Успехи современной биологии, 2019, T. 139, № 1, стр. 3-24

Гибриды и гибридизация: уточнение этой и сопряженной терминологии

Для понимания сути генетической интрогрессии важны два понятия: гибрид и гибридизация. Гибрид – это генетическая помесь или потомство от скрещивания между генетически различными организмами. Гибридом можно также считать особь со смешанной родословной, метиса. В предельном случае гетерозигота по одному или нескольким локусам – это гибридная особь. Таким образом, скрещивание P₁: A₁A₁ B₂B₂ × A₂A₂ B₃B₃ дает гибрид F₁ = F_H: A₁A₂ B₂B₃. Гибридизация – это процесс, посредством которого появляются гибриды. Между тем, следует отметить разницу между простым внутрипопуляционным скрещиванием и скрещиванием особей различных линий, популяций и видов. Однако в обычном понимании гибриды представляются потомками более отдаленных скрещиваний. Причем отдаленность скрещивания – условное понятие, зависящее от конкретного вида организмов и от сложившейся для него нормальной системы скрещиваний. Кроме F₁, могут возникать другие типы гибридов: F₁ × F₁ = F₂, F₁ × P₁ = F_b и т.д.

Гибридизация может быть искусственной или естественной природы. В данной статье изложение касается преимущественно естественной гибридизации. Как отмечено выше, важно понимание гибридизации и гибридов как генетических сущностей, определяемых в терминах генотипов и скрещиваний в природной среде, в норме между перекрестно размножающимися организмами. Агамные и клональные формы здесь не рассматриваются.

Гибриды не обязательно должны быть промежуточными между родительскими формами, но в зависимости от сложности скрещивания могут быть более близкими к одному из родителей, и в природе они, обычно, менее приспособлены по сравнению с родителями. Соответственно, гибридный индекс, например I_H (Campton, 1987), может быть далек от 0.5 (Картавцев, 2009; Kartavtsev, 2015, ch. 10). При искусственном воспроизведении и линейной селекции возможен даже противоположный эффект с возникновением гетерозиса у гибридов при отдаленных скрещиваниях между инбредными линиями или определенными типами пород и сортов. Однако в природных популяциях избыточная изменчивость чаще не имеет положительного эффекта, создавая дополнительный генетический груз (Картавцев, 2009).

Необходимо уточнить еще несколько терминов. Во-первых, примем поток генов как процесс, маркируемый селективно нейтральными (или почти нейтральными) аллелями. Репродуктивная изоляция между биологическими видами означает отсутствие какого бы то ни было потока генов. Так, если гибридов нет или же F₁, и особенно F₂ или F_b, не плодовиты или не жизнеспособны (низко плодовиты, слабо жизнеспособны), то и потока генов нет, или он пренебрежимо мал. Наоборот, присутствие существенной доли особей F₂ или F_b, а не F₁, следует рассматривать как индикатор потока генов. Эта формулировка подходит под строгую или ортодоксальную БКВ (Тимофеев-Ресовкий и др., 1977; Dobzhansky, 1955; Mayr, 1982). Во-вторых, примем, что гибридная зона – это географическое пространство, где встречаются гибриды естественного происхождения между предполагаемыми родительскими формами. В такой зоне часто возникает клина. В‑третьих, будем считать, что клина – это постепенное (градиентное) или резкое изменение частот аллелей в прямом или обратном направлении: вид 1 (популяция 1) → гибриды → вид 2 (популяция 2), поддерживаемое балансом между расселением и отбором против гибридов (модифицировано из Barton, Hewitt, 1985).

Из представленных выше определений следует, что точное установление наличия гибридов возможно с помощью ядерных маркеров генов, позволяющих идентифицировать аллели обоих родителей в генотипе. Маркеры мтДНК, которые в норме наследуются у большинства животных как компоненты клеточной плазмы овоцитов, то есть по материнской линии, могут использоваться, но при определенных условиях. Так, присутствие в образцах фрагмента мтДНК вида X или полного митогенома при исследовании вида Y объяснимо произошедшим в прошлом событием гибридизации. Однако надо исключить при этом такие события, как горизонтальный перенос, рекомбинацию и др. Свидетельства присутствия гибридов, полученные только по маркерам мтДНК, следует рассматривать как предварительные, поскольку, как определено выше, генотип гибрида может быть точно идентифицирован лишь по ядерному геному. Иногда такие свидетельства могут отражать рекомбинацию участка гена мтДНК с яДНК. Например, такие события отмечены у карповой рыбы комплекса Gila robusta (Gerber et al., 2001). Также описан перенос мтДНК от ленка Brachymystax lenok в геном сибирского тайменя Hucho taimen (Balakirev et al., 2013). Оба этих примера являются только предварительными индикаторами возможной гибридизации, поскольку не содержат данных по маркерам яДНК.

Описания, показывающие, что таксономически различные рыбы могут скрещиваться и производить плодовитое потомство, хорошо документированы (Hubbs, 1955). Исследователи (Алтухов и др., 1997; Schwartz, 1972, 1981; Barley et al., 2001) суммировали данные из более четырех тысяч работ с примерами искусственной и естественной гибридизации у рыб, но в большинстве случаев генотипического документирования при этом не выполнено. Некоторые данные на эту тему представлены также в статье (Kartavtsev, 2013b).

Считается, что естественная гибридизация более обычна у рыб, чем в других группах позвоночных. К морским беспозвоночным подобное заключение, возможно, относится еще в большей степени. На первое место среди причин более частой гибридизации в данных группах надо поставить не столь развитую, как, например, у млеко-питающих, систему хромосомного определения пола. У большинства позвоночных животных пол определяется детерминирующим геном (Devlin, Nagahama, 2002), локализованным на Y-хромосоме. У рыб пол определяется несколькими причинами и лишь иногда половыми хромосомами, которые могут отсутствовать вовсе (Кирпичников, 1979). К этому можно добавить, что недавние молекулярные исследования выявили слабую связь фенотипа самцов и самок с генными маркерами пола у лососевых рыб (Podlesnykh et al., 2017). В основе повышенного уровня гибридизации в этих таксонах могут лежать несколько особенностей биологии рыб и беспозвоночных: внешнее оплодотворение, слабые поведенческие изолирующие механизмы, неравная численность двух потенциальных родительских видов, конкуренция за ограниченные нерестовые биотопы и, наконец, восприимчивость к вторичному контакту недавно дивергировавших форм (Avise, Sanders, 1984; Campton, 1987; Avise, 2001). В зависимости от локальных условий эти особенности могут сильно варьировать. Естественные и вызванные вмешательством человека изменения во внешней среде часто приводятся в качестве факторов, способствующих гибридизации у рыб (Алтухов и др., 1997). Например, гибридизация относительно обычна у пресноводных рыб из умеренных широт, где геологические и климатические условия начиная с плейстоцена резко изменялись, преобразуя пресноводную среду, тогда как морская среда оставалась относительно стабильной (Campton, 1987). Порожденные цивилизацией изменения экосистем в Северной Америке также коррелируют с повышенной гибридизацией, встречающейся между исходно аллопатрическими и естественно симпатрическими парами видов (Hubbs et al., 1953; Nelson, 1966, 1973; Stevenson, Buchanon, 1973). Для лососевых рыб такие примеры были суммированы отдельно (Алтухов и др., 1997; Simon, Nobble, 1968; Altukhov, Salmenkova, 1991). Имеющиеся оценки указывают, что гибридизация влияет на судьбу около 25% видов растений и до 10% видов животных (Arnold, 1997). Предполагается, что случаи гибридизации и последующей генетической интрогрессии, относятся, как правило, к молодым недавно дивергировавшим видам. Как отмечено ранее, основное внимание будет уделено видам животных, которые предположительно более удовлетворяют положениям БКВ в оригинальном понимании биологического вида (Mayr, 1982) или его версиям (Тимофеев-Ресовский и др., 1977; Картавцев, 2009, с. 86; Kartavtsev, 2015, p. 95). Близкие публикации рассматривают природоохранные аспекты (Genovart, 2008), недавние исторические изменения (Seehausen, 2004), а также частоту встречаемости естественных гибридов в различных таксонах: например у птиц (Grant, Grant, 1992) в сравнении с другими позвоночными (Prager, Wilson, 1975; Fitzpatrick, 2004).

