Дикие виды должны обладать достаточным запасом генетического разнообразия, чтобы выжить под прессом внешней среды, превосходящим пределы пластичности индивидуального развития. Если бы это было не так, вымирание было бы неизбежным.

O.H.Frankel, 1983

В главе 5 мы показали, что скорость вымирания видов на Земле уже достигла или почти достигла самой высокой отметки за всю историю ее существования. Такая стремительная потеря видов сопровождается менее уловимым, однако не менее опасным процессом – потерей генетического разнообразия. Когда популяция или вид исчезает с лица земли, теряется вся генетическая информация, заложенная в этой популяции или виде. Из-за разрушения естественных биотопов единые популяции разбиваются на куски, в результате чего образуются множество мелких изолированных популяций, и это приводит к постепенной потере генетического разнообразия в пределах каждой такой популяции. Говоря словами Томаса Фуса (Thomas Foose, 1983): “Генетический пул (pool (англ.) – бассейн) уменьшается и разбивается на генетические лужи”.

Но почему мы уделяем так много внимания столь частной проблеме как генетическое разнообразие, в то время как существуют куда более глобальные проблемы, когда широкомасштабное разрушение биотопов, глобальное потепление, отравление вод, распространение экзотических видов грозят разрушить всю экологическую систему? Конечно, проблема массового уничтожения тропических дождевых лесов, например, не может быть решена с помощью одной генетики. Виды в этих системах будут исчезать из-за потери среды обитания, и никакое генетическое разнообразие всего мира их не спасет (в отличие от генетически запрограммированного человеческого рассудка). Подобная ситуация массового разрушения требует комплексного подхода на разных уровнях (см. главы III и IV). Однако, существует множество природоохранных задач, для решения которых необходимо руководствоваться генетическими знаниями, многие факты требуют интерпретации в свете генетической теории.

Носороги, медведи гризли, тихоокеанский лосось, рыбы пустынных озер, амурский тигр, африканский слон и многие другие виды процветают благодаря усилиям генетиков.

Причем тут генетика?

В пользу привлечения генетики в природоохранную биологию можно привести как минимум три аргумента. Во-первых, фундаментальная теорема естественного отбора (Fisher, 1930) говорит нам от том, что скорость эволюционных изменений в популяции пропорциональна ее суммарному генетическому разнообразию. С уменьшением генетического разнообразия уменьшаются скорость и диапазон потенциальных эволюционных изменений в популяции в ответ на требования внешней среды. По существу, потеря этого разнообразия ограничивает возможности будущей эволюции.

Во-вторых, все популяционные генетики единодушны в представлении, что гетерозиготность – высокая индивидуальная или популяционная генетическая изменчивость – положительно влияет на приспособленность. Гетерозиготность по одному или многим генетическим локусам (монолокусная или полиолокусная) может давать особи селективное преимущество. Ниже мы остановимся на гетерозиготности подробнее; пока же отметим, что снижение индивидуальной гетерозиготности может привести к снижению приспособленности.

И, наконец, в суммарном генофонде всех живых организмов содержится информация о всех биологических процессах на планете. Каждый биохимический продукт, каждая модель развития, каждый инстинкт поведения, каждая цветовая морфа закодированы в этой невообразимой по своим масштабам генетической “библиотеке”. Уилсон (Wilson, 1985б) подсчитал, что, если миллиард бит генетической информации, записанные в ДНК одной домовой мыши, преобразовать в эквивалентный по объему информации англоязычный текст, полученный текст занял бы примерно столько же томов, сколько занимают все 15 изданий Британской энциклопедии, напечатанные с 1768 года. Потеря такого разнообразия, возможно, уменьшит способности организмов отвечать на изменения окружающей среды. Кроме того, мы можем потерять потенциально полезную человеку биологическую информацию, например, уменьшится разнообразие ценных биохимических веществ. Короче говоря, мы теряем “чертежи” жизни.

Далее в этой главе, говоря об охране природы, мы придерживаемся эволюционной парадигмы, что также подразумевает, что генетика должна занять должное положение в природоохранных мероприятиях. Эволюция – это организационная концепция всей биологии, и она должна играть ведущую роль в охране природы. Говорят даже о “эволюционной этике природоохранной деятельности” (Vrijenhoek, 1989b), поскольку эта деятельность по своей сущности закладывает долговременные эволюционные перспективы. Наиболее понятна роль эволюции в связи с проблемой сохранения генофонда, но эта роль распространяется и на все остальные аспекты охраны природы. Поэтому мы призываем всех, изучающих биологию охраны окружающей среды, запастись хорошими знаниями в области эволюционной биологии, включая генетику, а так же научиться применять их на практике. “Биосфера – это система (или набор систем), содержащая миллионы элементов, которые изменяются во времени и подвержены влиянию бесчисленного множества различных факторов и случайностей, флуктуаций внешних условий и бесчисленных исторических особенностей. Существует лишь одна теория – теория эволюции, которая учитывает все эти нюансы, и весьма вероятно, что другой такой теории никогда и не будет.” (Ehrenfeld,1991).

Ключевая проблема, связывающая генетику и охрану природы – это проблема малых популяций, которые, как в дикой природе, так и в неволе, имеют тенденцию со временем терять генетическое разнообразие. Потеря разнообразия может повысить вероятность вымирания популяции, снизить ее возможности адаптироваться в ходе эволюционных изменений. Нарушение и фрагментация местообитаний приводит к тому, что популяции животных или растений становятся маленькими и изолированными; многие виды, находящиеся под угрозой, представлены небольшими по размеру популяциями, поэтому очень важно знать генетические последствия наших усилий по восстановлению этих видов и популяций, чтобы этот процесс прошел успешно. Главный тезис природоохранной генетики, а также основная мысль настоящей главы: необходимо поддерживать генетическое разнообразие на всех уровнях, тем самым сохраняя возможность будущей эволюции.

Прежде чем пойти дальше, сделаем две оговорки. Во-первых, в этой главе мы предполагаем, что читатель уже имеет представление об основных положениях менделевской генетики и, хотя бы немного, о популяционной генетике. Как минимум, читатель должен быть знаком с таким понятием, как характер наследования, с основными молекулярно-генетическими структурами и функциями (ДНК и структурой хромосом), законом Харди-Вайнберга и концепцией естественного отбора. При отсутствии этих базовых знаний мы рекомендуем читателю предварительно почитать учебник по генетике.

Вторая оговорка связана с тем, что поток литературы по охране окружающей среды постоянно увеличивается. Применение генетики в охране природы – молодое направление, постоянно публикуются новые достижения и аргументы. В настоящей книге мы можем дать лишь введение в проблему и предлагаем серьезному читателю продолжить знакомство с ней по оригинальным работам (напр., Frankel and Soule 1981a, Schonewald-Cox et al., 1983; соответствующие главы в Soule 1986a, и особенно последние работы, такие как Ryman and Utter 1987; Falk and Holsinger 1991; Avise 1994; Loeschcke et al. 1994).

Все генетическое разнообразие вида существует на трех фундаментальных уровнях: индивидуальная генетическая изменчивость (гетерозиготность), генетические различия между особями в пределах популяции и генетические различия между популяциями. Каждый уровень дает генетические средства, которые могут оказаться важными для сохранения вида, следовательно, каждый уровень нужно понять и осмыслить по отношению ко всем остальным уровням.

Наследственная генетическая изменчивость лежит в основе эволюционных изменений и является необходимым условием для работы естественного отбора. За исключением однояйцевых близнецов и клонов, все индивидуумы генетически уникальны. В этом легко убедиться, окинув взором классную комнату: несмотря на некоторое сходство между вашими одноклассниками, тем не менее можно без труда отличить каждого от всех остальных. Некоторые аспекты этой фенотипической (то есть физически выраженной) изменчивости связаны с изменчивостью на уровне генотипа, другие же связаны с модификациями, вызванными различными внешними факторами, например, условиями питания или фантазией парикмахера.

Количественная генетика описывает эту связь между фенотипом, генотипом и внешними условиями, как

Vp =Vg + Ve + Vge,

где Vp – общая индивидуальная фенотипическая изменчивость, Vg – изменчивость, связанная с генотипом (обычно мультилокусная (полигенная)), Ve – изменчивость, связанная с условиями среды, и Vge – изменчивость, связанная с взаимодействием генотипа и факторов среды. Отдельная морфологическая или поведенческая особенность может быть связана исключительно с генотипом (как, например, цвет глаз), с окружающими условиями (например, потеря конечности при несчастном случае), или, что наиболее вероятно, и с тем и с другим одновременно (например, цвет кожи определяется как расовыми особенностями (генотип), так и недавним пребыванием на солнце (условия среды)). Это соотношение содержит в себе решение древнего спора “генов против среды”, то есть, вопроса, что важнее для формирования индивидуального фенотипа. Обычно мы отвечаем – “и то, и другое”. Здесь нам достаточно сказать, что индивидуальная генетическая изменчивость важна, поскольку она формирует часть фенотипа.

Каждый генный локус представлен у каждого индивидуума двумя аллелями или копиями, пришедшими от двух родителей. На уровне популяции каждый локус может быть как мономорфным (обе копии этого локуса у всех индивидуумов одинаковы, изменчивость локуса отсутствует), так и полиморфным (существует множество типов аллелей этого локуса). У каждого отдельно взятого индивидуума любой полиморфный локус может быть либо гомозиготным (две копии одного и того же аллеля), либо же гетерозиготным (два разных аллеля). Мономорфные локусы, конечно, всегда гомозиготны. Общий уровень гетерозиготности можно определить как соотношение между количеством генных локусов, представленных альтернативными формами аллелей у одного индивидуума. Это один из возможных способов измерить индивидуальную генетическую изменчивость.

Однако, далеко не всегда мы имеем возможность определить аллели прямо. Часто гораздо проще определить продукты аллелей, например, белки, кодируемые исследуемым локусом. Для установления индивидуального генотипа по выбранному локусу обычно используют метод белкового электрофореза. Образец ткани, например, кровь, мышцу или лист растения гомогенизируют и помещают в гель, находящийся в электрическом поле. Все ферменты и другие белки образца перемещаются в геле на различные расстояния, в зависимости от относительного размера и электрического заряда. Если затем окрасить гель каким-либо способом, позволяющим распознать исследуемый белок, то, при наличии в образце различных форм исследуемого фермента (так называемых аллозимов), их можно отличить (Рис. 6.2). Установив таким способом наличие у данного индивидуума аллелей, ответственных за наличие аллозимов, можно сделать заключение о его генотипе. Важность индивидуального генетического разнообразия заключается в том, что большая гетерозиготность может коррелировать с большей индивидуальной приспособленностью, и об этом мы еще будем говорить более подробно. Первичной основой такой изменчивости являются мутации, однако, в каждом поколении в процессе полового размножения происходит перераспределение аллелей, что тоже приводит к индивидуальной изменчивости.

Зачем исследовать индивидуальную генетическую изменчивость? Во-первых, естественный отбор работает на уровне отдельных особей. Индивидуальная генетическая изменчивость может отражать действие отбора, либо же указывать на низкий уровень разнообразия, а это имеет отношение к проблеме сохранения вида. Во-вторых, уровень отдельных особей – это тот уровень, на котором проявляются такие генетические проблемы, как инбридинг, о котором будет сказано ниже. В третьих, знание индивидуального генотипа может оказаться полезным в программах по размножению в неволе, в которых схема скрещивания должна разрабатываться по возможности так, чтобы максимизировать генетическое разнообразие потомков. И наконец, генетическая изменчивость всегда определяется сначала для отдельных особей, а затем суммируется по всей популяции, после чего уже сравнивается с изменчивостью на других уровнях. Свои усилия по сохранению биоразнообразия мы очень редко направляем на сохранение отдельных особей. Обычно единицей сохранения является популяция или вид. Следовательно, мы должны знать генетическую изменчивость в пределах популяции и между популяциями.

Генетическая изменчивость на уровне популяции складывется из типов аллелей, присутствующих в популяции, и их частот по всем особям популяции (генофонд популяции). Популяционных генетиков, а также тех генетиков, которые занимаются вопросами сохранения биоразнообразия, интересует структура такой изменчивости – уровень изменчивости и ее распределение во времени и в пространстве. Причины изменений в этой структуре представляют большой интерес для ученых, которые стараются свести к минимуму потерю генетического разнообразия или изменения в его природном распределении.

Генетическая изменчивость на уровне популяций описывается через типы аллелей и их частоты, а также через отдельные аллельные комбинации (генотипы). Для примера рассмотрим генный локус спорового растения плауна Lycopodium lucidulum, кодирующий фермент фосфоглюкомутазу (PGM) (табл. 6.1). У плауна известно три аллеля этого локуса, обозначаемых как a, b и c. Если сравнивать четыре популяции Нью-Йорка и Коннектикута по наличию и частотам этих трех аллелей, то можно обнаружить существенные различия. В одной популяции из Коннектикута встречаются только аллели b и c, а во второй – только b; в одной из нью-йоркских – a и b, в другой – только b. Следовательно, каждая популяция может быть описана при помощи набора и частот этих трех аллелей. Проведя подобные измерения по широкому спектру генных локусов (табл. 6.1), мы получим генетическую характеристику популяции.

Частоты генов в пределах популяции с течением времени обычно меняются вследствие отбора, случайных процессов, таких как генетический дрейф, эмиграционных и иммиграционных процессов (миграции генов) (рис. 6.3). Именно эти изменения генных частот могут приводить к потере аллелей, поэтому они являются предметом природоохранной биологии, и мы будем говорить о них более детально.

Виды редко существуют в виде единой популяции, особи которой случайно скрещиваются между собой (такую популяцию называют панмиктической). Наоборот, между отдельными популяциями одного вида обычно наблюдаются генетические различия, и эти территориальные генетические различия являются важнейшим компонентом общего генетического разнообразия.

Для понимания межпопуляционной изменчивости рассмотрим гипотетический вид, представленный тремя популяциями (рис 6.4). Генетическое разнообразие этого “вида” состоит из внутрипопуляционного разнообразия (средней индивидуальной гетерозиготности в популяции) и межпопуляционной дивергенции (соответствующей средней разнице между популяциями). Можно построить простую генетическую модель:

Ht = Hp + Dpt

где Ht – общая внутривидовая генетическая изменчивость (гетерозиготность), Hp – среднее разнообразие в пределах популяций (средняя локальная гетерозиготность), Dpt – средняя дивергенция между популяциями по всему ареалу вида (Nei, 1973, 1975). Дивергенция может увеличиваться как из-за случайных процессов (эффекта основателя, генетического дрейфа, “бутылочного горлышка” или мутаций, см. далее) , так и из-за локального отбора.

Самым важным здесь является то, что общую генетическую изменчивость вида можно разложить на компоненты: внутрипопуляционную и межпопуляционную. Такой подход позволяет определить, как изменчивость распределена в пространстве, и тем самым обнаружить территории, представляющие наибольший интерес. Так, оказалось, что находящийся под угрозой исчезновения краснолобый дятел (Picoides borealis), встречающийся на юго-востоке США, имеет среднюю гетерозиготность по всем аллозимам 0,078 (7,8%), что находится в пределах среднего значения, установленного для большинства исследованных видов птиц (Stangel et al., 1992). При этом 14% всей генетической изменчивости составляют межпопуляционные различия (Dpt), а 86% – среднее внутрипопуляционное генетическое разнообразие. Межпопуляционные различия для этого вида дятла оказались выше, чем для большинства исследованных видов птиц, потому что склонность птиц к перемещениям обычно приводит к высокому уровню обмена генетической информацией, и следовательно, к низкому уровню генетической дивергенции между отдельными географическими точками. Краснолобые дятлы оказались более привязаны к локальным местообитаниям, чем многие другие птицы, и это усилило тенденцию генетического разобщения популяций. Следовательно, программа по охране этого вида должна учитывать обе компоненты генетического разнообразия для того, чтобы сохранить максимальную общую изменчивость, а также сохранить природную генетическую структуру популяций. Мы вернемся к этой теме более подробно, когда будем обсуждать возможности управления природным генетическим разнообразием. В таблице 6.2 приведены уровни суммарной гетерозиготности (Ht) для некоторых таксономических групп и доли этой гетерозиготности, относящиеся к межпопуляционным различиям.

Ранее мы заявили, что генетическое разнообразие является основой для эволюционной пластичности и способности видов отвечать на изменения внешней среды. Попробуем прояснить это утверждение, рассматривая, во-первых, связь между генетическим разнообразием отдельных индивидуумов (гетерозиготностью) и их приспособленностью, а во-вторых, важность межпопуляционной генетической дивергенции.

Индивидуальная приспособленность особи определяется как ее репродуктивный успех за время всей жизни по отношению к репродуктивному успеху других особей популяции. В терминах генетики приспособленность определяется как доля представленности индивидуального генотипа в генофонде следующего поколения. Отсюда следует, что приспособленность – величина относительная, она зависит от вклада других особей. В природе напрямую измерить приспособленность чрезвычайно сложно (Endler 1986). Однако, некоторые характеристики, которые могут давать свой вклад в приспособленность (корреляты приспособленности), такие как размер, плодовитость, скорость роста, эффективность метаболизма, часто легко поддаются измерению. Следующий вопрос – действительно ли эти корреляты связаны с проспособленностью? Если это так, то задача сохранения максимального генетического разнообразия является первостепенной задачей для сохранения вида.

