Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1.Систематическое положение, строение и динамика численности черноморской мидии 9
1.2 Размножение черноморской мидии 12
1.3 Питание черноморской мидии 17
1.4. Лимитирующие факторы роста и развития черноморской мидии 19
1.5. Культивирование 22
1.6. Внутривидовая структура и её динамика с позиций экологической генетики 27
1.7. Методы анализа внутрипопуляционной изменчивости 31
2. Материалы и методы исследования. 40
2.1. Характеристика материала и методы его описания 40
2.2. Статистические методы исследований 42
3. Анализ фенотипической изменчивости раковины черноморской мидии и ее связь с условиями среды 50
3.1. Сравнительная характеристика местообитаний мидии по комплексу средовых характеристик 50
3.2. Изменчивость мидий из различных местообитаний по значениям размерных характеристик и их индексов 54
4. Методика морфометрического описания черноморской мидии, адекватная популяционно-генетическим и эколого-генетическим исследованиям 74
4.1. Морфология раковины черноморской мидии 75
4.2. Схема промеров створок раковины черноморской мидии 76
4.3. Апробация методики морфологического описания мидии 79
4.4. Морфотип мидии в экологическом мониторинге черноморского побережья 87
5. Изучение генетического полиморфизма черноморской мидии из различных местообитаний восточной части Черного моря как основа ее селекции 92
Выводы 114
- Размножение черноморской мидии
- Внутривидовая структура и её динамика с позиций экологической генетики
- Изменчивость мидий из различных местообитаний по значениям размерных характеристик и их индексов
- Схема промеров створок раковины черноморской мидии
Введение к работе
Актуальность темы. Динамика численности естественных популяций черноморской мидии (Mytilus galloprovincialis) в восточной части Черного моря в последнее время такова, что мероприятия по ее восстановлению становятся безотлагательными.
Научную основу таких мероприятий, включающих искусственное воспроизводство и культивирование мидии, могут составить только данные о генетическом разнообразии внутри ее естественных популяций. Имеется в виду не генетическая структура, традиционно характеризуемая частотой отдельных генов (аллелей) и частотой генотипов, а генетический полиморфизм - сосуществование в популяции нескольких генетически и морфофизиологически различных групп особей с разной адаптивностью. В условиях конкретных местообитаний генетический полиморфизм формируется естественным отбором и им же поддерживается. При искусственном воспроизведении сохранность элементов этой популяционной структуры - морф должна обеспечиваться дифференцированным воспроизводством.
Разработка технологии искусственного воспроизводства мидии предполагает достаточно широкий круг генетико-селекционных исследований. Опыт работы с другими объектами аквакультуры свидетельствует о необходимости, и даже безотлагательности селекционных мероприятий во избежание резкого обеднения генофонда культивируемых популяций. Изучение генетической структуры природных популяций как исходного материала для селекции становится, таким образом, крайне существенной частью общей задачи.
В последние два-три десятилетия в оценке генетической гетерогенности популяций наиболее популярными стали методы биохимической генетики, основанные на электрофоретическом исследовании белков как первичных продуктов генной активности. Точность этих методов
5 определяется именно близостью изучаемых признаков к гену. Однако совершенно очевидно, что чем ближе к конкретному гену, тем дальше от системы генотипа в целом, которая и определяет адаптивную ценность особей в популяции. Неудивительно, поэтому, что биохимическая генетика относительно мало способствовала выявлению генетически обусловленной гетерогенности популяций по приспособленности. А именно эта гетерогенность более всего интересна как в микроэволюционном, так и в селекционном аспектах. Действительно, когда среда обитания практически неконтролируема, нет смысла отбирать и воспроизводить те генотипические варианты популяции, которые в условиях конкретных местообитаний не поддерживаются естественным отбором.
Цель анализа гетерогенности популяций мидии мы видим, таким образом, в выявлении первичных групповых образований, с которыми оперирует естественный, и должен оперировать искусственный отбор.
В популяционной биологии растений такие групповые образования удачно названы экоэлементами (Синская Е.Н., 1948). В популяционной биологии животных чаще говорят о генетически различных морфах ( Huxley J, 1955), а о самой гетерогенности, как о генетическом полиморфизме.
В основу выделения морф в пределах популяций мидии нами положен фундаментальный тезис ^Ї.И. Шмальгаузена (1968), в соответствии с которым генотип полностью детерминирует определенные пути - "каналы" развития, что выражается в конечном числе схем роста, различимых по средним значениям признаков и системе их корреляций. На поиск внутрипопуляционных групп, удовлетворяющих обоим этим критериям, и было направлено исследование естественных популяций из различных местообитаний восточной части Черного моря.
Сложность задачи состоит в необходимости распознавания генетически различных групп на основе анализа только фенотипической изменчивости. В настоящей работе выбран подход к ее решению, основываемый на двух положениях: первое - селекция эффективна, если все условно выделяемые
этапы целостного селекционного процесса, т.е. оценка исходного материала, выбор метода отбора и распознавание селекционно-ценных генотипов, построены на едином генетическом принципе; второе - таким принципом может стать системный анализ изменчивости.