Методы, используемые для идентификации гибридов

Имеются, по меньшей мере, четыре метода идентификации гибридов: 1) морфологический, 2) кариологический, 3) генетико-биохимический, 4) молекулярно-генетический (Картавцев, 2009; Campton, 1987; Kartavtsev, 2015). В принципе, методы 3 и 4 можно объединить в один, поскольку оба относятся к ММ. Первые два метода описаны ранее (Картавцев, 2009; Kartavtsev, 2015), и в обзоре для краткости изложения они будут опущены, хотя оба могут быть информативными в плане возможного присутствия гибридов в популяциях. Однако первый – можно рассматривать только как дающий непрямые индикаторы присутствия гибридизации, а второй – трудно применять на практике ввиду небольшого размера хромосом во многих группах организмов и трудоемкости методик. Тем не менее, хромосомные методы неоднократно с успехом применялись в природоохранных работах (Васильев, 1985; Фролов, 2000; Setzer, 1970; Greenfield, Greenfield, 1972; Greenfield et al., 1973; Busack et al., 1980; Phillips, Zajicek, 1982; Delaney, Bloom, 1984; Phillips et al., 1985).

ММ наиболее полно отвечают требованиям идентификации гибридов и для ответа на вопрос о существовании генетической интрогрессии. Установление фактов гибридизации и интрогрессии по таким ММ, как аллозимы и яДНК, является относительно точным, если два родительских предка имели различные мономорфные (фиксированные) аллели для одного или более локусов. Например, для двух локусов X и Y с двумя аллелями в каждом, X₁ и X₂ плюс Y₂ и Y₃, гибридная особь, F_H: X₁X₂Y₂Y₃, однозначно отличима от родительских форм поскольку обе родительские формы имеют различные гомозиготные генотипы, а гибрид представлен гетерозиготным генотипом по всем диагностическим локусам. Однако если гибридизация продолжается дальше поколения F₁, то потомство будет иметь широкий спектр рекомбинантных генотипов, включая генотипы, идентичные обеим родительским формам. Соответственно, особь с составным генотипом, которая идентична по генотипу одной из родительских форм, может быть гибридом F₁, полученным при самовоспроизводстве или при возвратном скрещивании с одним из родителей. Присутствие рекомбинантных генотипов, иными словами, может быть признано свидетельством плодовитости гибридов и наличия второго поколения гибридов (F₂ или F_b). В таких ситуациях становится совершенно необходимым выяснение характеристик генотипической изменчивости в популяционно-генетических терминах, с оценкой параметров миграции, Nm и m, дифференциации, Fst и т.п. В существующей литературе имеется не так много работ, использующих такие точные популяционно-генетические подходы, а обзоры отражают широкий спектр других примеров (Боркин, Литвинчук, 2013; Arnold, Fogarty, 2009). Краткое рассмотрение некоторых выводов, следующих из этих работ, будет дано ниже.

Эмпирические данные подтверждают, что аллозимы и маркеры яДНК наиболее эффективны, когда родители имеют различные фиксированные аллели (Картавцев, 2009; Campton, 1987; Kartavtsev, 2015; Kartavtsev et al., 2018) и/или когда проанализированы мультигеномные данные (Fong, Chen, 2010; Nevado et al., 2011) с оценками таких параметров, как Nm, m, Fst и др. Комбинированные подходы, например, с использованием мтДНК и яДНК могут быть даже более успешными, поскольку выявляют, например, направление скрещивания родителей по полу ввиду преобладания материнского наследования мтДНК у животных (Avise, 2001). Комплексный подход с использованием ММ и морфометрии позволяет оценить наличие генотипических эффектов, в частности гетерозиготности, на фенотип (Kartavtsev et al., 2005, 2018), что может иметь выход в марикультуру. Другие примеры успешного использования комбинации ММ были представлены для черепах рода Mauremys (Fong, Chen, 2010), для цихлид рода Ophthalmotilapia из оз. Танганьика (Nevado et al., 2011), для мидий комплекса Mytilus ex. group edulis, с использованием GLU-5 и других ММ (Картавцев, 2009; Heath et al., 1995; Inoue et al., 1995; Skurikhina et al., 2001; Kartavtsev, 2015; Kartavtsev et al., 2014, 2018), а также для некоторых других таксонов (Avise, 2001).

Подводя итоги вышеизложенного, следует отметить следующее.

1) Идентификация гибридов и выявление присутствия генетической интрогрессии являются сложными задачами. Прежде всего, эти задачи требуют выполнения точного генетического анализа с идентификацией гибридов на основе многих локусов и сопоставления потомков различных типов (F₁, F₂, F_b и т.п.). Впоследствии предполагается получение оценок частот аллелей, потока генов и обобщение всех вычлененных компонентов.

2) В этом контексте БКВ является базовой концепцией для выборочного тестирования групп организмов в генетических терминах; инбредные линии и агамные виды (линии организмов) не могут рассматриваться как представительные для понимания сути процессов.

3) Имеющиеся в распоряжении генетиков экспериментальные средства для анализа в целом являются прямыми и достаточными для выявления гибридов и для оценки уровня интрогрессии.

Осуществление генетической интрогрессии через видовые барьеры

Обнаружить гибридов часто является затруднительным или даже невозможным, если гибридизация успешна и длительна во времени, вследствие чего в потомстве имеются F₁, F₂, F_b и т.п. В смешанной популяции, если потомки возвратных скрещиваний или гибриды последующих за F₁ поколений обычны, то возможно присутствие рекомбинантных генотипов с достаточно высокой частотой, и становится затруднительно отличить гибридов F₁ от редких родительских гетерозигот, даже при использовании нескольких диагностических ядерных маркеров (Campton, 1987). Имеются специализированные программные средства, например Structure (http://pritch.bsd.uchicago.edu/structure.html) и т.п., которые помогают решить часть проблем с идентификацией гибридов при обилии данных. Однако надо заметить, что сам предмет исследования и численное моделирование являются настолько сложными, что найти однозначное популяционно-генетическое решение при массовой гибридизации бывает затруднительно. Особенно сложны случаи оценки уровня генетической интрогрессии и ее последствий во времени. Добавляет сложностей в решении задач отсутствие знания, достигли ли анализируемые гибридизующие формы видового статуса или нет. Речь идет о той ситуации, когда гибридизация обнаружена, но исследователь не обладает убедительными данными о таксономическом ранге объектов, которые при этом могут иметь разные видовые имена. В связи с этим точное разграничение видов является очень важным вызовом, стоящим перед современной эволюционной генетикой и эволюционной биологией в целом (Brower, 1999; Sites, Marshall, 2004; Kartavtsev, 2009, 2011a,b, 2015). Чтобы подступиться к этому весьма сложному предмету, удалось реализовать подход, который позволяет протестировать конгруэнтность двух информационных групп данных в BOLD. Первая группа содержит материалы зоологических коллекций (с образцами, отнесенными к определенным таксонам: видам, родам и семействам), а вторая – представляет собой образцы, идентифицированные по ММ, точнее, на основе ДНК-штрихкодов (Ratnasingham, Hebert, 2007), с присвоением каждому образцу уникального идентификатора (шифра) или специального индекса BIN (barcode index number).