Многие популяционные генетики согласны с утверждением, что гетерозиготность усиливает характеристики, связанные с приспособленностью. Большинство фактов говорят в пользу этого предположения (напр., рис 6.5, для обзора см. Mitton, Grant 1984, а также Allendorf, Leary 1986), хотя есть и контрпримеры (Zouros, Foltz 1987), и некоторые основания для сомнения (Hedrick, Miller 1992).

Несмотря на то, что высокий уровень гетерозиготности проявляется в большинстве случаев благоприятно, не все виды и популяции имеют высокий уровень гетерозиготности: стандартного или “оптимального” уровня не существует. Обычно уровень гетерозиготности существенно различается между таксономическими группами (см. табл. 6.2), и для отдельной популяции может просто отражать ее недавнюю демографическую историю. Измеренные в природных популяциях значения колеблются от 0 до более чем 0,3 (0 – >30%). Средние значения – около 0,07 для растений, 0,11 для беспозвоночных, 0,055 для позвоночных, с изрядной изменчивостью вокруг среднего (Nevo, 1978). Следовательно, уровень гетерозиготности – величина, варьирующая в широких пределах, и ее низкий уровень (и даже отсутствие) не обязательно указывает на аномалию. Однако, потеря гетерозиготности, особенно, если она произошла в течение всего нескольких поколений, может указывать на серьезноую опасность для популяции.

Механизмы взаимосвязи между высокой гетерозиготностью и высокой приспособленностью еще до конца не ясны. В некоторых случаях высокая приспособленность может быть связана с явлением сверхдоминирования по единичному либо же по множественным локусам, то есть, с преимуществом гетерозиготного генотипа перед обеими гомозиготами. Именно так происходит в случае с локусом b цепи человеческого гемоглобина в Африке. Две дозы нормального аллеля делают человека чувствительным к малярии – типичному для данной местности паразитарному заболеванию. Альтернативный аллель в гомозиготе приводит к тяжелой анемии – эритроциты обладателя такого генотипа имеют серповидную форму (серповидноклеточная анемия). Обладатели гетерозигот же оказываются устойчивы к малярии и страдают анемией лишь в слабой форме. Очевидно, что гетерозиготы имеют более высокую приспособленность, чем и те, и другие гомозиготы в условиях высокой вероятности заболевания малярией, поскольку несут сверхдоминирующий признак. С другой стороны, более высокая приспособленность по отношению к рецесивным гомозиготам будет связана не только с индивидуальной гетерозиготностью по данному локусу (то есть, сверхдоминированием), но с тем, что у гетерозигот летальный или сублетальный рецессивный аллель маскируется альтернативным аллелем (то есть, мы имеем дело с доминированием). Гомозиготы по такому локусу летальны или, как минимум, имеют пониженную приспособленность. Наиболее остро вопрос пониженной жизнеспособности рецессивных гомозигот стоит в инбредных популяциях, к этой проблеме мы еще вернемся.

Один из наиболее часто упоминаемых примеров корреляции между низкой гетерозиготностью и низкой приспособленностью (по крайней мере в условиях неволи) – пример южноафриканского гепарда (Acinonyx jubatus jubatus). Пятьдесят пять гепардов из нескольких исследованных популяций показали полное отсутствие разнообразия по 47 аллоферментным локусам (Н=0,0%) и по белкам главного комплекса гистосовместимости, а также низкую гетерозиготность (Н=1,3%) по 155 растворимым белкам (O’Brien et al. 1983, 1985). Эти животные оказались настолько генетически однородными, что между любыми особями можно было проводить трансплантацию участка кожи, не опасаясь отторжения трансплантата – их иммунная система не могла отличить чужеродную ткань от своей, поскольку они были практически генетически идентичны. Утверждалось, что эти животные плохо размножались в неволе, имели очень высокий уровень детской смертности, в том числе и в природе, в десять раз более низкую концентрацию спермы по сравнению с другими представителями семейства кошачих, 70% спермотозоидов с морфологическими нарушениями. Кроме того, в условиях зоопарка вид оказался очень чувствительным к эпизоотииям коронавируса. Можно смело утверждать, что у этой популяции действительно одновременно низки и гетерозиготность, и приспособленность.

О'Брайен с коллегами объяснили пониженную гетерозиготность популяции гепардов тем, что популяция много раз прошла через бутылочное горлышко. Однако Пимм (Pimm, 1991) и многие другие авторы сочли этот вывод необоснованным и противоречащим действительности. Кроме того, известно, что в условиях зоопарка самцы гепардов, несмотря на абнормальную сперму, с высокой эффективностью оплодотворяют самок и дают нормальное потомство (Lindburg et al., 1993). Поскольку нет “контрольной” группы, с которой можно было бы сравнить этих гепардов, возникает проблема причины и следствия. Вызывает ли низкое генетическое разнообразие снижение репродуктивных характеристик, или же низкое разнообразие возникло в связи с низкими репродуктивными характеристиками? В некоторых случаях было установлено, что плохие характеристики в неволе гепарды имели из-за плохого содержания (Caro, 1993). Кэроу и Лоуренсон (Caro, Laurenson, 1994) представили убедительные доводы, что низкая плотность популяций и плохое восстановление в дикой природе связаны с тем, что очень высокий процент детенышей гибнет от нападений хищников (73% смертности связана с хищниками), а не от потери генетического разнообразия. Мерола (Merola, 1994) указал на то, что низкое генетическое разнообразие характерно и для других наземных хищников, а главной причиной исчезновения гепарда в дикой природе является разрушение местообитаний, хотя, О'Брайен и подвергает сомнению такую точку зрения. Что бы ни было истинной причиной, остается фактом, что гепарды имеют очень низкий уровень генетической изменчивости и, как минимум в некоторых случаях, соответственно низкую приспособленность в условиях неволи.

Независимо от влияния на приспособленность, гетерозиготность обычно тем выше, чем больше размер популяции (Рис. 6.6). Это означает, что маленькие популяции имеют тенденцию со временем терять гетерозиготность. Это говорит о том, что необходимо стремиться поддерживать популяции максимально возможных размеров. К этой проблеме мы будем возвращаться не раз, как в этой, так и в последующих главах.

К подсчету относительной гетерозиготности небольших природных популяций нужно подходить с осторожностью. Сама по себе низкая гетерозиготность не обязательно указывает на то, что популяция прошла через бутылочное горлышко, или на то, что популяция находится под угрозой вырождения. Шервин с соавторами (Sherwin et al., 1991) изучал маленькую изолированную, находящуюся под угрозой исчезновения популяцию бандикутов Perameles gunnii, представителей сумчатых юго-восточной Австралии. В исследованных 27 локусах не было обнаружено генетической изменчивости, что, на первый взгляд, указывало на эффект малого размера популяции. В то же время, две крупные “контрольные” популяции на Тасмании тоже не имели изменчивости по этому локусу, и это показывало, что само по себе недавнее уменьшение размера популяции не было причиной низкой генетической изменчивости, которая вообще, как выяснилось, характерна для этого вида. Очень часто такой “контрольной” популяции для сравнения нет. Низкая генетическая изменчивость характерна для многих вполне благополучных природных популяций (Nevo, 1978; Ward et al., 1992; Merola, 1994). Некоторые из них в историческое время прошли через стадию маленькой популяции, а другие – нет.

Межпопуляционная дивергенция может играть важную роль в локальной приспособленности и жизнеспособности популяций по двум причинам. Во-первых, популяция может быть локально адаптированной, вследствие длительного взаимодействия генома популяции с биотическими и абиотическими факторами, характерными для данного биотопа, и соответствующего отбора. Такую локальную адаптацию можно наблюдать во многих популяциях растений или животных, она может приводить даже к видообразованию (Глава 3). Во-вторых, в локальных популяциях могут возникать так называемые комплексы коадаптированных генов (см. Эссе 6A) – комбинации аллелей, которые, как предполагается, за счет длительной параллельной эволюции лучше всего работают именно в таком сочетании. Обе упомянутые причины говорят в пользу того, что межпопуляционная дивергенция – важный компонент общего генетического разнообразия, дающая вклад в географическую уникальность и эволюционную адаптивность.

Если генетическая изменчивость столь важна для приспособленности и адаптивных изменений, ее потеря должна вызывать серьезные опасения. Особенно актуальной проблемой природоохранной генетики является потеря и перераспределение генетического разнообразия в малых популяциях. Утрата разнообразия из-за экспрессии вредных рецессивных аллелей и потери сверхдоминирования, может привести к снижению эволюционной пластичности и ухудшению приспособленности. Пространственное перераспределение разнообразия может нарушить локальную адаптацию или разбить коадаптированные генные комплексы (аутбредная депрессия). Обе проблемы могут привести к тому, что из-за снижения приспособленности организму станет трудно противостоять среде, увеличится риск исчезновения популяции или вида. Поэтому необходимо поддерживать максимально возможное генетическое разнообразие на популяционном уровне, а также стремиться к тому, чтобы его географическое распространение максимально соответствовало природному. Только тогда можно обеспечить нормальное течение эволюционных и экологических процессов. Для этого мы должны понять, как происходит потеря генетической изменчивости, как в пределах отдельных популяций, так и между ними.

Внутрипопуляционное генетическое разнообразие может снижаться под воздействием четырех факторов, зависящих от размера популяции: эффекта основателя, бутылочного горлышка, генетического дрейфа и инбридинга. Однако, для обеспечения достаточного генетического разнообразия важно не абсолютное число особей (фактический размер популяции), а так называемый эффективный размер популяции Ne, поэтому мы должны в первую очередь определить это понятие.

Под идеализированной популяцией популяционные генетики подразумевают популяцию, в которой все особи имеют равную вероятность внести вклад в генофонд следующего поколения. Обычно ее представляют как большую популяцию случайно скрещивающихся индивидуумов, с неперекрывающимися поколениями, соотношением полов 1:1, равномерным распределением числа потомков между самками, и не подверженную действию отбора. Реальные популяции никогда не отвечают этим критериям. Для того, чтобы точно отразить параметры, влияющие на уровень генетического разнообразия, в фактический размер популяции нужно внести поправку. Такой поправкой является введение эффективного размера популяции (Ne), который обычно меньше, а зачастую существенно меньше, чем фактический размер (Nc).

Для того, чтобы лучше понять, что такое Ne, приведем такую аналогию: зимний день с температурой 2°С, сопровождающийся ветром 20 м/c, кажется холоднее, чем день с такой же температурой, но безветренный. Ветер понижает эффективную температуру; благодаря охлаждающему эффекту ветра нам кажется, что истинная температура ниже, чем есть на самом деле. Аналогично, эффективный размер популяции, в генетическом смысле, может быть значительно ниже, если соотношение полов смещено в сторону самцов или самок, если самки имеют различный репродуктивный успех, либо же популяция прошла через значительное уменьшение численности. Под действием этих факторов эффективный размер будет уменьшаться, и это будет выражаться так, как будто фактический размер популяции ниже, чем есть на самом деле. Ne учитывает, кто действительно вступает в размножение и какой вклад в следующее поколение они внесут в виде своих потомков.

Математически влияние соотношения полов среди способных к размножению особей выглядит следующим образом:

Ne = (4Nm x Nf)/ (Nm + Nf)

где Nm и Nf – количество успешно размножающихся самцов и самок, соответственно. Например, для популяция, состоящей из 500 Ne будет равным 500 (по крайней мере с точки зрения соотношения полов) в том случае, когда соотношение полов будет 50:50: Ne = (4 х 250 х250)/(250+250) = 500. Однако, если 450 самок скрещиваются с 50 самцами, Ne = (4 х 50 х 450)/ (50+450) = 180; эффективный размер популяции в таком случае будет около 36% от реального, поскольку в размножении участвует небольшое количество самцов. Если же в популяции только 114 размножающихся самок и 63 самца, а оставшиеся 323 особи еще не достигли половой зрелости, Ne получится около 162. Это соотношение может приводить к неожиданным результатам. Например, один самец, скрещивающийся с четырьмя самками, дает Ne =3,2, что не намного меньше, чем Ne в ситуации, когда один самец скрещивается с девятью самками (Ne=3,6) (Seal, 1985). Очевидно, что в эффективный размер популяции и сохранение генетического разнообразия большой вклад должны вносить система скрещивания и структура популяции (Chesser et al., 1993, 1996).

Кроме того, Ne в большой степени зависит от распределения потомков между самками (размер семьи), что можно оценить по формуле:

Ne = 4Nc/ (s²+2)

Где – s² – дисперсия числа потомков у самок. Высокая дисперсия приводит к меньшему Ne. Интуитивно понятно: если большинство потомства популяции принадлежит одной самке (в таком случае дисперсия будет очень высокой), ее гены представлены в следующем поколении непропорционально. Влияние распределения потомков на Ne показано в таблице 6.3. Интересно, что Ne может в два раза превышать Nc, если дисперсия распределения потомков равна 0, поскольку все аллели одинаково представлены в генофонде следующего поколения, а Ne фактически отражает представленность аллелей.

Большие флуктуации численности популяции также уменьшают Ne. Каждый раз, когда популяция проходит через состояние с низкой численностью, она испытывает эффект бутылочного горлышка (см. ниже). В такой ситуации Ne оценивается как гармоническое среднее размеров популяций в каждом поколении:

1/Ne = 1/t(1/N1 + 1/N2 + ... + 1/Nt)

где t – номер поколения. В таблице 6.4 показано, как разовое падение численности популяции может привести к значительному уменьшению эффективной численности популяции. В этой гипотетической популяции разовое падение численности до 25 особей привело к тому, что Ne стало значительно ниже, чем Nc.

Ситуация оказывается еще более запутанной из-за того, что на самом деле приходится говорить о двух типах эффективного размера популяции. Эффективный размер, связанный с инбридингом (Nei) определяет скорость потери гетерозиготности для представителей локальных популяций (потеря индивидуальной изменчивости), или просто усиление инбридинга, тогда как дисперсия эффективной численности (Nev) является мерой потери общей генетической изменчивости популяции, а не потери индивидуальной или изменчивости между индивидуумами (Gliddon and Gouden, 1994). Обычно, эти значения начинают существенно различаться, когда значительно увеличивается или уменьшается размер популяции (Crow, Kimura, 1970). Для наших целей интересен и тот и другой тип эффективного размера популяции. Истинный смысл Nev выясняется, когда мы имеем дело множеством популяций или с популяциями со сложной внутренней структурой – с популяциями, в которых стохастические генетические модели могут быть очень сложными, если учитывать и социальную структуру, и тактику размножения, и пути генных миграций. (Chesser et al., 1993).

К сожалению, не существует теории или уравнения, которые бы одновременно учитывали все возможные отклонения от идеальной ситуации. В настоящее время мы не умеем одновременно оценивать с помощью одной модели и влияние бутылочного горлышка, и асимметричного соотношения полов, и размера семей. Важно отметить, что свойства, связанные с соотношением полов, размером семей и флуктуациями численности популяций, приводят к тому, что Ne почти всегда оказывается значительно меньше, чем истинный размер популяции. В приложении 6Б обсуждается использование Ne в разработке конкретной программы по поддержанию популяции медведей гризли.

Врезка 6Б

Фред Аллендорф, университет штата Монтана

Тема фрагментации и изоляции популяций привлекает все больше внимания при работе с видами, находящимися под угрозой исчезновения. Потеря генетической изменчивости особенно опасна в изолированных популяциях крупных млекопитающих, обычно характеризующихся низкой плотностью популяции и потребностью в больших территориях. Следовательно, даже самые большие заповедники могут оказаться слишком малы для поддержания генетически жизнеспособной популяции крупных млекопитающих.

Наиболее удобной характеристикой для оценки ожидаемой потери генетического разнообразия является эффективный размер популяции (Ne). Знание Ne позволяет предсказывать время, когда снижение генетического разнообразия начнет представлять угрозу для устойчивого существования изолированной популяции. Несмотря на понимание важности знания эффективного размера популяции для принятия адекватных мер, существует большая путаница в вопросе, как установить Ne для природной популяции. Особенные трудно это сделать для популяций крупных млекопитающих из-за их сложной демографии и многочисленных отличий от “идеальной” популяции.

Исследования домашних животных показали, что потеря генетического разнообразия может оказать серьезное негативное влияние на развитие, размножение, выживание и скорость роста. Работы с различными видами в зоопарках говорят о том, что аналогичные эффекты, возможно, возникают и в популяциях диких животных (Ralls, Balou, 1986). Например, у львов (Pantera leo) из природных популяций, потерявших генетическое разнообразие вследствие недавнего прохождения через бутылочное горлышко, наблюдается больший процент ненормальной спермы и более низкая концентрация тестостерона, чем у животных из соседних популяций, не терявших своего генетического разнообразия (Wildt et al., 1987).

В широком смысле определение скорости потери генетической изменчивости звучит как изменение средней гетерозиготности на одного индивидуума на один локус (Н). Предполагается, что в теоретической идеализированной популяции с равным числом самцов и самок, которые с одинаковой вероятностью вносят свою сперму или яйцеклетки в следующее поколения, гетерозиготность теряется со скоростью 1/2N на поколение (Wright, 1969).

Однако, как мы обсуждали в основном тексте, дикая популяция из N индивидуумов будет терять гетерозиготность намного быстрее, чем 1/2N, из-за неравного соотношения полов, колебаний размера популяций, неслучайного репродуктивного успеха. Все эти факторы приводят к меньшему эффективному с генетической точки зрения размеру популяции (Ne).

