Везде

Президиум РАНВестник Дальневосточного отделения Российской академии наук Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences

  • ISSN (Print) 0869-7698
  • ISSN (Online) 3034-5308

Математические модели, объединяющие экологический и генетический подходы в популяционной биологии

Вы можете
Код статьи
S30345308S0869769825020084-1
DOI
10.7868/S3034530825020084
Тип публикации
Обзор
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Фрисман Е. Я.
  • Должность: член-корреспондент РАН, профессор, научный руководитель института
  • Аффилиация: Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН
Жданова О. Л.
  • Должность: доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
  • Аффилиация: Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН
Неверова Г.П.
  • Должность: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник
  • Аффилиация: Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН
Том/ Выпуск
Том / Номер выпуска 2
Страницы
102-123
Аннотация
В данном обзоре предлагается обобщение экологического и генетического подходов в задачах, традиционно рассматриваемых в рамках математической популяционной биологии. Такой подход не является единственно возможным, но представляется нам оригинальным и перспективным, поскольку объединение математических моделей естественного отбора и динамики численности популяций позволяет выявить возможные механизмы появления сложной временной организации генетического биоразнообразия, весьма чувствительной к внешнему воздействию. При учете возрастной структуры популяций в моделях возникает мультирежимность, которая не только позволяет объяснить смену режима динамики, но и по-новому взглянуть на общебиологические представления о существующих закономерностях в динамике популяций. Сценарии микроэволюции генетического состава популяции, возникающие при флуктуирующей численности, позволяют объяснять и описывать выраженную генетическую дифференциацию особей разных поколений в популяциях с сезонным характером размножения, например происхождение различий в генетической структуре у смежных поколений тихоокеанской горбуши Oncorhynchus gorbuscha. Такие модели хорошо объясняют полиморфизм размера помета в различных (естественных и искусственных) популяциях песцов Alopex lagopus, а также возникновение и прекращение колебаний численности ряда видов грызунов, которое наблюдается в последнее время во многих северных популяциях Западной Европы (например, исчезновение популяционных циклов полевок в ряде популяций Финляндии и Швеции). Выявленные особенности динамического поведения подобных систем важны с точки зрения пересмотра и развития устоявшихся теоретических представлений, поскольку в таких системах нарушается принцип простого объединения (суперпозиции) результатов двух моделей: плотностно-независимого естественного отбора лучших генотипов и плотностно-зависимой регуляции роста численности; появляются режимы, которые не наблюдались отдельно в каждой из моделей.
Ключевые слова
эволюция естественный отбор динамика популяций сообщество «хищник-жертва» математическое моделирование полиморфизм мультистабильность эколого-генетическая модель
Дата публикации
01.04.2025
Год выхода
2025
Всего подписок
0
Всего просмотров
56