Одно из первых исследований частоты встречаемости гибридов в природных популяциях выполнено на организмах водной биоты, на рыбах и беспозвоночных животных. В 1980-е гг. использовали мтДНК в комбинации с аллозимными локусами для исследования частоты гибридизации между 9 видами солнечных рыб (род Lepomis), населяющих две географические локальности на юго-востоке США (Avise, Saunders, 1984). Исследователи пришли к следующим заключениям: 1. Гибридизация происходит с относительно низкой частотой, но в нее вовлечены пять из девяти исследованных видов. 2. Не обнаружено ни мтДНК, ни аллозимных доказательств существования интрогрессии генов между видами рода Lepomis; все гибриды оказались исключительно потомством F₁. 3. Каждый обнаруженный гибрид представляет скрещивание между наиболее распространенным и редким видом. 4. В шести из семи возможных гибридных находок материнский родитель был представителем редкого вида, как было установлено по генотипу мтДНК. Эта особенность была объяснена интенсивной конкуренцией среди самцов за партнера по спариванию и общим промискуитетом самок. С того времени число работ, в которых исследовались случаи межвидовой гибридизации в природе, многократно возросло. В большинстве из них показано присутствие в природных популяциях только гибридов F_1, реже встречаются гибриды нескольких следующих поколений и потомки возвратных скрещиваний, именно посредством которых и происходит интрогрессия чужеродных генов в геномы родительских видов (Avise, 2001).

Примеры анализа мтДНК можно легко увеличить. Некоторые из них будут рассмотрены ниже. В частности, морские моллюски мидии Mollusca, Mytilidae часто использовались для исследований гибридных зон. Рассмотрим некоторые собственные данные для Японского моря, относящиеся к тихоокеанской мидии Mytilus trossulus и к инвазивному атлантическому виду M. galloprovincialis. В одной из ранних работ использовали комбинированный аллозимно-морфометрический подход, который выявил приблизительно 5% гибридов в водах России, Южной Кореи и Японии, с варьированием их доли по годам от 1.6 ± 0.9% до 8.9 ± 1.7% (Kartavtsev et al., 2005). На основе данных о преобладании потока генов в направлении M. trossulus → M. edulis → M. galloprovincialis, авторами выдвинуто предположение, что видовой ранг M. trossulus в комплексе Mytilus ex. group edulis, безусловно, достигнут. При этом таксоны M. edulis и M. galloprovincialis следует рассматривать в ранге подвиды/полувиды, если следовать определению ортодоксальной БКВ (Kartavtsev et al., 2005). Такое заключение хорошо согласуется с палеонтологическими датировками, согласно которым M. trossulus является наиболее древним элементом комплекса Mytilus ex. group edulis (Кафанов, 1987; Kartavtsev et al., 2005), а также с молекулярно-филогенетическими оценками дивергенции в семействе Mytilidae (Картавцев и др., 2018). В недавних работах вновь представлено комплексное популяционно-генетическое и морфометрическое исследование мидий этой группы из северо-западной части Японского моря (Kartavtsev et al., 2014, 2018). Генотипирование особей выполнено по восьми полиморфным ферментным локусам и двум маркерам яДНК (GLU-5 и ITS-1,2). Ферментные и ядерные маркеры обнаружили согласованную генетическую изменчивость частот у родительских видов и их гибридов. Генотипы местного вида M. trossulus преобладают в исследованных выборках, а гибриды встречаются с относительно невысокой частотой (рис. 1). Суммарная частота встречаемости инвазивного вида M. galloprovincialis была относительно низкой, но она достигала значения 42 ± 2% в одной из выборок в заливе Посьета, вблизи пос. Зарубино, являющегося также портом, в том числе для судов международной пассажирской линии Россия–Корея. В этом районе обнаружено также наибольшее число гибридов. Выполненный совместный анализ генетической и морфологической изменчивости выявил в целом низкую дифференциацию между поселениями мидий. Выраженный в величинах потока мигрантов на поколение (Nm) обмен между популяциями в обследованном регионе составил Nm = 5 (Kartavtsev et al., 2018). Доля мигрантов в предположении, что межвидовой поток генов обеспечивается, в основном, потомством F₂, F₃ и F_b, а не F₁, оценена как F_b + F₂, которая составила 0.9 ± 0.7%. Ранее поток генов для более обширного района сравнения в Японском море был оценен величиной Nm = 0.5–2.0 (Kartavtsev et al., 2005). Таким образом, полученные данные убеждают в сохранении инвазии M. galloprovincialis в северо-западной части Японского моря. Судя по встречаемости гибридов всех типов, можно полагать, что уровень генетической интрогрессии между двумя таксонами в регионе находится на низком уровне, варьируя за 14-летний период наблюдений в заливе Восток (залив Петра Великого, Японское море) в следующем диапазоне: 0% в 2012 и 2013 гг. (Kartavtsev et al., 2018) и 8.95 ± 1.68% в 1999 г. (Skurikhina et al., 2001). Данные поддерживают концепцию бимодальной гибридной зоны с ограниченным уровнем гибридизации между двумя номинальными видами в зоне контакта. В других участках ареала ситуация может отличаться. Однако, например, уровень рекомбинации, судя по аллозимному локусу MPI*, был выше среди edulis-подобных морфотипов, чем среди trossulus-подобных фенотипов (Penney, Hart, 1999). Эти результаты хорошо согласуются с данными исследования мидий Калифорнии, как упоминалось ранее, где авторами также отмечен низкий уровень интрогрессии с небольшим преобладанием ее направления M. trossulus → M. galloprovincialis (Saarman, Pogson, 2015). Можно полагать, что вообще асимметрия интрогрессии является общим правилом, следующим из разновозрастности видов (различия возникновения во времени) (Kartavtsev, 2013b; Kartavtsev et al., 2018).

Рис. 1.

Пример изменчивости частоты трех типов гибридов (F_h, F_b, F₁) комплекса мидий Mytilus ex. group edulis в Японском море при отсутствии потока генов между видами и/или при его малом эффекте. По оси Х – номера выборок из поселений мидий в заливе Петра Великого Японского моря и в близких акваториях, по оси Y – частота гибридных особей (по Kartavtsev et al., 2018).