Существует множество методов, позволяющих оценить Ne при различных отклонениях от гипотезы идеальной популяции (Wright, 1969). Однако, применение этих оценок к диким популяциям ограничено по следующим причинам. Во-первых, эти формулы не могут быть объединены в одну, если нужно оценить скорость потери генетической изменчивости в дикой популяции, где требуются все поправки одновременно. Во-вторых, многие необходимые для оценки по этим формулам Ne параметры в диких популяциях оказывается невозможно измерить. Наконец, большинство популяций не являются единой случайно скрещивающейся группой. Существующие формулы для оценки Ne не позволяют учесть эффекты миграции генов между географически разобщенными популяциями.

В 1975 году в “Акте о находящихся под угрозой исчезновения видах Соединенных Штатов” медведи гризли (Ursus arctos horribilis) были декларированы как вид, находящийся под угрозой. Если на 1800 год популяция медведей гризли 48 континентальных штатов оценивалась как 100 000 особей, то в настоящее время это менее 1000 особей. Аналогично, современный ареал вида в пределах этой территории занимает менее 1% исторического ареала и охватывает приблизительно 5 млн. га в четырех штатах. Здесь проживает шесть отдельных популяций медведей гризли (Servheen, 1985). Уменьшение ареала привело к разобщению популяций, поскольку первоначально единое местообитание оказалось фрагментированным, пути миграций – разорванными. Вырождение популяций еще ускорилось, так как эти изолированные субпопуляции оказались малы и подвержены стохастическим демографическим процессам.

Для того, чтобы определить, какой размер популяции медведей гризли необходим для поддержания генетически жизнеспособных субпопуляций, нужна оценка скорости потери генетической изменчивости в субпопуляциях. Более того, важно определить, какие мероприятия можно провести для снижения потерь генетической изменчивости в сохраняющихся субпопуляциях. Современные оценки “минимальной жизнеспособной популяции” (МЖП) для медведей гризли основаны на большом количестве результатов компьютерного моделирования демографической структуры (Shaffer, Sampson, 1985). Пороговое значение, при котором популяция еще может быть восстановлена, для некоторых из шести субпопуляций оказалось менее 100 особей. Популяция меньшего размера будет терять генетическую изменчивость слишком быстро, и если субпопуляции будут изолированы, это приведет к снижению приспособленности.

Для оценки эффективного размера популяции мы разработали дискретно-временную модель (Harris and Allendorf, 1989). Это стохастическая компьютерная программа, которая прослеживает историю и родственные связи каждого индивидуума. Значения использованных в модели биологических параметров были взяты из исследований популяций медведей гризли штатов Монтана, Вайоминга и Британской Колумбии.

Результаты моделирования показали, что эффективный размер популяции медведей гризли составляет около 25% от фактического размера популяции (Allendorf et al., 1991). Следовательно, даже относительно большая изолированная субпопуляция, скажем, примерно 200 медведей Йеллоустоунского национального парка, является уязвимой перед потерей генетической изменчивости. Умеренное снижение генетической изменчивости в этой популяции может снизить плодовитость и в дальнейшем привести к снижению размера популяции, который будет в свою очередь ускорять потерю генетической изменчивости. Таким образом, популяция может попасть в замкнутый круг исчезновения (Gilpin and Soule, 1986).

Для того, чтобы снизить скорость потери генетического разнообразия, необходим обмен особями между изолированными популяциями. Чтобы определить, какой уровень миграции генов необходим, чтобы снизить потери, мы расширили нашу модель. Оказалось, что интродукция всего двух неродственных особей на каждое поколение медведей значительно снижает скорость потери генетической изменчивости (рис. А). Это хорошо согласуется полученным ранее результатами теоретического анализа, согласно которым даже один мигрант на поколение ограничивает генетическую дивергенцию субпопуляций (Wright, 1969).

Наши результаты подкрепляют точку зрения, что даже большие и хорошо защищенные заповедники слишком малы для поддержания жизнеспособных популяций крупных млекопитающих, если они изолированны. Генетически жизнеспособная популяция может поддерживаться в таких заповедниках только при помощи искуственной миграции генов. Однако, даже если все доступные изолированные резерваты будут генетически объединены, этой территории все равно будет недостаточно для большого количества видов (Ralls and Ballou, 1986). Для многих видов необходимо сочетать меры по защите в естественных местообитанях и сохранению ex situ – в зоопарках. Зоопарки позволяют поддерживать рост общей численности животных, а также являются банком особей для использования в программах по обмену генофондом.

Рис.А. Ожидаемые скорости потери гетерозиготности в популяции из 100 медведей гризли. Верхняя линия показывает ожидаемую скорость потери, если популяция ведет себя как идеализировнная популяция из 100 индивидуумов. Нижняя линия покзыает ожидаемую скорость потери, установленную при помощи компьютерного моделирования изолированной популяции из 100 медведей. Средняя линия показывает эффект интродукции двух неродственных медведей на каждое поколение (10 лет) в популяции из 100 медведей.

Вернемся к вопросу о потере внутрипопуляционного генетического разнообразия. Существует несколько тесно взаимосвязанных механизмов потери маленькими популяциями генетического разнообразия.

Во-первых, это эффект основателя, возникающий, когда небольшое количество особей дает начало новой популяции, генетический состав которой определяется генами особей-основателей. Если основатели не полностью представляют родительскую популяцию, либо же таких основателей лишь небольшое число, вновь образовавшаяся популяция является случайной выборкой из большего генофонда, из которого она вышла, и может иметь более низкое общее генетическое разнообразие (Табл. 6.5).

Во-вторых, когда популяция временно испытывает резкое уменьшение численности, возникает бутылочное горлышко. В результате, вся генетическая изменчивость последующих поколений принадлежит небольшому количеству особей, переживших бутылочное горлышко и размножившихся, так же как при эффекте основателя.

Часть генетической изменчивости в такой ситуации будет потеряна. Масштаб потерь зависит от размера бутылочного горлышка и последующей скорости роста популяции. Доля генетического разнообразия, сохраняющаяся от одного поколения к следующему, будет 1-(1/2Ne), и может быть от 0,5 (50% изменчивости) при Ne=1 (гаметы каждого индивидуума содержат в среднем 50% генетического разнообразия популяции), до примерно 1,0 (100%) при большой Ne, допустим, 1000. На рис. 6.7 представлена оценка зависимости между размером популяции и сохраняющимся в популяции генетическим разнообразием. Как правило, бутылочное горлышко не приводит к генетическим последствиям и не влияет на приспособленность, если размер популяции быстро (за одно-два поколения) восстанавливается.

В третьих, в результате случайных колебаний генных частот в небольших популяциях возникает генетический дрейф, который является просто ошибкой выборки. Это связано с тем, что в небольших популяциях определенный аллель может не попасть в генофонд следующего поколения только случайно. С математической точки зрения, генетический дрейф является постоянным бутылочным горлышком, которое приводит к стабильной потере изменчивости и, в конечном итоге, к закреплению локуса (потеря аллелей приводит к мономорфности локусов). Долю сохраняющейся изменчивости можно оценить как [1-(1/2Ne)]^t, где t – номер соответствующего поколения. Прохождение популяции в течение одного поколения через умеренное бутылочное горлышко, допустим, 10-50 особей, может не привести к серьезным потерям генетического разнообразия (рис. 6.7), однако длительное бутылочное горлышко того же размера будет сопровождаться эффектом генетического дрейфа и может иметь более сильный эффект (рис. 6.8).

Теория генетики популяций говорит нам, что, может быть, еще более важной, чем потеря количественного генетического разнообразия за счет эффекта основателя, бутылочного горлышка или генетического дрейфа, может оказаться потеря популяцией редких аллелей. Однако, эмпирических данных в пользу этого утверждения пока недостаточно. Мы действительно знаем, что редкие аллели не дают большого вклада в общую генетическую изменчивость, но могут быть важны для популяции во время редких или периодических событий, таких как экстремальные температурные условия, появление новых паразитов или патогенов, и могут давать уникальный способ ответа на будущие эволюционные изменения. Предполагаемое количество аллелей локуса, E(n), сохраняющихся в каждом поколении, можно оценить как

m-S(1-p_j)^2Ne

где m – исходное число аллелей, p_j– частота j-го аллеля (Denniston, 1978). Потеря аллелей вследствие генетического дрейфа продемонстрирована в таблице 6.6. В таблице видно, что редкие аллели в малых популяциях теряются быстрее, несмотря на то, что большая часть генетического разнообразия сохраняется.

В четвертых, потенциально серьезной проблемой является инбридинг, или спаривание особей, связанных общим происхождением. Вероятность инбридинга увеличивается в малых популяциях, если спаривание происходит случайно (то есть, нет активного избегания близкородственного спаривания). Абсолютное значение инбридинга эмпирически оценить нельзя. Оценивают уровень инбридинга по отношению к исходной популяции. Если популяция в основном панмиктична, ожидаемое усиление инбридинга на поколение, DF, выражается, опять-таки, как 1/2Ne. Инбридинг приводит к вероятному увеличению гомозиготности, потому говорят об инбредной депрессии, которая может выражаться в снижении плодовитости, скорости роста или жизнеспособности (Рис. 6.9), в изменении возроста достижения половой зрелости, в физических нарушениях (Falconer, 1981). Для объяснения механизма, лежащего в основе инбредной депрессии, было предложено две гипотезы. Гипотеза доминирования утверждает, что инбридинг приводит к увеличению частот появления вредных рецессивных аллелей в гомозиготе, когда эти аллели уже не маскируются доминантными, как в гетерозиготном состоянии. Гипотеза сверхдоминирования концентрирует внимание на потере полезной для приспособленности общей гетерозиготности по всему геному. Согласно этой модели, инбридинг приводит к снижению гетеозиготности, что сопровождается снижением приспособленонсти. Эти две гипотезы дают различные предсказания относительной устойчивости к инбридингу. Гипотеза доминирования говорит, что в инбредной популяции большинство вредных рецессивных аллелей уже потеряны, поскольку уже происходили встречи таких аллелей, произошел отбор, и дальнейший инбридинг не должен существенно влиять на приспособленность. Гипотеза сверхдоминирования же предполагает, что дальнейший инбридинг будет вести к постоянной потере приспособленности по причине дальнейшей потери гетерозиготности. Большинство имеющихся на сегодня фактов говорят в пользу гипотезы доминирования (Charlesworth, Charlesworth, 1987), то есть, в большинстве случаев основным фактором, определяющим инбредную депрессию, является гомозиготность по вредным рецессивным аллелям. Но есть и исключения.

Данные, полученные на одомашненных животных, показывают, что DF 10% приводит к 5-10-процентному снижению отдельных репродуктивных характеристик, таких как размер выводка, процент выживших потомков, и в совокупности может снизить репродуктивную способность на 25% (Francel and Soule, 1981). Исследовать инбредную депрессию в дикой природе трудно, поскольку нелегко определить уровень инбридинга. Однако, некоторые работы указывают на сильную инбредную депрессию. Так, были проведены эксперименты по исследованию выживаемости выпущенных в природу инбредных и аутбредных сухопутных улиток (Chen, 1993) и белоногих хомячков (Jimenez et al., 1994). В обоих случаях инбредные индивидуумы показали значительно более низкую выживаемость. Действием инбридинга и, возможно, генетического дрейфа, предположительно объясняется пониженная скорость прорастания семян и повышение смертности в ответ на стресс в малых популяциях гилии скученной по сравнению с большими популяциями (Hechel, Paige, 1995). Келлер с соавторами (Keller et al., 1994) исследовали природную популяцию американских певчих воробьев, для которой анализ родословной позволил определить коэффициент инбридинга. Суровая зима привела к гибели значительной части популяции, при этом аутбредные особи выжили со значительно более высокой частотой, чем инбредные.

Известно, что многие виды в природе избегают инбридинга (Pusey, Wolf, 1996), и это является еще одним свидетельством того, что инбредная депрессия действительно существует и представляет большой интерес. Кроме того, вымирание может иметь пороговую зависимость от инбридинга. До тех пор, пока популяция не достигнет определенного уровня инбридинга, она может существовать вполне благополучно, после чего внезапно пойти на убыль до полного исчезновения (Frankham 1995).

Но инбридинг не всегда является поводом для беспокойства. В некоторых исследованных природных популяциях низкий уровень инбридинга в течение многих поколений, по-видимому, не привел к неблагоприятным последствиям (Thornhill, 1993). Вероятно, в этих случаях медленный инбридинг дал возможность естественному отбору очистить популяцию от вредных рецессивных аллелей (гипотеза доминирования). Однако, внезапное усиление инбридинга может оказаться опасным для популяции, особенно если она в прошлом инбридинга не испытывала. Следовательно, инбредная депрессия будет более выражена у тех видов или популяций, которые исторически имели большую численность и затем существенно уменьшились.

Один из ключевых моментов, который следует уяснить из этой главы – то, что маленькие изолированные популяции, которыми можно описать многие исчезающие виды и виды, находящиеся под угрозой, будут терять некоторую долю исходного генетического разнообразия в течением времени, приблизительно со скоростью 1/2Ne на поколение. Популяция из 1000 особей будет сохранять 99,95% своего генетического разнообразия в каждом поколении (в предположении отсутствия отбора), тогда как популяция из 50 особей – только 99,0%. Такие потери разнообразия могут показаться небольшими, однако за множество поколений они будут увеличиваються. За 20 поколений популяция из 1000 особей сохранит все еще более 99% исходной изменчивости, тогда как популяция из 50 особей – менее 82%. Следовательно, в программах, направленных на сохранение биоразнообразия, нужно по возможности избегать маленьких размеров популяций в течение длительного времени. В особенности этот принцип касается программ по размножению в неволе.

Теория и причины потери генетической изменчивости понятны, а как обстоит дело в эксперименте? Действительно ли, например, популяции видов, находящихся под угрозой исчезновения, теряют генетическую изменчивость? Авис (Avise, 1994) перечисляет 14 видов животных и растений, находящихся под угрозой исчезновения, для которых, по литературным данным, характерна низкая или вообще не детектируемая генетическая изменчивость. В этот список попадают калифорнийские морские слоны (Hoelzel et al., 1993), серые волки (Wayne et al., 1991), азиатские львы (Wildt et al., 1987) и один эндемичный вид клевера (Hickey et al., 1991). С другой стороны, он перечислил пять видов, находящихся под угрозой исчезновения и в то же время отличающихся совершенно нормальным уровнем генетической изменчивости. Это, например, нелетающий попугай какапо из Новой Зеландии (Triggs et al., 1989) и ламантин (McClenaghan, O'Shea 1988). Очевидно, что низкий уровень генетической изменчивости в малых популяциях видов, находящихся под угрозой исчезновения, должен вызывать беспокойство, однако далеко не во всех случаях он представляет опасность.

Если между исторически разобщенными изолированными популяцями искусственно, в результате деятельности человека, возникает высокий уровень генетических обменов с другими популяциями, происходит потеря межпопуляционного генетического разнообразия. Человек может намеренно или случайно перемещать животных или растения, создавать им новые возможности для миграций. В результате уникальность прежде изолированной популяции может уменьшится или исчезнуть совсем, и вместе с ней исчезнут ее локальные адаптации и коадаптированные генные комплексы.

Мы должны помнить, что общая генетическая изменчивость вида (Ht) является функцией как внутрипопуляционного разнообразия (Hp), так и межпопуляционной дивергенции (Dpt) (см. выше). Простая проверка Ht не обеспечит нас полной картиной генетического разнообразия, поскольку общее разнообразие может определяться сложным балансом между двумя компонентами. Например, уменьшение Dpt из-за гомогенизации популяции в результате миграций генов может привести к увеличению Hp, сохраняя Ht неизменной. Однако, важная компонента генетического разнообразия – уникальность популяции – может быть потеряна. В большинстве случаев рост одной компоненты разнообразия приводит к снижению других, что еще более затрудняет управление генетичесаким разнообразием.

Эволюция является общим свойством и движущей силой природных систем. Поэтому первичная цель управления генетической изменчивостью природных систем – дать возможность популяциям и видам, о сохранении которых мы беспокоимся, в будущем эволюционировать. По определению, эволюция – это динамический процесс, подразумевающий изменения. Экологические системы динамичны, и чаще всего не находятся в равновесии (см. главу 1). Наилучший путь регулирования таких систем – дать возможность изменениям происходить – сохранить, а не законсервировать. Простое поддержание статуса-кво – с точки зрения долговременной перспективы является неправильным подходом на любом уровне, в том числе и на генетическом. Наоборот, гибкие эволюционные перспективы позволят популяции постоянно адаптироваться к неизбежным изменениям условий.

Выбирая меры для сохранения генетического разнообразия, мы должны согласовывать между собой три цели, соответствующих трем временным масштабам: поддержание жизнеспособных популяций (чтобы избежать их полного исчезновения), поддержание способности продолжать адаптивные эволюционные изменения и поддержание постоянного видообразования.

Первый уровень проблемы – избежать вымирания популяции – имеет временной масштаб от дней до десятилетий и является первой и наиболее очевидной целью природоохранной деятельности. Если не удается достигнуть этой цели, все остальные автоматически теряют смысл. Конечно, некоторые популяции постоянно проходят циклы исчезновения – реколонизации, это так называемые “виды-сорняки”, или адвентивные виды, для которых локальное вымирание является естественной частью динамики. Так происходит с видами растений, которые заселяют лес на ранних стадиях сукцессии, появляясь лишь тогда, когда в результате падения отдельных деревьев возникают световые окна (Collins et al., 1985). Избегать вымирания популяций нужно лишь в тех случаях, когда оно не является естественным процессом в динамике природных систем, не имеет естественного ресурса для реколонизации и, в большинстве случаев, когда оно прямо или косвенно связано с деятельностью человека.