Термин «системный анализ» используется здесь в его, так сказать, «первородном» смысле как научная методология, построенная на представлении изучаемых объектов в качестве систем и исследовании этих систем. Системой является в данном случае «морфотип особи» как комплекс коррелированных морфологических признаков, а адекватным методом исследования изменчивости морфотипа - многомерный статистический анализ.
Цель и задачи исследования. В рамках системного анализа изменчивости комплекса морфометрических характеристик раковины черноморской мидии разработать методы выявления и оценки генетической гетерогенности мидий из различных местообитаний, адекватных популяционно-генетическим исследованиям.
На пути ее достижения решались следующие задачи:
- характеризовать местообитания черноморской мидии по комплексу
параметров среды;
изучить изменчивость мидий из различных местообитаний по значениям размерных характеристик и их индексам;
разработать схему промеров раковины черноморской мидии, обеспечивающей репрезентативность характеристики фенотипа;
оценить эффективность предложенной методики морфометрического описания раковины черноморской мидии, в оценке гетерогенности популяций;
оценка перспектив использования морфотипа мидии в экологическом мониторинге черноморского побережья;
оценка гетерогенности популяций черноморской мидии из различных местообитаний на основе системного анализа изменчивости морфотипа;
- доказательство генетической природы выявленного полиморфизма
популяций.
Научная новизна. Предложена новая оригинальная схема
морфометрического описания раковины черноморской мидии, обеспечивающая репрезентативность характеристики фенотипа и отвечающая задачам эколого-генетического исследования популяций.
Показана адекватность системного морфометрического анализа задачам изучения генетической гетерогенности популяций мидии.
Определен биологический статус элементов внутрипопуляционной структуры — морф, существование которых отражает поддерживаемый отбором полиморфизм.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
разработан и апробирован алгоритм, позволяющий использовать комплекс морфометрических промеров раковины черноморской мидии для экологического мониторинга черноморского побережья;
предложен эффективный метод выявления структуры популяций мидий, элементами которой являются генотипически различные морфы, обладающие разной адаптивностью. Метод реализуется с использованием кластерного, дискриминантного, корреляционного и дисперсионного анализов изменчивости комплекса морфометрических признаков;
Положения, выносимые на защиту:
Вскрыта зависимость морфотипа мидий от комплекса экологических параметров, характеризующих условия среды в конкретном местообитании.
Системный морфометрический анализ является адекватным и достаточным инструментом генетического изучения популяций черноморской мидии, обеспечивающим вскрытие уровня их генетической гетерогенности.
8 3. Выявляемая методами системного морфометрического анализа структура популяций представляет собой генетический полиморфизм, элементы которого - морфы различаются средними значениями признаков, их корреляционной структуры и отражают генетическую гетерогенность популяции по приспособленности к условиям обитания.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на XIV-XVI конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны природных экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2001-2003 гг.); Региональной конференции «Современные проблемы экологии» (Краснодарский край, Апшеронский район, 19-25 мая 2002 г.).
Публикации. В период 2001 — 2003 гг. по материалам диссертации было сделано 6 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, трёх глав, излагающих основные результаты работы, выводов, практических рекомендаций и приложений.
Работа представлена на 130 страницах текста, содержит 26 таблиц, 21 рисунок (с приложениями).
Список цитированной литературы содержит 121 наименование, из которых 18 на иностранных языках.
Размножение черноморской мидии
Мидии - раздельнополые моллюски. Наступление половой зрелости зависит от возраста, физиологического состояния, географического и экологического ареалов обитания, комплекса абиотических и биотических факторов. Половозрелыми мидии становятся главным образом в раннем возрасте (Seed R., 1975). Мидии, выращиваемые на коллекторах в юго-восточной части Крымского побережья Черного моря, достигают половой зрелости при длине створок 2,0 - 2,5 см на первых шести месяцах жизни. Установлено, что у самцов М. galloprovincialis в возрасте 100-110 суток, уже имеются сформированные половые железы, локализованные на мантийных выстилках раковин. В мужских ацинусах завершен цикл образования спермиев. Ацинусы яичников содержат по 4 - 6 вителлогенных ооцитов, и есть все основания считать, что М. galloprovincialis, осевшие на коллекторы весной, осенью этого же года способны размножаться в возрасте 100 - ПО суток после оседания на субстрат (Кудинский О.Ю., Мартынова Н.В., Столетова Т.В., 1985). Пол у мидий можно различить по цвету гонад в период их половой зрелости. Зрелые гонады самцов мидии М. galloprovincialis и М. edulis кремового цвета, у самок - оранжево-красного (Марковская Е.Б., 1952). Плодовитость мидии М. galloprovincialis с длиной створок 50,0 - 59,9 мм в северо-западной части Черного моря составила 288 -348 тыс. яйцеклеток (Кудинский О.Ю., Мартынова Н.В., Столетова Т.В., 1985). В репродуктивном цикле мидии можно выделить ряд стадий: преднерестовую, нерест, посленерестовую, роста и созревания (Гинзбург А.С, 1974; Айзенштадт Т.Б., 1977).