Имеются многочисленные данные, свидетельствующие, что маркеры мтДНК могут проникать из генофонда одного вида в другой, где существуют достаточно длительное время. Проникшие чужие гены могут оставаться в генофонде вида; при этом сохраняется биологическая интегрированность вида, которая была документирована с использованием других ММ и фенотипических признаков. Последние факты хорошо подтверждены данными для мышей, лягушек, рыб, мидий и других организмов (Yonekawa et al., 1981, 2000; Ferris et al., 1983; Avise, 2001; Gerber et al., 2001). Исследования генотипов мтДНК в комбинации с маркерами яДНК или аллозимными локусами дали экспериментальные доказательства способности мтДНК проникать из генома одного вида в другой, минуя видовые барьеры, при условии, что гибриды между видами и их потомство являются жизнеспособными и плодовитыми. Приведенные примеры могут указывать на отсутствие нарушений ядерно-цитоплазматического баланса (отрегулированного взаимодействия двух геномов). Это особенность интрогрессии генов мтДНК. Интрогрессия генов мтДНК проходит независимо от рекомбинационных и сегрегационных событий в ядерном геноме. Таким образом, компоненты мтДНК могут избегать естественного отбора, поддерживающего ядерно-цитоплазматическую совместимость, отмеченную давно (Takahata, Slatkin, 1984; Nei, 1987). Тем не менее, также давно известны факты другого рода, которые указывают на существование ряда селективных механизмов, определяющих ядерно-цитоплазматическое взаимодействие (Powell, 1983). Вопреки этой последней возможности, примеры реальной интрогрессивной гибридизации показывают, что подобный отбор, если и существует, не является настолько сильным, чтобы остановить генетическую интрогрессию посредством мтДНК, даже если само событие гибридизации достаточно редко. Соответственно, случаи нахождения чужеродной мтДНК у природных гибридов, которые были идентифицированы, скажем, по ММ яДНК, могут рассматриваться как выверенные доказательства событий гибридизации (предположительно, между близко родственными видами/таксонами). Хотя также очевидно, что и события гибридизации, и интрогрессия генов мтДНК могут не столь значимо влиять на эволюционную судьбу вовлеченных видов. Межвидовая передача мтДНК отмечена для широкого спектра организмов беспозвоночных (Drosophila) и позвоночных (Mus, Apodenus и Rana) (Yonekawa et al., 1981, 2000; Ferris et al., 1983; Powell, 1983; Clark, 1984; Takahata, Slatkin, 1984; Spolsky, Uzzell, 1984; Nei, 1987; Avise, 2001; Suzuki et al., 2004, 2008). Литература на эту тему уже была подвергнута сравнительному анализу (Картавцев, 2013; Campton, 1987; Avise, Wollenberg, 1997; Yonekawa et al., 2000; Suzuki et al., 2008; Kartavtsev, 2013b, 2015; Kartavtsev et al., 2018). С учетом анализа ядерно-цитоплазматического равновесия (Clark, 1984; Asmussen et al., 1987) для оценки интенсивности интрогрессии был предложен (Avise, 2001) оригинальный метод. Данная область достаточно быстро развивается, так что новые средства анализа появляются постоянно (Wiens et al., 2010; Joly, 2012); в настоящем обзоре представлен только краткий экскурс на тему интрогрессии мтДНК в связи с возможным потенциалом для оценки статуса вида в рамках БКВ.

Асимметричная интрогрессия, описанная для двух видов лягушек рода Hyla, является частой в природе (Avise, 2001). Выявленная однонаправленность подтверждается и многими другими работами (Kartavtsev et al., 2005, 2014, 2018; McGuire et al., 2007; Alves et al., 2008; Plotner et al., 2008; Keck, Near, 2009; Nevado et al., 2009; Saarman, Pogson, 2015). Это обеспечивается несколькими биотическими и абиотическими факторами. Подобная асимметрия для определенных пар видов, уже отмеченная выше и в ранее опубликованных работах (Kartavtsev et al., 2005, 2014, 2018; Kartavtsev, 2013b, 2018), оставляет нетронутым генофонд, по меньшей мере, одного из видов пары. Часто самопроникновение через видовые барьеры маркеров мтДНК, пластидных генов и, очевидно, некоторых мобильных элементов из чужих геномов может не приводить к дезинтеграции генома особей вида и не вызывать какого-либо прямого негативного эффекта. Однако возможно последующее опосредованное влияние на геном хозяина, например, через плейотропное действие внедрившихся генов или генетических элементов. Как предполагается БКВ, новые гены мтДНК и другие наследуемые элементы, захваченные в ходе интрогрессии, в некоторых случаях могут принимать участие в формировании репродуктивных изолирующих барьеров. Возникновение репродуктивных изолирующих барьеров зависит от становления дальнейших ядерно-цитоплазматических отношений и от других биологических и климатических событий, как это, очевидно, реализуется сейчас в комплексе видов мидий Mytilus ex. group edulis. Примером текущего развития репродуктивно-изолирующих барьеров в присутствии гибридизации, урбанизации, глобального мореходства и изменения климата могут служить различные пары видов упомянутого выше комплекса мидий (Skibinski et al., 1983; Gardner, Skibinski, 1988; Rawson et al., 1996, 1999; Skurikhina et al., 2001; Kartavtsev et al., 2005, 2014, 2018; Väinölä, Strelkov, 2011; Saarman, Pogson, 2015; Katolikova et al., 2016).

Мониторинг гибридизации и генетической интрогрессии можно считать одной из важнейших задач эволюционной генетики, общей генетики и общей биологии. Это становится особенно очевидным при исследовании многочисленных примеров генетической интрогрессии, а также ретикуляционных изменений в филогениях морских организмов (Avise, 2001; Arnold, Fogarty, 2009; Balakirev et al., 2012, 2013). Анализ некоторых данных обнаружения гибридов у животных (Боркин, Литвинчук, 2013; Arnold, Fogarty, 2009) показал, что многие факты в реальности не представляют межвидовую интрогрессию, но относятся к случаям внутривидовой интрогрессии, к интрогрессии между таксонами неясного таксономического ранга или между такими таксонами как подвиды/полувиды. Очевидно, что такие случаи не могут рассматриваться как противоречащие БКВ (Kartavtsev, 2013b, 2018). Данные некоторых исследований (Balakirev et al., 2013) не ясны в отдельных нюансах и, скорее, представляют случай очень редкой двойной рекомбинации, произошедшей при искусственном скрещивании отдаленных родителей или, вероятно, при редкой естественной гибридизации, произошедшей в далеком прошлом. Так, в одном случае гены мтДНК ленка B. lenok предположительно проникли от самки другого вида, что обнаруживается по присутствию последовательностей двух генов генома тайменя Hucho taimen (Balakirev et al., 2013). Однако, как следует из другого источника, это направление скрещивания дает несовместимость гибридов (Wang et al., 2011), тогда как обратное направление скрещивания дает даже гетерозис (Xu et al., 2011). В описанном случае (Balakirev et al., 2013) существует возможность, что обнаруженная рекомбинация, интерпретируемая как следствие широкой естественной гибридизации, на самом деле является последствием искусственных скрещиваний или лабораторных манипуляций с геномами. Эти данные, в любом случае, не имеют никаких доказательств распространенности гибридизации среди описываемых видов лососевых рыб из разных семейств, как и вообще не доказывают факт гибридизации, поскольку не опираются на диагностические маркеры яДНК. В другой обзорной работе (Arnold, Fogarty, 2009) приводятся примеры интрогрессии, часть из которых указывает на присутствие гибридов, но не доказывает факт генетической интрогрессии как таковой. Как отмечено ранее, присутствие гибридов F₁ не доказывает существования интрогрессии генов (Campton, 1987). Для некоторых видов рыб гибридизация обычна (Campton, 1987), но только спорадически это ведет к собственно генетической интрогрессии (Avise, Saunders, 1984). Также были представлены убедительные данные, что события гибридизации и последующая интрогрессия были сопряжены с масштабными изменениями климата, как это следует из примеров для гольцов рода Salvelinus (Олейник, 2013; Glemet et al., 1998; Oleinik, Skurikhina, 2010; Roberts et al., 2010). Подобные события также прямо или опосредованно могут быть обусловлены активностью человека (Altukhov, Salmenkova, 1991; Avise, 2001). В упомянутом обзоре (Arnold, Fogarty, 2009) приведены примеры обнаружения гибридов по морфологическим признакам, но это вряд ли следует принять как доказательство не только генетической интрогрессии, но даже присутствия гибридов (Campton, 1987; Grant, Grant, 1992).

