Структура популяцій і гібридизація зелених жаб Rana esculentа complex урбанізованих територій Середнього Придніпров'я

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЗООЛОГІЇ ІМ. І.І. ШМАЛЬГАУЗЕНА

Некрасова Оксана Дмитрівна

УДК 597.851

СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЙ ТА ГІБРИДИЗАЦІЯ ЗЕЛЕНИХ ЖАБ RANA ESCULENTA COMPLEX УРБАНІЗОВАНИХ ТЕРИТОРІЙ СЕРЕДНЬОГО ПРИДНІПРОВ'Я

03.00.08 - зоологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацiї на здобуття вченого ступеня

кандидата бiологiчних наук

Київ - 2002

Дисертацiєю є рукопис.

Роботу виконано у Вiддiлi еволюційно-генетичних основ систематики Iнституту зоологiї iм. I.I. Шмальгаузена НАН України, м. Київ.

Науковий керiвник: доктор бiологiчних наук

Межжерiн Сергiй Вiталiйович Iнститут зоологiї iм. I.I. Шмальгаузена НАН України, м. Київ, завідуючий Вiддiлом еволюційно-генетичних основ систематики

Офiцiйнi опоненти: доктор бiологiчних наук

Писанець Євгеній Максимович, Національний науково-природничний музей НАН України, м. Київ, завідуючий Зоологічним музеєм

кандидат бiологiчних наук

Гончаренко Ганна Євдокимівна, Уманський державний педагогічний університет ім. Павла Тичини, доцент кафедри географії та екології

Провiдна установа:

Ужгородський державний університет

Захист дисертацiї вiдбудеться "17" грудня 2002 р. о годині на засiданнi Спецiалiзованої Вченої Ради Д 26.153.01 Iнституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України за адресою: 01030, Київ-30, вул. Б. Хмельницького, 15.

З дисертацiєю можна ознайомитись в бiблiотецi Iнституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України за адресою: 01030, Київ-30, вул. Б. Хмельницького, 15.

Автореферат розiслано "15" листопада 2002 г

Вчений секретар

Спецiалiзованої Вченої Ради кандидат бiологiчних наук В. В. Золотов

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальним питанням сучасної зоології є проблема існування видових угруповань тварин у зміненому людиною ландшафті. У зв'язку з цим, особливий інтерес викликають дослідження комплексів гібридизуючих видів у зонах з антропогенним навантаженням. Підвищена увага до таких груп організмів викликана тим, що при гібридизації відбуваються швидкі й радикальні перебудови генома, які зумовлюють появу нових форм, що може у свою чергу привести до зміни структури видових угруповань. Наслідки гібридизації можуть бути руйнівними, нейтральними або навіть мати деякий прогресивно-еволюційний зміст: гібридизація може призводити до утворення стійких форм, що мають самостійний таксономічний статус (Даревский, 1974; Грант, 1984, 1991; Васильев, 1985; Межжерин, Писанец, 1995 та ін.). Одним із таких випадків є гібридизація озерної (Rana ridibunda Pall., 1771) та ставкової жаб (R. lessonae Camerano, 1882), внаслідок чого утворюється стійка гібридна алоплоїдна форма, якій навіть деякі дослідники привласнюють статус виду R. esculenta L., 1758 (Бергер, 1976; Цауне, 1987; Лада, 1993, 2001; Schmeller, 1999 та ін.). Особливістю цієї форми є напівклональний спосіб розмноження, при якому у гібридів на премейотичних стадіях відбувається елімінація генома одного з батьківських видів (Tunner, 1974), у Середньому Придніпров'ї - ставкової жаби (Морозов-Леонов, 1998).

Факт гібридизації зелених жаб був установлений у кінці 60-х років (Berger, 1967, 1968, 1970 та ін.) і відтоді з цієї проблеми опубліковано більше п'ятисот робіт, в яких комплекс R. esculenta s. l. розглядається як еволюційна модель. Проте, ряд питань залишається не з'ясованим, що пов'язано з труднощами діагностики гібридів. Особливий інтерес викликає феномен генних інтрогресій - інкорпорація генетичного матеріалу одного виду до генома іншого. У результаті в Придніпров'ї утворюються популяції озерної жаби, що містять домішок генетичного матеріалу ставкової жаби (Межжерин, Морозов-Леонов, 1997).

Регіоном даного дослідження являється Середнє Придніпров'я, де вперше було встановлено феномен генних інтрогресій (Морозов-Леонов, Межжерин, 1995; Межжерин, Морозов-Леонов, 1997). Тут знаходиться найбільший український мегаполіс - Київ, розташований на кордоні лісової та лісостепової зон, у самому центрі гібридної зони озерної та ставкової жаб. Очевидно ландшафти Середнього Придніпров'я, різко неоднорідні як за кліматичними зонами, так і по силі антропогенного впливу, можуть служити природною “лабораторією” дослідження процесів, що протікають при гібридизації зелених жаб. Усі ці особливості регіону роблять найбільш актуальним порівняльне дослідження популяцій зелених жаб Середнього Придніпров'я, що включає аналіз структури поселень зелених жаб у просторі й їх змін у часі, а також дослідження наслідків гібридизації на молекулярно-генетичному, феногенетичному та морфофізіологічному рівнях організації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась у рамках планових тем Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України: "Дослідження мікроеволюційних та видоутворюючих процесів у модельних групах тварин" (№137) і "Визначення фауністичного різноманіття та причин, що викликають його зміни в екосистемах з різним ступенем техногенного впливу" (№117).

Мета та задачі дослідження. Метою даного дослідження є вивчення біологічної, морфологічної і генетичної структури популяцій гібридизуючих видів зелених жаб Rana esculenta complex Середнього Придніпров'я; аналіз тенденцій змін структури популяцій у просторі та у часі в залежності від типу біотопу й ступеня урбанізації.