Поскольку окружающая среда меняется и деятельность человека значительно ускоряет эти изменения, генетическое регулирование должно поддерживать способность популяций и видов генетически адаптироваться – эволюционировать. “Запереть” популяцию или вид в генетические рамки, из которых малым популяциям очень трудно вырваться из-за инбридинга и генетического дрейфа, будет ошибкой с точки зрения длительного временного масштаба, такого как десятилетия или тысячелетия.

И, наконец, если исчезновению видов – разрушительный элемент биоразнообразия, то его созидательным элементом является видообразование. Необходимо поддерживать потенциал для непрерывного видообразования, что особенно актуально в наше время, когда скорость исчезновения видов исключительно велика. Преследовать только ближайшие цели – значит ограничиться недалекой перспективой и проигнорировать более широкую картину роли человека в истории планеты. Сохранение возможностей для образования новых видов – вот конечная цель генетического регулирования в охране природы, хотя, временные масштабы процесса – десятки, тысячи лет и даже более – делают эту цель трудной для нашего понимания.

Что выбрать в качестве единицы сохранения генетического разнобразия?

Поскольку генетическая изменчивость столь важна для приспособленности (это если говорить о ближнем временном масштабе), а также для непрерывной адаптации и видообразования, перед нами стоит трудный вопрос: что выбрать в качестве единицы сохранения генетического разнобразия? (Nielsen, 1995). Что мы должны охранять? Очевидно, что мы не в состоянии спасти каждую популяцию, каждый вариант морфологии, каждый уникальный аллель. Как мы можем определить и ограничить биологически значимую единицу в пределах вида, на сохранение которой стоит направить усилия?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к нашей главной посылке, что наша основная цель – сохранить эволюционный потенциал, который, конечно, требует генетического разнообразия, вне зависимости от таксономического положения. Следовательно, наиболее подходящим объектом охраны на генетическом уровне является популяция. Именно популяция, а не вид, является экологической и эволюционной единицей. Именно в популяции из поколения в поколение происходят генетические изменения, возникают локальные адаптации. Естественным образом (географически или генетически) изолированные природные популяции представляют особенный интерес, поскольку они имеют максимальный потенциал для видообразования. Подход на более высоком уровне, таком как вид, упускает из виду важные движущие силы и свойства индивидуальных популяций, рискует потерять крайне необходимое генетическое разнообразие и локальные экологические функции. С другой стороны, тонкое регулирование на уровне ниже популяционного – например, работа с аллелями – в случае природных популяций является в лучшем случае непрактичным, а для большой, динамичной системы может дать противоположные результаты.

Если в качестве единицы сохранения биоразнообразия мы берем популяцию, возникает проблема: как определить популяцию. У популяционных генетиков есть готовый ответ: дем, или локальная случайно скрещивающаяся группа особей. К сожалению, это понятие является скорее теоретическим, чем практическим, поскольку определить дем в дикой природе очень сложно, если возможно в принципе. Как определить границы репродуктивной изоляции для мичиганских буковых лесов или веерных кораллов в Карибском море? Можно проследить непрерывный ряд популяционных типов, от явно изолированных (например, популяции животных и растений замкнутых водных бассейнов, популяции птиц океанских островов), до популяций, осуществляющих активный генетический обмен с подобными группами других географических регионов.

Оказывается, что многие популяции могут быть в составе метапопуляций (Glipin and Hanski, 1991) – сети популяций с определенным уровнем эпизодических или непрерывных генных миграций между географически разобщенными единицами (Рис. 6.10). Например, биотоп бабочки-шашечницы (Euphydryas editha bayensis) в Калифорнии представлен отельными небольшими участками. Особи обычно перемещаются в пределах этих участков, но когда популяция начинает вымирать, происходит реколонизация и перенос генов (Ehrlich and Murphy 1987; Harison et al., 1988). Подобная метапопуляционная структура последнее время становится даже более типичной, поскольку происходит фрагментация биотопов, и большие популяции разбиваются на более мелкие, но еще сохраняющие возможность осуществлять генетический обмен. Следовательно, говоря о популяции, мы должны иметь в виду все, начиная от единой полностью изолированной единицы, до сложной сети с определенным уровнем генных миграций. Боле детально мы рассмотрим метапопуляции в главе 7 в контексте ландшафтов.

Возможно, вы заметили, что мы оказались перед проблемой, характерной для многих направлений биологии: попытке внутри континуума определить границы, которых может не на самом деле и не существовать. Подобную проблему мы обсуждали в главе 3 в контексте определения вида: невозможно дать объективного и абсолютного определения, и мы получаем в итоге нечто “расплывчатое”. Существует непрерывный ряд популяций от полностью изолированных до постоянно обменивающихся генетическим материалом с подобными популяциями. Пытаясь дать определение, мы должны осознавать, что в большинстве популяций есть определенный уровень генетического обмена, а также то, что очень редко есть возможность четко определить граны популяции. Лучшее, что мы можем сделать – попытаться выделить объекты, обладающие определенной экологической и эволюционной значимостью.

Если мы ставим своей целью сохранение генетического разнообразия вида, существует множество способов определить объект, на который следует направить наши усилия. Это могут быть отдельные фенотипы, например, цветовые морфы бабочек, определенные окрасочные рисунки сухопутных улиток – все это мы можем выбрать в качестве объектов для сохранения. Длительная географическая изоляция, имевшая место, например, у галапагосских черепах, рыб и улиток изолированных водоемов, позволяет однозначно выделить популяцию в качестве элемента для сохранения. Даже географическое расстояние при отсутствии полной изоляции может использоваться для выбора подобного элемента – здесь имеет смысл сохранять крайние варианты географического ареала вида. Если популяция существует в условиях различных режимов отбора, которые приводят к возникновению различных жизненных стратегий или поведения, они могут рассматриваться как объекты сохранения. В сущности, любые биологические характеристики могут оказаться уместными и помочь в выборе объекта сохранения в рамках вида.

“Акт о находящихся под угрозой исчезновения видах Соединенных Штатов” пытается юридически конкретизировать объект защиты, чтобы его можно было использовать в качестве руководства к действию. Определение понятия “вид” в акте включает слова: “любой отдельный сегмент популяции любого вида позвоночных, рыб или дикой природы, который способен к скрещиванию по достижению зрелости”. Фраза “отдельные части популяций” является, конечно, недостаточно точной, и федеральные органы стоят перед проблемой правильно интерпретировать слово “отдельные”.

Одно из решений (Waples, 1991) – рассматривать популяцию как обособленную, если она представляет собой эволюционно значимую единицу (ЭЗЕ) для биологического вида. ЭЗЕ в свою очередь определяется обратным образом – как популяция, которая (1) репродуктивно изолирована от других популяций вида, и (2) дает существенный вклад в эволюционное наследие вида. Использование термина “значимая” неудачно, поскольку можно интерпретировать так, как будто другие объекты “не важны” и могут не рассматриваться. А это не так. В сущности, любая биологическая единица, вплоть до отдельно взятого индивидуума, потенциально является эволюционно значимой. Однако, подход ЭЗЕ пытается выделить уровень биологической организации, который в настоящее время, в связи с разобщением биотопов, является наиболее важным.

Определения ЭЗЕ теоретически является удовлетворительным, поскольку оно вычленяет эволюционную роль, важность и судьбу популяции, а не вида. Однако, с ним трудно работать по двум причинам. Первая часть определения по существу определяет дем, который, как мы уже заметили, в природных условиях трудно или невозможно выделить. Вторая часть требует субъективной оценки ценности рассматриваемой популяции по отношению к другим популяциям вида, которые точно так же плохо определены первой частью определения. Однако, как будет обсуждаться далее, расширение простой генетической модели, представленной на рис.6.4, может дать разумное решение этой проблемы и позволить принять подход ЭЗЕ в качестве как функционального, так и концептуального. Как альтернативу можно использовать реальный и хорошо себя зарекомендовавший метод, описанный в главе 3, основанный на концепции происхождения вида (Vogel, DeSalle, 1994).

Один их подходов к определению ЭЗЕ называется иерархический анализ генетического разнообразия, и основан на том факте, что виды состоят из генетических структур, упорядоченных в пространстве. Наша задача – разложить общее генетическое разнообразие на внутрипопуляционную и межпопуляционную компоненты (последнюю можно также разделить на составляющие) и попытаться обнаружить биологически значимые границы в генетическом разнообразии. На самом низком уровне иерархии генетически наиболее схожими в популяции являются непосредственно скрещивающиеся друг с другом особи. Если мы будем двигаться вверх по иерархии, мы найдем большие генетические различия между географически удаленными особями, другими словами, между отдельными популяциями, пока мы не достигнем очень больших генетических различий между изолированными из-за особенностей рельефа или большого географического расстояния популяциями. Эта генетическая иерархия простирается и дальше, над уровнем популяции, концепция биологического вида говорит, что различия между близкими видами – это лишь очень большие генетические дыры , которые иногда всё равно позволяют скрещивание.

Генетическая иерархия существует, потому что компоненту разнообразия, связанную с дивергенцией, можно классифицировать, основываясь на любой биологически осмысленной географической иерархии в распределении вида. Имеется в виду, что, в зависимости от уровня генных миграций, популяции или виды могут иметь разный уровень генетической дивергенции. Популяции, заселяющие центр ареала, и потому отличающиеся высоким уровнем обмена генами, будут больше похожи друг на друга, чем расположенные на границах ареала обособленные популяции, мало или совсем не обменивающиеся генетическим материалом. Виды представляют собой группы популяций с иерархической генетической структурой, основанной на сходстве между ними. В свою очередь, эта структура является функцией географических условий и уровня генных миграций.

Рассмотрим гипотетический вид, состоящий из восьми дискретных популяций, между которыми существуют географические связи, как на рис 6.11. Количество линий, которые необходимо пройти от одной популяции к другой, говорит о географической близости этих популяций. В нашем примере существует четыре уровня географической структуры, которые потенциально отражают генетическую структуру. Общее генетическое разнообразие (Ht) состоит из средней гетерозиготности по восьми популяциям (Hp), плюс генетическая дивергенция между парами соседних популяций (D12), плюс генетическая дивергенция между четырьмя группами из двух популяций (D23), плюс генетическая дивергенция между двумя группами из четырех популяций (D34).

Вероятно, наиболее ярким природным примером географической (и, следовательно, генетической) иерархии являются речные виды, так как реки являются естественными иерархическими географическими структурами. Верховья реки назовем водотоками первого порядка, которые объединяются в водотоки второго порядка. Водотоки третьего порядка образуются при слиянии водотоков второго порядка и так далее. Рассмотрим теперь вид рыб (или растений, или бентосных беспозвоночных), который учитывается в 14 точках вдоль по течению реки (рис 6.12). Какие вопросы мы должны задать относительно сохранения генетического разнообразия? 1)Что выбрать в качестве объекта сохранения? 2) Насколько разобщены (эволюционно значимы) различные самоподдерживающиеся единицы? Первичная задача – определить подходящую единицу, а затем определить, какой уровень генетической дивергенции является эволюционно значимым.

Общее генетическое разнообразие в нашем случае состоит из средней гетерозиготности по всем популяциям (Hp), плюс средняя дивергенция между популяциями различных водотоков первого порядка в пределах водотоков второго порядка (D12), плюс средняя дивергенция между популяциями водотоков второго порядка в пределах третьего (D23), плюс средняя дивергенция между водотоками третьего (D34). Кроме того, существует дивергенция между популяциями бассейнов рек по всему ареалу вида (Dwt), либо же на любом другом приемлемом уровне иерархии.

Три гипотетических примера иллюстрируют, какими способами генетическое разнообразие вида на подобии этого может быть фрагментировано, и как эту информацию можно использовать для определения эволюционно значимой единицы (Табл. 6.7). Для упрощения положим, что гетерозиготность (Hp), или внутрипопуляционная компонента разнообразия во всех трех случаях является константой (70%). В первом примере 17,7% генетического разнообразия составляет средняя дивергенция между популяциями в водотоках первого порядка (D12). Такое большое значение величины говорит о том, что для рыб из различных водотоков первого порядка характерна некоторая репродуктивная изоляция, и они являются хорошими кандидатами на ЭЗЕ. Они представляют собой индивидуальные локальные самоподдерживающиеся единицы, с высокой генетической дивергенцией от подобных единиц в других системах верховий реки. Поэтому они и должны рассматриваться как эволюционно значимые единицы. Дивергенция (11%) наблюдается и между водотоками второго порядка, однако, поддержание разнообразия на более низком уровне – на уровне водотоков первого порядка – будет автоматически поддерживать разнообразие на уровне водотоков второго порядка.

Во втором примере дивергенции на уровне водотоков первого порядка практически не наблюдается (здесь происходят активные миграционные процессы, сопровождающиеся миграцией генов между рыбами в сливающихся водотоках первого порядка, поэтому на этом уровне генетическая дивергенция не наблюдается), однако более 22% генетического разнообразия возникает в виде средней дивергенции между рыбами в различных водотоках второго порядка. В этом случае в качестве ЭЗЕ разумно выбрать популяции водотоков второго порядка.

В третьем примере мы не наблюдаем существенной дивергенции до тех пор, пока не доходим до уровня водотоков третьего порядка. Различные популяции в пределах системы третьего порядка генетически не структурированы. Поскольку дивергенция между водотоками первого и второго порядка отсутствует, что может быть связано с высокой подвижностью и генными миграциям в пределах системы, каждая группа рыб из любой точки в пределах третьего уровня иерархии фактически отражает всю систему. Однако, рыбы из различных систем третьего порядка в значительной степени отличаются, и их следует рассматривать как ЭЗЕ.

Возникает вопрос: насколько “значимым” должно быть генетическое разнообразие, чтобы его выделить и затем охранять? На этот вопрос нельзя дать однозначный ответ, в каждом случае мы должны определять “значимое” в зависимости от конкретных условий. Необходимо руководствоваться пониманием биологии системы и убедительными популяционно-генетическими данными. Например, гепарды имеют исключительно низкий, почти не выявляемый уровень генетической изменчивости, поэтому небольшая межпопуляционная изменчивость, даже если она представляет собой совсем небольшой процент от общей генетической изменчивости, может оказаться важной для сохранения. У видов с высокой вариабильностью такой же уровень межпопуляционной дивергенции скорее всего не будет представлять такого интереса. Здесь нет жестких правил, понимание биологии организма и экологии системы – лучший путь сделать выбор между возможными уровнями генетической дифференциации для определения объекта сохранения.

Имеющиеся на настоящее время эмпирические данные редко бывают столь прозрачными и исчерпывающими, как в приведенных гипотетических примерах. В таблице 6.8 представлены данные о генетической иерархии для некоторых видов рыб востока Североамериканского континента (Echelle, 1991). Данные, суммированные в таблице, позволяют подразделить генетическое разнообразие лишь на три уровня: внутрипопуляционное разнообразие (Hp), дивергенция между отдельными экземплярами в пределах бассейна реки (Dsd) и дивергенция между бассейнами (Ddt). (Обратите внимание, что подстрочный индекс может быть свободно изменен, отражая конкретную ситуацию, нет никакого определенного стандартного набора индексов или уровней рассмотрения). Эхель обнаружил среди этих видов множество вариантов иерархической структуры генетического разнообразия. У некоторых, например у Xyrauchen texanus и Cyprinodon bovinus, почти все генетическое разнобразие было представлено внутрипопуляционной гетерозиготностью. У других, например, Oncorhynchus clarki henshawi и Gambusia nobilis, значительный процент разнообразия представлен дивергенцией между отдельными точками бассейна реки. И наконец, для некоторых разнообразие выявлялось лишь при сравнении популяций из разных бассейнов, это, например, O. clarki lewisi и C. macularius.

Из-за неполной географической выборки эти данные имеют весьма ограниченную ценность и являются лишь грубой аппроксимацией иерархического распределения разнообразия. Кроме того, они собраны по всему бассейну реки в целом, безотносительно к иерархии водотоков и, следовательно, не позволяют с высокой точностью определить ЭЗЕ. Тем не менее, мы видим, что для некоторых видов локальные популяции несут практически все генетическое разнообразие вида, и если рассматривать только генетические перспективы (игнорируя пока экологические, демографические и другие факторы, учитываемые при принятии решения об охране), сохранение одной популяции позволит сберечь большую часть генетического разнообразия вида. В других случаях присутствует значительная географическая дивергенция (как в пределах отдельных бассейнов, так и между ними), что говорит о том, что для сохранения репрезентативной выборки видового генетического разнообразия необходимо поддерживать множество объектов. Для более детального генетического анализа и точного выявления таких объектов требуется больше фактического материала.

Генетическая иерархия, основанная на расстоянии. И в гипотетическом примере, и в примере с рыбами мы использовали четкую географическую иерархию (структуру речного бассейна), на которой основывалась и генетическая иерархия. Подобный подход можно использовать и в тех случаях, когда явной географической иерархии не существует, если в качестве иерархических уровней рассматривать уровни удаленности. В этом случае производится выборка особей по всему ареалу или по интересующим нас его частям, и в качестве структурных единиц берутся различные расстояния между исследуемыми точками (рис. 6.13). Например, метапопуляция дубов в зоне широколиственных лесов может не иметь очевидной географической структуры, но это не исключает возможности иерархического анализа, поскольку деревья, находящиеся в непосредственной близости, скорее всего будут формировать более связанные между собой генетические единицы, по сравнению с деревьями в другой части страны. Это связано с тем, что соседние деревья имеют большую вероятность оставить общее потомство (более вероятен обмен пыльцой). Дивергенция же скорее возникнет на большем расстоянии, и иерархический подход может это показать. В этом случае иерархический подход может рассматривать в качестве иерархических ступеней, например, расстояния в 0,1 км, 1 км и 10 км, и затем определить, на каком уровне возникает существенная генетическая дивергенция.