Тщательные исследования видов рыб и мидий, основанные на маркерах мтДНК и яДНК, обнаружили, что в большинстве выявленные гибриды являются F₁-потомками, что можно рассматривать как слабость или полное отсутствие реальной генетической интрогрессии (Avise, Sunders, 1984; Kartavtsev et al., 2005, 2014, 2018; Oleinik, Skurikhina, 2010; Saarman, Pogson, 2015). Однако имеются работы, надежно доказывающие массовость продвинутых гибридов у рыб F₂, F₃ и т.д. (Roberts et al., 2010; Nevado et al., 2011). В одном случае маркеры мтДНК и ядерные микросателлитные локусы показали присутствие потомков возвратных скрещиваний особей F₁ с одним из родительских видов с высокой частотой, равной 44.9% (Roberts et al., 2010). В другом случае с использованием различных комбинаций маркеров яДНК и мтДНК отмечен поток генов между четырьмя видами цихлид рода Ophthalmotilapia из оз. Танганьика (Nevado et al., 2011). Авторы в цитированной работе сообщают о значительной пропорции особей повсеместного в озере вида O. nasuta, обладающего частично маркерами мтДНК и яДНК, типичными для трех других номинальных видов рода. Все такие особи были обнаружены в популяциях, обитающих симпатрично с остальными видами рода. Авторы предполагают, что эта особенность возникла вследствие последовательных и независимых эпизодов генетического обмена в разных частях озера с однонаправленной интрогрессией в геном O. nasuta. Из представленных материалов следует, что даже в случаях тщательного анализа, не всегда имеются точные оценки пропорций F₂ и подобных потомков, как это требуется в терминах оценки генетической интрогрессии. В отношении второй из цитированных выше работ также имеется вопрос о соответствии изученных таксонов видовому статусу в согласии с БКВ, хотя авторы и рассматривают род Ophthalmotilapia как старую валидную ветвь таксономических видов (Nevado et al., 2011). Но по поводу цихлид имеются и противоположные мнения (Mayer et al., 1998; Turner et al., 2001). Можно добавить к этой критике, что в некоторых работах разграничение потомства по категориям F₁, F₂, F₃ и т.п. отсутствует. К примеру, в упомянутом обзоре (Arnold, Fogarty, 2009) в сводной таблице 1 представлены генетические данные об интрогрессии для 27 аутбредных видов из 32 сравниваемых видов и других категорий. То есть в подавляющем большинстве данные должны свидетельствовать, по мнению авторов, о существовании генетической интрогрессии. Однако если проанализировать эту информацию в соответствии с требованиями, представленными ранее, тогда приемлемой для доказательства генетической интрогрессии остается лишь малая доля из всего массива данных, а остальные относятся к обменам на внутривидовом уровне, между подвидами или таксонами неясного статуса.

Случаи интрогрессии, представленные, например, для морской флоры, водорослей и другой растительности (Balakirev et al., 2012), в целом согласуются с данными, известными для наземных растений (Шнеер, Родионов, 2018); то есть они подтверждают слабость репродуктивных барьеров у многих растительных видов. В любом случае, следует быть осторожными, заявляя об обнаружении гибридов по маркерам мтДНК: выявление гибридов по данным изменчивости мтДНК может привести к ложным заключениям. Например, мидии имеют двойное однородительское наследование мтДНК. В ходе эволюционной истории нуклеотидные последовательности 16S рДНК материнской и отцовской линий дивергировали на 8.3% в пределах одного и того же вида (Rawson, Hilbish, 1995). Соответственно, если в каком-то исследовании провести анализ дивергенции видов без учета различий по полу, можно прийти к ошибочным заключениям.

Дополнительные подробности теоретических и эмпирических исследований встречаемости гибридов, гибридизации и генетической интрогрессии можно найти (Боркин, Литвинчук, 2013; Barton, Hewitt, 1985; Smith, 1992; Arnold, 1997, 2008; Hewitt, 2011; Saarman, Pogson, 2015). Из изложенного ясно, что многие аспекты гибридизации достаточно сложны и не вполне ясны и, соответственно, вряд ли стоит ожидать быстрых и четких ответов на все вопросы. Среди позвоночных животных птицы чаще упоминаются в примерах встречаемости гибридизации 10–19% (Панов, 1989; Grant, Grant, 1992; Aliabadian, Nijman, 2007), тогда как амфибии и рыбы в этом плане цитируются реже, хотя чаще, чем рептилии и млекопитающие (Боркин, Литвинчук, 2013). Хотя на эту тему нет четкой статистики, так что это впечатление может быть связано с плохой репрезентативностью выборки таксонов в исследованиях по данному вопросу. В представленном выше материале приведены некоторые примеры количественной оценки уровня генетической интрогрессии. После анализа данных в сводной таблице (Arnold, Fogarty, 2009) следует, что реальное число случаев генетической интрогрессии завышено. Как упоминалось ранее, частота интрогрессивной гибридизации у животных оценена величиной 10% (Arnold, 1997), так что доля генетической интрогрессии в реальности должна быть ниже. В любом случае, в поддержку поставленной задачи настоящей работы можно заключить, что, вопреки соответствию или не соответствию БКВ, существующие в природе виды как биологические сущности в большинстве способны поддерживать свою интегрированность и самостоятельность; по меньшей мере, это прослеживается в тестируемой ретроспективе и предполагаемой перспективе. Следующие ниже данные должны помочь понять связь таксономии, и шире – БКВ/СТЭ, с молекулярной эволюцией.

Уточнение понятия вида

Решая поставленные в статье задачи, нельзя не уточнить сущность вида, о котором идет речь. По одному из первых определений в рамках БКВ, принято считать: вид – это репродуктивное сообщество популяций (репродуктивно изолированных от других совокупностей), занимающее специфическую нишу в природе (Mayr, 1982, p. 273). Такое концептуальное понятие вида в рамках БКВ принято в работе как основа излагаемых фактов и идей, хотя оно ограничено главным образом только бисексуальными организмами и имеет несколько уточнений (Майр, 1968; Тимофеев-Ресовкий и др., 1977; Картавцев, 2005; Templeton, 1998). В целом можно перечислить, по меньшей мере, семь различных определений понятия вид (Mayr, 1982; Simpson, 1961; Paterson, 1978, 1985; Wiley, 1978; Crawcraft, 1983; van Vallen, 1976; Templeton, 1998). Известная идея (Dobzhansky, 1955) позволила обосновать (Bush, 1975) ключевую роль процесса прекращения (разрыва) потока генов, который разъединяет исходный вид на две или более репродуктивно изолированные единицы, что ведет в дальнейшем к видообразованию. Можно даже заявить, что если будут представлены неоспоримые доказательства, что возникновение вида и его эволюция возможны без прекращения потока генов между предковыми формами, а вид может возникать при существовании широкого генетического обмена, тогда, конечно, придется отвергнуть БКВ/СТЭ-концепции. Аналогично, если существует и преобладает в природе модель видообразования, по которой новый вид может быть сформирован без долговременного разобщения генофондов родительской и дочерней форм, без возникновения репродуктивных изолирующих барьеров, тогда парадигмы БКВ/СТЭ должны быть заменены. Принимая концепции БКВ/СТЭ, также следует признать прямую связь между генетическим расстоянием и временем, как это ясно сформулировано для белковых локусов (Nei, 1987), а позже расширено для любых ММ (Drummond, Bouckaert, 2015).