Для досягнення мети були поставлені задачі:

·шляхом біохімічного генного маркірування визначити видову та генетичну структуру гібридних популяцій комплексу Rana esculenta;

·вивчити просторовий розподіл генетичних форм та типів популяційних систем зелених жаб у Середньому Придніпров'ї, зв'язавши особливості їх поширення зі ступенем урбанізації та типом біотопу;

·визначити характер динаміки структури гібридних популяцій;

·вивчити статеву структуру гібридних популяцій;

·проаналізувати морфологічну мінливість і поширення фенодевіацій серед різноманітних генетичних форм зелених жаб, гібридних популяційних систем різного типу урбанізованих територій і природного ландшафту;

·розробити діагностику представників комплексу Rana esculenta за зовнішніми морфологічними ознаками на основі генетично маркірованого матеріалу.

Об'єкт дослідження - зелені жаби комплексу Rana esculenta.

Предмет досліджень - фауна, популяційна біологія, мікроеволюційні процеси і видоутворення, вплив урбанізації на навколишнє середовище.

Методи досліджень - польові дослідження; біохімічне генне маркірування; морфологічний метод; статистичні методи і моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. Уперше в Україні (а також взагалі в країнах колишнього СРСР) проведено комплексне регіональне дослідження гібридних популяцій зелених жаб, що виконано на основі біохімічного генного маркірування. Принципово новим є те, що дослідження побудовано в порівняльному плані, а саме: з урахуванням градієнта антропогенного навантаження від максимально можливого до його практичної відсутності. З'ясовано, що при сильному антропогенному пресі створюються нерівноцінні умови для виживання представників комплексу Rana esculenta. У результаті в місцях сильного антропогенного впливу (урбанізації) домінує озерна жаба, яка “витісняє” ставкову жабу і гібридну форму, причому цей процес протікає і на рівні безпосередньої взаємодії генетичних систем різних видів. Уперше побудована геногеографічна карта гібридних популяцій зелених жаб. Установлено, що по мірі віддалення від Києва спостерігається чітка тенденція збільшення абсолютної чисельності ставкової жаби. Ця тенденція особливо виражена на Лівобережжі. Доведено морфологічну специфічність озерних жаб з інтрогресіями генетичного матеріалу від ставкової, показана диференційована стійкість генетичних форм зелених жаб до різного роду фенодевіацій. Уперше розроблено чіткі морфологічні діагнози гібридів і батьківських видів зелених жаб за комплексом екстер'єрних ознак в Україні, що дозволяють вивчати амфібії не тільки на фіксованому матеріалі, але і при житті. Показано специфічність співвідношення статей у гібридів у залежності від типу гібридних популяцій.

Теоретичне та практичне значення отриманих результатів. Отримані оригінальні дані важливі для розробки сучасних загальнобіологічних концепцій і теорій: гібридогенного видоутворення, генетичної нестабільності, популяційного гомеостазу. Розроблено алгоритми діагностики за морфологічними ознаками, що дозволяють на 98% визначати колекційний матеріал зелених жаб різної статі та віку. Унаслідок багаторічного моніторингу гібридних популяційних систем відпрацьована методика прогнозу їх майбутнього стану. Розроблено конкретні рекомендації, які можуть бути використані при плануванні зелених і блакитних зон міста. Результати дослідження можуть використовуватися у вузівських курсах герпетології, популяційної біології, теорії еволюції та охорони природи.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом зібрана велика частина матеріалу; проведено біохімічне генне маркірування ряду вибірок; побудована геногеографічна карта. Повністю здійснено аналіз мінливості морфологічних ознак, а також математична обробка даних; перевизначено колекції зелених жаб зоологічних музеїв Києва.

Апробація результатів дослідження. Матеріали роботи було представлено на конференціях: “Збереження бiорізноманiтностi в Українi” (Канів, 1997); “Екологія міст та рекреаційних зон” (Одеса, 1998); на конференції, присвяченої 80-річчю Академії Наук України (Київ, 1999); "Актуальні питання бiорізноманiтностi тварин в антропогенному ландшафті" (Львів, 1999); "Ландшафт - основа науки" (Вінниця, 2000); на конференції молодих вчених "Сучасні питання і проблеми зоологічної науки" (Київ, 2002); на науково-практичному семінарі "Хребетні в урболандшафтах" (Київ, 2002); на засіданні відділу “Застосування математичних та технічних методів в біології й медицині” Міжнародного науково-учбового центру Юнеско/МПІ інформаційних технологій та систем (Київ, 2002); спільному засіданні Відділів еволюційно-генетичних основ систематики і моніторингу та охорони тваринного світу Інституту зоології (Київ, 2002).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 статей, 4 тези і 1 замітка.

Структура роботи. Дисертація викладена на 149 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, 7 розділів, рекомендацій, висновків, додатків, включає 57 таблиць, 59 малюнків, 29 фотографій. Бібліографія містить 357 назв, із них 166 публікацій написані мовами, в яких була використана латиниця.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1. Гібридизація як феномен. В історичному екскурсі підкреслюється, що проблема природної гібридизації традиційна для систематики. Показано, що дослідження природної гібридизації на сучасному методичному рівні повинні здійснюватися виключно за допомогою генетичного маркірування. Дається короткий огляд і класифікація типів природної гібридизації: 1) інтрогресивна гібридизація між вікаруючими видами, при якій між батьківськими видами розташовується гібридна зона; 2) гібридизація з утворенням алополіплоїдних комплексів, в гібридних популяціях яких чітко відособлені гібриди і батьківські види; 3) гібридизація “від випадку до випадку” (по Майру, 1968) між віддаленими видами, коли утворюються стерильні гібриди. Детально описано методику використання генного маркірування у визначенні гібридів і картування гібридних зон. Обговорюється питання гібридизації як еволюційного феномена.

