.

Ключевые слова: вид, видообразование, Добржанский, естественный отбор, методы молекулярной филогенетики, репродуктивная изоляция, усиление презиготической изоляции, хромосома.

Материал взят из: Чарльз Дарвин и современная биология. Труды Международной научной конференции (21–23 сентября 2009 г., Санкт — Петербург)