Существующий метод разбиения имеющихся генетических фактов на иерархические группы, разработан на основе анализа, называемого F-статистикой (Врезка 6A). Более детальное рассмотрение F-статистики выходит за рамки тематики нашей книги, поэтому мы отсылаем заинтересованного читателя к дополнительной литературе (Для обзора см. Hartl, Clark, 1990, более детально можно прочитать в первоисточниках, например, Crow and Kimura, 1970; Nei, 1975; Wright, 1978).

Данные, необходимые для выяснения иерархии. Для определения единицы сохранения мы должны использовать такие характеристики, которые можно достоверно количественно определить, например, изменчивость. Могут использоваться и морфологические или поведенческие особенности, однако они подвержены модификациям, связанным с воздействием внешней среды, и эти модификации маскируют действие непосредственно генетических задатков. Обычно для получения достоверного результата используют данные, полученные на основе анализа частот аллозимных форм, поскольку они являются прямым следствием генетической конституции и не подвержены влиянию внешних условий. Кроме того, для определения единицы сохранения могут пригодиться данные по анализу кариотипов (анализ хромосомной структуры), митохондриальной ДНК (мтДНК), а также результаты секвенирования ДНК.

Очень полезным может оказаться метод, известный как полимеразная цепная реакция (ПЦР), поскольку он позволяет получить большое количество ДНК (процесс, называемый амплификацией), даже если у нас в руках есть лишь очень мало частично деградировавшего образца, например, частицы кожи, волосы, кости, эпителиальные клетки в моче или остатки из кишечника хищника. После амплификации, для получения интересующих нас генетических данных, ДНК может быт проанализирована другими способами. В Приложении 6С представлен обзор примеров основных направлений применения молекулярных методов в природоохранной биологии (John Avise).

Мы уже говорили о том, что дикие популяции, не затронутые деятельностью человека, обладают некоторой генетической популяционной структурой, основанной на биогеографических неоднородностях. Существует множество уровней изоляции популяций или метапопуляций, от крайних случаев полной изоляции и отсутствия генетических обменов вплоть до противоположной крайности – свободного генетического обмена между популяциями. Эти природные биогеографические структуры имеют большое значение в управлении генетическим разнообразием, поскольку они часто изменяются под воздействием человеческой деятельности, и это может серьезно повлиять на приспособленость и локальную адаптацию.

Как мы уже отмечали, межпопуляционная дивергенция является функцией генетического дрейфа, мутаций и локального отбора. Дрейф генов сильнее действует на малые популяции и находится в обратной зависимости от Ne. Противовесом этим силам, приводящим к дивергенции, являются миграции генов, связанные с процессами расселения и размножения и направленные на гомогенизацию популяций и увеличение внутрипопуляционной изменчивости. Для количественной характеристики генных миграций часто рассматривают скорость миграций, m – долю обменов особями между популяциями на одно поколение.

Ne и m определяют уровень генетической дивергенции между двумя популяциями. Если Ne маленький, популяции будет иметь тенденцию к дивергенции в результате случайного генетического дрейфа. Для того, чтобы предотвратить дивергенцию, необходима высокая скорость миграций (m). Если NeЧm больше 1, локальные популяции скорее всего не будут существенно расходиться по имеющимся в наличии аллелям (Allendorf, 1983). Например, между двумя популяциями с Ne=1000 и m=0,01 (в среднем один индивидуальный обмен на сто поколений) не будет значительнй дивергенции вследствие случайных событий, так как NeЧm =10. Однако, две меньшие популяции, у которых Ne=100, при той же скорости генетических миграций, разойдутся значительно сильнее, поскольку NeЧm =1. Случайный генетический дрейф в маленьких популяциях сильнее, поэтому для предотвращения дивергенции необходима более высокая скорость генетических обменов. Конечно, на дивергенцию оказывает значительное влияние и сильный локальный отбор (Endler, 1973).

Некоторые природные популяции и виды длительное время существовали в полной генетической изоляции и значительно дивергировали за счет генетического дрейфа и отбора (Рис. 6.14). Ярким примером являются многочисленные виды Галапагоссих островов (Lack, 1947; Levinton, Bowman, 1981), а также рыбы и улитки изолированных источников в пустыне (Minckley, Deacon, 1991). Исторически природные обмены между этими островами или водоемами были крайне редки, если вообще существовали (m”0), возникла сильная дивергенция. Предполагается, что в этих случаях мы имеем дело с низким Hp и высокой Dst. Фактически, все генетическое разнообразие такого вида может быть обусловлено компонентой, связанной с дивергенцией. В таких случаях нам необходимо поддерживать природную изоляцию популяций. Это имеет как интуитивный, так и генетический смысл: ни один уважающий себя биолог не будет, например, без очень убедительных оправдывающих обстоятельств переселять птиц или черепах между Галапагосскими островами.

Такая “островная” модель, модель изоляции, является полной противоположностью обсуждавшейся ранее стандартной иерархической модели, в которой, в соответствии с иерархической структурой, между популяциями осуществляются генетические обмены. В этом случае локальные популяции могут быть лишь частично изолированы от основного пула генов, при сохранении некоторой вероятностью генных миграций между ними. Географически сближенные популяции будут в среднем иметь больше генетических обменов (значение m будет выше), чем географически удаленные популяции. Генетическая “связность” будет функцией географической структуры и расстояний.

Однако, иерархическая модель подразумевает, что популяция находится в равновесии, что не характерно для многих видов, находящихся под угрозой исчезновения. По своей сути, раз эти популяции находятся под угрозой, вероятно, это популяции с нарушенной генетической структурой, часть популяций вымерла, сохранившиеся популяции угрожающе малы и фрагментированы. Нарушение местообитаний, пресечение миграций, загрязнение или запруживание водоемов, сведение лесов, урбанизация и другие антропогенные факторы изолируют популяции, для которых исторически характерен генетический обмен с другими популяциями. Такая вынужденная фрагментация и изоляция должна приводить к потере гетерозиготности, к дивергенции от других популяций, с которыми ранее существовал обмен. Так, например, оказалось, что популяции индейки Melagris gallopavo silvestris, обитающие в штатах Арканзас, Кентукки, Теннеси и Коннектикут вследствие деятельности человека были фрагментированы и прошли через бутылочное горлышко (Leberg, 1991). Генетическая дивергенция между этими популяциями (10,2%) оказалась рекордно высокой для птиц, и значительно выше чем у других популяций индеек, не прошедших через бутылочное горлышко. Леберг считает, что такая дивергенция возникла в результате деятельности человека, в том числе направленной на восстановление популяций.

Подобный сценарий указывает на то, что между вновь изолированными популяциями необходимо искусственно моделировать природный генетический поток, переселяя особей из одной популяции в другую. Согласно иерархической модели, от управляющего требуется установить исходные скорости и направления генетических миграций между популяциями, а затем попытаться воссоздать их в условиях антропогенных нарушений. Возраст и половой состав переселяемых индивидов надо подбирать в соответствии с естественной биологией вида. Кроме того, надо проявлять осторожность – не перенести паразитов или патогены. Эти предписания полностью противоположны тем, которые возникали в связи с “островной” моделью – там мы говорили, что управляющий должен стремиться избегать генных миграций и сохранять природную изолированность популяций. Однако, в тех случаях, когда генные миграции происходили всегда и были прерваны человеком, необходимо сосредоточиться на создании постоянного генетического переноса. Так, например, в изолированной популяции флоридских пантер (Felis concolor coryi) наблюдалось пониженное генетическое разнообразие, однако в настоящее время планируетсят организовать генетический приток за счет техасских пум (Felis concolor stanleyana) для поддержания гетерозиготности. Для разработки программы и оценки ее возможных последствий использовали генетические модели (Hedrick, 1995).

Сведения о природной генетической структуре популяции и естественной скорости генных миграций можно получить, пользуясь географическими и исторических источниками, знаниями биологии вида и популяционно-генетической информацией, полученной на основе иерархического анализа (Slatkin, 1987; Meffe, Vrijenhoek, 1988). Предполагая, что значение компоненты общей генетической изменчивости (Ht), связанной с дивергенцией (Dpt), отражает баланс между разобщающим вкладом генетического дрейфа и противоположного влияния генетических миграций, эффективную скорость миграции можно оценить как

D_pt/H_t=1/(4N_e m +1)

(по Crow, Kimura, 1970 с изменениями).

Следовательно, если по всему виду Dpt=3%, 0,03 = 1/(4Ne m +1), тогда 4Ne m +1 = 33,3, и Ne m ” 8,1. Другими словами, для поддержания уровня дивергенции 3% в среднем восемь способных к размножению индивидуумов на поколение должны переходить в другую популяцию. Сравним с ситуацией, когда Dpt в пределах вида достигает 35%. В таком случае 0,35 = ј(Ne m + 1); 4Ne m + 1 = 2,86, тогда Ne m = 0,46; то есть, для поддержания такого уровня дивергенции достаточно переселить из популяции в популяцию в среднем менее одного репродуктивного индивида на поколение.

Echell с соавторами (1987) исследовал четыре вида рыб-карпозубиков в пустынных районах Чихуахуа в Нью Мехико и Техасе, и их данные позволяют оценить историческую скорость миграции. Эти виды имеют различные географическое распространение и уровень изоляции, в таблице 6.9 приведены приблизительные скорости миграций. На основе генетических данных удалось оценить, что для наиболее географически удаленного вида (Cyprinodon tularosa) характерна самая низкая скорость миграций, тогда как самая высокая скорость оказалась у Cyprinodon bovines, обнаруженного только в одной водной системе, которая по крайней мере эпизодически, во время затоплений, оказывается связанной с соседними.

В этой главе мы привели несколько упрощенные модели очень сложных генетических ситуаций. Основная цель таких моделей – иллюстративная. Они нужны для того, чтобы проиллюстрировать те принципы, которые лежат в основе и не могут быть использованы в качестве окончательной формулировки принципов генетического управления. Мы должны предостеречь читателя – для разработки достаточно эффективной программы необходимо хорошее понимание биологии и распространения данного вида, необходимо предварительно собрать и обработать исчерпывающее количество генетических данных, построить адекватную модель, предсказывающую скорости изменения генетического разнообразия и гетерозиготности. Надо понимать, что даже сложные генетические модели не заменят нам серьезных биологических знаний.

Иногда оказывается трудно получить популяционно-генетические данные для иерархического анализа, либо же полученные данные не выявляют генетической изменчивости. Эта проблема очень актуальна для крупных млекопитающих, например, гепардов, белых медведей и белых носорогов. В таких следует попытаться извлечь как можно больше информации, полагаясь на ранее полученные факты о распространении вида, выводы из его биологии или знания генетики вида. Генетика – только один аспект в более общей картине управления и дает нам только факты определенного рода.

Иерархический подход к генетическому разнообразию, обсуждаемый в этой главе, может не только обрисовать общую генетическую структуру вида и позволить оценить скорость естественных генетических миграций. Кроме того, он может помочь отличить самое “глубокое” или самое древнее эволюционное расхождение от более “мелких”, то есть, более поздних дивергенций, имеющих меньшее эволюционное значение (рис. 6.15). Это возможно при допущении, что степень генетической отдаленности между двумя популяциями коррелирует со временем их физического расхождения и может использоваться как молекулярно-генетические “часы”. Поскольку известно, что генетически заложенные изменения в структуре белка в эволюционном времени происходят на более или менее регулярной основе, эволюцию структуры белка можно использовать как калибровочный стандарт времени расхождения популяций (Maxson, Wilson, 1974; Sarich, 1977); чем больше генетические различия, тем больше (“глубже”) эволюционная дистанция. Этот подход был подвергнут критике из-за трудностей точной калибровки “часов”, однако его суть в том, что большие генетические различия между двумя организмами указывают на большее эволюционное расхождение.

Метод “молекулярных часов” – это фенетический подход, который оценивает степень генетической дивергенции между различными видами, популяциями или любыми интересующими нас таксонами любого уровня. Кроме того, можно дополнить его филогенетическим (кладистическим) подходом (см. главу 3), в котором интересующую группу выделяют по уникальным характеристическим чертам. В этом случае группы, характеризующиеся минимумом эволюционных новинок (в данном случае, генетических изменений) можно предположительно считать самыми древними, наиболее примитивными группами. Более детальную дискуссию выбора таксона для сохранения на основе уникальности и эволюционного расхождения можно найти в соответствующей литературе (Vane-Wright et al., 1991; Crozier, 1992; Faith 1992; Moritz, 1994.

Тему “глубины” эволюционной дивергенции особенно хорошо разработали Джон Авайз с коллегами (Avise et al., 1987; Avise, 1989; Avise, Ball, 1990, Avise, 1994). Эти авторы являются убежденными сторонниками использования молекулярно-генетических характеристик для определения филогеографических связей в пределах видов и для идентификации наиболее древних эволюционных расхождений. Они приводят доводы в пользу того, что, раз мы не можем сохранить все варианты, при прочих равных условиях приоритет при сохранении должны получать линии, разошедшиеся как можно раньше, поскольку они будут представлять самые большие ветви. Более молодые, “минорные” развилки возможно не имеют таких глубоких прочных адаптаций или такой долгой истории в их нынешнем местообитании, и на них следует обращать внимание только после того, как мы гарантируем защиту более древним по происхождению расхождениям.

Большая эволюционная дистанция часто соответствует большей географической разобщенности в генетической структуре, обратно замыкая концепцию на иерархический анализ генетического разнообразия. Например, при помощи исследования аллозимов и иерархического анализа генетического разнообразия было обнаружено, что маленькая пустынная рыбка Poeciliopsis occidentalis представлена тремя основными географическими группировками (Vrijenhoek et al., 1985). Было установлено, что эти три группы, две из которых в настоящее время рассматриваются как подвиды, разошлись, по грубым оценкам, 1,7-4,3 млн лет назад. Эти три основные группы должны привлекать приоритетное внимание и быть сохранены в первую очередь, поскольку внутри групп различия оказались намного меньше, чем между группами. Если одна из групп исчезнет, мы потеряем больше генетической информации, чем при исчезновении эквивалентного количества популяций, равномерно распределенных по всему ареалу вида.

Такие большие генетические группы часто можно идентифицировать у видов, представляющих природоохранный интерес, и мы должны при управлении рассматривать их в первую очередь. Например, с помощью анализа мтДНК удалось показать, что африканский слон имеет высоко структурированные популяции (Bichof, 1992), причем существуют уникальные генетические типы в восточных и южных районах Африки. Однако, между ними есть генные миграции, что указывает на важность миграционных коридоров между заповедниками (см. гл. 10).

Заканчивая тему управления природной генетической изменчивостью, хорошо было бы в заключение дать стандартизованные рецепты, “поваренную книгу” методов управления разнообразием на генетическом и других уровнях. Работая с какой бы то ни было системой, заманчиво положиться на разработанные, надежные методики, дающие предсказуемый результат. Необходимость детального знания каждой системы для принятия решения оказывается для многих неприятным сюрпризом, поскольку требует больше и без того ограниченных средств, и при этом заключает в себе меньше определенности. Но, к сожалению, биологические системы слишком сложны и уникальны, поэтому для оправданного вмешательства необходимы как минимум некоторые детальные знания специфики системы, которую мы пытаемся сохранить. Решения общего характера в генетическом управлении могут оказаться опасными и разрушительными (Ehrenfeld, 1991). Следовательно, мы предостерегаем здесь от надежды на авось или от пользования готовыми рецептами.

В ранних дискуссииях на тему сохранения генетического разнообразия в малых популяциях упоминали так называемое “правило 50/500", которое постулировало, что для сохранения генетического разнообразия в коротком временном масштабе (несколько поколений), а также для того, чтобы избежать инбредной депрессии, необходим эффективный размер популяции (Ne) не менее 50 особей. В то же время, для того, чтобы избежать существенного генетического дрейфа в течение длительного времени, необходимо 500 особей (Franklin, 1980; Soule, 1980). По порядку величины эта оценка минимального необходимого количества особей, основанная на простых генетических моделях, может быть и оправданна, однако во многих случаях она оказывается ошибочной (Lande, 1988).Например, Ланде (Lande, 1995), оценивая влияние мутаций на инбридинг, указал, что для эффективного сохранения генетического разнообразия может быть необходим эффективный размер популяции 5000, а не 500 особей.

Предписания, подобные правилу, 50/500 не учитывают демографические, экологические и поведенческие факторы. Например, для колониально размножающихся видов, которые нуждаются в больших группах для успешного размножения или питания, может оказаться необходимым поддерживат численность намного больше чем 50 или 500 особей. Странствующий голубь вымер не из-за того, что его популяции постепенно исчезли, доходя до очень низкой численности, но из-за того, что вид требовал сотен или тысяч особей для формирования колоний, способных к размножению. Когда размер популяций снижается до критического значения, оставшиеся популяции вида быстро исчезают, даже если с генетической точки зрения размер популяции оставался вполне жизнеспособным.