1.2. Систематика і природна гібридизація Західнопалеарктичних зелених жаб. Описується еволюція поглядів на систематику комплексу зелених жаб: від широкої концепції, що визнавала єдиний вид Rana esculenta L., 1758, яка протрималась до початку ХХ сторіччя, до широкого визнання вузької концепції виду. Згідно з останньою визнається 11 видів, велика частина яких описана в останні 20 років завдяки застосуванню генного маркірування. На території України мешкають номінативні види - озерна R. ridibunda Pall. s.str. та ставкова жаби R. lessonae Camerano 1882, при природній гібридизації яких утворюються алодіплоїдні гібриди, в ході гаметогенезу у них відбувається елімінація генома ставкової жаби (Морозов-Леонов, 1998), і нащадки отримують геном озерної жаби. Процес премейотичної елімінації часто відбувається з порушеннями. В результаті часткова рекомбінація генетичного матеріалу батьківських видів усе ж має місце. Тому при схрещуваннях "R. ridibunda ґ гібрид" крім генетично однорідних озерних жаб утворюються жаби-інтрогресанти (BR), які за своїм фенотипом є озерними жабами, але мають домішок генів ставкової жаби R. lessonae, а при схрещуваннях "R. lessonae ґ гібрид" крім гібридів (F1) з'являються гібриди з рекомбінацією генома (гібриди BL). В результаті інкорпорація генетичного матеріалу відбувається направлено: від ставкової жаби до озерної, що і було названо “генною дифузією” (Межжерин, Морозов-Леонов, 1997). Озерні жаби-інтрогресанти ідентифікуються по наявності псевдоалелю Ldh-B71.

Проводиться загальний аналіз біотопічної спеціалізації видів і гібридів зелених жаб.

1.3. Генетичні та морфогенетичні процеси в популяціях амфібій антропогенних ландшафтів. У підрозділі висвітлені питання: історія досліджень зелених жаб Києва; урбозоологія як напрям сучасної зоології; особливості морфогенетичних процесів, що відбуваються у зонах антропогенного впливу, зокрема, в умовах мегаполісу.

РОЗДІЛ 2. МАТЕРІАЛ І МЕТОДИ

2.1. Матеріал. Основою для роботи послужив колекційний матеріал зелених жаб Відділу еволюційних і генетичних основ систематики Інституту зоології НАН України, а також здобутий безпосередньо дисертантом, за період 1996-2002 рр. Усього оброблено 4694 екземпляра зелених жаб Rana esculenta complex, з 114 локалітетів. З них генетично ідентифіковано 3179 екз. зелених жаб, зібраних у 83 місцезнаходженнях, розташованих як у Києві та області, так і у прилеглих областях України. Були перевизначені за морфологічними ознаками 951 екз. зелених жаб із колекцій зоологічних музеїв Київського національного університету ім. Т. Шевченка та Національного науково-природничого музею НАН України.

Регіон, що досліджується, був розділений на чотири зони (Вершинин, 1983; Лебединский, 1984; Таращук, 1996; та ін.): I - забудована зона Києва, II - лісопаркова (буферна) зона Києва, III - околиці Києва (від кордону міської межі в радіусі до 30 км), IV - зона вільна від впливу Київського мегаполісу, розташована більш ніж на 30 км від Києва (рис. 1).

2.2. Методи. Польові дослідження проведені з урахуванням рекомендацій (Руководство по изучению амфибий и рептилий, 1989). Особлива увага приділена принципу рандомізації вибірок. У ряді випадків здійснювалася прижиттєва діагностика, яка проводилася методом біохімічного генного маркірування, для чого досить було одного пальця задніх кінцівок.

Генетична ідентифікація форм зелених жаб проводилась методом електрофорезу в 7,5% поліакриламідному гелі. У якості діагностичного локусу при генетичному маркуванні використовуване Ldh-B, представленого видоспецифічними алелями, що дозволило визначати не тільки видову приналежність жаб, але й факт генних інтрогресій. У разі необхідності аналізувалися також локуси - Aat-2, Es-5, Alb видоспецифічність яких у Придніпров'ї раніше була доведена (Морозов-Леонов, 1998).

Морфологічні ознаки. Для аналізу морфометричних показників використані 16 стандартних морфометричних ознак статевозрілих особин: L., L.c., D.r.o., Sp.oc., L.o., Lt.p., Lt.c., Sp.p., L.tym., S.n., F., Т., C.s., D.p., C.i., P.a. (Терентьев, 1950; Таращук, 1989), а також 4 оригінальних: 1) відстань між зовнішнім п'ятковим горбиком і найближчим (1-м) зчленівним горбиком IV пальця задньої кінцівки (IVD.); 2) відстань між зовнішнім п'ятковим горбиком і 2-м зчленівним горбиком IV пальця задньої кінцівки (2IVD.); 3) довжина складки на предплюсні (Pl.c.s.); 4) довжина складки на передній кінцівці (Pl.p.a.). При описуванні використовувались 30 індексів, серед яких для подальшого аналізу було відібрано 6 найбільш інформативних - Ix, D.p./C.i., Т./C.i., L./Т., Т./IVD., Lt.c./S.n.

Ознаки забарвлення та рисунка тіла аналізувалися поетапно (Баранов, 1984). При цьому було виділено 8 ознак, що дозволили досить повно визначити забарвлення тіла зелених жаб (див. п. 6.2, табл. 4).

