Р

Грег О’Корри-Кроу, Роберт Сайдам, Лори Куейкенбуш, Брук Потгитер, Лоис Харвуд, Дэннис Литовка, Татиана Феррер, Джон Читта, Владимир Бурканов, Кэти Фрост, Барбара Махони

Согласно итогам двадцатилетнего исследования миграций белух в северной части Тихого океана, опубликованном в журнале PLoS ONE, белухи предпочитают производить на свет детёнышей там, где родились сами. Это поддерживает генетическое разнообразие представителей данного вида и не позволяет смешиваться ряду популяций белых китов.

Аннотация

Ежегодное возвращение белух (Delphinapterus leucas) в традиционные места сезонного пребывания, расположенные на территории Арктики, может быть следствием имеющейся у вида культуры миграции, тогда как слияние обособленных летних скоплений белух на общих местах зимовки может способствовать скрещиванию неродственных особей. Ввиду небольшой продолжительности проведённых ранее исследований, оценить влияние натальной филопатрии и наследования миграционной культуры было затруднительно, в то время как проведение генетических анализов системы размножения, в частности, популяций белухи в Тихоокеанском регионе, было затруднено по причине недостаточности выборок, а также недостаточного количества информации о местах зимовок.

При помощи расширенного набора генетических маркеров и выборки гораздо большего объема, включающей в себя 1647 особей и охватывающей период продолжительностью более двух десятков лет и все основные группы летовок в Тихом Океане, нами была выявлена дивергенция эволюционного уровня (Φst = 0.11–0.32, Rst = 0.09–0.13) между тремя географическими регионами (залив Аляска, Берингово море-Чукотское море-море Бофорта, и Охотское море), а также вероятная демографическая независимость (Fst-мтДНК = 0.02–0.66) и, во многих случаях, слабый поток генов (Fst-нДНК = 0.0–0.02; K = 5–6) между летними скоплениями белух в регионах. Тесты распределения позволили выявить небольшое число мигрантов в летних скоплениях, определить привычные места летовок мигрирующих групп белух, а также обнаружить, что некоторые миграционные потоки состоят из особей, происходящих из различных субпопуляций (PBAYES = 0.31:0.69). Кроме того, было выяснено, что распределение в мигрирующих группах смещено в сторону самцов, и что в прибрежных районах летовок собирается значительное количество близкородственных особей. Стабильность моделей генетической разнородности между различными районами, а также большая доля (примерно 20%) близкородственных особей (включая родителей и их потомство) на территории исследуемых районов, пробы которых были взяты с разницей до 20 лет (G = 0.2–2.9, p>0.5), служат первым прямым доказательством существования у белух натальной филопатрии по отношению к миграционным местам обитания. Используя последние данные, полученным методом спутниковой телеметрии, мы установили, что близкое расположение мест зимовок оказывает значительно большее влияние на уровень общения между особями и их обмена генетическими ресурсами, чем близкое расположение мест летовок (rзима-Fst-мтДНК = 0.9, rлето-Fst-нДНК = 0.1). Эти данные свидетельствуют о наличии у белух широко распространённой натальной филопатрии по отношению к местам летовок и целым миграционным маршрутам, а также служат доказательством того, что миграционная культура и родственные связи способствуют сохранению демографически различных популяций белух, частично перекрывающихся во времени и пространстве.

Введение

У склонных к миграции видов социальное обучение, сезонная миграция, а также смена географических мест обитания в течение годового цикла могут способствовать культурному унаследованию маршрутов миграции и сложных моделей распределения на территории, потоков генов и структуры популяции. Эти факторы, в свою очередь, приводят к геннокультурной коэволюции и создают новые задачи в области управления видом и его сохранения, усложняя, в том числе, выделение демографических единиц, определение исходных популяций мигрирующих особей, а также оценку рисков в масштабах популяций.

К основным факторам, способствующим разделению популяций мигрирующих видов, относятся: Неравномерное сезонное распределение ресурсов, способствующее филопатрии особей по отношению к географически различным местам миграции (например, к местам нагула или размножения), которое со временем может способствовать дивергенции популяции. В то же время, такие группы популяций могут частично сливаться в процессе миграции, либо собираться в другом миграционном месте обитания или районе сосредоточения на протяжении части года, способствуя, таким образом, территориальному распределению и скрещиванию внутри вида (интербридингу). У видов, для которых характерны длительные периоды заботы о потомстве, натальная филопатрия и, следовательно, дивергенция популяций, могут являться следствием изучения миграционных маршрутов под руководством родителей, что именуется культурой миграции.

Структуризация видов, склонных к миграции, также зависит от пола особей, преимущественно распределяющихся по территории. Такое распределение, несмотря на наличие генного потока и сезонного перекрытия ареалов, потенциально может привести к демографической изоляции групп популяций. Модели пространственного распределения и генетической неоднородности мигрирующих видов могут формироваться под влиянием географического положения и факторов окружающей среды (таких как температура воды, погодные условия, ледовый покров), которые непосредственным образом диктуют, например, маршрут и время миграции, и, соответственно, степень и длительность частичного слияния популяций. И, наконец, период оледенения, особенно на более высоких широтах, где исторически возникшие в результате таяния ледников рефугиумы, а также череда событий, вследствие которой популяции нашли новое место обитания, оказывают длительный эффект на существующие модели пространственного распределения и миграции особей, и, следовательно, на территориальное распределение популяций и их состав. Выявление влияния названных факторов на миграцию, территориальное распределение и структуру склонных к миграции видов – задача непростая. Проведение генетических исследований позволяет выявить влияние совокупности факторов поведения, окружающей среды и демографической истории на сезонную миграцию, территориальное распределение и структуру популяций данного вида.

Белуха, или Delphinapterus leucas – представитель отряда китообразных средних размеров, обитающий в арктических и субарктических водах, где совокупность всех названных факторов, по всей видимости, оказывает влияние на существующие модели миграции, пространственного распределения, размножения и структуры популяций. В данном исследовании мы будем использовать пространственные и временные модели генетической изменчивости и родства между особями для того, чтобы проверить ряд гипотез в отношении этих аспектов жизни белух в Тихоокеанском регионе.

В большей части своего ареала белухи перемещаются между местами зимовки, расположенными на южной границе морского льда или возле нее, и местами летования, расположенными в сезонно более открытых водных пространствах севернее, где они питаются, линяют и выращивают потомство. Многие популяции белух, обитающие в Арктическом регионе, совершают миграции; отдельные популяции мигрируют по маршрутам длиной в более чем 6,000 км. Маршруты миграции популяций, обитающих в субарктических водах, как правило, короче; ареалы их мест зимовок и летования часто существенно перекрываются. У белух сильно развито стадное чувство; летом, после вскрытия ледяного покрова, они собираются тысячами возле отдельных прибрежных районов. Принято считать, что период размножения происходит преимущественно в течение зимы и в начале весны, и что в определённое время года половозрелые самцы предпочитают выбирать места обитания, отличные от тех, которые выбирают для себя более молодые особи и самки. В совокупности с вероятностью пересечения миграционных маршрутов, а также вероятностью того, что различные группы летнего скопления будут делить одно и то же место зимовки в разгар брачного периода, данные факторы оказывают влияние на сложные модели территориального распространения и пространственной структуры популяций, повышают вероятность существования устойчивой культуры миграции, и ставят уникальные задачи в области управления видом, в том числе, в области идентификации и мониторинга скоплений.