Время наступления и продолжительность каждой стадии зависит главным образом от температурных условий среды (Lubet P. et al., 1981). Пик массового нереста мидий М. galloprovincialis юго-восточной части крымского побережья Черного моря отмечен в декабре -январе, а менее значителен он - в мае - июне (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990). Каждая стадия является продолжением предыдущей, и поэтому стадии перекрываются. Оплодотворение наружное. Половые продукты попадают в мантийную полость, а затем током воды выводятся наружу, во внешнюю среду, где и происходит оплодотворение. Сперматозоид примитивного строения, состоит из конусовидной головки и хвостика. Оплодотворенное яйцо делится неравномерно, тип дробления - спиральный. Образующаяся в процессе эмбрионального развития личинка мидии подобна плавающим планктонообразным личинкам двухстворчатых моллюсков. Личиночное развитие проходит в несколько стадий: трохофора, велигер (парусник), великонхи, спат (прикрепившаяся к субстрату личинка). По мере развития у личинки образуются новые органы, свойственные стадиям развития. У личинки на ранних стадиях образуется равномерный ресничный покров, затем он дифференцируется: в верхнем полушарии личинки реснички становятся длиннее, а в нижнем частично исчезают и к 24 - 26 часам развития на спинной полосе образуется теменной хохолочек или султанчик. Такая личинка называется трохофорой. К 40 - 48 часам на спинной стороне появляется выпячивание эктодермы - раковинная железа. Через 2-3 часа на поверхности железы можно обнаружить тонкую пленку раковины. На этом этапе личинку называют продиссоконх (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990). К концу 72 часов развития тело личинки сплющивается, и на его переднем конце формируется плавательный орган - парус (velum) имеющий форму диска, покрытого ресничками (Дроздов А.Л., Заварзина Е.Г., Куликова В.А., 1983). Образуется личинка велигер или парусник. Личинка-велигер черноморской мидии прозрачна и бесцветна. Поверхность раковины тонкозернистая или ячеистая. Раковина полукруглая, равностворчатая и равносторонняя с прямым замковым краем, имеющим зачатки зубов (по 3-4 зубика с каждой стороны створок).- По мере развития (14-25 суток), личинка-велигер переходит на стадию великонха, на которой происходит ее дальнейший рост и дифференциация мягких частей тела (появляются пигментные пятна, глаза, задний аддуктор, нога, закладываются ганглии). Раковина приобретает новые формы, появляется новый участок раковины (продиссоконх II). Замковый край становится вогнутым, образуется макушка.
Длина раковины личинки- великонхи М. galloprovincialis достигает 250 - 300 мкм. Раковина становится овально-треугольной, концентрические линии роста широкие и глубокие, равномерно расположенные. Раковина однородного желтого цвета, иногда края ее окрашены, а середина остается бесцветной. Замок хорошо развит и состоит из 7 - 8 крупных прямоугольных зубчиков (впереди и сзади) и 11 - 13 мелких зубчиков (посередине). Хорошо развитая нога наблюдается у личинок длиной свыше 250 мкм. Задний мускул-замыкатель появляется у личинок длиной 307 мкм, а жаберные петли - у личинок длиной 278 мкм (Захваткина К.А., 1972). У великонха (длина 250 - 350 мкм) перед оседанием на субстрат размеры ноги резко увеличиваются, в вытянутом положении она в 3 - 4 раза превышает длину самой личинки. Данная стадия называется педивелигер. Педивелигер прекрасно плавает и ползает, используя при выборе подходящего субстрата для оседания ногу (Дроздов А.Л., Заварзина Е.Г., Куликова В.А., 1983). В состоянии «поиска» педивелигер может находиться до одной недели, пока не закрепится биссусными нитями. При неблагоприятных условиях существования личинка-педивелигер способна вновь открепится от субстрата и какой-то период времени вести плавающий (поисковый) образ жизни. Через 1,5 - 2,0 месяца от начала своего развития, личинка приступает к оседанию. По данным Киселевой Г.А. (1972) количество личинок в поверхностном слое может достигать 67 тыс./м3, но обычно их меньше даже во время пика нереста - 236-320 экз./м3. Отдельные личинки встречаются круглый год, так как нерест всей популяции непрерывный, с осенними и весенними пиками.