Статистична обробка даних. Було створено бази даних, що включають у себе фенотипні, генотипні та інші показники, а також було проведено якісно-кількісну класифікацію початкового інформаційного масиву в системі електронних таблиць Excel 97 (Microsoft, 1998), а для розрахунків використаний програмний пакет Statistica for Windows v. 5.0 (StatSoft, Inc., 1984-1995, США). Основу статистичної обробки результатів дослідження склав стандартний набір методик і прийомів, що рекомендується для популяційних досліджень (Терентьев, 1943, 1950, 1960, 1966; Плохинский, 1967; Ивантер, 1979; Лакин, 1980; Захаров, 1987; Шмидт, 1984; Токарь, 1989 та ін.).

РОЗДІЛ 3. ФІЗИКО-ГЕОГРАФІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА БІОТОПІЧНЕ РАЙОНУВАННЯ РЕГІОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ

У цьому розділі дано основну характеристику регіону досліджень, а також проведено класифікацію біотопів, що вивчаються.

РОЗДІЛ 4. СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЙ ЗЕЛЕНИХ ЖАБ СЕРЕДНЬОГО ПРИДНІПРОВ'Я

4.1. Типи популяційних систем зелених жаб та їх розподіл у просторі. У дослідженому регіоні були виявлені такі типи популяційних систем (Berger, 1983) зелених жаб: R-тип - популяція, що складається з озерних жаб (53% по регіону); R-E-тип - гібридна популяційна система, що складається з озерних жаб і гібридів (17%); L-E-R-тип - із гібридів та обох батьківських видів (14%); L-E-тип - із ставкових жаб та гібридів (12%); L-тип - популяція ставкових жаб (3,6%). Були відсутні популяції, що складаються тільки з гібридів (Е-тип), а також батьківських видів без гібридів (R-L-тип). Остання обставина доводить обов'язковий характер гібридизації ставкової та озерної жаб в умовах симбіотопії.

Розподіл типів популяційних систем по зонах і в регіону загалом (рис. 1.А) нерівномірний. У забудованій частині Києва (зона I) виявлені тільки популяції R-типу. У лісопарковій частині Києва (зона ІІ) зустрічаються всі п'ять типів, хоч явно переважають популяційні системи R- і R-E-типу. В околицях Києва (зона ІІІ) домінують популяції R-типу, а на відстані від Києва більш ніж 30 км (зона ІV) найбільш поширеним виявився - L-E-тип. Загалом по Києву та околицям переважають популяційні системи з домінуванням озерної жаби (R- і R-E-типу), які тут зустрічаються в 6 разів частіше, ніж альтернативні системи L- і L-E-типу.

Розподіл типів популяційних систем на лівому та правому берегах Дніпра неоднаковий. Так, частота зустрічальності систем популяцій з домінуванням ставкової жаби на Лівобережжі в II, IV зонах становить 46,0 ± 2,6%, тоді як на Правобережжі тільки - 20,0 ± 1,0%.

4.2. Біотопічний розподіл популяцій зелених жаб різного типу. Популяційні системи з домінуванням озерних жаб (R-, R-Е-, L-E-R-типу) зустрічаються в основному у великих річках та водоймах, тоді як популяційні системи (L-E- і L-типу) займають альтернативні біотопи: дрібні лісові водоймища, торфовища, болота (рідко невеликі лісові річки). Однаково відповідні для систем популяцій з домінуванням озерних або ставкових жаб є середні за розміром водоймища (“сільський ставок”), і тип популяційної системи в такому водоймищі визначається його місцезнаходженням. Так, у Києві і на більшій частині Правобережжя в таких водоймищах зустрічаються популяційні системи R- і рідше R-E- і L-E-R-типу, а на Лівобережжі - системи L- чи L-E-типу.

4.3. Розподіл генетичних форм зелених жаб. В результаті біохімічного генного маркірування в Середньому Придніпров'ї виявлено 5 генетичних форм зелених жаб: два батьківських видів (озерна (R) та ставкова жаби (L)); гібридів-алодіплоїдів (F1), а також дві генетичні форми, що виникли, мабуть, в результаті зворотних схрещувань: BR - озерні жаби з інтрогресіями (беккрос з озерною жабою) і BL - гібриди з рекомбінаціями генетичного матеріалу (беккрос зі ставковою жабою).

Співвідношення між видами і генетичними формами істотно змінюється по зонах (табл. 1). У зоні I (забудована частина Києва) виявлені тільки озерні жаби (R) і озерні жаби з інтрогресіями (BR). У лісопарковій зоні міста (зона II) зустрічаються всі 5 форм, хоч явно домінують форми R і BR. У III-ій зоні, що представляє інтенсивно освоєну людиною територію, знижується різноманітність генетичних форм і домінують озерні жаби. У IV-ій, найбільш віддаленій від Києва зоні, ситуація змінюється кардинально: знову різко зростає частка ставкових жаб, збільшується різноманітність генетичних форм , як і у ІІ зоні.

Озерні жаби з інтрогресіями (BR) були присутні, як і слід було чекати, в популяційних системах R-E-, L-E-R-типу, де постійно відбувається зворотна гібридизація з озерною жабою. Крім того, вони виявлені в популяціях R-типу, де їх частота в середньому становить 14%, а може навіть дійти до 50% (урочище "Кинь Грусть", Київ 1995, 1997 рр.). Гібриди з рекомбінацією генетичного матеріалу ставкової жаби (BL) зустрічаються не тільки в популяційних системах L-E-R-типу, але і в R-Е-типу. Таким чином, генетичні форми беккросної природи BL і BR нагромаджуються в популяційних системах із домінуванням озерної жаби (R-, R-E- і L-E-R- типів).

