Долгое время гибридизация, когда различные виды спариваются и производят потомство, считалась ошибкой. Тем не менее, достижения в инструментах геномного тестирования выявили естественную гибридизацию как довольно распространенное явление, в некоторых случаях играющее роль в естественном отборе.
Ученые считают, что до 10% животных и 25% растений участвуют в гибридизации в природе. Генетические данные даже пролили свет на гибридное происхождение современных людей: считается, что у большинства европейцев и азиатов примерно 2 процента ДНК неандертальца.
Стерильность распространена среди гибридов и считается ключевым фактором в сохранении различий между двумя скрещивающимися видами. Это верно для конкретной гибридной популяции гаичек в США, которая является результатом спаривания северной черношапочной гаички и южного вида, называемого каролинской гаикой. Меньший процент вылупления яиц гибридных синиц по сравнению с их чистокровными родителями - ключевой недостаток отбора.
Результаты нового поведенческого исследования, проведенного Университетом Лихай и Колледжем Франклина и Маршалла, добавляют брешь в эту парадигму: ученые обнаружили, что гибридные синицы имеют заметные недостатки в обучении и памяти по сравнению с их чистокровными родителями, что может быть еще один избирательный недостаток.
Это открытие является первым случаем, когда недостатки обучения и памяти были выявлены у любого гибрида любого вида, что открывает новую область исследований для понимания избирательного недостатка гибридов. Результаты исследования опубликованы в журнале Evolution в опубликованной сегодня в сети статье Майкла А. Маккуиллана, Эмбер М. Райс и Алекса В. Хюина из Университета Лихай и Тимоти К. Рота II из Колледжа Франклина и Маршалла под названием: «Гибридные синицы - это Недостаток обучения и памяти."
«Эти птицы похожи на белок: они запасают пищу на всю осень», - говорит Райс, доцент кафедры биологических наук в Лихай. «Чтобы пережить зиму, они должны быть в состоянии вернуться и найти пищу. Тот факт, что эти гибриды хуже обучаются и запоминают, может быть очень плохим для них, особенно в суровые зимы».
Животные, которые запасают пищу таким образом, известны как собиратели-разбрасыватели. По словам Маккуиллана, доктор философии. D. кандидат эволюционной биологии в Лихай и ведущий автор исследования, северная черношапочная синица является модельным видом для изучения пространственной памяти и обучения, черт, которые являются ключевыми для выживания бродяг. Маккуиллан говорит, что есть основания полагать, что пространственная память черношапочных синиц является наследственной чертой, которая передается их потомству.
«Если гибридные синицы менее изобретательны, менее способны приспосабливаться к окружающей среде, у них может быть меньше шансов выжить», - говорит Маккуиллан. «Это может быть фактором, разделяющим два вида - или репродуктивно изолированным - несмотря на то, что они гибридизуются».
Возможно, что еще более важно, выводы команды показывают, что обучение и память также могут способствовать выборочному недостатку гибридов других видов.
По словам Марии Р. Серведио, профессора биологии Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, чьи области исследований включают видообразование и эволюцию изоляции до спаривания, эти результаты захватывают, потому что были предположения о поведении, необходимом для у гибридов нарушены выживание и размножение, но очень мало хорошо зарекомендовавших себя примеров.
«Это исследование действительно интересно, потому что оно предлагает совершенно новый механизм, с помощью которого гибриды могут иметь низкую приспособленность», - говорит Серведио. «Когда гибриды имеют низкую приспособленность, это, в свою очередь, может привести к тому, что родители станут более избирательными в выборе партнеров, что является важным механизмом разделения видов, поэтому это может иметь каскадные эффекты».
Они попытаются, а потом сдадутся
Университет Лихай расположен в «гибридной зоне», узкой полосе от северного Нью-Джерси до Канзаса, где проживает эта популяция гибридизированных синиц, что дает уникальную возможность их изучения.
Команда отлавливала гибридов и чистых видов птиц, держа их в вольерах, расположенных в кампусе Lehigh's Bethlehem, штат Пенсильвания. После установления происхождения с помощью генетического тестирования Маккуиллан и его коллеги провели два поведенческих теста, предназначенных для определения способности к обучению и памяти.
Чтобы проверить пространственную память птиц, он построил стену с 60 одинаковыми резиновыми карманами, содержимое которых было скрыто белым помпоном. В одном из карманов был восковой червь, очень желанный продукт питания.
Птиц вводили в стенку карманов таким же образом один раз в день в течение 7 дней. Это давало возможность наблюдать, насколько хорошо птицы запоминают местонахождение червя, который всегда был спрятан в одном и том же кармане.
"В первый день это случайность", - говорит Райс. «Каждый последующий день птицы должны все лучше и лучше находить карман с червяком в нем».
Гибриды показали худшие результаты в течение периода тестирования, чем любой из чистых видов.
«В среднем гибридам требовалось больше времени, чтобы найти червя, - говорит Маккуиллан. «Гибриды сделали больше ошибок и просто не запомнили».
Не было существенной разницы в производительности между двумя группами чистых видов.
Чтобы проверить их способность к обучению, Маккуиллан предложил птицам решить новую задачу. Червяка помещали в небольшую лунку, просверленную в блоке, прикрепленном к стене вольера. Команда приучила птиц питаться из колодца, регулярно помещая в него червей. Во время испытаний Маккуиллан поместил над лункой круглую шайбу с прозрачным покрытием. Птицы могли видеть червя через шайбу, но должны были придумать, как переместить шайбу, чтобы получить доступ к червяку.
У гибридов значительно меньше шансов решить эту проблему, чем у чистопородных птиц.
«Гибриды попытались, а потом сдались, - говорит МакКуиллан. «Если они не поняли этого в первые несколько минут, они не получат всего. Эта тенденция стала очевидной».
Новая область исследования селективного недостатка гибридов
Когнитивные способности естественных гибридов - неисследованная область исследований. Эти результаты открывают новые возможности для исследования, чтобы лучше понять эту популяцию гибридизирующихся синиц, а также другие гибридные системы. Это также открывает новые области изучения видообразования в более общем плане.
«Биологи-эволюционисты, как правило, сосредотачиваются на физиологических недостатках, от которых страдают гибриды, как на явлении, которое поддерживает границы видов синиц», - говорит Рот, доцент психологии в Franklin & Marshall. «Однако наше исследование показывает, что снижение когнитивных способностей гибридов также может играть важную роль в сохранении вида».
Следующие шаги проекта гибридной гаички включают в себя более глубокое изучение того, что может быть причиной обнаруженных ими недостатков в обучении и памяти, включая изучение возможных генетических и физиологических причин.
«Мы планируем провести дополнительные поведенческие тесты, чтобы выяснить, влияет ли контроль над опытом и окружающей средой синиц на результаты», - говорит Райс.«Понимание лежащей в основе нейроанатомии может стать следующим шагом в изучении того, что объясняет их когнитивные недостатки. Например, меньше ли определенные области их мозга? У них меньше нейронов или меньше нейрогенеза, чем у их чистокровных родителей?»
Рот, чьи исследования сосредоточены на понимании процессов, посредством которых естественный отбор влияет на использование пространства животными, возглавляет изучение нейроанатомии синиц.
«В настоящее время мы находимся в процессе выявления различий в экспрессии генов и нейроанатомии у этих птиц, чтобы лучше понять нейронные механизмы этих когнитивных нарушений», - говорит Рот.