С другой стороны, правило 50/500 может привести к отказу от попыток сохранить популяцию в ситуации, когда доступно лишь меньшее количество особей. Меньшие популяции могут быть “вычеркнуты” как вероятно уже потерянные по причине того, что количество особей в них оказывается меньше указанного правилом, хотя их можно было бы прекрасно сохранить и следовало бы обратить на них внимание. Например, некоторые популяции пустынных рыб могут просуществовать много поколений, сохраняя численность не более нескольких сотен особей, после чего значительно увеличиться и процветать (Deacon, Deacon, 1979). Правило 50/500 сказало бы нам, что попытки сохранить этих рыб бессмысленны, так как они все равно исчезнут из-за генетических проблем. Аналогично, из популяций менее 20 особей были восстановлены дикая овца (Elaphurus davidianus) и лошадь Пржевальского (Equus przevalski (см. рис. 6.1) (Woodruff, 1989). В Австралии оставалось менее 200 особей златобрюхого попугая Neophema chrysogaster, что вроде бы указывало на бесполезность усилий по сохранению вида, однако это не подтверилось – вид удалось сохранить (Brown et al., 1985). Эти примеры рождают интересный вопрос (Pimm, 1991): может ли большая популяция потерять генетическую изменчивость? Возможно, что именно это произошло с африканским гепардом, и он не проходил через бутылочное горлышко. Почему некоторые маленькие популяции не теряют генетическую изменчивость? Почему некоторые популяции с низкой генетической изменчивостью выглядят процветающими?

С нашей точки зрения, в большинстве случаев следует избегать строгих количественных правил, или, по крайней мере, применять их с большой осторожностью, поскольку исторические и экологические условия каждого вида могут сделать их более или менее подверженными потере генетического разнообразия и проблемам, с этой потерей связанным. Каждый экологический сценарий потенциально может оказаться уникальным, надо по мере возможностей прибегать к дополнительным сведениям из экологии, биогеографии, демографии, чтобы проанализировать ситуацию, прежде чем принять решение и действовать. Многие проблемы сохранения не имеют простых решений.

Совсем другое дело – качественные правила. Основываясь на наших современных генетических знаниях, мы должны руководствоваться определенным набором правил (табл. 6.10), которые не являются количественными, однако позволяют разработать наиболее адекватный с точки зрения генетики подход к сохранению биоразнообразия.

Большая часть настоящей главы посвящена обсуждению двух основных направлений применения генетических данных для сохранения диких природных видов или популяций. Сначала дискуссия акцентировалась на способах количественного описания генетической изменчивости видов и ее географического распределения с помощью иерархического анализа генетического разнообразия. Далее мы показали, что этот же подход полезен и для оценки естественного уровня генетических миграций между популяциями. Эта информация, в свою очередь, может показать, нужно ли искусственно создавать генетические миграции для поддержания естественного географического паттерна генетического разнообразия. Ниже мы обсудим еще несколько направлений использования генетического подхода (более подробно см. Avise, 1994).

Результаты, полученные при помощи электрофореза или других генетических методов, могут быть использованы для идентификации уникальных, заслуживающих специальной защиты генофондов. Особенно следует отметить ситуацию, когда требуется идентификация уникальных аллелей, присутствующих в одной популяции и отсутствующих в других. Такой сценарий может требовать особых усилий для защиты популяции с уникальными генетическими характеристиками. Эхель с соавторами (Echell, 1989) исследовали 16 популяций маленькой рыбы пекосской гамбузии (Gambusia nobilis), находящихся под угрозой исчезновения, в четырех сохранившихся крупных местообитаниях в речной системе Пекос Ривер в Нью-Мексико и Техасе. Они обнаружили, что популяции из бассейна реки Тойя-Крик имели самый высокий уровень гетерозиготости, аллельного разнообразия и дивергенции от других популяций (рис. 6.16). Этой группе популяций следует уделить особенное внимание, поскольку она содержит большее генетическое разнообразие, чем группы из других регионов, а также имеет уникальные аллели, которые будут утеряны, если популяция исчезнет.

Данные генетики могут внести значительный вклад и в таксономические исследования. Традиционная таксономия обычно руководствуется морфологическими характеристиками, которые могут точно отражать эволюционные связи, но могут и ввести исследователя в заблуждение из-за локальных адаптаций и фенотипической пластичности. Генетические характеристики могут помочь прояснить родственные связи и направить усилия на сохранение действительно удаленных или уникальных таксонов. Пример подобного анализа обсуждался в Приложении 3С.

Данные генетических исследований играют ключевую роль и во всех аспектах программ по скрещиванию в неволе (см. Врезка 6D). Скрещивание в неволе стоит на самом краю континуума, простирающегося от больших природных популяций, не требующих генетического вмешательства извне, до маленьких фрагментированных популяций, которые могут требовать определенных манипуляций для поддержания генетического разнообразия, вплоть до необходимости содержания в условиях неволи. Это предельный случай генетического управления. Для поддержания популяций в условиях неволи подходят те же генетические принципы, что и при работе с малыми дикими популяциями. Здесь эти принципы даже более уместны, поскольку в неволе популяции обычно очень малы, особи обычно родственны, есть возможность генетически охарактеризовать каждого индивидуума. Данные генетических исследований помогут направить отбор родительских линий и создать структуру направленных скрещиваний, а также могут позволить отслеживать общую генетическую изменчивость и ее потерю.

Информация о генетических характеристиках видов или популяций может обеспечить нас важными сведениями для разработки программ по управлению и восстановлению и дать представление о всеобъемлющей философской перспективе первичности эволюционной динамики в жизненных процессах. Однако, генетика имеет свои ограничения и не может сама по себе спасти биоразнообразие. Применение генетики для решения природоохранных проблем – молодое развивающееся направление, но мы уже узнали достаточно много, чтобы реалистично смотреть на ее возможности. На первом месте при сохранении популяции животного или растения должны быть пригодность биотопов для жизни, биологические взаимодействия и процессы. Если биотоп непригоден для обитания, вещество и энергия не проходят через экосистему, сохранение генетического разнообразия в конечном счете сведется к его искусственному поддержанию. Без соответствующих экосистем и динамических экологических процессов генетическое разнообразие само по себе не может существовать.

Есть ограничения на чисто логическом уровне. Во-первых, многие генетические методы недешевы, трудны в освоении и могут быть использованы неправильно и даже во вред. Методы требуют высокой квалификации и сложного лабораторного оборудования. Следовательно, не рекомендуется специально организовывать и самостоятельно эпизодически проводить генетический анализ, нужно консультироваться с уже существующими лабораториями, где работают опытные специалисты.

Во-вторых, требуется собрать и тщательно исследовать образцы тканей животных или растений. Для многих методов нужны свежие или замороженные образцы, полученные от большого количества особей. Это легко, когда речь идет о сосне или, например, о шмелях, но трудно, если речь идет о кондорах или горных козлах. Нередко для этого исследователю сначала приходится добираться до отдаленного биотопа, затем найти объекты, поймать их, обработать, получить образцы и доставить их в лабораторию, обеспечив условия их сохранности. Все это надо проделать, не нанеся животным вреда. В некоторых случаях подобная задача может оказаться неосуществимой.

В третьих, сбор образцов часто неосуществим без убийства животных, или по крайней мере поимки и каких-то манипуляций с ними для получения образца. Если убийство необходимо для спасения вида, находящегося под угрозой исчезновения, то оно, очевидно, является морально оправданным. Однако, к счастью, разрабатываются новые методы позволяющие получать образцы тканей, не нанося повреждений – методы, для которых можно использовать чешую или слизь, если речь идет о рыбах (Robbins et al., 1989), а в случае млекопитающих – волосы и даже эпителий, сохраняющийся в фекалиях (Woodruff, 1993). К сожалению, исследовать генетические характеристики всегда трудно и дорого.

Существует и опасность того, что генетическое сохранение, ставя акцент на деталях генетического анализа, понятных лишь просвещенным, оставляет “за бортом” большие региональные и глобальные проблемы. Генетика должна использоваться в качестве “тонкой настройки” в процессе управления, только после того, как завершена “грубая настройка” – созданы хоть мало-мальски пригодные для жизни местообитания. Если экосистема функционирует, спланированы или уже созданы пригодные для жизни охраняемые территории, загрязнение непосредственно не угрожает жизни и так далее, только тогда следует обратить внимание на генетические проблемы. Генетика будет играть центральную роль лишь в определенных условиях, например, в случаях маленьких изолированных популяций, или особо привлекательных видов позвоночных, обитающих малыми группами. Сюда можно отнести, например, крупных или редких хищников, копытных, стаи лососей, активно эксплуатируемые человеком, а также животных, разводимых в неволе в зоопарках, ботанических садах или аквариумах. Однако, генетический подход не спасет исчезающее с каждым днем биологическое разнообразие тропических лесов или уничтожаемое с освоением прибрежной зоны биоразнообразие коралловых рифов. Крупномасштабное разрушение биотопов – проблема разных уровней, оно прерывает границы биологического разнообразия, и для решения проблемы нужны в первую очередь экономические и политические, а не биологические меры (см. главы 15 и 16).

Генетических факторов нет среди четырех главных причин вымирания (Evil Quartet): overkill, разрушение и фрагментация биотопов, влияние интродуцированных видов и вторичные или каскадные эффекты (Diamond 1989). Следовательно, хотя генетические факторы являются главными детерминантами долговременной жизнеспособности популяций, мы сделаем для угрожаемой популяции больше, если будем принимать меры ближайшего временного масштаба, управляя ее экологией. Экологическое управление – наиболее дешевый и наиболее эффективный путь сохранить генетическое разнообразие.

Поскольку центральной концепцией биологии и популяционной генетики является эволюция, генетика играет важную роль в современной природоохранной биологии. Генетическая изменчивость дает субстрат, из которого возникают адаптации, и является решающей для постоянных эволюционных изменений. Эта изменчивость существует на трех уровнях: индивидуальном, внутрипопуляционном и межпопуляционном. Потеря изменчивости может оказать негативное влияние на приспособленность и прекратить адаптивные изменения в популяциях. Потеря изменчивости в малых популяциях происходит за счет эффекта основателя, генетического дрейфа и инбридинга. Когда под влиянием человека происходит переселение организмов между изолированными популяциями, нарушается межпопуляционная дифференциация.

Управление природной генетической изменчивостью может оперировать тремя характерными временными масштабами: ближайшим (месяцы, годы), среднесрочным (десятилетия, века) и долговременным (тысячелетия). Адекватную единицу сохранения для данного вида можно определить с помощью иерархического анализа генетического разнообразия, который позволяет разложить общее генетическое разнообразие вида на внутрипопуляционую и межпопуляционную компоненты, последнюю – руководствуясь географической иерархией. Этот биогеографический сценарий важен для определения природной генетической структуры популяций и вероятного уровня естественных генетических миграций между популяциями. Кроме того, эта же методология позволяет оценить относительную “глубину” эволюционного расхождения географических групп. В акциях, направленных на сохранение вида, наиболее древнее расхождение должно получить приоритет. Все эти подходы не являются механическими, требуется анализ индивидуальных условий, и в большинстве случаев следует избегать “готовых рецептов".

Генетика может использоваться и для идентификации уникальных, нуждающихся в специальной защите генофондов, для прояснения таксономии видов, сокращающих свою численность и при управлении программами по разведению в неволе. Однако, роль генетики в охране природы ограничена. Генетика должна рассматриваться как “тонкая настройка”, которая должна следовать за “грубой настройкой” – в первую очередь необходимо довести до приемлемого уровня защиту местообитаний. С точки зрения длительного временного масштаба сохранность биотопов должна получить главный приоритет, иначе сохранение генов превратится в музейное хранение генной библиотеки.

1. Рассмотрим островную популяцию аутбредных сухопутных улиток, которые были естественно изолированы от материковой популяции десятки тысяч лет. В результате человеческой деятельности эти популяции оказались разбиты на несколько более мелких, каждая из которых потеряла значительную часть исходной гетерозиготности. Можно ли интродуцировать материковых особей на остров для повышения уровня гетерозиготности? Приведите доводы за и против. Какие дополнительные факторы следует рассмотреть?

2. Золотая жаба (Bufo periglenes) – редкий вид жаб, который последний раз наблюдали в горах Коста-Рики в 1989 году и считали вымершим. Удивительно, но неожиданно были обнаружены и помещены в неволю для разведения четыре самца и две самки. Поскольку у земноводных оплодотворение наружное, у вас есть возможность провести различные схемы скрещивания. Обсудите несколько возможных схем скрещивания и их вероятные последствия в отношении генетического разнообразия.

3. Вспомним случай темного прибрежного воробья (Врезка 3С). Джон Авайз приводит доводы в пользу того, что, несмотря на хорошо распознаваемые цветовые различия между подвидами, результаты генетического анализа указывают на отсутствие необходимости сохранения каждого подвида отдельно (то есть, подвиды не являются генетически дифференцированными от других так называемых подвидов). Если бы эта информация стала известна на несколько лет раньше, когда еще оставалось некоторое количество живых воробьев, стоило ли прекращать усилия по сохранению этого подвида? Есть ли в данном случае другие разумные критерии для сохранения, которые бы давали приоритет по сравнению с генетическими, или по крайней мере могли бы рассматриваться наравне?

4. Продолжим обсуждать случай темного прибрежного воробья. Как вы считаете, разумно ли было бы попытаться гибидизовать последних особей подвида с другими подвидами для того чтобы сохранить остатки генофонда?

5. Мы можем направить свои усилия, кроме всего прочего, как на сохранение уникальности, так и на поддержание высокого разнообразия. Это можно осуществить на уровне отдельных генов, вида, биотопа или даже экосистемы. Нужно делать выбор между сохранением разнообразия или сохранением уникальности. Где должны лежать приоритеты? Можно ли быстро ответить на этот вопрос?

6. Иногда утверждается, что переселение индивидуумов между биотопами для восстановления естественного уровня генетического разнообразия является стратегией интервенции, и ее надо избегать, поскольку мы “вмешиваемся в эволюцию”. Обсудите эту проблему.

7. Знание генетической информации иногда может иметь юридические последствия. Например, Бун с соавторами (Boon et al., 1993) обнаружили, что выделение четырех подвидов хлопчатниковых мышей (Peromyscus gossypinus gossypinus, P. g. megacephalus, P. g. palmarius и P. g. anastasae) на юго-востоке Соединенных Штатов, генетически необоснованно, хотя среди них наблюдалось большое разнообразие, как внутри-, так и межпопуляционное, и большинство популяций было до некоторой степени дифференцировано. Собранные ими данные доказывают, что подвидовой статус присвоен этим группам необоснованно. Эти исследования могут также привести к прекращению охраны одного из местообитаний, острова Кумберленд, поскольку резерват там был основан ради сохранения этих угрожаемых подвидов. Как обращаться с подобной генетической информацией, с точки зрения законодательных последствий для защиты местообитаний?

8. Рассмотрим вид мелких грызунов, который полностью исчез в дикой природе, однако существует в виде восьми небольших (5-12 особей) популяций в зоопарках по всему миру. Восстановление биотопов в настоящее время делает возможным реинтродуцировать вид в дикую природу. Как бы вы, используя генетические подходы, спланировали, оптимальную программу размножения для реинтродукции потомства этих грызунов в восстановленные биотопы? (См. так же Haig et al., 1990).

9. Могут ли зоопарки, питомники или подобные резерваты ex situ вмещать достаточно экземпляров для обеспечения генетического разнообразия, необходимого для выживания видов, пока они не могут быть восстановлены в дикой природе?

Рисунки к главе 6

A
B
C
D

Рис.6.1. Многие виды по всему миру в настоящее время процветают благодаря усилиям генетиков. К таким видам можно отнести различные виды носорогов, в том числе белого носорога (Ceratotherum simum) (А); лошадь Пржевальского (Equus przewalskii), обитающую в Джунгарии, Монголии и Китае (Б); многочисленные виды рыб, например, Poeciliopsis occidentalis из Аризоны (В); и краснолобого дятла (Picoides borealis), обитающего на юго-востоке Соединенных Штатов (Г). (A, photograph У San Diego Zoo; Б, Ron Garrison У San Diego Zoo, В, John N. Rinne, Г, Walker Montgomery)

Рис. 6.2. Генетическое разнообразие можно изучать при помощи метода белкового гель-электрофореза. Каждая дорожка соответствует одному индивидууму зеленоголового слепня (Tabanus nigrovittatus). Одна полоса на дорожке означает гомозиготу, а множественные полосы – гетерозиготу, в данном случае, по локусу изоцитратдегидрогеназы (фотография c любезного разрешения Robert C. Vrijenhoek).

Рис. 6.3. Изменение генных частот вследствие локального вымирания и эффекта основателя на примере природной популяции Poeciliopsis monacha, маленькой пустынной рыбы из Соноры (Мексика). В результате засухи и связанного с ней локального вымирания, у рыб из небольшого притока гетерозиготность по четырем локусам снизилась от приблизительно 0,3 в 1975 г. до нуля. В 1978 г произошла естественная реколонизация. Предположительно, начало новой популяции дали всего несколько особей, и гетерозиготность с 1978 по 1983 г. оставалась на нулевом уровне, при этом гетерозиготность в соседних популяциях основного русла оставалась высокой. Переселение тридцати рыб в популяцию притока из популяции русла (искусственная миграция генов) в 1985 году восстановило гетерозиготность (по Vrijenhoek, 1989a).
( гетерозиготность по четырем локусам; Переселение 30 самок; Засуха / локальное вымирание; Естественная реколонизация; Основное русло; Приток)

Рис. 6.4. Разложение общего генетического разнообразия (Ht) на внутрипопуляционную и межпопуляционную составляющие. Схематически представлен вид с тремя популяциями, каждая популяция характеризуется определенным уровнем внутрипопуляционной гетерозиготности (Н1, Н2 и Н3), Нр – средняя гетерозиготность. Стрелки отражают межпопуляционную дивергенцию (D12, D23 и D13). Dpt – средняя дивергенция.