Эмпирические сведения о топологии генных деревьев, уровни генетической дивергенции между таксонами

Имеются различные типы генных деревьев, но большинство из них выглядят как монофилетичные или иногда парафилетичные (полифилетичные) дендрограммы. Прямые оценки конгруэнтности различных генных деревьев или ожидаемой топологии, скажем, видового дерева не часты, а когда выполняются, показывают результаты, варьирующие в диапазоне от хороших до отличных (Birky, 2013; Hedges et al., 2015; Turanov et al., 2016; Kartavtsev et al., 2017). Неудовлетворительную “сходимость” топологии деревьев разных генов тоже можно наблюдать, но чаще это обусловлено информационными и техническо-лабораторными возможностями реконструкции. Например, недостаточной информационной емкостью используемых последовательностей (малой длиной) при большом числе анализируемых операционных таксономических единиц (ОТЕ), неудачным подбором ММ для выявления филогенетического сигнала при реконструкции дерева и другими погрешностями работы. В связи со случайной сортировкой филетических линий по отдельным генам более подходящим подходом может быть использование митогеномов. Уточним попутно, что операционной (операбельной) таксономической единицей исторически наименовали некоторые группы, предназначенные для анализа в нумерической систематике (Sneath, Sokal, 1963), представляющие в реальности отдельные организмы популяции, определенные таксономические группы, такие как виды и роды, которые обладают набором сходных признаков (Бейли, 1970, с. 156). Обычно смысловое понимание ОТЕ задается для конкретного исследования.

Успешность конструирования филогенетических деревьев на основе полного митогенома продемонстрирована для 100 таксонов рыб (Miya et al., 2003), а также для многих других групп и вариантов анализа, включая 13 белковых генов митогенома камбал Pleuronectiformes (Kartavtsev et al., 2016) или карповых рыб Cypriniformes, Cyprinidae (Imoto et al., 2013; Kartavtsev et al., 2017) и для многих других таксонов рыб, чьи представительные выборки яДНК-маркеров также были включены в анализ (Berendzen, Dimmick, 2002; Pardo et al., 2003, 2005; Saitoh et al., 2006; Mayden et al., 2009; Betancur-R, Orti, 2014). Сложный подход с цифровым моделированием и использованием временных деревьев для большого числа подобранных генов-кандидатов яДНК эукариот из 2274 исследований, представляющих 50632 видов (образцов последовательностей) глобального древа жизни, обнаружил, что генетическая дивергенция увеличивается с увеличением ранга таксона (Hedges et al., 2015). Главные выводы из представленных материалов и преобладающего топологического сигнала генных деревьев таковы: 1) в большинстве деревьев имеются очевидные(ая) ветви(вь) внешней группы; 2) внутри таксонов ранга отряда основные ветви (узлы, кластеры) представлены семействами/подсемействами; 3) ниже в иерархии имеются отчетливые ветви, представляющие различные рода семейств; 4) имеются наборы наиболее близких ветвей, состоящие из единичных особей, которые классифицируются как образцы одного и того же вида. Некоторая доля деревьев содержит неясные внутриродовые и внутрисемейные кластеры, представляющие в большинстве случаи парафилии или полифилии внутри таксона, которые требуют объяснения (обычно, последние данные ведут к ревизии таксона в систематике).

Непростой вопрос, как быть со всем массивом этой информации? На текущий момент, к примеру, нет общего подхода для оценки числа ошибочных отнесений к одному кластеру или ошибок идентификации соседей по ОТЕ в генных деревьях, выбранных из исследований и представленных в источниках литературы. Соответственно, нет очевидных путей оценки степени ретикуляции или политомии внутри деревьев. Попытки найти общее решение для количественной оценки биоразнообразия предпринимались на основе нескольких методов в рамках инструментария ДНК-штрихкодирования (Bringloe et al., 2016; Kartavtsev, 2018; Stoeckle, Thaler, 2018), хотя каждая из цитированных работ сфокусирована на различных целях. Авторам известно четыре общих подхода для решения этой задачи: 1) на основе использования Пуассоновского древоподобного процесса PTP (Poisson tree processes) (Zhang et al., 2013); 2) посредством метода, схожего с PTP, или коалесцентного подхода по генерализованной смешанной теории Юла GMYC (generalized mixed Yule coalescent) (Fujisawa, Barraclough, 2013); 3) на основе сравнения бифуркаций в видовых деревьях, реконструируемых по последовательностям (Joly, 2012); 4) посредством GMYC-подобной идеологии, K/θ-подхода (Birky, 2013).

Например, имеются осложнения в интерпретации данных генных деревьев Co-1 и Cyt-b камбал, которые содержат внутриродовые парафилетические кластеры для родов Hippoglossoides и Pseudopleuronectes (Kartavtsev et al., 2016, figs 1–2). Хотя для этих двух родов данный факт просто отражает неправильную морфологическую идентификацию некоторых образцов; другими словами, приведенный пример иллюстрирует синонимию имен для одних и тех же видов, что уже обсуждалось (Kartavtsev et al., 2007, 2016). Это один из вопросов, которые ДНК-штрихкоды помогают успешно разрешать. Возможны и другие проблемы ДНК-штрихкодирования, отмеченные при исследовании дождевых червей, среди которых по ДНК-штрихкодам выявлено криптическое биоразнообразие, но без четкого таксономического сигнала. Различными авторами также ставится вопрос в более широком контексте с диагностикой живых форм в слабо проработанных систематиками таксонах (Stoeckle, Thaler, 2018). Чаще, однако, проблема идентификаций решаема при более внимательном подборе ММ созданием референсной библиотеки штрихкодов для конкретного таксона или рассматриваемой задачи и уточнением понимания вида в таксоне. Обнаруженные по ММ ошибочные классификации в пределах ОТЕ обострили проблему, которая была известна в систематике для специалистов, а именно, существование многочисленной синонимии имен (Bringloe et al., 2016; Bayne et al., 2017; Kartavtsev, 2018), и которая обычно провоцирует многочисленные таксономические ревизии. Другая очевидная проблема возникает из-за невозможности иногда различить таксономическую ошибку идентификации образца и реальную ложную кластеризацию, выполненную по ММ в генном или видовом дереве и вызванную генетической ретикуляцией. Особенно эту задачу трудно решить для таксонов, далеких от непосредственной компетенции авторов. Имеются и другие осложнения, например, несогласованность темпов эволюции и, как следствие, несовпадение деревьев, полученных по маркерам мтДНК и яДНК (Wiens et al., 2010), различия в темпах замен для разных генов, сортировка филетических линий, связанная с генетически эффективным размером популяций-основателей, и некоторые другие (Nei, 1987; Avise, 2000; Drummond, Bouckaert, 2015).