Библиография

  1. 1. Мальтус Т. Опыт о законе народонаселения. М.: Директмедиа Паблишинг, 2007. 358 с.
  2. 2. Darwin C. On the Origin of Species by Means of Natural Selection. London: John Murray, 1859. 440 р.
  3. 3. Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Биофизическая динамика продукционных процессов. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 464 с.
  4. 4. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. 352 с.
  5. 5. Базыкин А.Д. Нелинейная динамика взаимодействующих популяций. М.; Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2003. 367 с.
  6. 6. Шапиро А.П., Луппов С.П. Рекуррентные уравнения в теории популяционной биологии. М.: Наука, 1983. 132 с.
  7. 7. May R.М. Biological populations with non-overlapping generations: stable points, stable cycles and chaos // Science. 1974. Vol. 186. P. 645-647.
  8. 8. May R.M. Biological diversity: How many species are there? // Nature. 1986. Vol. 324, No. 6097. P. 514-515.
  9. 9. Chitty D. Population processes in the vole and their relevance to general theory // Can. J. Zool. 1960. Vol. 38. P. 99-113.
  10. 10. Pimentel D. Population regulation and genetic feedback // Science. 1968. Vol. 159. P. 1432-1437. https://doi.org/10.1126/science.159.3822.1432
  11. 11. Birch L.C. Selection in Drosophila pseudoobscura in relation to crowding // Evolution. 1955. Vol. 9, No. 4. P. 389-399.
  12. 12. Charlesworth B. Selection in density-regulated populations // Ecology. 1971. Vol. 52, No. 3. P. 469-474.
  13. 13. Gottlieb L.D. Genetic stability in a peripheral isolate of Stephanomeria exigua ssp. coronaria that fluctuates in population size // Genetics. 1974. Vol. 76, No. 3. P. 551-556.
  14. 14. Gaines M.S., Leroy R., McClenaghan Jr., Rose R.K.Temporal patterns of allozymic variation in fluctuating populations of Microtus ochrogaster // Evolution. 1978. Vol. 32, No. 4. P. 723-739.
  15. 15. Фрисман Е.Я. Изменение характера динамики численности популяции: механизмы перехода к хаосу // Вестн. ДВО РАН. 1995. № 4. С. 97-106.
  16. 16. Boonstra R., Boag P.T. A test of the Chitty hypothesis: inheritance of life-history traits in meadow voles Microtus pennsylvanicus // Evolution. 1987. Vol. 41, No. 5. P. 929-947.
  17. 17. Carroll S.P., Hendry A.P., Reznick D.N., Fox C.W. Evolution on ecological time-scales // Func. Ecol. 2007. Vol. 21, No. 3. P. 387-393.
  18. 18. Endler J.A. Natural selection on color patterns in Poecilia reticulata // Evolution. 1980. Vol. 34, No. 1. P. 76-91.
  19. 19. Reznick D.N., Bryga H. Life-history evolution in guppies (Poecilia reticulata): 1. Phenotypic and genetic changes in an introduction experiment // Evolution. 1987. Vol. 41, No. 6. P. 1370-1385.
  20. 20. Reznick D.A., Bryga H., Endler J.A. Experimentally induced life-history evolution in a natural population // Nature. 1990. Vol. 346, No. 6282. P. 357-359.
  21. 21. Stearns S.C. The Evolution of Life Histories. Oxford: Oxford University Press, 1992. 264 p.
  22. 22. Williams D.W., Liebhold A. Detection of Delayed Density Dependence: Effects of Autocorrelation in an Exogenous Factor // Ecology. 1995. Vol. 76, No. 3. P. 1005-1008.
  23. 23. Sinervo B., Svensson E., Comendant T. Density cycles and an offspring quantity and quality game driven by natural selection // Nature. 2000. Vol. 406. P. 985-988.
  24. 24. Yoshida T., Jones L.E., Ellner S.P., Fussmann G.F., Hairston Jr.N.G. Rapid evolution drives ecological dynamics in a predator-prey system // Nature. 2003. Vol. 424. P. 303-306.
  25. 25. Pelletier F., Garant D., Hendry A.P. Eco-evolutionary dynamics // Phil. Trans. R. Soc. B. 2009. Vol. 364. P. 1483-1489.
  26. 26. Mallet J. The struggle for existence. How the notion of carrying capacity, K, obscures the links between demography, Darwinian evolution and speciation // Evolutionary Ecology Research. 2012. Vol. 14. P. 627-665.
  27. 27. Bertram J., Masel J. Density-dependent selection and the limits of relative fitness // Theor. Popul. Biol. 2019. Vol. 129. P. 81-92.
  28. 28. Ellner S. Environmental fluctuations and the maintenance of genetic diversity in age or stage-structured populations // Bull. Math. Biol. 1996. Vol. 58, No. 1. P. 103-127.
  29. 29. Barton N., Briggs D., Eisen J., Goldstein D., Patel N. Evolution. N.Y.: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007. 649 p.