Рис. 6.5. Три примера корреляции между уровнем гетерозиготности и характеристиками, связанными с приспособленностью. (А) Скорость роста моллюска Mulinia lateralis в течение двух недель после сбора личинок. (Б) Потребление кислорода американской устрицей (Crassostera virginica); низкое потребление кислорода указывает на более высокую эффективность метаболизма. (В) Морфологическая ассиметрия у радужной форели (Oncorhynchus mykiss); большая ассиметрия указывает на меньшую стабильность развития. (A – по Koehn et al., 1988, Б – по Koehn and Shomway, 1982, В – по Leary et al., 1983).
( Длина раковины (мм); Количество гетерозиготных локусов (???); Потребление O₂ (ml h^-1 0,4 g animal^-1); Число асимметричных характеристик)

Рис. 6.6. Зависимость между уровнем гетерозиготности и размером популяции на примере двух видов. (А) Halocarpus bidwillii, хвойное дерево из Новой Зеландии (r = 0,94). (Б) Краснолобый дятел (Picoides borealis) с Юго-Востока Соединенных штатов (r = 0,48). (А Billington 1991; Б по данным Strangel et al., 1992).

Рис.А. Ожидаемые скорости потери гетерозиготности в популяции 100 медведей гризли. Верхняя линия показывает ожидаемую скорость потери, если популяция ведет себя как идеализировнная популяция из 100 особей. Нижняя линия покзыает ожидаемую скорость потери, установленную при помощи компьютерного моделирования изолированной популяции из 100 медведей. Средняя линия показывает эффект интродукции двух неродственных медведей на каждое поколение (10 лет) в популяции из 100 медведей.

Рис. 6.7. Средний процент генетической изменчивости, сохраняющийся в теоретической идеализированной популяции после прохождения бутылочного горлышка разного размера.

Рис. 6.8. Средний процент генетической изменчивости, сохраняющийся в течении 10 поколений в теоретических идеализированных популяциях различного эффективного размера (Ne). Изменчивость теряется в результате случайного генетического дрейфа.
( % сохраняющейся изменчивости; поколение)

Рис. 6.9. Влияние инбридинга на ювенильную смертность в популяциях млекопитающих в неволе. Положение точек отражает соотношение процентов ювенильной смертности в потомстве от инбредного и аутбредного скрещиваний. Линия указывает уровень эквивалентной смертности между двумя схемами скрещивания. Точки над линией представляют случаи, где смертность потомства аутбредных скрещиваний выше, точки под линией – более высокую смертность потомства инбредных скрещиваний. Чем больше расстояние от точки до линии, тем сильнее влияние инбридинга (Из Ralls and Ballou, 1983)
( копытные; приматы; мелкие млекопитающие; % ювенильной смертности – аутбредные; % ювенильной смертности – инбредные)

Рис. 6.10. Пример метапопуляции. Каждый круг представляет локальную популяцию, размер круга соответствует ее относительному размеру. Сплошные стрелки означают регулярные свободные генные миграции, пунктирные стрелки указывают на эпизодические. нерегулярные обмены генами.

Рис. 6.11. Схематическая диаграмма, демонстрирующая иерархическую генетическую структуру вида. Восемь популяций (А-З ?А-Н) можно группировать на разных уровнях в соответствии с некоторыми объективными географическими критериями. Уровень 1 в этой иерархии означает гетерозиготность в пределах каждой популяции (Нр). Первый уровень дивергенции (D12) – средняя генетическая дивергенция между парами географически смежных популяций. Дивергенция также может возникать между четырьмя парами из двух популяций (D23) и двумя парами из четырех популяций (D34).

Рис. 6.12. Генетическая иерархия речных организмов, основанная на объективной классификации порядка речных притоков, использующая 14 экспериментальных точек, распределенных вдоль всего бассейна. Общее генетическое разнообразие (Ht) можно подразделить на (А) внутрипопуляционную гетерозиготность (Hp), (Б) среднюю дивергенцию между популяциями, взятыми из различных водотоков первого порядка (D12), (В) среднюю дивергенцию между популяциями, взятыми из различных водотоков второго порядка (D23), и (Г) среднюю дивергенцию между популяциями, взятыми из различных водотоков третьего порядка (D34).

Рис. 6.13. Генетическая иерархия, основанная на географическом расстоянии. В этом примере исследуется восемь популяций (А-З? А-Н) дуба, произрастающих в ландшафте, где не выявлена очевидная генетическая структура. Общее генетическое разнообразие можно подразделить точно так же, как и в предыдущих примерах, на среднюю гетерозиготность (Hp) в пределах всех восьми популяций, среднюю дивергенцию между соседними популяциями, взятыми на расстоянии, допустим, 100 м (D12), дивергенцию между группами популяций на большем расстоянии, допустим, 1 км (D23), и дивергенцию между группами на еще большем расстоянии, допустим, 10 км (D34).

Рис. 6.14. Карпозубики юго-восточных американских пустынь, пример локальной популяционной дифференциации и видообразования в процессе генетической изоляции. Эти пять близкородственных видов оказались изолированными около 10 000 – 12 000 лет назад, в конце плейстоцена. Обитая в своем бассейне или единственном биотопе, эти рыбы дифференцировались на различные формы, которые можно выделить как виды. Местообитания двух видов, Cyprinodon diabolis и C. radiosus представлены на рис.5.2 и рис. 11.9.

Рис. 6.15. Схематическое представление глубины эволюционных расхождений. Уровень генетической дивергенции и время увеличиваются по направлению вниз. Для популяции Е характерна максимальная дивергенция, и, при прочих равных условиях, этот уровень дивергенции должен получить приоритет на защиту перед другими (более молодыми) уровнями дивергенции.

Рис. 6.16. Гетерозиготность, сопоставленная с количеством аллелей в популяции пекосской гамбузии (Gambusia nobilis) из Техаса и Нью-Мексико. Пять популяций из Тойя-Крик (TC) имеют самое большое разнообразие и уровень дивергенции с другими популяциями (BS, LC и WR). (По Echelle et al., 1987).

Таблица 6.10
Качественные правила для практики охраны природы, основанной на данных генетики

1. Большой эффективный размер популяции лучше, чем маленький, поскольку в первом случае медленнее теряется генетическая изменчивость.
2. Негативное влияние генетического дрейфа и инбридинга обратно пропорционально размеру популяции, следовательно, если популяция экстремально мала, следует избегать попыток управления ею.
3. Управление дикими популяциями должно быть согласовано с историей популяций и их генетического паттерна. Например, исторически изолированные популяции должны оставаться изолированными, несмотря на наличие каких-либо других предпосылок для осуществляться мирации генов. С другой стороны, генные миграции между исторически связанными популяциями следует поддерживать на сложившемся уровне, даже если для этого приходится переселять индивидуумов.
4. Низкое генетическое разнообразие само по себе не является поводом для беспокойства, поскольку для некоторых видов оно естественно. Однако, внезапная или крупная потеря разнообразия в природных популяциях или в популяциях в неволе должна вызывать опасение.
5. В условиях неволи следует избегать искусственного отбора. Для этого желательно свести к минимуму число скрещивающихся в неволе поколений и, насколько это возможно, создать животным условия, приближенные к естественным.
6. Если популяция резко уменьшила численность, обеспечить быстрый рост популяции, чтобы избежать длительного бутылочного горлышка.
7. Чтобы избежать аутбредной депрессии, следует по возможности избегать скрещиваний между исторически разобщенными популяциями.
8. Следует избегать случайной интродукции экзотических аллелей как в дикие популяции, так и в популяции, содержащиеся в неволе.
9. Отлов животных из природных линий (охота, рыбалка) может привести к отбору на генетические изменения, способные повлиять на дальнейшую эволюцию популяции или вида. Например, отлов самых крупных особей может привести к отбору на более раннее созревание и меньший размер тела. Следовательно, при охоте следует избегать отбора.
10. Поддержание генетического разнообразия в неволе не заменит генетического разнообразия в дикой природе. Возможность технологически управлять геномом не может служить оправданием избыточной эксплуатации или гибели диких видов или популяций.

Врезка 6A

Расчет F-статистики

Деррик Сагг, Государственный университет Нью-Йорка
Derrick W. Sugg, State University of New York, Geneseo

Коэффициенты инбридинга (фиксационные индексы), или F-статистики были разработаны Сьюэллом Райтом (Sewall Wright, 1922, 1965, 1967, 1978) в качестве способа описания распределения генетического разнообразия в популяции. Подразделяя генетическое разнообразие на различные компоненты, можно определить его относительное количество, присущее индивидуумам, субпопуляциям и всей популяции. Поскольку адаптивная эволюция требует генетической изменчивости, важно понять, какая часть общей изменчивости доступна отбору, действующему на уровне индивидуумов.

Позднее вновь возрос интерес к коэффициентам инбридинга, поскольку эти коэффициенты позволяют описать, как природные популяции поддерживают свою генетическую изменчивость (что очень важно для разработки успешных стратегий управления), а также помогают определить уровень генетической изменчивости, являющийся угрожающим для популяций в неволе (эти знания также необходимы для успешного управления).

Обычно коэффициенты инбридинга рассчитывают для структурированной популяции. При классическом подходе выборка индивидуумов производится из разных субпопуляций в явно различающихся географических точках. В таких популяциях выделяют три уровня структуры: индивидуальный (I), субпопуляционный (S) и общепопуляционный (T). Среднюю индивидуальную гетерозиготность можно рассчитать, подсчитав количество гетерозиготных индивидуумов в субпопуляции и разделив сумму на количество особей в субпопуляции. Расчет проводится для всех субпопуляций, и среднее по всем субпопуляциям называется средней индивидуальной гетерозиготностью.

H_I = 1/k ^x S (No.гетерозигот_i/N_i)

где k – количество субпопуляций, N_i – количество особей в i-той субпопуляции. Тех же особей можно использовать для определения частот аллелей. Эти частоты аллелей используются для подсчета вероятности гетерозиготности в средней субпопуляции (Hs,,,) и всей популяции (H_t). Вероятность для средней субпопуляции будет

H_S = 2/k ^xSp_i-p_i²

где p – частота гена в i-той субпопуляции. Предположительное количество гетерозиготных индивидуумов для всей популяции будет

H_T = 2(p - p²)

где p – средняя по всем индивидуумам частота гена, независимо от того, из какой он субпопуляции. (Hs) предсказывает частоту гетерозиготных особей в субпопуляции, если скрещивание внутри субпопуляции происходит случайно, (Ht) предсказывает такую же частоту, если скрещивание происходит случайно безотносительно субпопуляций.

Эти оценки наблюдаемой и предсказываемой частот гетерозиготных особей могут использоваться для подсчета коэффициентов инбридинга, F_IS, F_IT и F_ST. F_IS – коэффициент инбридинга особи относительно субпопуляции (S);Значение F_IS определяет, будет ли субпопуляция иметь больше или меньше гетерозиготных особей, чем теоретически предсказано.

Этот коэффициент рассчитывается по формуле

F_IS = (H_S - H_I)/H_S

Если гетерозиготных особей меньше, чем предсказано,

(H_S > H_I)

F_IS будет отрицательным. Следовательно, отрицательное значение F_IS указывает на избыток гетерозиготных особей в субпопуляции, а положительное значение говорит о противоположном.

F_IT – коэффициент инбридинга особи относительно целой (T) популяции; F_IT рассчитывается аналогично:

H_S < H_I

F_IS будет положительным. Если

F_IT = (H_T - H_I)/H_T

и интерпретация его положительного или отрицательного значения такая же, за исключением того, что он применяется ко всей популяции, а не к субпопуляции. И, наконец, F_ST – коэффициент инбридинга субпопуляции относительно всей популяции, определяет степень генетической дифференциации между субпопуляциями (насколько они уникальны) и рассчитывается по формуле:

F_ST = (H_T - H_S)/H_T

и он всегда больше или равен нулю. Высокое значение F_ST указывает на то, что субпопуляци имеют очень разные генные частоты, и когда F_ST = 1, говорят, что субпопуляции “зафиксировали” разные аллели, каждая субпопуляция имеет уникальный аллель для каждого локуса.

Очерк 6A

Если особи одного вида животных или растений из географически разобщенных популяций оказываются вместе, как например при разведении в неволе или в ходе программы по переселению, они часто скрещиваются. Если эти гибриды или их потомство обладают пониженной плодовитостью и/или жизнеспособностью, имеет место аутбредная депрессия. Можно выделить две основных причины аутбредной депрессии: коадаптацию и локальную адаптацию.

Коадаптация продолжается до тех пор, пока локальная популяция не начинает эволюционировать как пул генов, внутренне сбалансированный по отношению к репродуктивной приспособленности. Например, для нормального формирования гамет требуется парный набор хромосом (половые хромосомы являются исключением). Если же отцовский и материнский хромосомные наборы различаются по количеству хромосом или их структуре, возможно нарушение фертильности. Примером может послужить снижение плодовитости, наблюдавшеся при размножении в неволе трехполосных миринкини (Aotus trivirgatus) (de Boer, 1982). Оказалось, что животные принадлежали к двум различным географическим популяциям с различными хромосомными типами. Направленное скрещивание миринкини с одинаковыми хромосомными типами позволило восстановить размножение.

Другой причиной аутбредной депрессии может быть локальная адаптация. Ареал вида может захватывать широкий диапазон условий среды. При этом локальные популяции часто адаптируются к своим региональным условиям, особенно если разброс в пределах популяции ограничен. Скрещивание между особями из различных локальных популяций зачастую приводит к рождению потомства, плохо адаптированного к местным условиям среды. Например, горные козлы (Capra ibex) в горах Татра в Чехословакии были почти полностью уничтожены из-за интенсивной охоты, а затем успешно заселены туда из соседней Австрии, где условия среды были аналогичны. Однако, через несколько лет было принято решение увеличить популяцию за счет завоза особей из Турции и Синая, областей с существенно более теплым и сухим климатом. Завезенные животные успешно спаривались с местными, однако у гибридов гон начинался не зимой, как у козлов исходной популяции Татра и австрийской популяции, а ранней осенью, вследствие чего потомство появлялось на свет в феврале – самом холодном месяце года. В результате вся популяция вымерла. (Greig, 1979).

Проблема локальной адаптации присуща всем программам переселения, которые по определению есть перемещение организма из одного места в другое. Если же предполагается перемещение организмов из нескольких мест на одну территорию, также возникает и проблема коадаптации. Оба фактора имели место при реинтродукции ошейниковой игуаны в Озарках, штат Миссури.

Большинство ошейниковых игуан обитают в пустынях на Юго-Западе Америки. Следовательно, условия обитания озакской популяции являются для данного вида экстремальными как с географической, так и с экологической точки зрения.

Хотя настоящих пустынь в Озарках нет, игуаны могут жить на так называемых глейдах – открытых скалистых участках, характеризующихся жарким сухим микроклиматом. Одной из немногих древесных пород, способной произрастать в жарких, сухих условиях глейдов, является можжевельник, Juniperus virginiana. До первых поселений европейцев Озарки были подвержены частым пожарам, что не позволяло можжевельнику разрастаться. Подавление пожаров после прихода европейцев привело к тому, что многие глейды оказались полностью покрытыми можжевельником, и, как следствие, непригодными для жизни многих исконных обитателей. Когда осознали, какую важную роль в Озаках играют пожары, соответствующий режим пожаров был воссоздан искусственно для восстановления естественных условий глейдов. В скором времени флора глейдов без специальной реинтродукции в значительной степени восстановилась.

Однако, ошейниковые игуаны не могут преодолеть даже несколько сотен ярдов леса, то есть, однажды вымерши, они не способны естественным образом восстановить колонию. Следовательно, возникла необходимость в реинтродукции игуан как части общей программы по восстановлению сообщества глейдов.

Анализ последствий прошлых программ реинтродукции показал, что вероятность существования самоподдерживющейся реинтродуцированной популяции тем выше, чем ближе место исходного местообитания особей к месту выпуска (Griffith et al., 1989). Подобная стратегия сводит к минимуму опасность, связанную с адаптацией к локальным условиям обитания.

Локальная адаптация представляла серьезные трудности для озакских ошейниковых игуан, поскольку они обитали в экстремальных для вида экологических условиях и обладали множеством адаптивных особенностей, не обнаруженных у их юго-западных сородичей (Templeton, 1994). Поэтому всех игуан, взятые для реинтродукции, отлавливали в других озакских глейдах, где численность игуан не достигла порога вымирания. Хотя такой подход минимизирует проблемы, связанные с локальной адаптацией, он усугубляет опасность коадаптации. Сохранившиеся популяции глейдов малочисленны, следовательно, в пределах одного глейда можно поймать лишь несколько игуан, не подвергая опасности эту популяцию. Это означало, что на территорию одного восстанавливаемого глейда выпускались животные , исходно принадлежавшие к разным природным популяциям. Более того, по данным молекулярно-генетического анализа разные природные популяции генетически разобщены, генетический контакт между ними минимальный, либо же отсутствует, что говорит о том, что весьма вероятно возникновение проблем, связанных с коадаптацией. Тем не менее, программу смешанного выпуска было решено продолжить.