Во время шторма в планктоне появляются сформировавшиеся мидии размером 400-600 мкм., сорванные с субстрата. Спат - это окончательно осевшая на субстрат личинка. На этой стадии утрачивается парус и проявляется жизнедеятельность биссусной железы. Нога занимает место паруса. Форма и цвет раковины меняется. Начинается интенсивный рост заднего края раковины, что приводит к смещению вершины и замкового края к переднему краю раковины. Цвет раковины становится более темным. На стадии спата молодь мидий переходит к взрослому образу жизни, хотя наблюдаются случаи обрыва биссусных нитей у особей до 2 см и перемещение моллюсков на более подходящее для их жизни субстраты (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990). В северо-западной части Черного моря пик нереста наблюдается с 10 мая по 15 июня, а осенью - в сентябре - ноябре. На кавказском побережье пик нереста в конце февраля марта, осенью приходится на август — сентябрь (Иванов А.И., 1965). Длительность планктонной стадии 7-14 суток, но личинка может плавать несколько месяцев, после чего погибает, выживаемость до взрослой стадии - менее 0,01%. Главная конкуренция - за место прикрепления. Для массового оседания на субстрат необходима бактериально-водорослевая пленка, которая в три раза ускоряет метаморфоз личинок. При оседании личинки предпочитают нитчатые и шероховатые поверхности. Максимум оседания личинок происходит в апреле - начале мая. Оптимальная плотность оседания - не более 50 экз./см . При высокой плотности оседания, при температуре воды более 20С, при солености менее 16%о начинается процесс опадания с субстрата (элиминация), который может достигнуть 40% и более (Боровинский П.Г., 1987). Мидия активно растет (при оседании весной) до октября, достигая 28-30 мм (в среднем 17-22 мм), с октября по март вырастает еще на 10%, а с апреля по июль - на 30%. Максимальный весовой прирост наблюдается на второе лето. Размеров 40-50 мм мидии достигают при весеннем оседании — за 12 месяцев, при осеннем - за 15 месяцев. Для черноморских хозяйств период выращивания составляет 18 месяцев. Интенсивный рост идет в верхних слоях воды на глубине 4-6 метров. Оптимальная температура для роста мидий 14-20С, для личинок 17-20С, при температуре воды ниже 5С рост мидий прекращается.
Внутривидовая структура и её динамика с позиций экологической генетики
Изучение эколого-генетической структуры вида является важнейшей предпосылкой как раскрытия микроэволюционных процессов в природных популяциях, так и создания новых сортов растений и пород животных. Экологическая генетика - специальный раздел биологии направленный на изучение генетических процессов происходящих в популяциях под действием экологических факторов. Наибольший прогресс в данном направлении достигнут в исследованиях на ботанических объектах. Обобщение итогов исследований, было сделано в монографиях Е.Н. Синской (1948) и А. А. Жученко (1980,1988). Основной тезис, обоснованный авторами, состоит в следующем: каждый вид является сложной полиморфной, т. е. генотипически разнородной системой. Избирательное действие внешней среды играет ведущую роль в его дифференциации. Одним из элементов этой системы является «экотип»- наследственно закреплённая форма, наблюдающаяся в специфических экологических условиях (T.Turesson 1922; цит. по Синской Е.Н., 1961; стр.3). Особи разных экотипов отличаются, как правило, по комплексу морфологических и физиологических признаков, большая часть которых является адаптивными модификациями. По мнению Т.Турессона, условия местообитания, действуя как факторы естественного отбора, играют роль «сита», сохраняя лишь формы, которые способны успешно конкурировать. В частности, F.E.Warburton ((1954) цит. по А.А. Жученко 1980) указывал, что адаптивные модификации вегетативных органов растений играют исключительно важную роль в формировании экотипа. Однако при дифференциации видов на различные экотипы наблюдаются более глубокие изменения, чем только морфологические модификации.
По мнению А. А. Жученко(1980) последние сопровождаются и целым рядом цитогенетических изменений. Адаптация организмов находится под сильным давлением отбора, и независимо от характера генетического контроля признаков адаптивности, популяция может быстро приспосабливаться к изменяющимся условиям. Экотип также имеет сложную генетическую структуру, которая выражена в виде существования в его пределах нескольких популяций. По мнению Е.Н. Синской (1961), генетически неоднородна и популяция. В её составе выявляются группы генетически различных особей — «экоэлементы», обладающие разной адаптивностью в конкретных условиях среды. Они отражают приспособленность популяции к изменяющимся условиям и страхуют её выживание при распространении за пределы первоначального ареала вида или при изменении условий. Экологическое приспособление популяции выражается как свойствами каждого «экоэлемента», так и количественным соотношением экоэлементов или количественным преобладанием одного из них. Е.Н. Синская (1961) определяет понятие «экоэлемент» как группу биотипов в пределах экотипической популяции, обладающих некоторыми общими приспособительными свойствами, в той или иной степени способных к самовоспроизведению в поколениях, существование и численность которой поддерживаются и регулируются отбором. Группы особей - единиц экоэлемента обладают сходством по комплексу морфологических и физиологических признаков. При этом наблюдаются корреляции между признаками морфотипа и адаптационными характеристиками. Подобные корреляции возникают вследствие того, что естественный отбор действует не на отдельные признаки, а на их комбинации. В работе М.Г. Агаева (1979) установлено, что и в «чистолинейных» сортовых популяциях пшеницы и ячменя выделяются группы особей: -криптоэлементы, «скрытые экоэлементы», различающиеся как по ритму развития, так и по габитусу растений. Было выделено три криптоэлемента: ранний - с полуразвалистым кустом; средний - с развалистым кустом; поздний - с полустелющимся кустом. Пропорции особей каждого экоэлемента по отношению к общему их количеству в экотипической популяции бывают самые различные. Чаще сложные экотипы характеризуются преобладанием того или иного экоэлемента, обладающего лучшей адаптивностью к условиям среды. Таким образом, выстраивается следующий ряд, характеризующий генотипическую структуру вида: «экоэлемент» - «популяция» - «экотип».