В Тихоокеанском регионе, белухи населяют три различных географических региона: залив Аляска, Охотское море и регион, охватывающий Берингово море, Чукотское море и море Бофорта – так называемый «регион БЧБ». На территории региона БЧБ располагаются шесть крупнейших прибрежных мест летовок, обозначаемых следующим образом: Бристольский залив и залив Нортон в восточной части Берингова моря, залив Коцебу и локация неподалёку от лагуны Касегалук в восточной части Чукотского моря, территория между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена в восточной части моря Бофорта, и Анадырский залив в западной части Берингова моря. Известно также о трёх обособленных местах летования в Охотском море, о небольшой популяции белух, постоянно проживающей в заливе Кука, а также одной изолированной группе в заливе Якутат в заливе Аляска.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что белухи, обитающие в регионе БЧБ, перезимовывают в северной и центральной частях Берингова моря, на южной границе ледового покрова или возле неё. Бассейн Берингова и Чукотского морей, имеющий форму песочных часов, ограничивает пространство для миграции летних группировок белух в Чукотском море и море Бофорта до узкого (шириной в 85 км) Берингова пролива на пути к и обратно от мест зимовки, располагающихся в Беринговом море. В сочетании со временем и характером таяния и формирования ледяного покрова, эта географическая особенность оказывает значительное влияние на время миграции белух, на используемые ими маршруты, выбираемые ими места зимовок и степень перекрытия ареалов различных групп летования зимой. Недавнее исследование, которое обобщило полученные методом спутниковой телеметрии данные о пяти из шести групп летования в регионе БЧБ (за исключением залива Коцебу), показало, что белухи из различных групп летования могут имеют свои традиционные места зимовки, ареалы которых перекрываются в различной степени. Учитывая, что разгар брачного периода белых китов приходится на зиму и раннюю весну, эти условия создают потенциал для широкого обмена генетическими ресурсами и личного общения между группами летования региона БЧБ как в ходе миграции, так и в течение зимы.

Был проведён ряд генетических исследований белух, обитающих в западной части Неарктики (территория Аляски и северо-запад Канады) и восточной части Палеарктики (территория Дальнего Востока России). Полученные данные свидетельствуют о существенной дифференциации митохондриальной ДНК (мтДНК) между географически изолированными популяциями белух и некоторыми групп летовок, которая, вероятно, является следствием давно сложившихся тенденций к филопатрии, опосредуемых самками, и демографической изоляции, которые способствуют идентификации данных популяций как отдельных демографических групп. Отдельные исследования зафиксировали низкий уровень разнородности нативной ДНК (микросателлитных локусов) между географически типическими группами по сравнению с уровнями разнородности мтДНК, что служит доказательством существования генного потока между группами летовок, который опосредуется самцами и, вероятно, происходит на общих местах зимовок.

Тем не менее, у проведенных ранее исследований имеется ряд ограничений, повлиявших на выявление моделей миграции, территориального распределения и генных потоков белух, обитающих в Тихоокеанском регионе, в масштабах всего бассейна. Продолжительности данных исследований было недостаточно для непосредственного проведения тестов на существование натальной филопатрии и культуры миграции у этих долгоживущих млекопитающих, а также оценки стабильности моделей миграции и территориального распределения в рамках экологических периодов времени. Все эти исследования имели региональную направленность, что могло привести к искажению результатов оценки молекулярной и поведенческой биологии данного особо склонного к свободному передвижению вида в среде с незначительным количеством географических барьеров. Невозможность включить в исследование все популяции белух, к примеру, могла привести к искажению результатов кластерных анализов и ошибочным результатам тестов распределения. Малое количество используемых маркеров и недостаточный размер выборки во многих случаях ограничивали возможности интерпретирования наблюдаемых закономерностей дифференциации. Кроме того, различия в лабораторных условиях не позволяли сопоставить данные нативной ДНК (микросателлитных локусов) по исследованиям и популяциям, а число белух, пробы которых были взяты в процессе их миграции или пребывания вне традиционных прибрежных мест летования, было небольшим.

В данном исследовании были изучены миграционное поведение, территориальное распределение, структура популяций и идентичность скоплений белух, обитающих в Тихоокеанском регионе. Впервые в анализ были включены все основные прибрежные места скоплений белух в северной части Тихоокеанского региона. Нами были отобраны 1444 образца, с использованием которых был проведён анализ по митохондриальной ДНК и восьми микросателлитным локусам. Также, при помощи соответствующей литературы, мы проанализировали еще 203 белухи, обитающие на Дальнем Востоке России, изучив в общей сложности 1647 белух, обитающих в разных частях Тихоокеанского региона. Мы проверили гипотезу о том, что близкое расположение мест зимовок и летовок может влиять на степени территориального распределения и внутривидового скрещивания отдельных летних скоплений белух. Некоторые из полученных результатов были указаны Джоном Читта и др. в публикации по учету. В настоящее исследование мы также включили местообитания, в которых ранее наблюдения либо не проводились, либо проводились в недостаточном объеме, и значительно расширили анализ мигрирующих белух и временные рамки отбора образцов во многих районах, что позволило охватить почти три десятилетия, т.е. период с 1978 по 2010. В пределах расширенных временных рамок мы оценивали закономерности в родственных связях внутри группировок белух; между годами мы определяли уровень стабильности моделей миграции и структуры популяций белух в рамках экологического времени, а также исследовали происхождение популяций белух в одном из районов (залив Коцебу, Аляска), где однажды произошли резкие изменения в моделях ежегодных летних миграций. Наконец, мы также исследовали то, насколько данные проводимого на основе использования моделей кластерного анализа генетической структуры популяций и байесовского вывода о недавних скоростях пространственного распределения белух зависят от размера выборки, неравномерности её объема, числа локусов и различных степеней подразделения.

Материалы и методы

Отбор проб и их лабораторный анализ

Все образцы были собраны согласно разрешению, выданному Национальной Службой Морского Рыболовства США, соответствующему положениям закона США о защите морских млекопитающих, а также разрешениям на проведение научных исследований, выданными российским Советом по Морским Млекопитающим и Министерством Рыболовства и Океанов Канады. Нами были собраны образцы ткани 1444 белух из 45 мест обитания в 15 географически типических районах в заливе Аляска, море Бофорта, Чукотском море, Беринговом море, а также Охотском море в период с 1978 по 2010 годы. В Приложении S1 приведена более подробная информация об объёмах выборок в четырёх различных периодах пробоотбора. Образцы ткани были помещены в 20%-ный раствор диметилсульфоксида (ДМСО), насыщенный хлоридом натрия. Тотальная ДНК была выделена из каждого образца стандартным путём лизиса клеток при высоких концентрациях соли. Каждый образец был проверен на предмет изменчивости в контрольном регионе мтДНК в пределах 410 п.н. в соответствии с ранее использованными методами. Тотальная ДНК была также выделена из ряда высушенных тканей и образцов зубов путём использования стандартного метода экстракции древней ДНК на основе диоксида кремния. Пол особей, у которых были взяты образцы, определялся методами на основе полимеразной цепной реакции; все образцы были проверены на предмет изменчивости в пределах восьми микросателлитных локусов, типизированных по белухам и другим представителям китообразных. Предыдущие исследования, включая анализ образцов, взятых у 288 белух (в том числе 9 известных пар самок и их детенышей), который был проведён в рамках настоящего исследования, показали, что все восемь локусов были унаследованы в соответствии с менделевскими закономерностями, и что их наследование не сцеплено с полом. Сравнение наблюдаемой и ожидаемой частот генотипа в четырёх районах с наибольшими объёмами выборок, проведённое с помощью программы Micro-Checker (версия 2.2.3), показало, что только один из 32 тестов указывал на наличие нуль-аллеля (что свидетельствовало об избытке гомозигот), и не нашло никаких подтверждений выпадения крупных аллелей (0 из 32 тестов) и существования ошибок в подсчётах, связанных с наличием статтеров (0 из 32 тестов).

