Важнейшими критериями, по которым животных делят на виды, является возможность рождения продуктивного потомства. Как показали исследования, ольхонская полевка все еще может скрещиваться с близкими видами и подвидами, но вот потомки от таких «браков» уже практически не способны к размножению.
Ученые Института систематики и экологии животных СО РАН с коллегами из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Новосибирского государственного университета экспериментально исследовали начальные этапы эволюции в группе скальных полевок рода Alticolа и сделали вывод, что ольхонская полевка находится на пути становления новым видом.
Ольхонская полевка (A. olchonensis) — грызун из рода скальных полевок семейства Cricetidae, обитающий на островах Байкала. Изначально она была описана как подвид, потом ее официально признали отдельным видом, однако до сих пор не утихают споры о таксономическом статусе этого животного, сообщили в пресс-службе СО РАН.
«Скальные полевки — очень интересный и удобный объект для изучения процессов видообразования, эволюционных процессов. Во-первых, это крайне слабо исследованная группа. Во-вторых, эти виды являются стенотопными, приуроченными к жизни в ограниченных местообитаниях: в скальных останцах, каменистых россыпях в Северной Азии, на территории Сибири, Монголии, Китая, Казахстана. Их ареалы большей частью не перекрываются. До сих пор идет полемика о таксономическом статусе многих видов, относящихся к скальным полевкам. Например, ольхонская и тувинская полевки являются сестринскими видами, но некоторые коллеги-зоологи считают, что первая — всего лишь подвид второй. Наше исследование должно было внести некую ясность в таксономический статус ольхонской полевки», — рассказал заведующий лабораторией экологии сообществ позвоночных животных Игорь Моролдоев.Сибирские ученые решили проанализировать фундаментальный критерий биологического вида — репродуктивную изоляцию. Так называют совокупность механизмов, препятствующих скрещиванию между особями разных видов или популяций. Эксперименты проводили на лабораторной колонии ольхонской полевки и двух географически изолированных формах тувинской полевки: тувинской (из горных степей Хакасии и Тувы) и хубсугульской (с побережья озера Хубсугул в Монголии). Животных разных групп скрещивали между собой, создавая гибриды первого (F1), второго поколения (F2), а также гибриды, полученные в результате соединения F1 с представителями родительской группы (беккроссы).
«На момент начала эксперимента было понимание, что гибриды ольхонской и тувинской полевки практически все фертильные, они скрещиваются, дают потомство, и, как зоологи, мы не могли сказать, есть ли у них какие-то механизмы первичной репродуктивной изоляции, более тонкие цитологические механизмы. Предполагалось, что они должны быть, но увидеть их мы не могли», — объяснил Игорь Моролдоев.
Поэтому к исследованию подключились сотрудники ФИЦ ИЦиГ СО РАН, которые сосредоточились на изучении сперматогенеза.
Исследование показало, что первое поколение гибридов (F1) в основном фертильно. Однако уже у них наблюдалось резкое увеличение доли аномальных сперматозоидов (до 81 % против менее 9 % у родителей): либо хвостик повернут не туда, либо головка не так сформирована, либо всё вместе. «Вероятно, из-за этого начинает падать фертильность», — считает Татьяна Бикчурина.
У гибридов F2 (потомков от скрещивания гибридов F1 между собой) и беккроссов наблюдались уже более серьезные проблемы. У части из них были обнаружены серьезные нарушения сперматогенеза: резкое сокращение количества сперматид (тип клеток, которые завершают сперматогенез) и множественные нарушения морфологии сперматозоидов. У гибридов второго поколения снизилось число постмейотических клеток, то есть мейоз проходил, но, похоже, в нем что-то нарушалось, потому что в сперматозоиды превращались только единичные клетки. У половины беккроссов процесс сперматогенеза резко останавливался на стадии мейоза. Чтобы лучше понимать, что происходит, ученые сделали отдельные препараты хромосом и посмотрели основные процессы мейоза.
«В начале мейоза хромосомам от матери и отца важно найти друг друга и склеиться по всей длине (синапсис), потом обменяться участками (рекомбинация), а затем разойтись (сегрегация). Мы посмотрели два первых процесса и выяснилось, что у гибридов часто есть клетки с асинаптированными участками хромосом, — по каким-то причинам они не склеиваются в той точке времени, когда должны это сделать. В результате клетка помечает эти участки как то, что ей не нравится. Если их много, она может запустить процесс апоптоза (программируемой клеточной гибели), если мало — мейоз идет дальше, но блокируется транскрипция в помеченных местах. Блокировка может сохраняться даже после мейоза. Это приводит к тому, что следующая клеточная стадия не разовьется либо разовьется неправильно, с ненормальной морфологией сперматозоидов», — рассказала Татьяна Бикчурина.
Исследование показало, как проходят ранние этапы перипатрического видообразования: географическая изоляция может приводить к набору несовместимостей, проявляющихся в гибридах. Ольхонская полевка накопила генетические изменения, которые хоть и не мешают появлению потомства с тувинской полевкой, но нарушают тонкий механизм мейоза у последующих поколений гибридов.
«Становление видообразования — это процесс, который идет по нарастающей. Процессы изоляции между ольхонской и тувинской полевками сейчас наблюдаются на уровне мейоза и гаметогенеза (процесс образования половых клеток), но эти виды еще могут скрещиваться и обмениваться генами. К тому же мы изучали только гибридов-самцов. У самок, скорее всего, особых проблем не должны быть. На следующем этапе изоляции при межвидовой гибридизации уже может наблюдаться гибель эмбрионов. В варианте ольхонская — тувинская полевка такого нет, а вот при скрещивании ольхонской и хангайской полевки, которое мы осуществляем в рамках другого исследования, эмбрионы гибнут, то есть хангайская полевка уже более далеко отошла от ольхонской и тувинской», — объяснил Игорь Моролдоев.
Сегодня ольхонская полевка имеет статус отдельного вида, она занесена в Красную книгу Иркутской области. Исследователи отмечают, что в последние годы наблюдаются большие проблемы с численностью этого животного.
«Наша лаборатория очень давно изучает ольхонскую полевку, особенности ее экологии, динамики численности. Мы становимся свидетелями, что она действительно вымирает. Еще три-четыре десятилетия назад на малых островах озера Байкал этих грызунов было много, сейчас мы их там найти не можем: в прошлом году за две недели исследований в месте, где мы многократно работали ранее, удалось поймать всего двух самцов. Для зоологического исследования это крайне мало, особенно если знать, как было раньше. Это можно объяснить совокупностью нескольких факторов. Во-первых, сами по себе мышевидные грызуны отличаются хорошо выраженными популяционными волнами: есть периоды резкого повышения численности, а потом этот пик сменяется вынужденной депрессией, и так продолжается всё время. Видимо, сейчас ольхонская полевка находится на стадии депрессии численности. Свой вклад вносит и то, что Байкал, Ольхон и малые острова интенсивно посещаются туристами, люди нарушают местообитания ольхонских полевок: строят тропы, маршруты, каменные пирамиды, разрушают норы, привозят собак, прикармливают лисиц. Также имеет значение изменение климата», — заключил Игорь Моролдоев.
Уже несколько лет в ИСиЭЖ СО РАН осуществляется проект по восстановлению численности, реинтродукции ольхонской полевки. Ученые размножают этих животных в неволе и выпускают на острова Байкала, где они раньше водились, но потом исчезли.
Результаты исследования опубликованы в Mammalian Biology.