Решение допустить коадаптационный риск было основано на соображениях, связанных с эволюцией. Природные популяции являются продуктом эволюционных изменений, и до тех пор, пока они остаются генетически гетерогенными, они продолжают эволюционировать. Реинтродуцированные популяции не являются исключением. Следовательно, эволюционные изменения и факторы, которые их ускоряют или замедляют, должны быть учтены при разработке стратегии реинтродукции. Вообще, при необходимости принятия компромиссного решения, генетическое разнообразие и эволюционный потенциал всегда должны быть приоритетными по сравнению с другими соображениями. Просто мы еще слишком мало знаем, чтобы предвидеть все проблемы, с которыми может столкнуться реинтродуцированная популяция. Если природная или искусственно созданная популяция имеет потенциал для эволюционных изменений, она может постепенно решить проблемы, связанные с аутбредной депрессией или изменившимися условиями обитания, а без этого потенциала нет адаптивной приспособленности.

Мы никогда не должны забывать, что мировое биоразнообразие является продуктом предшествовавшей эволюции, оно не статично и никогда таковым не было. Следовательно, природоохранные программы должны пытаться сохранить процессы (такие как эволюцию), влияющие на живые организмы и экосистемы, а не “консервировать” текущее состояние живой природы.

Смешивание игуан из различных глейдов должно увеличивать их генетическую изменчивость и, следовательно, должно помочь преодолеть аутбредную депрессию в процессе эволюционных изменений, также как популяции в неволе смогли преодолеть инбредную депрессию в процессе эволюции (Templeton and Read, 1984). Для того, чтобы увидеть, действительно ли это так, а также в целях мониторинга программ по выпуску игуан, у каждой игуаны перед выпуском были взяты образцы крови и обработаны молекулярно-генетическими методами. После выпуска раз в год из каждой популяции отлавливали отдельных особей, чтобы отследить их благополучие, определить размер особи, скорость роста и получить образцы крови игуан, рожденных в реинтродуцированны популяциях для генетического мониторинга.

Цель программы (установить самоподдерживающиеся генетически изменчивые популяции), была успешно достигнута: все шесть популяций, выпущенные в период 1984-1989 гг. и в 1993 г., продолжали существовать и имели высокий уровень генетической изменчивости.

Кроме того, генетические маркеры также позволяют ранжировать особей по уровню гибридности (который отражает, насколько их генотип представляет собой смесь таковых от основателей из различных глейдов). Если сопоставить данные по этому гибридному ряду и данными по размеру взрослых особей, скоростям роста и репродуктивному успеху, можно проверить гипотезу аутбредной депрессии. Данные уже получены, однако предварительный анализ показал отсутствие аутбредной депрессии. Тем не менее, безотносительно окончательного результата, будет получено множество важных данных.

При существующей скорости потери биоразнообразия, решения по управлению зачастую принимаются без достаточных научных знаний. Программы по сохранению должны осуществляться так, чтобы цели управления биоразнообразием и научные задачи согласовывались с другими потребностями сохранения. В этом отношении программы по реинтродукции должны разрабатываться одновременно и как программы по управлению, и как научные эксперименты.

Очерк 6С

Какой вклад в охрану природы может сделать молекулярная биология?

До начала 1960х генетический анализ эукариот в значительной мере ограничивался небольшой группой видов. Это: микроскопические грибы, менделевский горох, кукуруза, плодовая мушка, морская свинка и домовая мышь – виды, которые можно поддерживать и размножать в контролируемых лабораторных условиях. На основании наблюдений передачи из поколения в поколение определенных наборов признаков для этих видов была установлена генетическая основа различных морфологических или физиологических характеристик, и эти открытия явились эмпирическим фундаментом для основных принципов дискретного, или менделевского наследования. Однако едва ли можно предположить, что такие эксперименты по скрещиванию охватят все особенности генетического разнообразия всей мировой биоты, либо же богатство вариаций огромного количества генов, не дающих вклада в какой либо простой или очевидный путь, ведущий к видимому на уровне организма фенотипу. Изобретение и бурое развитие молекулярных методов для выявления изменчивости белков и ДНК во второй половине 20 столетия перевернули ситуацию. Теперь у нас появилась возможность работать не только с короткоживущими видами, которые можно скрещивать в неволе, и не только с явно фенотипически выраженными мутациями. Фундаментальный вклад молекулярой биологии в охрану природы – открытие для направленных и интенсивных генетических исследований целого мира живой природы, от микробов до китов.

Более того, поскольку гены и их отдельные части эволюционируют с существенно различной скоростью, молекулярная биология может получать генетические данные, соответствующие всему набору экологических и эволюционных временных масштабов. Выбрав соответствующий локус, подходящий молекулярный маркер и методы обработки полученных данных, современный исследователь может решать генетические задачи в масштабе от микро- до макроэволюции. Используя подходящие молекулярные маркеры, возможно экспериментально установить самые разные генетические параметры, такие как происхождение, родственные связи, структуру популяций, дисперсию и миграции генов (современные и исторические), репродуктивный успех, систему скрещивания, гибридизацию, интрогрессию, филогению и идентификацию (наподобие той, что применяется в судебных целях) на любом уровне. В таблице А приведены примеры вопросов, которые можно адресовать молекулярной биологии. Внимательно прочитав этот список, практикующий природоохранный биолог спросит себя: “Дадут ли ответы на эти и связанные с ними вопросы новые знания о биологии интересующей меня таксономичесокй группы, полезные для организации усилий по сохранению этих организмов?” Я полагаю, что во многих случаях ответ будет: “Да". В подтверждение можно привести примеры исследований широкого разнообразия таксонов растений и животных, в которых молекулярно-генетические маркеры уже были с пользой применены в природоохранном контексте (Avide, Hamrick 1996).

Кратко набросаем несколько молекулярных подходов, обычно применяемых в природоохранной биологии. Более детальное описание этих методов, их историю и применение можно найти в литературе (Avise, 1994; Hillis et al., 1996).

Таблица А
Примеры вопросов, которые могут требовать для своего решения молекулярно-генетических подходов

1. Происхождение и родственные связи.

Кто с кем успешно оставил потомство?

Будут ли полевые наблюдения социального или полового поведения адекватно предсказывать истинное биологическое происхождение?

Каков масштаб влияний различных факторов, например, междемных генных миграций, различного репродуктивного успеха самцов и самок, на эффективную численность популяции?

Присутствует ли в популяции генетическая или социальная структура?

Какова система скрещиваний?

2.Внутрипопуляционная генетическая изменчивость.

Каков уровень генетической изменчивости?

Каков уровень инбридинга?

Влияют ли генетическая изменчивость и инбридинг на приспособленность?

Ответственны ли определенные классы генов за отдельные характеристики приспособленности?

3.Структура популяций и межвидовая филогения.

Каков уровень межпопуляционных генных миграций?

Свзаны ли дисперсия и генные миграции с полом?

Как миграции генов связаны с демографической связностью?

Действительно ли существуют значительные филогеографические подразделения?

Что является эволюционно значимой единицей? Что является потенциальной единицей управления?

Можно ли выделить региональные филогеографические зоны?

4. Границы видов, гибридизационный феномен

Насколько генетически обособленны виды, находящиеся под угрозой?

Действительно ли имеет место гибридизация, и, если да, то как часто и между какими таксонами?

Каковы размеры, характер и направление интрогрессии?

Много ли можно взять организмов для получения необходимых биологических образцов?

5.Видовая филогения и макроэволюция.

Каковы филогенетические связи между отдельными видами и более высокими таксонами?

Белковый электрофорез был первым методом, нашедшим широкое применение в полевых исследованиях. Этот метод позволяет различить аллельные формы отдельных генов на основе различий в электрофоретической подвижности кодируемых ими белков. Мы получаем информацию о диплоидных генотипах отдельных индивидуумов, из которых можно статистически оценить свойства популяции, такие как частоты аллелей, гетерозиготность и генетические дистанции. Обычно в одном электрофоретическом исследовании вместе собирается информация о генотипах по 20 и более локусам. В качестве примера применения можно указать ответы на категории 1-4 в таблице А. Главные достоинства метода – техническая простота, относительно низкая стоимость и мультилокусная природа данных. Ограничение – метод не позволяет различать множество нуклеотидных замен, которые не изменяют заряд белка, поэтому количество выявляемых аллелей на локус обычно низко.

На качественном уровне, используемые для анализа локусы генов в ДНК можно подразделить на два уровня: минисателлитные и микросателлитные. Эти локусы содержат варьирующее количество тандемно повторенных единиц последовательностей ДНК, каждая такая единица имеет длину в несколько десятков нуклеотидов в случае минисателлитов и двух-трех или четырех нуклеотидов в длину в случае микросателлитов. Лабораторные подходы включают в себя распознавание аллелей по длине, например, по числу тандемных повторов. Множество аллелей (часто более десятка) может существовать в каждом таком маркерном локусе, и это дает достаточное разрешение для ответа на вопросы микроэволюции, например, на вопросы категорий 1-3 таблицы А.

В отличие от процедур, описанных выше, подход, связанныей с митохондриальной ДНК (мтДНК) в сущности дает информацию только об одном “гене”. Это неудобство, однако, компенсируется тем фактом, что нерекомбинирующая молекула мтДНК эволюционирует быстро и часто дает изобилие аллелей (гаплотипов), чьи филогенетические связи можно установить по наблюдаемым мутационным различиям (на уровне сайтов рестрикции ДНК или нуклеотидных последовательностей). Поскольку мтДНК у большинства высших животных наследуется по материнской линии, различные гаплотипы могут рассматриваться как “женская фамилия”, а филогению можно рассматривать как оценку истории по материнской линии. Это в первую очередь используется в природоохранной биологии для ответа на вопросы в категориях 3 и 4 таблицы А.

В последние годы важной разработкой для экспериментальной природоохранной генетики стало внедрение минимально инвазивных методов взятия образцов для молекулярных исследований. Это, например, амплификация ДНК in vitro посредством ПЦР (полимеразной цепной реакции) с использованием в качестве матрицы небольших количеств нативной ДНК, полученной, например, из крови, волос, кусочков плавников, одиночных перьев и даже фекалий. В соответствующем сочетании с другими доступными молекулярно-биологическими подходами (например, анализом микросателлитов, сайтов рестрикции, последовательности нуклеотидов), методы, основанные на ПЦР, могут быть адаптированы для ответа на любую категорию вопросов, перечисленных в таблице А.

Обычно, самую большую ценность в контексте охраны природы молекуляро-генетические даные представляют тогда, когда они интегрируются с данными других дисциплин, например, этологии, полевой экологии, биологии размножения и развития, демографии, систематики или палеонтологии. В конечном итоге, биоразнообразие – предметная основа природоохранной биологии – это генетическое разнообразие на всех уровнях. Молекулярная биология позволила экспериментально оценить эти исторические ценности.

Очерк 6D

Оливер Райдер, Зоологическое общество Сан-Диего.

Управление малыми популяциями приобретает все большее значение для сохранения биологического разнообразия, поскольку количество угрожаемых и исчезающих видов растет. Программы по сохранению ex situ (включающие и поддержание ресурсов генофонда в природе) представляют собой важную стратегию в рамках большей цели – сохранения биотопов и экосистем. Тот факт, что количество угрожаемых видов стремительно увеличивается, указывает на необходимость дополнительных стратегий сохранения, таких как размножение в неволе и другие подходы к сохранению ex situ, чтобы обеспечить гарантии того, что важные компоненты биологического разнообразия будут доступны человеческому обществу в будущем.

Ботанические сады, аквариумы и зоопарки – специальные учреждения, компетентные в репродукции живых коллекций в целях сохранения. Более того, эти институты, благодаря их доступу к разнообразным и зачастую экзотическим биологическим ресурсам, находятся в уникальном положении по своим возможностям внести вклад в сохранение генетических ресурсов для будущих поколений с помощью генных банков и криоконсервации зародышевой плазмы. Поскольку важность сохранения ex situ стала возрастать, такие организации, как зоопарки внесли вклад в теорию и практику природоохранной биологии своими долговременными программами по сохранению генетического разнообразия некоторых таксонов, а также благодаря более широкой представленности растений, беспозвоночных и позвоночных. Научно-исследовательская деятельность, проводимая в зоопарках, создает стратегии и методы управления малыми популяциями для сохранения биологического разнообразия ex situ и предоставляет ресурс для все более успешных попыток сохранения популяций in situ.

Тем не менее, если императив “спасти экосистему и ключевые биотопы” является первичным с точки зрения устойчивости современного биологического разнообразия, попытки сохранения ex situ можно рассматривать как стратегию, более подходящую для служения потребностям и пожеланиям будущих поколений перед лицом увеличивающейся популяции человека.

Первичная проблема планирования стратегий сохранения ex situ – большое количество таксонов-кандидатов. Очевидно, что потенциальное количество угрожаемых видов только птиц и млекопитающих будет превосходить возможности зоологических парков. Неизбежно нужно делать выбор, то есть для сохранения одних таксонов, которым угрожает исчезновение, принимать усиленные меры, а для других меньшие. Проекты выживания видов (Species survival plans, SSP) Американской ассоциации зоопарков и аквариумов стремятся достигнуть специфических целей для сохранения генетического разнообразия в масштабах разных временных периодов (обычно 90% средней гетерозиготности в течение 100 лет). Эти проекты для поддержания ресурсов видовых генофондов с использованием минимального количества животных, необходимого для достижения генетических целей, позволят представить в этих программах больше угрожаемых таксонов.

Наиболее мощный инструмент, доступный для эффективного сохранения генетического разнообразия в малых популяциях – управление родословной. Зная точную родословную, можно свести к минимуму влияние факторов, которые препятствуют сохранять генетическое разнообразие в малых популяциях. Эффект основателя, генетический дрейф, инбридинг и отбор снижают генетическую изменчивость в малых популяциях. SSP рассматривают каждый из этих факторов в контексте мер по управлению отдельными таксонами. Увеличение количества основателей, приведение семей к эквивалентному размеру и репродуктивному вкладу животных-основателей, спаривание наименее родственных способных к размножению особей популяции, избегание несоответствующих примесей генофондов в соответствии с целями управления сохранением – все это служит увеличению эффективного размера популяций и дает вклад в поддержание генетического разнообразия основателей.

Основная информация о родословной и демографии является важной характеристикой для баз данных по управлению сохранением малых популяций. В рамках SSP данные, специфические для каждого таксона, собираются и анализируются держателями племенных книг, которые гарантируют высокое качество данных. Для каждого индивидуума в племенной книге записывается имя и/или номер, пол, указываются родительские особи (в том числе и альтернативные варианты в неясных случаях), а также дата рождения и, со временем, дата смерти. Из этой информации выводятся жизненные параметры популяции, такие как зависимость плодовитости и смертности от возраста, репродуктивный период и его изменчивость, кроме того, можно точно подсчитать коэффициент инбридинга. Зоопарки и родственные им учреждения внесли вклад в развитие программ по сбору и анализу данных из племенных книг для природоохранных целей и создали множество новых племенных книг.

Стремительный прогресс в теории и технологии управления малыми популяциями, а также новые разработки оказали влияние на структуру планирования и внедрения сохранения ex situ. Хотя SSP появились менее 20 лет назад, в настоящее время они считаются важным компонентом деятельности зоологических парков по всему миру. Существуют такие региональные программы, где таксоны поддерживаются не как изолированные коллекции, но как генетические банки на глобальном уровне.

Малые популяции уязвимы к генетическим заболеваниям, которые могут снижать приспособленность особей. Вредные эффекты, связанные с малыми популяциями, имеет место как в диких популяциях, так и в неволе. Инбридинг и потеря генетической изменчивости из-за генетического дрейфа могут привести к уменьшению размеров популяций, усилить фрагментацию, и повысить риск вымирания. Вместе с мощными методами неинвазивного генетического анализа, анализ родословных может помочь мониторингу и вмешательству в малые популяции in situ. Многие инбредные популяции (включая лабораторные линии и домашних животных) демонстрируют эффекты мутаций по одиночным генетическим локусам и являются модельной системой для генетических, физиологических и биохимических исследований. В популяциях экзотических видов в неволе и в малых популяциях в дикой природе мы можем надеяться, что генетические заболевания будут вовремя идентифицированы и что мы сможем так управлять этими популяциями, чтобы снизить этот эффект. Эта тенденция указывает, что инструменты все возрастающей мощности, доступные для генного картирования и анализа, также найдут применение в охране природы.

Мы не можем точно предсказать успех природоохранных мероприятий, проводимых в настоящее время, на состояние популяций в отдаленном будущем, как в неволе, так и в природе. Зато мы можем понять, что лучше всего целям сохранения соответствуют меры по предотвращению действий с необратимыми последствиями, а также координированные усилия, включая методы с разным риском и успешностью. Некоторые виды и полезные генетические ресурсы , которые другими способами нельзя донести до следующих поколений человечества, будут сохранены методами ex situ. Более эффективный в индивидуальных случаях, менее эффективный как общая стратегия, метод сохранения ex situ наиболее полезен в согласованных стратегиях для сохранения глобального биологического разнообразия.

Copyright c 1997 by Sinauer Associates, Inc.
c Все права защищены. Эта книга не может быть воспроизведена целиком или частично для каких бы то ни было целей без письменного разрешения издателей.
За информацией обращаться по адресу: Sinauer Associates, Inc., P.O.Box 407, Sunderland, Massachusetts, 01375-0407, U.S.A.
FAX: 413-549-1118. Internet: publish@sinauer.com; http://www.sinauer.com
c МБОО "Сибирский экологический центр", перевод, 2004
Перевод не может быть воспроизведен целиком или частично, а также выставлен в Интернет без письменного разрешения Сибирского экологического центра.
За информацией обращаться по адресу: МБОО "Сибирский экологический центр", 630090 Новосибирск, а/я 547, Россия.
Факс/тел.: (3832) 39 78 85. E-mail: shura@ecoclub.nsu.ru; http://ecoclub.nsu.ru