Анализ данных

Степень и характер изменчивости мтДНК в секвенированном участке оценивались путём определения числа вариабельных участков и уникальных гаплотипов с помощью программы MEGA 6.0, а также путём расчёта гаплотипического (H) и нуклеотидного (π) разнообразия с помощью программы Arlequin 3.5. Оценка степени генетического разнообразия (He, Ho и числа аллелей), а также вероятностей идентичности (I) ядерных микросателлитных локусов проводилась в программе Cervus 3.0. Проверка на соответствие данных равновесию Харди-Вайнберга (H-W), а также на равновесное сцепление проводилась в программе Genepop 4.1 со значениями P, выявленными в результате 500.000 итераций, проведённых с использованием точного теста по Гуо и Томпсону и цепей Маркова. Анализ данных по митохондриальной и нативной ДНК выявил, что популяции белух не находятся в состоянии равновесия мутаций и генетического дрейфа.

Для оценки степени генетической дифференциации на пространственном и временном уровнях, нами были рассчитаны индексы как частоты (Fst), так и дистанции (Φst, Rst). Индексы фиксации рассчитывались путём проведения дисперсионного анализа, а анализ критерия гомогенности проведен на основе 50.000 перестановок данных в пакете программы Arlequin. Критерием оценки эволюционных дистанций между парами последовательностей мтДНК служили простые попарные различия. Что касается ядерных микросателлитных локусов, в их случае генетические расстояния оценивались в соответствии с моделью пошаговых мутаций. Интервалы достоверности для индекса Fst и связанных с ним параметров высчитывались в программе Arlequin с помощью 20.000 бутстрэп-значений мультилокусных наборов данных нативной ДНК для каждого попарного сравнения. Для оценки потенциального влияния географической удалённости на уровень генетической дифференциации в географических районах, в программе Arlequin нами были проведены тесты Мантеля на основе 10.000 перестановок данных о генетическом расстоянии. За географические расстояния были приняты расстояния по прямой между центроидами территорий летовок и зимовок, которые были высчитаны в соответствии с данными спутниковой телеметрии.

Определение структуры популяции, выявление возможного числа популяций (K) и определения исходной популяции особей проводилось с использованием программы Structure 2.3.4 на основе Байесовского анализа кластеризации. Нами были проведены 28 отдельных анализов с уникальными значениями параметров: анализы проводились как с генетической примесью, так и без нее; с предварительным указанием мест отбора проб и без него; они также включали в себя серию проб различных размеров, взятых из полного комплекта проб по схеме случайного отбора с использованием числа R (n = 15, 30, 50, 100, и так далее), включающего в себя особей, успешно генотипированных в диапазоне локусов (n ≥ 6 локусов, n ≥ 7 локусов, n = все 8 локусов, см.) Для каждого набора параметров нами был установлен «период разогрева» в 50.000 итераций, за которым следовали 2x105 итераций, выполненных с целью сбора информации. Для обеспечения сходимости 1120 проведённых прогонов, для каждого значения K (n = 8) было проведено несколько прогонов (n = 5). В моделях Хьюбица и др., в целях дальнейшего выявления базовых структур и во избежание выявления несуществующих структур, места отбора проб указывались предварительно. Для того, чтобы определить, какие особи в популяциях являлись иммигрантами (либо потомками недавних иммигрантов), мы определили априорную вероятность того, что каждая особь являлась иммигрантом (v = 0.01–0.10) и включили информацию о географическом происхождении каждой пробы перед началом проведения анализа кластеризации. В целях сведения результатов нескольких прогонов с разными значениями K и внедрения методов отбора K, нами была использована программа Clumpak.

В целях дальнейшего исследования происхождения отдельных особей, с помощью программ Doh и whichrun 4.1 мы определили исходные популяции белух путём расчёта наиболее правдоподобных генотипов и/или гаплотипов мтДНК в каждой из отобранных популяций исходя из случайного распределения аллелей и независимости локусов. Показатель логарифма соотношения шансов (количественного показателя сцепления генов) наиболее вероятной исходной популяции ко второй наиболее вероятной популяции, составляющий ≥1 (т.е., при соотношении ≥10) обеспечил точность определения единственно верной исходной популяции.

Различия в аллельном разнообразии популяций могут привести к расчёту более высокой вероятности принадлежности генотипов к популяциям, не являющихся их исходными (т.е. номинальными), несмотря на то, что именно этот генотип может встречаться в исходной популяции относительно часто. В таких случаях для определения наиболее вероятной исходной популяции необходимо провести проверку на предмет исключения. Таким образом, мы изучили полученные показатели отношения правдоподобия генотипов в сравнении с показателями отношения правдоподобия прочих генотипов внутри каждой исходной популяции. При помощи Калькулятора Распределения программы Doh и ожидаемой на основании закона Харди-Вайнберга частоты генотипов из генетических пулов каждой популяции была сгенерирована 1000 новых особей, и натуральный логарифм рассчитанного отношения правдоподобия генотипов особей был сравнен с показателями правдоподобности распределения сгенерированных генотипов.

Модели пространственного распределения белух в масштабах экологического времени были изучены путём использования подхода Вильсона и Раннала, основанном на байесовском подходе, в пакете программы BayesAss 1.3. Для того чтобы оценить уровень влияния половой принадлежности на генетическое распределение (т.е. опосредованный самцами генный поток на территории общих мест зимовок или маршрутов миграции), мы рассмотрели давно сложившуюся демографическую и репродуктивную изоляцию, наблюдающуюся между популяциями залива Кука и популяциями, обитающими на территории Арктики, чтобы разграничить уровень влияния эффективной численности популяций, выбора локусов и генных потоков на оба типа маркеров путём сопоставления средних показателей дифференциации мтДНК и нДНК. Смещение в соотношении полов особей, участвующих в фактическом территориальном распределении (т.е. перемещении особей) выявлялось путём сопоставления уровней дифференциации (Fst) мтДНК и уровней дифференциации и среднего родства особей по ядерным микросателлитным маркерам (Fst, Fis, r, mAIc, vAIc) у самцов и самок. Суть данных тестов заключалась в отборе особей по завершении пространственного распределения с целью исключить влияние гомогенизирующих воздействий иммиграции и интербридинга обоих полов путём отбора проб у их потомства. В связи с предположением о том, что особи распределяются по территории преимущественно в юном возрасте, а также на пороге зрелости, в тестах изучались только половозрелые особи. Для проверки существования значительного смещения по половому признаку у особей, участвующих в пространственном распределении в настоящее время, был использован метод случайного подбора Гудэ и др. При помощи программы Fstat 2.9.3, мы сравнили наблюдаемые различия с нулевым распределением на основе 10.000 рандомизаций данных.

Для оценки состава мигрирующих популяций мы воспользовались методом оценки примесей в популяциях Пелла и Масуды, основанном на байесовском подходе. Данный метод учитывает фактор неопределённости при подсчёте доли «примеси», или, в данном случае, проб мигрантов, в популяции. В отличие от условного метода максимального правдоподобия, данный метод лучше определяет состав популяции путём использования данных выборки «примеси» для получения более точной оценки частоты генотипов исходной популяции. При помощи программы Bayes мы проверили несколько цепей с различными исходными параметрами (включая различные изначальные пропорции популяций) и воспользовались одномерным критерием, коэффициентом усадки, для отслеживания сходимости цепей к апостериорной вероятности. Анализы данных мтДНК и нДНК проводились как поочерёдно, так и вместе.

Наконец, поскольку филопатрия обыкновенно сопровождается высоким уровнем родства между включёнными в выборку особями из разных поколений, отбор проб которых ведётся в разные годы на одной территории, мы проверили данное предположение путём сравнения показателей среднего уровня родства и пропорций отношений первого и второго порядка (на основе нДНК) в течение и между различными годами в программах coancestry и ml-relate.