Он представляет собой серию усложняющихся этапов группового приспособления организмов. Вопрос о наследовании количественных признаков, в частности, признаков адаптации, на надорганизменном (популяционном) уровне был рассмотрен в работе «Наследуемость на экосистемном уровне» (Goodnight Charles J., 2000). Многочисленные экспериментальные данные подтверждают эффективность отбора на уровне выше индивидуального. Основные механизмы данной реакции на отбор не раскрыты, хотя и высказывается предположение о том, что высокая эффективность группового отбора может быть связана с вкладом в реакцию на отбор не только средних эффектов отдельных генов, но и эпистатических эффектов. Механизм возникновения и поддержания генетической гетерогенности популяций был раскрыт С.С. Четвериковым (1926) в работе «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики». Он доказал, что в природных популяциях происходит непрерывное во времени возникновение новых мутаций, большинство из которых являются рецессивными по отношению к дикому типу. Отсюда следует, что даже в случае отрицательного давления отбора на гомозигот по мутантному аллелю последний надёжно укрыт от действия отбора в гетерозиготе с нормальным аллелем дикого типа. Это означает, что даже «вредная» в гомозиготе рецессивная мутация будет сохранятся в панмиктической популяции в течении ряда поколений. Вследствие этого за внешней фенотипической однородностью популяций скрывается их огромная генетическая гетерогенность.
Благодаря этому популяция приобретает необходимую пластичность, способность к существованию в гетерогенной и постоянно изменяющейся во времени среде обитания. Генетическая гетерогенность популяций позволяет виду использовать не только новые наследственные изменения, возникшие за время жизни одного поколения, но и возникшие и сохранённые за целый ряд предыдущих поколений. В этом смысле гетерогенность популяций является её «мобилизационным резервом», обеспечивающим устойчивость системы во времени (Гершензон СМ., 1941). Более того, сейчас всё больше утверждается мнение, что определённый уровень генетической гетерогенности популяций, отражая общие свойства генотипа и весь комплекс взаимодействий организма со средой, обеспечивает и некоторую оптимальную приспособленность популяции в каждый данный момент времени. По С. С. Четверикову, - природа вмещает в органическом мире необъятный резерв наследственной изменчивости - геновариаций, из которых отбор может свободно черпать всегда, как только возникает необходимость (Цит. по Кайданову Л. 3., стр. 113). В отличии от ботанических исследований, при обсуждении структуры популяций у животных, чаще используют термин «морфа» (Дж. Гексли / J. Huxley, 1955, цит. по Ригер Р., Михаэлис А., 1967). По Дж. Гексли морфы представляет собой генетические варианты, сосуществующие в популяции и находящиеся во временном или постоянном равновесии. Морфизм способствует внутривидовой дифференциации и приспособлению вида к определенным условиям внешней среды. Среди типов морфизма выделяют так называемый «непрерывный», обусловленный большим числом генов, когда четкие различия между морфами стираются и могут быть выявлены лишь с помощью специальных методов анализа. Именно такого рода морфизм как тип популяционной структуры, обусловленной генотипическим разнообразием особей и эффектами отбора, подлежит выявлению методами системного морфометрического анализа.
Изменчивость мидий из различных местообитаний по значениям размерных характеристик и их индексов
Цель анализа размерных характеристик мидий из различных местообитаний заключалась в оценке основных закономерностей их изменчивости и проведении классификации поселений по фенотипу особей. Свойственная морфометрическим признакам широкая норма реакции проявляется в континуальности изменчивости - отсутствии ясно ограниченных фенотипических классов (Серебровский А.С., 1970). Отсюда возникают проблемы идентификации генотипов по фенотипу. Однако при решении иных задач этот "недостаток" оборачивается преимуществом. Если методы биохимической генетики и фенетический анализ по признакам -маркерам отдельных элементов генотипа эффективны при раскрытии генофонда популяций, то морфометрический анализ трудно заменим в его характеристике со стороны взаимодействия "генотип — среда". В этом несомненное достоинство этой категории признаков, определяющее наиболее важную, на наш взгляд, область применения морфометрического анализа в популяционно-генетических и селекционных исследованиях. Комплекс морфометрических признаков, тесно коррелированных друг с другом, и отчетливо реагирующих на внешнюю среду, может оказаться наиболее адекватной характеристикой системы фенотипа (и, следовательно, генотипа), обеспечивающей выявление генетически обусловленной структуры популяций по приспособленности. В контексте данной главы представлялось важным установить, существуют ли различия морфотипа мидий из разных поселений и исследовать связь этих различий с экологическими условиями местообитаний.