4.4. Статева структура представників Rana esculenta complex. Співвідношення статей у особин батьківських видів рівноважні, а у гібридів чітко пов'язані з типом системи популяцій. У гібридних популяційних системах R-E- і L-E-R-типу біля 90% гібридів є самцями, а в системах L-E-типу співвідношення статей близько 50% на 50%.

РОЗДІЛ 5. ЗМІНА СТРУКТУРИ ГІБРИДНИХ ПОПУЛЯЦІЙНИХ СИСТЕМ У ЧАСІ

5.1. Зміна складу гібридних популяційних систем Rana esculenta complex. У популяційних системах зелених жаб м. Києва за останні 15-20 років сталися зміни, пов'язані з явним зменшенням частки ставкових жаб і гібридів. Так, популяційна система Новобіличів (рис. 2) із популяції L-типу (в 1982 р.) до 2001 перетворилась на систему L-E-R-типу. У Феофанії (зона II) частка гібридів за останні 16 років зменшилась з 84,5 ± 7,0% до 26,0 ± 6,8%. У протилежність міським популяційним системам у віддалених від Києва регіонах, де сукцесіонні процеси протікають без явного втручання людини (занедбані господарства), має місце зворотна тенденція. Так в 1986 р. у ставках Немешаєвського радгосптехнікуму зафіксовано тільки 4,5 ± 2,6% гібридів, а в 2001 р. у занедбаних ставках їх стало вже 20,5 ± 6,0%, причому навіть з'явилися ставкові жаби (6,8 ± 3,8%).

5.2. Динаміка частоти зустрічальності беккросів. Аналіз динаміки частоти зустрічальності озерних жаб з інтрогресіями (BR форма) у київських популяційних системах (Феофанії, Новобіличів, Теремків, Труханова о-ва, урочища "Кинь Грусть") протягом 10 років (1991-2001 рр., 3-4 покоління) показав їх стабільність, причому, на фоні явних змін складу популяцій. Рівне представлення особин форми BR серед сьогорічок і дорослих особин також доводить відсутність направленої елімінації особин озерних жаб із чужорідним генетичним матеріалом.

РОЗДІЛ 6. МОРФОЛОГІЧНІ ОЗНАКИ ЗЕЛЕНИХ ЖАБ RANA ESCULENTA COMPLEX

6.1. Морфометрічні показники. 6.1.1. Мінливість. Унаслідок статистичного аналізу ознак голови і задніх кінцівок установлено, що 5 генетичних форм зелених жаб найсильніше відрізняються за індексами задніх кінцівок, пов'язаними з відносними розмірами п'яткового бугра. Середні значення найбільш надійних діагностичних індексів приведені в табл. 2. За комплексом ознак гібриди займають проміжне положення між батьківськими видами, як і вважають більшість дослідників (Бергер, 1976; Боркин, Тихенко, 1979; Цауне, 1987; Лада, 1993 та ін.), хоч усе ж гібриди виявляються найближчими до ставкової жаби (рис. 3) ніж до озерної, що свідчить про домінування фенотипу ставкової жаби над озерною.

6.1.2. Результати діагностики різних форм зелених жаб. Порівнюючи результати, отримані за допомогою дискримінантного і факторного аналізів, можна зазначити, що на рівні морфометричних ознак найбільш чітко ідентифікуються тільки три основні форми (L; F1+BL; R+BR) (рис. 3). Були уточнені межі мінливості індексів для кожної з груп зелених жаб (для більшості особин): Ix - Rana lessonae < 21 < гібрид < 32 < R. ridibunda; D.p./C.i. - R. lessonae < 1,8 < гібрид < 2,3 < R. ridibunda; T./C.i. - R. lessonae < 6,7 < гібрид < 8,3 < R. ridibunda.

За всіма проаналізованими показниками голови ідентифікується близько 70% особин п'яти генетичних форм. При аналізі тільки трьох основних форм надійність визначення зростає до 81%. За індексами задніх кінцівок міра дискримінації істотно вища і доходить до 85% (для 3 основних форм до 98,5%). Причому основний внесок у діагностику вносять індекси: Ix, D.p./C.i., Т./C.i., L./Т., Т./IVD., Т./C.s., Lt.c./S.n. При цьому за одиничними індексами при ідентифікації 5 форм можна досягнути 80,2% (Т./C.i.). Найбільшу достовірність має діагностика ставкової жаби (90 - 98% правильно ідентифікованих особин для показників голови та кінцівок), меншу - озерної (83 - 87%) і гібридів-алодіплоїдів (49 - 94%) (табл. 3).

6.2. Показники забарвлення та рисунка тіла. 6.2.1. Мінливість. Аналіз розподілу основних варіантів забарвлення тіла (табл. 4) виявив достовірні відмінності між видами. При цьому гібриди (F1) за якісними ознаками більше є схожими на озерних жаб, а за кількісними ознаками на ставкових. Озерні жаби з інтрогресіями (BR) відрізняються від номінативних (R) за частотою зустрічальності рідкісних морфотипів: серед них менше особин із коричневим фоном тіла, деформованою дорсальною смугою і меншою кількістю смуг на стегні. Беккроси зі ставковою жабою (BL) відрізняються від гібридів (F1) по середньому числу смуг на стегні, гомілці та задніх кінцівках загалом.

6.2.2. Діагностика. Особливе діагностичне значення має число та характер смуг на передніх кінцівках. Так, у більшості особин ставкової жаби на передніх кінцівках є дві основні смуги, розташовані поздовжньо, тоді як у гібридів і особин озерної жаби є три смуги і більше, розташовані в основному перпендикулярно (Некрасова, 2002). Дискримінантний аналіз, проведений за комплексом морфотипічних ознак показав, що рівень визначення окремих особин за цими ознаками трохи вище ніж за ознаками голови: біля 70,7% для 5 форм (табл. 3) і 81,2% для 3 основних форм.