Результаты

Разнообразие мтДНК и нДНК

В общей сложности, на предмет различий в пределах 410 п.н. в контрольном регионе мтДНК и смежном гене пролиновой тРНК были проверены 1444 особей, обитающих в северной части Тихого Океана. Так, было обнаружено 24 вариабельных участка, каждый из которых являлся заменой (23 транзиций и 1 трансверсия). Нами было обнаружено 36 гаплотипов, 12 из которых были представлены отдельными особями. В целях снижения погрешности неслучайной выборки близкородственных особей, в последующие анализы было отобрано только по одному представителю из включённых в выборку пар самок и их детенышей. В связи с большим количеством редких гаплотипов, общее гаплотипическое разнообразие оставшихся 1435 особей было высоким (H = 0.84), тогда как нуклеотидное разнообразие было средним (π = 0.49%), что свидетельствовало о том, что большинство гаплотипов были тесно связаны филогенетически. Эти результаты были отражены в медианной сети уникальных гаплотипов мтДНК; данная сеть также характеризуется рядом «звездообразных» филогений с несколькими более редкими гаплотипами, расходящимися от более распространённого центрального гаплотипа – структуры, которая широко интерпретируется как признак древней демографической экспансии.

В выборке из 1116 особей был успешно исследован полиморфизм шести или более микросателлитных локусов. Точные тесты Фишера на соответствие данных равновесию Харди-Вайнберга (т.е. 8 локусов по 9 географическим регионам) выявили, что 11 из 72 выборок значительно отличались при α = 0.05. Эти отклонения отчасти объяснялись объединением трёх районов с небольшим размером выборок в один «Охотский» район, и они различались по районам и локусам; выборка включала 7 различных локусов и 8 отдельных локаций, и в ходе анализа основных мест скоплений белух нами не было обнаружено доказательств наличия сцепления в 8 локусах. Среднее ожидаемое значение гетерозиготности (He) в 8 локусах по всему географическому району варьировалось от 0.511 до 0.799. Число аллелей на каждый локус в пределах района варьировалось от 2 для локуса CS415 в заливе Якутат в штате Аляска, до 16 для локуса DlrFCB17 на территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена в Канаде, и вероятность идентичности (P(ID)) для каждого района составила порядка 10−5 – 10−10.

Генетическая дифференциация и кластерный анализ на основе моделей

Существенные уровни дифференциации мтДНК были обнаружены в трех основных регионах концентрации белух, расположенных в северной части Тихоокеанского региона, что было отражено как в индексе дистанции (Φst = 0.105–0.321), так и в индексе частоты (Fst = 0.079–0.285). Все шесть основных районов летней концентрации белух, расположенных в регионе БЧБ (Бристольский залив, заливы Нортон и Коцебу, лагуна Касегалук, территория между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена, а также Анадырский залив), отличались высокой степенью дифференциации (Fst = 0.106–0.507); единственным исключением стал низкий уровень разнородности мтДНК между популяциями в заливе Коцебу и на территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена (Fst = 0.022). Существенный уровень разнородности мтДНК был также выявлен между выборками из трёх основных мест летней концентрации белух в Охотском море (Fst = 0.104–0.293). В ходе сравнения летних скоплений и постоянных популяций белух в северной части Тихого Океана, заливе Кука и Бристольском заливе было выявлено, что уровень дифференциации мтДНК между ними был наиболее высоким – средние значения Fst превышали 0.39 и 0.44 соответственно.

В целом, уровень дифференциации нДНК был ниже уровня дифференциации мтДНК, но его показатели существенно различались по различным регионам, а также между большинством летних скоплений и постоянных популяций. Как и в случае мтДНК, показатели генетической дифференциации по микросателлитным локусам в выборке из залива Кука были наиболее высокими среди показателей из всех остальных географических регионов (= 0.056). Отсутствие дифференциации нДНК или очень низкие её уровни наблюдались между заливом Нортон и Анадырским заливом, заливом Коцебу и территорией между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена, а также Анадырским заливом и территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена. Недостаточность объема выборки не позволила провести анализ разнородности мтДНК в Охотском море. В ходе иерархического анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) было выявлено, что в связи с дифференциацией, наблюдаемой между группировками белух в регионах и популяциями внутри групп, уровень общей изменчивости нДНК был выше уровня общей изменчивости мтДНК.

В кластерном анализе на основе моделей присутствовало частое совпадение различных параметров. Без предварительного указания информации о географическом происхождении образцов и генетических примесей в типических группах, нами был проведен кластерный анализ генотипических данных, выявивший, что наиболее соответствовал данным K = 2 популяции. Определение исходных популяций отдельных особей показало, что оба эти генетически несвязанные кластеры популяций принадлежат географическому району, объединяющему залив Кука и Охотское море, а также региону БЧБ. Указав информацию о генетической примеси, мы выявили, что существование одной популяции (K = 1) было наиболее вероятным, несмотря на очевидность географической кластеризации залива Кука и Охотского моря и региона БЧБ, особенно в случае анализа выборок меньшего объема (т.е. n = 30, n = 50). Эти данные подтверждают наличие генетической дивергенции в более чем региональном масштабе. Повторный анализ данных с предварительным указанием информации о местах отбора проб выявил существование дополнительной структуры. Большинство анализов, проведённых с различными параметрами, т.е. объёмами выборок (n = 15, 30, 50, 100, и т.д.), локусами (≥6, ≥7, 8) и объёмами недостающих данных (т.е. 0% - 4.9%), выявили, что особи, у которых были взяты пробы, вероятнее всего, происходили из пяти (K = 5) генетически несвязанных популяций (Pr (K|X ≈1.0). По происхождению, данные кластеры популяций соответствовали территориям залива Кука, Бристольского залива, лагуны Касегалук, территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена, а также Охотскому морю. В заливе Нортон генетически несвязанного кластера популяций обнаружено не было; исходные популяции особей, обитающих на данной территории, происходили из территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена и Бристольского залива. Аналогичным образом, генетически несвязанного кластера популяций также не было обнаружено и в Анадырском заливе – в ходе анализов было установлено, что исходная популяция особей, обитающих в этом регионе, происходит из территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена и Охотского моря. Тем не менее, в Анадырском заливе была обнаружена отдельная популяция в ходе некоторых анализов, которые показали наибольшую вероятность существования (n = 2/28) шести популяций (K = 6), а также анализов, показавших высокую степень вероятности K = 6. Это подтверждается результатами анализов, проведённых в программе Clumpak, суммарные графики которых по каждому прогону с разными значениями K показывают явное наличие популяционного кластера в Анадырском заливе и отсутствие чёткого кластера в заливе Нортон. Во всех проведённых анализах территория залива Коцебу была отнесена тому же кластеру, что и территория между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена.

Тесты Мантеля выявили прямую корреляцию между генетической дифференциацией и географической отдалённостью в регионе БЧБ. Более явная корреляция с генетической неоднородностью была обнаружена в ходе сопоставления данных мест зимовок (rмтДНК-Fst = 0.9, p = 0.007) с местами летовок (rмтДНК-Fst = 0.1, p = 0.351), а также данных мтДНК (r = 0.1–0.9) с данными нДНК (r = 0.12–0.27).

Сезонная миграция

В целях определения исходных популяций особей нами были проведены тесты отношения максимального правдоподобия по четырём географическим группировкам белух, образцы тканей которых были отобраны в ходе их весенней миграции в северном направлении (возле Пойнт-Хоуп, к востоку от Чукотки, и острова Крузенштерна), либо вне традиционных мест их концентрации (неподалёку от городов Барроу и Кактовик) в течение лета и ранней осени. Используя данные мтДНК, программа Whichrun определила, что исходная популяция большинства белух, обитающих возле Пойнт-Хоуп (95.4%), а также остальных трёх регионах (85.7%), обитает в месте концентрации на территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена (т.е. в восточной части моря Бофорта). Величина отношения индивидуального правдоподобия особей по генотипу ядерной ДНК для данного района концентрации была выше, чем для района концентрации, расположенного неподалёку от лагуны Касегалук (т.е. в восточной части Чукотского моря). У многих особей общий показатель степени сцепления генов мтДНК-нДНК составил > 1 в отношении территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена (n = 23/45). Тесты распределения по типам маркеров доказали, что мтДНК влияет на кумулятивную вероятность родства в большей степени, чем другие локусы.