В популяционной генетике рассматриваются несколько ситуаций для сообществ особей при наличии разной степени миграции и естественного отбора (Ли Ч., 1978). Формулировка одной из них следующая: если интенсивность отбора и миграции величины одного порядка или интенсивность отбора выше - это приводит к образованию групп особей, обладающих существенной генетической дифференциацией. В нашем случае различия в условиях обитания поселений черноморской мидии значительны. Это, в первую очередь, обусловлено разным антропогенным воздействием на районы местообитаний. Следует ожидать, что в исследуемом регионе -восточной части Черного моря будут наблюдаться несколько зон, различающихся по условиям среды, что, в свою очередь, приведет к появлению дифференцированных генетически групп поселений мидии. Эти группы поселений, выявленные в анализе морфологии раковины, правомерно считать экотипами. Как было показано В.А. Дехта (2001) размерные характеристики раковины мидий существенно зависят от комплекса условий среды. В частности, автор отмечал, что выборки мидий из загрязненных и чистых акваторий различаются по индексам выпуклости (D/L) и относительной высоте (H/L). В исследованиях выполненных на средиземноморской мидии (Mytilus edulis) было показано, что характеристики мидий значительно изменялись в зависимости от комплекса абиотических факторов. Так, в пределах одного архипелага скорость роста мидий варьировала более чем в два раза (Antsulevich A.,Maximovich N. 2002). При изучении морфологии раковины культивируемых Mytilus edulis выявлено, что мидии одного происхождения, но выращенные в разных заливах Шотландии имеют достоверные морфометрические различия (Karayucel S. Karayucel 1.2000). В наших собственных исследованиях сравнение мидий из различных местообитаний было начато с анализа статистических показателей основной размерной характеристики - длины раковины. Список вычисленных статистик и их значения для каждой выборки приведены в табл.2. Как видно из таблицы, разброс выборочных средних достаточно велик.
Минимальная длина обнаружена у мидий в выборке, взятой у посёлка Магри - 25,6 мм, максимальная - в выборке из Утриша - 65,1мм. В целом сравнение средних позволяет заключить, что существует тенденция к увеличению размеров мидии в направлении с восточной к западной части Черноморского побережья в пределах исследуемого региона. Картину зависимости изменения длины раковины от принадлежности мидий к конкретным местообитаниям иллюстрирует рис.3. Аппроксимация полученной кривой уравнением линейной регрессии (у=26,9+3,69х; где у - длина раковины, х - местообитание) чётко показывает тенденцию увеличения длины по мере продвижения с востока на запад. Подобная закономерность по нашему мнению не может быть объяснена ошибками формирования выборок. Во всех случаях отбор мидий проводился случайно, брали как молодых - мелких особей, так и особей старших возрастных групп. Если предположить, что в каждой из выборок присутствуют все возрастные группы, то обсуждаемая закономерность к увеличению длины створки в определённом направлении может быть объяснена таким же положительным изменением условий среды, благоприятных для роста и развития мидий. Изменение значения признака в определённом географическом направлении принято называть клинальной изменчивостью (Кайданов Л. 3., 1996). Эффекты клинальной изменчивости были показаны в исследовании популяций рыб, в частности осетровых (Рубан Г.И., 1989). В этой работе значения основных промеров тела рыб менялись с севера на юг бассейна реки Лены в соответствии с температурным режимом. При исследовании популяций окуня (Зеленецкий Н.М., 1991) выявлен эффект клинальной изменчивости по меристическим признакам. Очевидно, что причиной клинальной изменчивости размеров мидии с запада на восток является изменение комплекса условий среды, влияющих на рост и развитие мидий. Интересны результаты сравнения другого статистического показателя -коэффициента асимметрии. Он оценивает тип распределения признака, а точнее, степень отклонения от типичного для количественных признаков нормального распределения.