6.3. Морфологічні аномалії. У жаб у Придніпров'ї виявлено 3 основні типи морфологічних аномалій: аномалії кінцівок (біля 2,2 ± 0,4% проаналізованих жаб), внутрішніх органів, передусім, органів розмноження (1,3 ± 0,3%) і органів зору (0,3 ± 0,2%). Крім того, відмічений одиничний випадок аномально блакитного фонового кольору спини у озерної жаби з Києва. Аномалії розвитку кінцівок можна розділити на три групи: збільшення числа пальців (полідактилія 1,3 ± 0,3%), зменшення числа пальців (олігодактилія 0,84 ± 0,3%) і поява додаткових кінцівок (полімелія). Випадок полімелії виявлений тільки у водоймищі урочища "Кинь Грусть" у м. Києві, де в 2001 р. біля 35,0 ± 6,0% з 65 досліджених озерних жаб (від 27 по 31 стадії по П. В. Терентьеву, 1950) мали додаткові задні кінцівки, число яких доходило до 7.

У табл. 5 представлено сумарні частоти аномалій для 3 основних груп зелених жаб по зонам. Звертає на себе увагу той факт, що у гібридів аномалії зустрічаються значно частіше, причому достовірні відмінності гібридної форми від батьківських видів спостерігаються в IV зоні. Отже, подібні аномалії гібридів, можливо, пов'язані з їх морфогенетичними особливостями.

Типи аномалій у зелених жаб виявляються диференційовано відносно зон і відносно генетичних форм (табл. 6). Передусім, це достовірне збільшення числа аномалій розвитку гонад у гібридів-алодіплоїдів, пов'язане як з антропічними чинниками, так й з їх морфогенетичними особливостями (розташування та будова органів зору). Першу обставину потрібно вважати природною для гібридів, оскільки вона зумовлена виявом гібридного дісгенезу на морфофізіологічному рівні організації. Крім того, очевидні достовірні відмінності в частоті зустрічальності олігодактілії в озерних і ставкових жаб, при цьому гібриди займають проміжне положення. Симптоматично, що різні випадки аномалій пальців виявляють себе диференційовано у різних форм жаб. Так, у гібридів і беккросів озерних жаб зустрічалась тільки олігодактилія, а у ставкових жаб навпаки - полідактилія. Обставина підтверджує генетичну основу появи типу фенодевіації, а також, можливо, специфіку біотопу. Потрібно підкреслити, що озерні жаби з інтрогресіями (BR), незважаючи на незвичайну генетичну структуру, не мають збільшення числа порушень соматичних органів у порівнянні з батьківськими видами.

РОЗДІЛ 7. ОСОБЛИВОСТІ ГІБРИДНИХ ПОПУЛЯЦІЙ ЗЕЛЕНИХ ЖАБ УРБАНІЗОВАНИХ ТЕРИТОРІЙ СЕРЕДНЬОГО ПРИДНІПРОВ'Я

7.1. Особливості структури гібридних популяційних систем. Усі варіанти виявлених гібридних популяційних систем Середнього Придніпров'я (R-, R-E-, L-E-R-, L-E-, L- типи) характерні для гібридних зон зелених жаб (Морозов-Леонов, 1998) і відображають біотопічні і, якоюсь мірою, історичні особливості регіону, що досліджується. Заслуговує на увагу факт відсутності популяцій, що складаються з гібридів (Е-тип), і надзвичайна рідкість популяцій, де вони становлять велику частину особин, як це, наприклад, відмічається повсюдно у Панонській низовині (Gьnther, 1974, l975; Knudsen, Scheel, 1975; Uzzell, Berger, 1975; Hemmer, 1977; Graf, Pelaz, 1989). Принциповою відмінністю гібридних популяцій Придніпров'я від інших вивчених регіонів потрібно вважати порушення премейотичної рекомбінації у гібридів, внаслідок яких утворюються проміжні генетичні форми між гібридами-алодіплоїдами і батьківськими видами - форми BR і BL.

Підкреслюється альтернативність популяційних систем, які можуть бути згруповані в 2 групи, виходячи з трьох основних критеріїв: потенційної стійкості у часі; біотопічної спеціалізації; особливостей генетичної структури гібридів. До нестабільних популяційних систем відносяться популяції з домінуванням озерних жаб (R-E-, L-E-R-типів). Це популяції зон із сильним антропогенним впливом, в них практично зустрічаються тільки гібриди-самці і генетичні форми з рекомбінацією генетичного матеріалу (форми BR і BL). До стабільного типу популяційних систем належить - L-E-тип, який не тільки внаслідок спрямованості схрещувань більш стійкий у часі, але і характеризується тяжінням до незайманого людиною ландшафту. У системах популяцій цього типу гібриди в однаковій мірі представлені самками та самцями.

7.2. Морфологічні особливості популяцій зелених жаб Rana esculenta complex різних зон Середнього Придніпров'я. Для популяцій озерних жаб, що мешкають на найбільш урбанізованій території (І зона) специфічними ознаками є індекси кінцівок (достовірно - Ix, L./Т.); фон тіла (в основному зелено-коричневого і зеленого кольору); найчастіше зустрічаються особини з деформованою дорсальною смугою і безсмугасті. Усі вище перераховані ознаки у озерних жаб I зони характеризуються найбільшою мінливістю. Для популяцій міста (I і II зони) характерні найбільші розміри тіла і найбільша кількість дорсальних плям. Але загалом за морфологічними ознаками жаби першої зони найбільш схожі з популяціями третьої зони, а амфібії другої відповідно - із мешканцями четвертої зони.