Определение происхождения мигрирующих белух путём анализа данных образцов тканей отдельных группировок в программе Structure было проведено с использованием основанного на моделях метода кластеризации (исключительно нДНК). Так, мигрирующие белухи, обитающие возле Чукотки, Пойнт-Хоуп и неподалёку от городов Барроу и Кактовик, были отнесены к летнему скоплению белух, обитающим на территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена в восточной части моря Бофорта. В то же время, большинство белух, путь миграции которых лежит неподалёку от острова Крузенштерна, имели высокий уровень предполагаемого родства, либо родословную (Q) с особями, обитающими неподалёку от лагуны Касегалук в восточной части Чукотского моря.

Использование метода оценки примеси в популяции в пакете программы Bayes позволило оценить состав популяции и, соответственно, вероятность смешанного происхождения мигрирующих популяций, а также определить наиболее вероятные исходные популяции отдельных мигрирующих особей. Рассчитанные коэффициенты усадки каждого прогона были близки к единице (1.00–1.01), что свидетельствует о схождении ряда цепей, сгенерированных с указанием различных исходных параметров, к апостериорной плотности. Данные мтДНК показали, что правдоподобность происхождения группы мигрирующих белух во всех четырёх регионах из восточной части моря Бофорта была очень высокой (медиана = 0.80–0.97), в то время как правдоподобность их происхождения из восточной части Чукотского моря была, соответственно, очень низкой. Средний уровень правдоподобности смешанного происхождения был обнаружен только у особей, пробы которых были отобраны неподалёку от города Барроу. Результаты анализа микросателлитных локусов также показали высокую долю особей, происходящих из восточной части моря Бофорта в популяциях, обитающих возле Чукотки, Пойнт-Хоуп и городов Барроу и Кактовик, несмотря на то, что распределения плотности продемонстрировали больший уровень перекрытия по сравнению с мтДНК. Вопреки результатам, полученным в ходе анализа мтДНК, было установлено, что белухи, обитающие возле острова Крузенштерна, вероятнее всего, происходили из восточной части Чукотского моря. Определение исходных популяций особей по различным типам маркеров подтвердило маловероятность того, что стада белух, весенние маршруты миграции которых проходят возле Чукотки и Пойнт-Хоуп, состоят из особей, обитающих в море Бофорта и Чукотском море, так как исходной популяцией практически всех особей стала популяция в море Бофорта (P>0.9 по результатам мтДНК и P>0.6 по результатам микросателлитов). Результаты распределения популяции, обитающей возле острова Крузенштерна, значительно различались в зависимости от выбранных маркеров. Так, результаты анализа микросателлитов, проведённого в программе Bayes свидетельствовали о высокой правдоподобности того, что большинство особей данной популяции (8/10) произошли из Чукотского моря, однако анализ мтДНК свидетельствовал о высокой правдоподобности происхождения данных особей из моря Бофорта. Наконец, тогда как анализы нДНК и мтДНК показали, что исходная популяция большинства особей, обитающих неподалёку от городов Барроу и Кактовик, обитает в море Бофорта, на основе данных анализа мтДНК было также установлено, что отдельные особи данной популяции происходят из Чукотского моря.

Хотя сам факт того, что тесты распределения отнесли отдельные группировки белух к одному исходному кластеру популяций, не является доказательством случайного смешения популяций, эти данные, в совокупности с отсутствием дифференциации по мтДНК и нДНК, а также в сочетании со временем совершения белухами миграции в северном направлении по маршруту, проходящему возле Пойнт-Хоуп, и прибытия белух на территорию между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена, свидетельствуют о том, что белухи, обитающие в этих двух географических местах, являются частью одной и той же исходной популяции, обитающей в восточной части моря Бофорта. Именно по этой причине анализы моделей пространственного и временного распределения белух (см. ниже) были проведены с объединением особей, обитающих неподалёку от Пойнт-Хоуп и на территории между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена, в единую типическую группу – группу восточной части моря Бофорта.

Распределение на территории

Результаты генетической оценки последних степени территориального распределения белух, проведенной с использованием программы BayesAss, свидетельствуют о наличии незначительного уровня (m≤0.004) миграции особей из различных популяций в залив Кука. Но неопределённость в результатах оценки степени распределения летних концентраций белух в регионе БЧБ свидетельствует о том, что, в отличие от случая с оценкой данных по заливу Кука и региону БЧБ, полученной информации было недостаточно для проведения оценки степени распределения по региону БЧБ за такой короткий промежуток времени (всего в несколько поколений) с использованием этого метода.

Оценка масштабов генного потока по половому признаку, проведённая путём сравнения относительных показателей дифференциации по нДНК и мтДНК, выявила, что показатели дифференциации по микросателлитным локусам (Fst) в отношении попарных различий особей, обитающих в заливе Кука, были в среднем в 7.1 раз ниже, чем соответствующие показатели по мтДНК. В то же время, показатели средней дифференциации по микросателлитам среди особей, обитающих в четырёх летних скоплениях в регионе БЧБ, были в 22.9 раз ниже, чем соответствующие показатели по мтДНК. Аналогичные результаты были получены в ходе оценки расстояния. Следует отметить два исключения из общего правила. Первое заключается в низком показателе соотношения (соотношение Fst = 7.3) данных по Бристольскому заливу и заливу Нортон, связанному с высокой частотой гаплогруппы мтДНК Hap#5 в данных регионах. Второе заключается в очень высоком показателе соотношения (соотношение Fst = 55.6) данных по заливу Нортон и реки Маккензи, связанном с очень низкими уровнями соотношения дифференциации по микросателлитным локусам между этими районами – эти данные также были отражены результатах кластерного анализа.

Проведение оценки современного территориального распределения белух по половому признаку путём сопоставления данных по генетической разнородности и родству групп особей, пробы которых были взяты после завершения территориального распределения, было возможным в отношении популяций из восточных частей моря Бофорта и Чукотского моря с 1988 по1997. Показатели дифференциации мтДНК среди половозрелых самцов (стандартная длина ≥350 см), были хоть и значительными, но все же ниже, чем показатели дифференциации среди половозрелых (стандартная длина ≥300см) самок (Fst самцов = 0.218 против Fst самок = 0.235). Аналогичным образом, путём использования функции fstat было выявлено, что уровень различий в частоте встречаемости аллелей по маркерам ядерных микросателлитных локусов популяций из восточных частей моря Бофорта и Чукотского моря был значительно ниже у половозрелых самцов, чем у половозрелых самок (Fst самцов= 0.010 против Fst самок= 0.022, p = 0.043), тогда как средний уровень родства особей в каждом из районов был значительно ниже среди самцов, чем среди самок (rсамцов = 0.0204 против rсамок = 0.0419, p = 0.042). Эти половые различия были наиболее выражены у крупных (т.е. более взрослых) особей.

Оценка характеристик закономерностей недавнего территориального распределения была проведена с использованием методов индивидуального распределения особей. В результате использования четырёх методов правдоподобия и байесовского вывода нами были выявлено, что очень небольшой процент белух являлись возможными мигрантами, либо происходили от мигрантов. Большинство (74%) особей, являющихся возможными мигрантами, а также происходящих от мигрантов, были половозрелыми самцами. В то время как число отобранных самцов в каждой популяции, как правило, превышает число отобранных самок, сопоставление соотношения полов в популяции с наибольшим числом особей, у которых были взяты образцы, обитающей в восточной части Чукотского моря (М:Ж– 1.56:1), с числом возможных мигрантов или потомков мигрантов в данной популяции (М:Ж– 5.67:1) выявило значительное смещение в сторону самцов (χ2 = 4.77, p = 0.03).