В идеальном варианте оно должно иметь правильную колоколообразную форму, при которой значения признака, сильно отклоняющиеся от среднего, встречаются редко, а наиболее типичными для выборки являются значения близкие к нему. При нормальном распределении коэффициент асимметрии равен нулю. По данным табл.2, видно, что изменчивость его велика: от - 0,63 для выборки из Сочи до 1,08 для выборки из Тамани. Знак данного коэффициента указывает на скошенность вариационной кривой, вершина которой может находится левее или правее центра распределения. Первый случай соответствует положительному знаку коэффициента асимметрии; второй - отрицательному (Лакин Г.Ф., 1990). Наличие положительной асимметрии свидетельствует о преимущественной доли в выборке объектов со значениями признака меньше средней арифметической; при отрицательной асимметрии соответственно наблюдается противоположная ситуация. На рис. 4 в качестве иллюстрации представлены распределения длины раковины двух выборок имеющих разные знаки коэффициента асимметрии. Сравнение значений выборочных коэффициентов асимметрии позволяет говорить о тенденции к увеличению их значений в направлении с востока на запад. То есть можно утверждать, что в местообитаниях мидий на востоке района исследования больше доля крупных особей, на западе -мелких. На первый взгляд, наблюдается некоторое противоречие с изменчивостью средней длины раковины, которая в указанном направлении увеличивается. Однако в проанализированной литературе есть данные о повторяющихся в западной части региона заморных явлениях, приводящих к гибели мидий старших возрастов (Заика В. Е., Валовая Н. А. и др., 1990). Таким образом, показано, что статистический анализ изменчивости основной из размерных характеристик - длины раковины отражает различия условий среды в конкретных местообитаниях. Рассмотрим структуру изменчивости трёх морфометрических признаков мидии из различных местообитаний. Это можно сделать с использованием однофакторного дисперсионного анализа. В этом случае общая изменчивость каждого из признаков будет разложена на факторную -изменчивость между местообитаниями и остаточную - индивидуальную изменчивость мидий в пределах каждой выборки. Результаты однофакторного анализа приведены в табл.3.
Схема промеров створок раковины черноморской мидии
Материалом для исследования могут служить выборки мидий из природных или культивируемых (искусственных) популяций. Отобранная мидия должна быть подготовлена для морфометрического описания. Моллюсков следует отварить и после раскрытия створок раковины извлечь тело. Если измерения будут проводиться не на месте сбора материала, створки следует зафиксировать липкой лентой, что позволит избежать потери одной из них во время транспортировки. Линейные морфометрические измерения следует проводить с использованием штангенциркуля, измерения углов - при помощи транспортира. На соединенных створках измеряется только один показатель — наибольшая толщина раковины (прил. 1). Остальные промеры могут сниматься только с одной створки. С целью унифицировать систему измерений предлагается использовать правую створку. Для организации измерений створки следует разъединить, правую — положить на лист бумаги и с максимальной точностью обвести карандашом её контур. Для определения правой створки важно правильно ориентировать раковину. Если смотреть на спинной край (прил. 2) сверху, а округлый, обычно плотно сомкнутый, край (куда направлена нога и обычно наклонена макушка) направить от себя, и задний (часто зияющий, куда выходят сифоны, а позади макушек лежит лигамент) - к себе, то правая и левая створки будут лежать, соответственно справа и слева от продольной оси раковины (Гаевская Н.С. и др., 1948). Предлагаемая схема измерений основана на вписаний проекции створки в прямоугольник (прил. 3).
Длиной прямоугольника является наибольшая длина створки, а шириной - наибольшая высота. Схема измерений остальных морфометрических признаков дана также в прил. 3, а список признаков - в табл. 12. При обработке данных, в соответствии с требованиями компьютерной программы, названия углов а и (3 заменялись на латинские А и В. Вписание раковины в прямоугольник представляется нам решающим в проблеме описания формы раковины, поскольку оно обеспечивает измерение всех перечисленных углов и расстояний. Форма по определению многомерна, и возможность ее описания большим комплексом признаков адекватна задаче. По удачному выражению Л.А. Животовского (1982), одно из существенных преимуществ морфометрических признаков как раз и заключается в возможности расширения их числа, обеспечивающего "репрезентативность" характеристики морфотипа. 4.3. Апробация методики морфологического описания мидии Апробация предложенной методики морфометрического описания выполнена на 144 экземплярах черноморской мидии, взятых из двух местообитаний: Малый Утриш - 30 особей и Озереевка - 116 особей. Как уже подчеркивалось, список морфометрических признаков должен обеспечивать исследование разнообразия групп особей по средним значениям признаков и их корреляционной структуре. Исследование корреляционной структуры было начато с анализа матрицы парных коэффициентов корреляции общей для двух выборок. Коэффициент корреляции варьировал в достаточно широких пределах: от 0,02 до 0,98 по абсолютной величине, а также знаку. Такой результат характерен для признаков морфотипа и позволяет в сравнительном плане исследовать их корреляционную структуру.