У гібридів достовірних відмінностей за вище перерахованими ознаками між популяціями жаб різних зон не виявлено, крім довжини тіла (у віддалених популяціях самці менше), кількості смуг на стегні і задніх кінцівках. А в іншому популяції другої більше схожі на популяційні системи четвертої зон.

Ставкові жаби буферної зони Києва (урбоценозів, II) значно відрізняються від жаб з віддалених популяцій (агроценозів, IV), які характеризуються найбільшою: кількістю варіантів забарвлення, дорсальних плям, частотою особин із деформованою дорсальною смугою, кількістю смуг на передніх і задніх кінцівках і мінливістю ознак. Також вони відрізняються за індексами: - Ix, D.p./C.i., Т./C.i.

Отже, специфічність умов мешкання амфібій у місті, антропічне навантаження - усе це відклало відбиток не тільки на загальнобіологічні, але й на генетичні та морфологічні особливості жаб і їх мінливість.

РЕКОМЕНДАЦІЇ

Для охорони амфібій та покращення навколишнього середовища потрібно: враховувати можливість мешкання на урбанізованих територіях різних видів тварин; проводити контроль за видовим складом і чисельністю земноводних не тільки для охорони амфібій, але й для біоіндикації навколишнього середовища; найбільш рідкісні види повинні вивчатися прижиттєвими методами (див. Розділ 2).

ВИСНОВКИ

жаба зелений аномалія морфологічний

1.На території Середнього Придніпров'я виявлено 5 генетичних форм зелених жаб: батьківські види (форми R і L), гібриди-алодіплоїди (форма F1), а також можливо беккроси озерної жаби з інтрогресіями генетичного матеріалу від ставкової (форма BR) і гібриди з рекомбінацією генетичного матеріалу (форма BL).

2.У регіоні виявлено п'ять типів популяційних систем. Крім популяцій батьківських видів (популяції R- і L-типу), виявлено 3 типи гібридних популяційних систем (R-E, L-E-R і L-E-типу). Були відсутні популяції, що повністю складаються з гібридів (Е-тип), а також змішані популяційні системи батьківських видів без гібридів (R-L-тип).

3.Гібридні популяційні системи зелених жаб за своєю біотопічною спеціалізацією та структурою гібридів можуть бути розділені на два альтернативних типи: на стабільні (L-E) і нестабільні (R-E-, L-E-R-типу).

4.Встановлено чітку залежність типу популяційної системи від ступеня антропічного впливу. У забудованій частині Києва мешкають тільки популяції озерної жаби, у лісопарковій зоні Києві вже п'ять типів популяційних систем із домінуванням R- і R-E-типу, а у віддалених від Києва ландшафтах явно домінують системи - L- і L-E-типу.

5.Співвідношення статей у гібридів чітко залежить від структури і складу гібридних систем популяцій. В гібридних популяційних системах R-E- і L-E-R-типу домінують самці (до 90%); а в гібридних системах L-E-типу співвідношення статей таке саме, як і у батьківських видів (50:50%).

6.В умовах антропогенного пресу з популяційних систем елімінуються ставкові жаби та гібриди, які заміняються озерними жабами. У віддалених від Києва місцезнаходженнях по мірі зняття антропогенного пресу при природному ході сукцесії спостерігається протилежна картина.

7.При діагностиці зелених жаб найбільше значення мають ознаки задніх кінцівок, що дозволяють правильно визначити до 85% особин 5 генетичних форм; істотно нижчою є розрізнювальна здатність ознак голови - до 70% і морфотипів забарвлення - до 71%.

8.Озерні жаби з інтрогресіями мають ряд морфометричних ознак, які достовірно відрізняють їх від номінативних форм і дозволяють визначити до 33% особин. Ці відмінності не відповідають адитивному успадкуванню, можливо, внаслідок порушення генетичного гомеостазу у жаб-інтрогресантів.

9.Порушення генетичного гомеостазу гібридних популяційних систем зелених жаб знаходить відображення в появі великого числа морфологічних аномалій: будови кінцівок, внутрішніх органів і органів зору. Характер і частота аномалій виявляється диференційовано по відношенню до зон антропогенного впливу і до генетичних форм жаб.

10.Тип популяційних систем, їх склад, особливості морфологічної структури, співвідношення статей у гібридів є індикаторами популяційно-генетичного гомеостазу і можуть мати цінність при прогнозуванні, відображаючи тенденції їх майбутніх змін.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Некрасова О.Д., Морозов-Леонов С.Ю. Диагностика лягушек комплекса Rana esculenta (Amphibia, Ranidae) гибридных популяций Приднепровья // Вестник зоологии. - 2001. - Т. 35, №5. - С. 47-52.

Межжерин С.В., Морозов-Леонов С.Ю., Некрасова О.Д. Адаптивная нейтральность аберрантных электроморф в гибридных популяциях зеленых лягушек Rana esculenta complex (Amphibia, Ranidae) // Доповіді НАН України. - 2001. - №12. - С. 138-141.

Некрасова О.Д. Межвидовая изменчивость и полиморфизм окраски зеленых лягушек Rana esculenta complex (Amphibia, Ranidae) гибридных популяций // Вестник зоологии. - 2002. - Т.36, №4. - С. 47-54.

Некрасова О.Д. Некоторые экологические аспекты герпетофауны урбанизированных территорий и ее охрана // Материалы науч-пр. конференции "Экология гор. и рекреац. зон". - Одесса. - 1998. - С. 83-86.

Некрасова О.Д. Использование некоторых биологических особенностей популяций земноводных для биоиндикации в антропогенных зонах // Вопросы биоиндикации и экологии. - Запорожье. - 1999. - С. 153-157.