Анализ временных данных и данных родства

Временное сопоставление данных на шкале времени с ценой деления, равной десяти годам, не выявило практически никаких различий в географических закономерностях изменчивости мтДНК и нДНК в практически всех географических регионах в указанных рамках экологического времени. Средний показатель дифференциации мтДНК в различные периоды времени (т.е. 1980-е, 1990-е, 2000-е и так далее) в каждом регионе был близок к нулю ( = 0.017 ± 0.1, p >0.05), и был значительно ниже соответствующих средних значений по регионам ( = 0.308 ± 0.15; t-критерий: p = 0.0003). Показатели дифференциации нДНК были аналогичными; программа Structure отнесла белух из каждого места летней концентрации, пробы которых были отобраны в разные периоды времени, в одни и те же кластеры популяций. Как и в случае с оригинальным комбинированным набором данных, у популяции из залива Нортон наблюдался низкий уровень дифференциации (Fst) вне и внутри кластера, включающего Бристольский залив и восточную часть моря Бофорта. Единственным исключением стал залив Коцебу, где наблюдался значительный уровень дифференциации мтДНК (Fst = 0.12–0.31) между особями, пробы которых были взяты в 1980-х, до сокращения численности данной популяции, и особями, пробы которых были взяты в 1990-х и 2000-х. Данных о нДНК популяции 1980-х не имелось, поскольку в данной популяции ДНК была извлечена методом экстракции древней ДНК из образцов зубов и высушенных образцов тканей.

Анализы на степень родства выявили значительное количество близкородственных особей в группировках белух, пробы которых были взяты в одно время в местах летней концентрации в лагуне Касегалук. Проведённый анализ также выявил, что значительное количество белух, пробы которых отбирались в местах летней концентрации в разные годы, оказались близкородственными особями, в том числе и возможными родителями или их потомками. Результаты анализа, проведённого в программе coancestry, показали, что средний показатель попарного родства, , существенно не отличался от показателя в том же месте летней концентрации белух в разные годы, оцененного как методом моментов, так и методом максимального правдоподобия. Это было справедливо для выборок, разница между временем пробоотбора для которых составляла до 20 лет. Определение парных отношений среди особей, вероятность родства которых наиболее правдоподобна, при помощи данных r, полученных методом максимального правдоподобия, выявило, что соотношение особей, состоящих в близком родстве (т.е. родителей и их потомства, полных сибсов, полусибсов и других родственников) и особей, состоящих в дальнем, либо не состоящих в каком-либо родстве, в течение указанного года составляло 20% к 80% (G = 0.2–1.8, p>0.5). Также было выявлено, что данное соотношение временного периода в один год не отличалось от показателей соотношения в другие годы даже в случаях, когда проводилось сравнение выборок, разница между временем пробоотбора для которых составляла до 20 лет (G = 0.2–2.9, p>0.5).

Обсуждение

В ходе данного исследования были найдены убедительные доказательства существования широко распространенной натальной филопатрии белух не только по отношению к местам их летовок, но и по отношению к целым миграционным маршрутам в регионах с минимальным количеством географических барьеров, препятствующих их свободному территориальному распределению, которые способствуют перекрытию различных субпопуляций во времени и пространстве. Было выяснено, что близкородственные особи каждый год собираются вместе на территории прибрежных мест летовок, и что промежутки времени между задокументированными миграциями в данные места летовок белух, состоящих в близком родстве, достигали до 20 лет. Нами было найдены доказательства существования территориального распределения по половому признаку, которые были более явными, чем доказательства, найденные в ходе предыдущих исследований. Нами также были зафиксирована стабильность миграционных моделей поведения, а также моделей поведения, связанных с территориальным распределением, на протяжении указанных рамок (т.е. десятилетий) экологического времени, за некоторыми примечательными исключениями. В ходе изучения расширенного набора данных нДНК нами была выявлена тенденция к ограниченному инбридингу между отдельными субпопуляциями региона БЧБ, где близкое расположение мест зимовок и маршрутов весенней миграции различных популяций влияют на уровень общения между особями и их обмена генетическими ресурсами больше, чем близкое расположение мест их летовок. Результаты данного исследования подтверждают данные, полученные в ходе спутниковой телеметрии, относительно ряда преимущественно раздельных, местами перекрывающихся, ареалов зимовок в регионе БЧБ, и противоречат результатам предыдущих генетических исследований, которые указывали на существование единого места зимовки, а также панмиксии между всеми субпопуляциями, обитающими в Беринговом море, Чукотском море и море Бофорта.

Обширная в пространственном и временном отношении выборка, а также тщательный анализ данных каждой особи позволили нам получить более детальную картину миграционных маршрутов, районов смешивания, моделей территориального распределения и генетического потока данного долгоживущего, особо склонного к свободному передвижению вида млекопитающих, чем было возможно ранее. Результаты анализа, основанного на использовании моделей, а также результаты тестов распределения, были значительно улучшены благодаря увеличению объёмов выборок и числа локусов, обоснованности предположений о результатах прогонов, а также включения в выборку всех потенциальных кластеров популяций. Ограниченный объём данных микросателлитов в регионах существенно сказался на способности программы BayesAss оценить недавние темпы территориального распределения, что было также признано в ходе ряда других исследований. Далее мы обсудим результаты исследования и их влияние на поведенческую биологию и особенности организации белух более подробно.

Демографическая история

Филогеографические закономерности дифференциации популяций по маркерам нДНК и мтДНК у белух, обитающих на территориях залива Аляска, региона БЧБ и Охотского моря в Тихоокеанском регионе, вероятнее всего, отражают давно сложившиеся модели ограниченного потока генов и распределения. Это особенно справедливо в отношении популяции залива Кука, обитающей в заливе Аляска, что подтверждает, что данная небольшая, географически удалённая популяция изолирована от прочих популяций белух как репродуктивно, так и демографически, и, вероятно, была изолирована на протяжении эволюционного периода времени. Результаты исследования в данном бассейне дополняют результаты исследований по региону, проведённые ранее, и подтверждаются исследованиями, проведённые методом спутниковой телеметрии, в результате которых были составлены карты зимних и летних маршрутов передвижений белух. В совокупности, эти исследования показывают, что полуострова Аляска и Камчатка являются барьерами, эффективно препятствующими территориальному распределению и генному потоку с течением времени. Прогнозы дальнейшего потепления климата в Арктике в сочетании с врождённой, или натальной, предрасположенностью белух к возвращению в место своего рождения (см. ниже), скорее всего, в будущем будут способствовать сохранению отдельных популяций в регионе.

Последовательность, в которой отдельные географически типические группы проявились в ходе кластерного анализа как отдельные кластеры популяций, может помочь узнать больше об их происхождении. На ранних этапах проведения различных кластерных анализов, популяции Бристольского залива и лагуны Касегалук проявились как отдельные кластеры популяций, то есть, имели низкие значения K, в то время как большинство прочих типических групп региона БЧБ, в том числе и небольшой кластер популяций в Охотском море, не были разделены до недавнего времени (т.е. имели высокие значения K). Такие выводы были сделаны на основе многочисленных факторов, однако они также могут свидетельствовать о ранней дивергенции этих популяций в регионе БЧБ, и возможном существовании отдельных ледниковых рефугиумов этих двух популяций.