В цитированной работе (Kartavtsev, 2018) проанализированы данные из BOLD, представленные тремя проектами: TZFPC (Steinke et al., 2009), FERU (Turanov et al., 2014) и SCFAA (McCusker et al., 2013), в которых таксономическая экспертиза обеспечена авторами представленных проектов. Именно эти данные по рыбам были выбраны для простоты работы как наиболее близкие к профессиональным интересам авторов исследования. Результаты анализа, проведенного по значениям BIN, выявили, что 81.4 ± 2.3% образцов видов, 84.0 ± 3.9% образцов родов (рис. 2) и 88.0 ± 5.8% образцов семейств (Kartavtsev, 2018) этих проектов BOLD согласовывались с предварительными зоологическими классификациями представленных в них таксонов рыб. Выяснилось, что даже для уровня семейства единственный ММ Co-1 с неполной последовательностью нуклеотидов хорошо подходит для идентификации образцов. Оказалось также, что нет значительных различий между тремя таксономическими уровнями (Kartavtsev, 2018, tab. 1S), а данные из двух разных проектов статистически значимо не отличаются (рис. 2). Дополнительные детали этого анализа можно найти в цитированной работе и прилагаемых электронных материалах (Kartavtsev, 2018, tab. 1S). В представленном анализе log-преобразованные численности всех значений BIN (образцы, определенные морфологически) и согласующиеся классификации среди значений BIN (образцы, идентифицированные по ММ) показали пропорционально-положительную изменчивость, которая хорошо аппроксимировалась уравнением линейной регрессии; результаты анализа справедливы для комбинированных данных из нашего собственного исследования и данных коллег FERU/TZFPC, а также только из литературных данных по проекту SCFAA. Коэффициент детерминации этой линейной зависимости составляет около 90% (r_p = = 0.989, p < 0.001, для наименьшего эффекта; Kartavtsev, 2018). Из информации, представленной на рис. 2, и этих данных следует, что все последовательности/особи одного и того же вида определяются в подавляющем большинстве случаев как кластеры одного вида, тогда как различные виды классифицируются в отдельные роды, в согласии с традиционной таксономической практикой. Такой же вывод справедлив в отношении кластеризации образцов различных родов. Эти два типа ветвей на внутри- и межвидовом уровнях ясно обособлены на основе любой из шкал генетических расстояний (Картавцев, Ли, 2005; Kartavtsev, 2009) и используются как одно из главных средств ДНК-штрихкодирования в iBOL и близких проектах. Исходя из изложенного материала, теперь понятно, почему существует явное генеральное свойство формирования кластеров ММ, включая ДНК-штрихкоды по Co-1, которые представляют биологический вид. Имеются исключения из общего правила, когда вид представлен единой репродуктивной единицей. Исключения включают, прежде всего, случаи с филогеографической подразделенностью видов, за счет достаточно изолированных подвидов (Avise, 2000). Существуют также ситуации, когда виды имеют общие или перекрывающиеся кластеры ДНК-штрихкодов вследствие сложной истории их формирования и интрогрессии мтДНК (Stoeckle, Thaler, 2018, figs 2,3), что усложняет задачу идентификации. Возможны связанные с биологией исключения из общей закономерности, приводящие к отсутствию дивергенции по ММ, например, при видообразовании не по географической модели D1 (по классификации Templeton, 1981) с аккумулированием мутаций-замен во время длительного существования в изоляции, а за счет регуляторных генных изменений, хромосомных трансформаций и т.п. – это способы видообразования D3, T2–T4 (по Templeton, 1981).

Рис. 2.

Двухфакторный дисперсионный анализ распределения средних значений BIN в двух исследованиях рыб, суммированных по BOLD. Средние значения для BIN показывают согласованные классификации (по оси Y, %) по молекулярному маркеру Co-1 мтДНК видов/образцов и его согласованность с независимым диагнозом по традиционным признакам, представленным в BOLD. Группы сравнения (ось X) представлены двумя категориями: отдельные виды (1) и самостоятельные роды (2). Значения согласующихся классификаций не различаются в двух сопоставленных группах (1 и 2). Они также не отличаются между оценками в двух исследованиях (Steinke et al., 2009, TZFPC; Turanov et al., 2014, FERU), которые представили 1219 и 285, а также 199 и 64 проанализированных образцов и видов соответственно. Суммарная согласованность классификаций на основе оценок BIN составила более 82% (точки с доверительными интервалами на графике); следовательно, величина ошибочных классификаций составляет менее 18% (по Kartavtsev, 2018).

Прежде чем выполнить последующий анализ, в котором будут рассмотрены данные о генетических расстояниях, вычисленных на основе последовательностей ММ, обратимся еще раз к филогении на уровне семейств. Это весьма важный пункт. Наличие монофилии на этом уровне, особенно для обширных семейств камбалообразных рыб Pleuronectidae, Soleidae и Bothidae, базовая информация для которых сегодня является морфолого-анатомической (FishBase; www.fishbase.org), имеет принципиальную значимость. К счастью, сравнительная информация для этих таксонов также получена и на основе молекулярной филогенетики (Berendzen, Dimmick, 2002; Pardo et al., 2005; Sharina, Kartavtsev, 2010; Betancur-R, Orti, 2014). Монофилия как минимум трех филетических линий (семейств) в пределах Pleuronectoidei исходно базировалась на данных 12S и 16S рДНК (Berendzen, Dimmick, 2002) и 16S рДНК для нескольких семейств (Pardo et al., 2005), а позже дополнена данными для Co-1, Cyt-b и митогенома преимущественно для Pleuronectidae (Kartavtsev et al., 2016). Полное понимание филогении для последнего семейства развивается и недавно было пополнено ММ по нескольким генам мтДНК и яДНК (Betancur-R, Orti, 2014; Vinnikov et al., 2018). Причем монофилия и отряда по некоторым данным выглядит достаточно убедительно (Betancur-R, Orti, 2014; Kartavtsev et al., 2016). Некоторые осложнения, как например присутствие парафилии в подсемействе Pleuronectinae и в роде Limanda, которые были недавно установлены на основе личиночной морфологии и молекулярно-филогенетических данных, очевидно, неизбежны (Roje, 2010; Kartavtsev et al., 2016). Есть сообщение о межвидовой гибридизации некоторых таксонов камбал Европы (Kijewska et al., 2009). Однако пока не ясно, есть ли парафилия даже для этих таксонов, или, может быть, политомию следует отнести к неадекватности морфологических признаков для идентификации, а не к гибридизации и формированию полностью гибридных популяций (и потенциальных таксонов) в зоне последнего исследования на Балтике, а также в соседних бассейнах Европы. Хотя подобные ситуации здесь и не исключены, как отмечено, например, для мидий в этом регионе (Smietanka et al., 2014; Väinölä, Strelkov, 2011).

Другой таксон, карпообразные рыбы Cypriniformes, был подвергнут генетико-биохимическим и молекулярно-филогенетическим исследованиям даже более интенсивно, чем камбалы (Hanzawa et al., 1984; Kartavtsev et al., 2002; Miya et al., 2006; Sakai et al., 2006; Semina et al., 2006; Saitoh et al., 2006, 2010; Sasaki et al., 2007; Mayden et al., 2009; Batischeva et al., 2011; Imoto et al., 2013; Kartavtsev et al., 2017). Для этих рыб, вопреки многочисленным находкам гибридов, существованию полиплоидных форм и предположениям о видообразовании посредством гибридизации (Saitoh et al., 2010; Yang et al., 2015), имеющиеся данные для деревьев отдельных генов и митогеномов указывают на отсутствие преобладания ретикулярной эволюции. Деревья имеют, как правило, бифуркационный тип и монофилию подавляющего большинства ветвей таксонов. Конечно, определенные проблемы в молекулярной систематике этого весьма разнообразного таксона существуют. Они будут возникать и далее при конструировании больших деревьев и при их сравнении с небольшими деревьями. Например, было обнаружено, что большие генные деревья ельцов Leuciscinae имеют гораздо меньшую конгруэнтность по оценке на основе средств программного пакета Dendroscope, по сравнению с небольшими деревьями (Kartavtsev et al., 2017). Однако, очевидно, что это лишь требует увеличения информационной емкости сигнала для лучшего разрешения топологии.