Некрасова О.Д. Амфибии урбанизированных территорий // Фальцфейновські читання. - Херсон. - 1999. - С. 219-221.

Некрасова О.Д. Некоторые особенности распределения батрахофауны Киева // Фальцфейновські читання. - Херсон. - 2000. - С. 136-138.

Некрасова О.Д. Мониторинговые исследования на различных уровнях организации биосистем // Моделирование и управление состоянием эколого-экономических систем региона. - Киев. - 1999. - С. 36-39.

Некрасова О.Д. Некоторые особенности роста и развития амфибий антропогенных зон // Збереження бiорізноманiтностi в Українi. - Київ. - 1997. - С. 44-45.

Некрасова О.Д. Проблемы сохранения видового разнообразия герпетокомплексов урболандшафтов // Актуальные вопросы биоразнообразия. Животные в антропогенном ландшафте. - Львов. - 1999. - С. 40-45.

Некрасова О.Д. Биотические компоненты урболандшафтов (на примере герпетокомплексов) // Ландшафт - основа науки. - Винница. - 2000. - С. 153-156.

Некрасова О.Д. Редкий цветовой вариант озерной лягушки Rana ridibunda (Amphibia, Ranidae), найденный в окрестностях Киева // Вестник зоологии. - 2002. - Т.36, №3. - С. 80.

АНОТАЦІЇ

Некрасова О.Д. Структура популяцій і гібридизація зелених жаб Rana esculentа complex урбанізованих територій Середнього Придніпров'я. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.08 - зоологія. Інститут зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, Київ, 2002.

За допомогою біохімічного генного маркірування зелених жаб і перевизначення музейних колекцій отримано дані з просторової структури і її динаміки за 15-20 річний період популяційних систем гибридизирующих видів Rana esculentа complex у масштабі Середнього Придніпров'я з урахуванням різного ступеню антропогенного навантаження. Дається докладний опис екстер'єрних ознак 5 генетичних форм зелених жаб, розроблено алгоритми їх діагностики за групами ознак. Детально досліджено морфологічні аномалії у жаб різних генетичних форм і їх прояв у зонах із різним ступеням антропогенного пресингу. Дана робота містить ряд нових фактів, важливих для розробки концепцій гібридогенного видоутворення, теорій генетичної нестабільності і популяційного гомеостазу.

Ключові слова: комплекс Rana esculenta, гібридизація, генні маркери, морфологія, популяційно-генетичний гомеостаз, діагностика.

Некрасова О.Д. Структура популяций и гибридизация зеленых лягушек Rana esculentа complex урбанизированных территорий Среднего Приднепровья. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.08 - зоология. - Институт зоологии им. И.И. Шмальгаузена НАН Украины, Киев, 2002.

Путем биохимического генного маркирования зеленых лягушек комплекса Rana esculentа и переопределения музейных коллекций получены данные по пространственной структуре гибридных популяций в масштабе Среднего Приднепровья и ее динамике за 15-20 летний период на территориях с разной степенью урбанизации. Установлено наличие 5 генетических форм зеленых лягушек: 2 родительских вида, гибрид-аллодиплоид, и 2 типа рекомбинантов (бэккросс прудовой лягушки и бэккросс озерной лягушки). Выявлена зависимость пространственного распределения генетических форм зеленых лягушек от степени урбанизации территории, биотопов и географического размещения. Доказана альтернативность популяций R, RE, REL-типов, с одной стороны, и L, LE-типов - с другой, в их отношении к антропогенному прессу, устойчивости во времени, половой структуре гибридов и наличию особей с генетической рекомбинацией.

Дается подробное описание экстерьерных признаков 5 генетических форм зеленых лягушек, разработаны алгоритмы диагностики. Установлено, что по морфологическим признакам точно могут быть определены только родительские виды Rana ridibunda, R. lessonae и гибриды. Строгая диагностика зеленых лягушек требует учета не только морфометрических признаков (прежде всего индексов: Ix, T./C.i., D.p./C.i.), но и формы пяточного бугра и основных типов рисунка и окраски тела. Выявлены морфологические особенности зеленых лягушек урбанизированных территорий. Детально исследованы морфологические аномалии у лягушек разных генетических форм и их проявление в зонах с разной степенью антропогенного пресса.

Данная работа содержит ряд новых фактов, важных для разработки концепций гибридогенного видообразования, теорий генетической нестабильности и популяционного гомеостаза. Некоторые морфологические признаки могут быть использованы для биоиндикации и мониторинговых исследований. Даны рекомендации по защите и охране земноводных урболандшафтов.

Ключевые слова: комплекс Rana esculenta, гибридизация, генные маркеры, морфология, популяционно-генетический гомеостаз, диагностика.

Nekrasova O.D. Population structure and hybridization of green frogs of the Rana esculenta complex from urban territories of Middle Dnieper basin. - Manuscript.

Thesis for submitting to the degree of Candidate of Biological Scienses. Speciality: 03.00.02. - Zoology. - Schmalhausen Institute of Zoology, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

Data on spatial structure of hybridizing species communities in areas under different level of anthropogenic pressure and on structure dynamics of green frogs of the Rana esculenta complex from Middle Dnieper basin for last 15-20 years on the basis of biochemical gene marking and redefinition of museum collections have been obtained. Exterior features of 5 genetic forms of green frogs are described in detail and algorithms of diagnostics for these forms have been worked out. Morphological anomalies in frogs from different genetic forms and their expression in areas under different level of anthropogenic pressure are investigated in detail. The work contains facts, which are of importance for working out of concepts of hybridogenous speciation, theories of genetic instability and population homeostasis.

Key words: Rana esculenta complex, hybridization, gene markers, morphology, population and genetic homeostasis, diagnostics.

Размещено на Allbest.ru