Филопатрия, структура групп и культура миграции

Существенные уровни дифференциации мтДНК среди особей обоих полов в местах летней концентрации, расположенных на территории Берингова моря, Чукотского моря, моря Бофорта и Охотского моря, свидетельствуют об ограниченном пространственном распределении особей между этими регионами, а также возможном существовании давно сформировавшейся склонности к филопатрии по отношению к местам летней миграции, опосредуемой самками. Несмотря на то, что этот факт стал практически универсальным объяснением существования подобных моделей изменчивости мтДНК, как видно, это предположение редко проверялось на практике. Оно основано на предположении о существовании простой модели генетического дрейфа и территориального распределения, объясняющей дифференциацию популяций преимущественно по частоте (Fst). Однако существует несколько факторов, которые могут усложнить интерпретацию разделения мтДНК с точки зрения современных моделей территориального распределения: местные популяции могут не находиться в состоянии равновесия, объём выборки может быть недостаточным, и маршруты миграции мигрирующих видов могут изменяться со временем и из поколения в поколение (см. ниже). Путём анализа выборок большого объема, которые отбирались на протяжении многих лет, мы выявили очень небольшое количество самок и самцов белух, которые, вероятнее всего, являлись мигрантами или потомками мигрантов, а также задокументировали систематические закономерности дифференциации мтДНК в большинстве регионов на протяжении десятков лет отбора проб. Тогда как средний возраст первого периода размножения у белух, обитающих на территории Неарктики, приходится на 8.3 года, данный временной ряд, вероятно, охватывает несколько поколений и способствует сохранению филопатрии по отношению к натальным популяциям либо летним скоплениям в качестве доминирующей черты, характерной для белух. Открытие того, что значительное количество белух, пробы которых отбирались в местах летней концентрации в разные годы, оказались близкородственными особями, в том числе и возможными участниками пар родителей и их потомства, служит прямым доказательством существования натальной предрасположенности белух к возвращению в место своего рождения.

Результаты недавнего исследования, обобщающего результаты многочисленных исследований, проведённых методом спутниковой телеметрии, показали, что особи из различных мест летовок, расположенных на территории региона БЧБ, как правило, возвращаются в различные места зимовок, расположенные в северной части Берингова моря. Результаты проведённых нами генетических анализов, в совокупности с этими данными о местах зимовок и зимних маршрутов миграции, указывают на то, что филопатрия белух может распространяться на целые маршруты миграции, включающие в себя пути миграции, районы сосредоточения, места линьки, а также места зимовок и летовок, способствуя, в свою очередь, возникновению и сохранению демографически различных субпопуляций вне зависимости от степени сезонного перекрытия популяций либо уровня их инбридинга (см. ниже).

Существование натальной филопатрии было зафиксировано либо выявлено у целого ряда видов, склонных к миграциям и путешествиям на дальние расстояния, в том числе среди птиц, рыб, рептилий и млекопитающих. Было высказано предположение, что подобная тенденция к возвращению в места рождения у видов, для которых характерны длительные периоды заботы о потомстве или сосуществования с родителями, может сопровождаться наличием культуры миграции, в результате которой особи узнают о миграционных маршрутах и местах миграции от своих родителей. Не так давно Хэл Уайтхэд заявил, что доказательства существования культуры у животных встречаются редко, и что документирование культурной стабильности (у животных) – задача сложная. Более того, несмотря на то, что уровень генетической дифференциации может свидетельствовать о добросовестной передаче культуры миграции от поколения к поколению, это еще не является её прямым доказательством.

Колбек и др. недавно обнаружили, что группы близкородственных особей белух часто мигрируют вместе на территорию Гудзонова залива в Канаде, и предположили, что это может облегчить изучение маршрутов миграции. Мэттьюз и Фергюсон подтвердили, что детеныши белух остаются зависимыми от своих матерей на протяжении первых двух и более лет жизни, и, соответственно, нескольких циклов миграции. При изучении в сочетании с полученными данными об ограниченном территориальном распределении белух по регионам, а также о значительном числе близкородственных особей, обнаруженных на различных местах летовок не только среди популяций и в разные годы, но и в разные десятилетия пробоотбора в тех же местах, подобные данные свидетельствуют о возможном существовании объединений близкородственных особей, в которых они состоят на протяжении всей своей жизни, и служат убедительным доказательством наследования белухами миграционной культуры, которая может распространяться не только на конкретные места миграции, но и на целые миграционные маршруты.

Ежегодное возвращение белух в традиционные места в определённое время года, вероятно, является следствием приспособления вида к неравномерному распределению ресурсов в северной части Тихоокеанского региона, и предсказуемости сезонного увеличения объема этих ресурсов, в число которых входят пища и места линьки, отёла и размножения. Конфигурация миграционных маршрутов каждой популяции белух, и, следовательно, степень их перекрытия, вероятнее всего, формируется под влиянием физических факторов, которые непосредственно влияют на выбор путей миграции (т.е. морской лёд, география), а также исторических факторов, таких как послеледниковая колонизация. Любое изменение в параметрах окружающей среды, по-видимому, может привести к нарушениям в моделях миграционных маршрутов и сезонных местообитаний (см. ниже), и/или в степени филопатрии по отношению к этим географически различным миграционным маршрутам. Проведённое недавно исследование показало, что миграции белух устойчивы к межгодовым колебаниям ледовых условий, что может быть следствием наследования миграционной культуры. Тем не менее, исследование отмечало, что аномалии в миграционных маршрутах белух были связаны с аномальными ледовыми условиями, которые наблюдались в те годы.

Территориальное распределение и генный поток

Повышенная статистическая значимость данных, связанная с увеличением объёма используемого нами набора данных, позволила провести более качественную оценку территориального распределения по половому признаку по сравнению с предыдущими исследованиями. В то время как тенденция к филопатрии наблюдалась у обоих полов, обнаруженные нами данные свидетельствуют о том, что территориальное распределение проводится преимущественно половозрелыми самцами. Распределение по территории особей преимущественного мужского пола – процесс, типичный для млекопитающих, который рассматривается в качестве стратегии, позволяющей снизить уровень конкуренции среди самцов, и избежать инбридинга. Большие размеры популяций и группировок белух, обитающих в Тихоокеанском регионе, а также возможность скрещивания с другими популяциями в определённые времена года (см. ниже), могут значительно снизить необходимость самцов белух в территориальном расселении. Всё больше данных свидетельствует о существовании сезонного разделения белух по возрасту и полу, а также различий в выборе местообитания между самцами и самками. На основе результатов, полученных в ходе данного исследования, можно утверждать, что особи обоих полов обладают филопатрией по отношению к одной и той же миграционной сети, но не всегда совершают миграцию вместе.

Хотя многочисленные факторы мешали сравнению генетической неоднородности по маркерам с различными типами наследования, нам удалось соотнести низкий уровень дифференциации нДНК по сравнению с дифференциацией мтДНК между субпопуляциями в регионе БЧБ с активным генным потоком, опосредуемым самцами белух, отвергнув, однако, предположение о существовании панмиксии на общих местах зимовок. Данные результаты отличаются от данных исследования микросателлитных локусов, проведённого ранее в этом регионе Браун Глэдденом и др. на основе гораздо меньшего набора данных (т.е., локаций, проб, лет и локусов). Они также отличаются от недавних результатов исследований белух, обитающих на территориях Канады и Дальнего Востока России. Тёрджен и др. не обнаружили убедительных доказательств существования дифференциации нДНК среди демографически различных групп летования на территории Гудзонова залива, что, вероятнее всего, служило доказательством практически случайного спаривания белух на общих местах размножения. Аналогичным образом, Мещерский и др. не нашли доказательств существования дифференциации между двумя из трёх демографически различных групп летования на территории Охотского моря (см. также результаты по мтДНК в данном исследовании) и сделали вывод о том, что данные группы имели общий генетический пул.