Кроме упомянутых, имеются сведения, противоречащие изложенным выше данным, которые поддерживают наличие ретикуляций в топологии деревьев. Подобный сигнал обнаружен в деревьях, построенных для таксонов из гибридных зон, как это недавно документировано для комплекса Mytilus ex. group edulis (Smietanka et al., 2014; Zbawicka et al., 2014, 2018). Комплексы богатой разнообразием тропической и неотропической фауны также представляют примеры ретикуляций (Nevado et al., 2011; Pereira et al., 2013). В уже цитированном обзоре (Arnold, Fogarty, 2009, tab. 1) имеются 17 находок филогенетических рассогласований. Однако эти факты не опровергают главный сигнал, свидетельствующий о преобладании бифуркаций и монофилии в генных деревьях, а также способность ДНК и других ММ идентифицировать таксоны рыб с точностью выше 80% (Pereira et al., 2013; Turanov et al., 2014; Kartavtsev, 2018). Доказательства, базирующиеся на ДНК-штрихкодировании, основанные на обширных материалах BOLD, поддерживают эти заключения для иерархических категорий до родового уровня (на что преимущественно и ориентирована программа iBOL). Однако приведенные выше факты неожиданно доказывают распространение этого сигнала и до уровня семейства. Хорошее соответствие топологического сигнала генных деревьев по данным ДНК-штрихкодов (то есть для неглубоких филогений) и существующих таксономических иерархий недавно продемонстрировано для нескольких филумов, включая Chordata, Arthropoda, Mollusca, Echinodermata, представляющих 75% всех описанных видов этих таксонов (Stoeckle, Thaler, 2018).

Как предполагалось ранее, обратимся к данным о генетических расстояниях и к их соответствию рангам эволюционной дивергенции. Один набор такой информации был суммирован для двух генов мтДНК Co-1 и Cyt-b (Kartavtsev 2009, 2011a, b, 2013a, 2015, Ch. 7). Эти данные будут приобщены к выводам, даваемым ниже. В настоящей сводке приведены новые данные, которые показывают изменчивость мтДНК для гена 16S рРНК и полного митогенома животных в иерархии таксонов или групп сравнения (рис. 3а,б). Последовательности 16S рРНК длиной после выравнивания 191–444 п.н. различных видов животных извлечены из GenBank, 01.05.2018 и подвергнуты выравниванию в программном пакете MEGA-6 (Tamura et al., 2013). Затем в этом же программном пакете авторами были рассчитаны попарные р-расстояния для двух выборок размерами 6673 и 693 особи, соответственно для первой и второй половины последовательностей всего исходного набора (данная процедура понадобилась ввиду невозможности выполнить выравнивание одновременно из-за слишком больших различий последовательностей в исходном файле GenBank). После этого в программном пакете Statistica-6 (STATISTICA, 2001) с помощью однофакторного дисперсионного анализа проведено сравнение изменчивости внутри и между сравниваемыми группами (рис. 3а). Анализ 7459 последовательностей полного митогенома животных со средней длиной 15173 п.н. (данные GenBank, 13.02.2006–27.04.2018, длина: 15667, 15347, 14761, 16117, 13974 п.н.) выполнен примерно в таком же порядке. Однако расчеты р‑расстояний ввиду больших массивов данных первоначально выполнены по отдельности для каждой из групп сравнения, а затем сведены в общую таблицу для всех групп, на основе которой затем проведен однофакторный дисперсионный анализ в Statistica-6 (рис. 3б). Учитывая отклонения от нормального распределения вариационных рядов р-расстояний (хотя для представленных файлов они одномодальны и пригодны для этого анализа), кроме параметрического ANOVA, проиллюстрированного на рис. 3, также выполнен непараметрический дисперсионный анализ по Краскалу–Уоллису. Это тестирование подтвердило значимость различия сравниваемых групп, как для последовательностей гена 16S рРНК, так и для последовательностей митогенома. Табличные материалы для уточнения подробностей расчетов могут быть представлены авторами для заинтересованных читателей по запросу. Данные о генетических расстояниях внутри видов и в иерархии таксонов убеждают в том, что в большинстве исследованных филумов имеется зависимость между р-расстоянием и рангом таксона, близкая к линейной, с минимальными величинами в группе сравнения внутри видов. Как следует из полученных данных, видовые кластеры на огромном массиве данных ДНК-штрихкодов отчетливо выделяются не только по отдельным генам, но и по митогеномам в целом (рис. 3б) (Stoeckle, Thaler, 2018). Есть также исключения из этого правила, когда разрывы между видовыми кластерами минимальны или отсутствуют вовсе (Turanov et al., 2014; Kartavtsev et al., 2017; Stoeckle, Thaler, 2018). В основном такие случаи относятся к таксонам, не достигшим видового уровня (подвиды, полувиды или молодые виды), но могут быть также обусловлены присутствием видов (форм), не формирующих размножающихся половым путем репродуктивных единиц, то есть видов, не подпадающих под БКВ, которые могут возникать в результате генетической трансформации, не затрагивающей или мало влияющей на структурные гены (Картавцев, 2009, 2013; Kartavtsev, 2009, 2011a,b, 2013a), как это уже было отмечено выше. Известны также примеры значительной вариабельности скорости молекулярной эволюции для таксонов одного ранга в различных филумах, которые могут затруднять применимость генетических расстояний для межвидовых сравнений (Картавцев, 2009, 2013; Avise, Aquadro, 1982; Avise, 2000; Kartavtsev, 2009, 2011a,b, 2013a). Поэтому универсальность ДНК-штрихкода и шкалы генетических расстояний не является абсолютной, что не вполне осознается в некоторых обобщениях по ДНК-штрихкодированию (Stoeckle, Thaler, 2018). Выходом является создание алгоритмического инструментария и программных средств более универсального подхода, учитывающего необходимость использования различных мер генетической дивергенции и изменчивости, с использованием нескольких генотипических дескрипторов, а также фенотипических идентификаторов (Картавцев, 2009, 2013; Kartavtsev, 2009, 2011a, b, 2013a, 2015).

Рис. 3.

Однофакторный дисперсионный анализ, показывающий изменчивость средних значений р-расстояний (ось Y) для групп сравнения сопоставленных последовательностей 16S рРНК и митогеномов животных. Группы сравнения (ось X): 1 – внутри видов; 2 – внутри родов; 3 – внутри подсемейств–семейств; 4 – внутри отрядов; (а) – данные анализа последовательностей 16S рРНК животных второго набора последовательностей (GenBank, 01.05.2018); (б) – данные анализа последовательностей полного митогенома животных (GenBank, 13.02.2006–27.04.2018).

Обобщая все полученные данные, можно сформулировать три главных вывода.

Вывод 1. Диагностика видов является высокоэффективной в силу низкой внутривидовой и значительной межвидовой изменчивости используемых ММ (рис. 3, группы 1 и 2), что обнаруживается как на уровне маркеров отдельных генов мтДНК (Со-1, Cyt-b) и 16S рДНК, так и на уровне полных митогеномов. Это заключение применимо к широкому спектру таксонов животных, для которых есть определенная концептуальная ясность, что такое вид.

Вывод 2. Положительная связь расстояния и ранга таксона с минимумом на внутривидовом уровне доказывает, что видообразование в основном происходит в соответствии с географической моделью D1-типа (Templeton, 1981), а в животном мире преобладает филетическая эволюция. Последние утверждения в полной мере подтверждают базовые принципы БКВ и в целом неодарвинистскую трактовку видообразования и эволюции.

Вывод 3. Из представленных материалов следует, что альтернативные модели видообразования (D3, T2–T4 и др.) редки в природе. В противоположном случае, то есть, если в природе реализуется множество равновероятных способов видообразования, распределение расстояний, ранжированных по таксонам, имело бы равномерный вид или слабый наклон. Очевидно, что представленный анализ и другие доказательства опровергают такую возможность. Однако это не значит, что альтернативных способов нет или они менее важны. Подтверждается справедливость известного положения, что дарвиновская эволюция, дающая наблюдаемое разнообразие живых форм, преобладает во времени, но кардинальные генетические трансформации, хотя и редко возникающие в эволюции, ведут к ароморфозам и дают принципиальные новации живой материи. Хотя это дискуссионный вопрос, который не нашел еще надежного фактического обоснования.