  30. 30. Yamamichi M., Ellner S.P. Antagonistic coevolution between quantitative and Mendelian traits // Proc. R. Soc. B Biol. Sci. 2016. Vol. 283. 20152926.
  31. 31. Yamamichi M., Hoso M. Roles of maternal effects in maintaining genetic variation: Maternal storage effect // Evolution. 2017. Vol. 71, No. 2. P. 449-457.
  32. 32. Ратнер В.А. Динамическая теория биологических популяций. М.: Наука, 1974. 456 с.
  33. 33. Axenovich T.I., Zorkoltseva I.V., Akberdin I.R., Beketov S.V., Kashtanov S.N., Zakharov I.A., Borodin P.M. Inheritance of litter size at birth in farmed arctic foxes (Alopex lagopus, Canidae, Carnivora) // Heredity. 2007. Vol. 98, No. 2. P. 99-105.
  34. 34. Дажо Р. Основы экологии. М.: Прогресс, 1975. 416 с.
  35. 35. Фрисман Е.Я., Жданова О.Л. Эволюционный переход к сложным режимам динамики численности двухвозрастной популяции // Генетика. 2009. Т. 45, № 9. С. 1277-1286.
  36. 36. Неверова Г.П., Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Возникновение сложных режимов динамики численности в ходе эволюции структурированной лимитированной популяции // Генетика. 2020. Т. 56, № 7. С. 714-725.
  37. 37. Животовский Л.А., Глубоковский М.К., Викторовский Р.М., Броневский А.М., Афанасьев К.И., Ефремов В.В. и др. Генетическая дифференциация горбуши // Генетика. 1989. Т. 25, № 7. С. 1261-1274.
  38. 38. Пустовойт С.П. Тридцать лет гипотезе флюктуирующих стад горбуши Oncorhynchus gorbuscha (Walbaum) // Известия ТИНРО. 2017. Т. 188. C. 162-172.
  39. 39. Sato S., Urawa S. Genetic variation of Japanese pink salmon populations inferred from nucleotide sequence analysis of the mitochondrial DNA control region // Environmental Biology of Fishes. 2017. Vol. 100, No. 10. P. 1355-1372.
  40. 40. Ефремов В.В. Аллозимная изменчивость горбуши Oncorhynchus gorbuscha Сахалина // Вопросы ихтиологии. 2002. Т. 42, № 3. С. 409-417.
  41. 41. Неверова Г.П., Фрисман Е.Я. Режимы динамики популяции с неперекрывающимися поколениями с учетом генетической и стадийной структур // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12, № 5. С. 1165-1190.
  42. 42. Hersteinsson P., Macdonald D.W. Diet of Arctic foxes (Alopex lagopus) in Iceland // J. Zool. 1996. Vol. 240. P. 457-474.
  43. 43. Angerbjörn A., Tannerfeldt M., Erlinge S. Predator-prey relationships: Arctic foxes and lemmings // J. Anim Ecol. 1999. Vol. 68. P. 34-49.
  44. 44. Elmhagen B., Tannerfeldt M., Verucci P., Angerbjörn A. The arctic fox (Alopex lagopus) - an opportunistic specialist // J. Zool. 2000. Vol. 251. P. 139-149.
  45. 45. Володин И.А., Калашникова М.В., Клинкова Е.С. и др. Структура поселения песца Alopex lagopus beringensis на северной оконечности острова Беринга // Зоологический журнал. 2012. Т. 91, № 10. С. 1231-1231.
  46. 46. Жданова О.Л., Фрисман Е.Я. Математическое моделирование отбора по ограниченному полом признаку: к вопросу о существовании полиморфизма по размеру помета в естественных популяциях песцов // Генетика. 2021. Т. 57, № 2. С. 229-240.
  47. 47. Turelli M., Schemske D.W., Bierzychudek P. Stable two-allele polymorphisms maintained by fluctuating fitnesses and seed banks: protecting the blues in Linanthus parryae // Evolution. 2001. Vol. 55. P. 1283-1298.
  48. 48. MacArthur R.H., Wilson E.O. The Theory of Island Biogeography. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1967.
  49. 49. Zhdanova O.L., Frisman E.Ya. Genetic polymorphism under cyclical selection in long-lived species: the complex effect of age structure and maternal selection // Journal of Theoretical Biology. 2021. Vol. 512. 110564.
  50. 50. Жданова О.Л., Неверова Г.П., Фрисман Е.Я. Эволюция хищника в модели взаимодействующих видов: к вопросу о существовании полиморфизма по размеру помета в естественных популяциях песцов // Генетика. 2022. Т. 58, № 1. С. 99-115.
  51. 51. Kausrud K.L., Mysterud A., Steen H. et al. Linking climate change to lemming cycles // Nature. 2008. Vol. 456. P. 93-97.
  52. 52. Henttonen H., Wallgren H. Small rodent dynamics and communities in the birch forest zone of northern Fennoscandia // Nordic Mountain Birch Ecosystems/Ed. F.E. Wielgolaski. New York: Parthenon, 2001. P. 262-278.
QR
Перевести

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Высшая аттестационная комиссия

При Министерстве образования и науки Российской Федерации

Scopus

Научная электронная библиотека