Нами было установлено, что генетическое расстояние больше связано с расстояниями между местами зимовок, чем местами летовок, что свидетельствует о том, что генный поток и территориальное распределение, вероятнее всего, происходит на местах зимовок либо неподалёку от них. Зима и ранняя весна – это время, на которое приходится разгар случного сезона, когда различные субпопуляции белух находятся в непосредственной близости. Например, тогда как модели изменчивости мтДНК в заливе Нортон свидетельствовали о существовании на территории данного бассейна филопатрии, опосредованной самками белух, модели изменчивости нДНК и результаты кластерного анализа с использованием моделей свидетельствовали об активном генном потоке между белухами в заливе Нортон и субпопуляциями Бристольского залива и восточной части моря Бофорта. Несмотря на то, что места летовок данных субпопуляций находятся далеко от залива Нортон (1000 км и 2000 км, соответственно), данные недавнего исследования, полученные путём использования метода телеметрии, показали, что ареалы зимовок субпопуляции в заливе Нортон могут в некоторой степени перекрываться с ареалами зимовок субпопуляций Бристольского залива и восточной части моря Бофорта. Аналогичным образом, низкие показатели дифференциации нДНК и кластеризации могут свидетельствовать о существовании похожей ситуации в случае субпопуляции белух, обитающих в Анадырском заливе, и белух из восточной части моря Бофорта и Охотского моря. Тем не менее, небольшой объём подборки выборки из этих регионов на данный момент исключает вероятность обоснованности подобных выводов.

Сезонные миграции

Тесты распределения и анализы состава скоплений мигрирующих белух показали, что несмотря на то, что ареалы зимовок и летовок субпопуляций, обитающих в восточной части Чукотского моря и восточной части моря Бофорта, в некоторой степени перекрываются, время их весенней миграции отличается – белухи, охота на которых велась в прибрежных районах Чукотки, в Беринговом проливе (т.е. возле острова Крузенштерна) и на северо-западе Аляски (т.е. Пойнт-Хоуп) весной и у берегов Аляски в море Бофорта летом, преимущественно происходили из популяции, обитающей в восточной части моря Бофорта. Это согласуется с результатами проведённых ранее генетических исследований и последних исследований, проведённых методом телеметрии, которые выявили, что весенняя миграция белух из восточной части моря Бофорта происходит раньше, и что плотность ледяного покрова на момент миграции данной популяции выше плотности ледяного покрова на момент миграции белух из восточной части Чукотского моря. Данные о том, что только небольшое число отдельных особей в этих весенних местообитаниях с наибольшей вероятностью происходят от популяции, обитающей в восточной части Чукотского моря, или имеют смешанное происхождение, свидетельствуют о том, что весной Берингов пролив служит белухам в качестве района смешивания. Это также подтверждается результатами недавнего исследования о маршрутах миграции, проведённого Читта и др., в ходе которого было выявлено, что белухи из восточной части моря Бофорта, на которых были установлены метки, весной совершали миграцию в северном направлении через Берингов пролив раньше, чем белухи из восточной части Чукотского моря, мимо основного места зимовки которых проходил маршрут помеченных белух.

Временные аномалии

Модель ежегодного возвращения белух в традиционное место летовок, расположенное в заливе Коцебу региона БЧБ, отличается от всех остальных. Число белух, возвращающихся каждое лето в залив Коцебу, резко упало в начале 1980-х. За этим последовали десятилетия нестабильности возвращений. Проведённые ранее генетические исследования нашли доказательство тому, что белухи, возвращавшиеся в залив до начала спада численности популяции, вероятнее всего, являлись демографически отдельной субпопуляцией, и что группа белух, совершавшая миграции в залив в 1990-х и 2000-х, вероятнее всего, включала особей, обитающих в море Бофорта. Однако данные исследования не включали все потенциальные субпопуляции в регионе БЧБ, потому происхождение популяции белух в заливе Коцебу оставалось под вопросом. Настоящее исследование включило в себя все основные места летовок в регионе БЧБ и подтвердило, что до начала спада численности летнее скопление белух в заливе Коцебу, вероятнее всего, являлось демографически отдельной субпопуляцией, и что группа белух, совершавшая миграции в залив в 1990-х и 2000-х (по крайней мере, в годы, в которые было отобрано большое количество проб), отличалась от группы, пробы которой были собраны изначально, и, вероятнее всего, состояла преимущественно из белух из субпопуляции, обитающей в восточной части моря Бофорта.

Эволюция, экология и управление

Макрогеографические закономерности генетической дифференциации белух, обитающих в северной части Тихоокеанского региона, указывают на наличие дивергенции эволюционных траекторий обитающих в регионе популяций в тысячелетних масштабах. Региональная адаптация популяций белухи представляется наиболее вероятной в таких временных рамках, тогда как вероятность восстановления небольших и/или сокращающихся популяций, подобным той, что обитает в заливе Кука, путём присоединения новых особей из других регионов, скорее всего, мала. Стабильность закономерностей генетической неоднородности в географических районах в масштабах десятилетий и доказательства существования в них родства в масштабах поколений могут свидетельствовать о существовании у популяций белух культурной стабильности, необходимой для геннокультурной коэволюции, в ходе которой различные культуры становятся движущей силой эволюции нейтральных и функциональных генов за более короткий период времени.

Результаты исследования показали, что все географически различные летние скопления белух в указанных регионах являются демографически независимыми субпопуляциями, которые в целях сохранения здоровых и жизнеспособных популяций по всему ареалу обитания вида должны рассматриваться в области управления как отдельные популяции. Значительно расширенный объём данных (по сравнению объёмами данных, использованными в ходе предыдущих исследований) позволил узнать, что пять из шести летних популяций белух в регионе БЧБ теперь могут рассматриваться как отдельные скопления: в Бристольском заливе, в восточной части Берингова моря (залив Нортон), восточной части Чукотского моря (лагуна Касегалук), восточной части моря Бофорта (территория между дельтой реки Маккензи и заливом Амундсена) и в Анадырском заливе. Нами также было обнаружено, что шестая традиционная летняя популяция белух в заливе Коцебу, вероятнее всего, была отдельной субпопуляцией до начала сокращения численности в 1980-х, но это предположение требует дальнейшего изучения текущего состава данного скопления.

До сих пор представление о популяциях и, следовательно, демографических единицах белух в большей части Арктики, где преобладают летние скопления, формировал недостаточный объём информации о масштабах интербридинга белух в сочетании с нехваткой информации о миграциях и территориальных распределениях вида поздней осенью, зимой и ранней весной. К примеру, мы определяем скопления по их основным прибрежным местам летовок.

В сочетании с новыми данными, полученными методом спутниковой телеметрии, результаты данного исследования вынуждают нас изменить эти представления. Демографически различные летние популяции белух в регионе БЧБ, например, в большинстве случаев: не склонны к активному интербридингу и склонны возвращаться в отдельные места зимовок, и что территориальное распределение и интербридинг белух происходит на определённых расстояниях. Таким образом, белухи, обитающие в Беринговом море, Чукотском море и море Бофорта, представляют собой ряд популяций или субпопуляций, чьи различные, традиционные для этих популяций миграционные маршруты и места миграции перекрываются в разной степени в определённое время года. Как и революционные современные представления о связанности субпопуляций внутри регионов, эти данные изменят наш подход к оценке эффективной численности популяции (Ne) и моделированию рисков, восстановления и жизнеспособности популяций. Более того, при рассмотрении миграционных маршрутов данных субпопуляций в свете генетической неоднородности тихоокеанских, арктических и субарктических морских экосистем, возникает предположение о том, что для отдельных субпопуляций белух характерна различная экология, и, возможно, также и другие уникальные аспекты поведенческой и популяционной биологии. Из этого следует, что различные миграционные популяции, вероятнее всего, подвергаются различным угрозам.

Наконец, данное исследование подтверждает исключительную важность северной части Берингова моря и Берингова пролива для белух. В этом сравнительно небольшом регионе обитают десятки тысяч белух из большого числа субпопуляций, некоторые из которых, например, в течение большей части года являются крупнейшими в мире. Данный регион также важен и для других видов морских млекопитающих (Читта и др. в обзоре); в настоящее время он переживает серьёзные изменения окружающей среды и экосистемы. Даже незначительные изменения в окружающей среде и экосистеме данного региона, в том числе изменения в продуктивности и ледовом покрове, могут серьёзно повлиять на модели территориального распределения белух, их размножения, а также на структуру и статус большинства их популяций в Тихоокеанском регионе.