Уместно напомнить, что, согласно оригинатору термина "корреляционные плеяды" (Терентьев П.В., 1977) в описании корреляционной структуры одинаково информативны как сильные связи между некоторыми признаками, так и слабые (или их отсутствие) между другими. Выявить структуру корреляций признаков можно несколькими методами, из числа которых нами использован кластерный анализ, выполненный по вкладам признаков в главные компоненты. Напомним, что значения главных компонент вычисляются не только на основе численных значений признаков, но и их корреляции. Классификация признаков по величине вкладов позволила выделить среди них группы наиболее тесно связанных - корреляционные плеяды. Результат кластеризации признаков, представленный в виде иерархической дендрограммы (рис. 8), показывает, что в связях признаков существует сложная структура. При разрезании дендрограммы по уровню сходства, равному 2 усл. ед. выделяются три группы наиболее тесно связанных признаков в составе: первая - L2 (расстояние от заднего края раковины на брюшной стороне до точки наибольшей высоты), В (угол, образуемый продолжением линий G и L), А (угол, образуемый диагональю прямоугольника, направленной к заднему краю и брюшной стороне D1 и L); вторая - М (расстояние от точки пересечения переднего края с диагональю D1 до точки пересечения раковины с перпендикуляром Н на спинной стороне), G (расстояние от точки пересечения раковины с диагональю D4 до точки пересечения с линией наибольшей высоты на спинной стороне), ТНЗ (толщина левой створки), ТН2 (толщина правой створки); в третью группу вошли все остальные признаки. Раздельный анализ корреляционной структуры на выборках мидий из двух местообитаний - Утриша (рис. 9) и Озереевки (рис. 10), - показал, что свойственные им корреляционные структуры признаков различны. Действительно, разрезание дендрограмм по одному и тому же уровню слияния признаков в кластеры, а именно около 2 усл. ед., приводит в первом случае к выделению 2, а во втором - 3 кластеров признаков. То, что признаки отражают различия мидий даже из близкорасположенных местообитаний, свидетельствует о хорошей разрешающей способности способа описания фенотипа раковины. Доля факториальной дисперсии варьирует в широких пределах: от 4,1 до 88,3%. Завершить исследование и окончательно решить вопрос об Ф информативности комплекса признаков в задаче разделения разных выборок может дискриминантный анализ. Именно он оценивает различия групп одновременно как по численным значениям, так и по структуре связей признаков. В связи с сильными, близкими к единичным, связями отдельных пар признаков стандартный вариант дискриминантного анализа, в котором фигурируют все учтенные признаки, оказался в данном случае невыполним. Выход был найден в обращении к так называемому пошаговому дискриминантному анализу. С помощью этого алгоритма можно выявить те признаки из общего числа учтенных, которые позволяют наиболее эффективно разделить выборки. В данном варианте анализа модель дискриминации строится по шагам.
На первом из них исследуются все переменные и находится та, которая вносит наибольший вклад в различие совокупностей. Эта переменная включается в модель, и осуществляется переход к следующему шагу, на котором определяется наиболее информативная пара признаков и т. д. Список информативных морфометрических признаков и оценка их эффективности в разделении групп представлены в табл. 14. Выявленная в Главе 3 зависимость морфотипа мидий от комплекса показателей характеризующих среду обитания позволяет выдвинуть предположение о возможности использования морфотипа раковины для экспресс-оценки экологического состояния местообитаний. Относительная многочисленность вида, малоподвижный образ жизни взрослых особей, питание, основанное на фильтрации - все это позволяет считать Mytilus galloprovincialis перспективным объектом для слежения за экологической обстановкой. Результаты подобных исследований, выполненные В.А. Дехта (2001), показали, что такой подход заслуживает внимания. В цитируемой работе для решения поставленной задачи также был использован дискриминантный анализ. Имеющиеся в нашем распоряжении выборки были взяты из мест, различающихся по комплексу экологических характеристик. Как было показано в разделе 3.1, условия обитания выборки из Малого Утр и ша были лучшими по сравнению с условиями в Озереевке, откуда была взята вторая выборка. Эти выборки из «лучших» и «худших» экологических условий выступали как обучающие. Термин «обучающие» используется здесь в том контексте, что межгрупповые различия известны заранее и это обстоятельство позволяет построить числовое решение, удовлетворяющее этим различиям. Когда такое решение найдено, то открывается возможность для решения задачи классификации - отнесение неизвестных объектов в одну из заранее известных групп. В дискриминантном анализе в случае двух групп для этой цели следует использовать "нестандартизованные коэффициенты". Решение дискриминантного уравнения будет давать либо положительное, либо отрицательное число. По знаку значения функции, вычисленной для неизвестного объекта можно определить его принадлежность к одной из обучающих выборок (Тюрин В.В. и др.,2002). Как уже было показано, дискриминантный анализ удовлетворительно решил задачу разделения групп. Об этом свидетельствует отсутствие "ошибок отнесения" (табл. 15). Проиллюстрируем это гистограммой распределения значений дискриминантной функции (рис. 11).
Похожие диссертации на Структура природных популяций мидии (Mytilus galloprovincialis Lam. ) восточной части Черного моря, выявляемая методами системного морфометрического анализа
