|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Демографические и генетические свойства видов как факторы вымиранияНИР
The demographic and genetic properties of species as factors of extinction
- Руководитель НИР: Полищук Л.В.
- Участники НИР: Popadin K., Бриллиантова А.М., Каспарсон А.А., Поромов А.А., Постнов А.Л.
- Подразделение: Кафедра общей экологии и гидробиологии
- Срок исполнения: 1 января 2018 г. - 26 декабря 2020 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 18-04-01143а
- Номер ЦИТИС: АААА-А18-118012290183-2
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Общая биология и экология
- ПН России: Науки о жизни
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.35.17 Популяция и среда
-
Ключевые слова:
млекопитающие, динамика популяций, эффективность отбора против слабовредных мутаций, матрицы лесли, смертность, рождаемость, зоопланктон, кривые выживания, модели популяций с возрастной структурой, риск вымирания, накопление мутаций, байесовский подход для оценки популяционных параметров, красная книга
mutation accumulation, extinction risk, population dynamics, birth rate, zooplankton, mammals, survivorship curves, leslie matrices, red list, death rate, age-structured population models, bayesian approach to estimate population parameters, efficiency of selection against slightly deleterious mutations -
Описание:
В современных условиях важнейшим внешним фактором сокращения биоразнообразия является мощный антропогенный пресс. Однако современные научные данные свидетельствуют также о том, что риск вымирания по-прежнему, как и в «доантропогенные» времена, зависит от внутренних, биологических свойств видов. Только правильное понимание того, какова роль биологических факторов в сокращении биоразнообразия, позволит выработать эффективные меры по охране видов. Важнейшими биологическими свойствами видов, влияющими на риск вымирания, являются их демографические и генетические характеристики. Эти характеристики будут в центре нашего внимания при выполнении настоящего проекта. Роль демографии будет изучена на математических популяционно-динамических моделях. В ходе выполнения проекта будут изучены модели двух уровней сложности: модель с грубой возрастной структурой (в популяции выделены только две возрастные группы – молодь и взрослые) и модель с тонкой возрастной структурой (число возрастных классов больше двух). Первая, более простая модель предназначена для выявления внешних факторов, представляющих угрозу для существования популяции; конкретно, эта модель будет использована для выявления нарастания дефицита пищи как возможной причины вымирания. Вторая, более сложная модель будет использована для количественной оценки риска вымирания популяции. Первая модель основывается на уравнении Эдмондсона-Палохеймо и будет применена к популяции ветвистоусого рачка Bosmina longirostris, населяющей небольшое северное озеро. Вторая модель по своей математической структуре представляет собой матрицу Лесли; она будет построена для популяции песца Vulpes lagopus semenovi, населяющей остров Медный (Командорские острова). Роль генетических факторов в вымирании будет изучена путем построения регрессионной зависимости риска вымирания от скорости накопления слабовредных мутаций. Риск вымирания будет оценен на основании принадлежности видов млекопитающих к двум крайним уровням угрозы вымирания – уровень CR (виды находятся на грани исчезновения) и уровень LC (виды с минимальным уровнем риска), по данным Красной книги МСОП. Скорость накопления мутаций будет оцениваться биоинформатическими методами, путем сравнения нуклеотидных последовательностей полных митохондриальных геномов млекопитающих по данным GenBank. Результатом выполнения настоящего проекта станет совершенствование уже имеющихся и построение новых популяционно-динамических и статистических регрессионных моделей, позволяющих прогнозировать риск вымирания на основе демографических и генетических свойств видов. Эти модели, как мы надеемся, внесут определенный вклад в развитие и пополнение экологического инструментария в области охраны видов и сохранения биоразнообразия.
-
Abstract:
Today, biodiversity loss is primarily caused by strong anthropogenic pressures, which are an external factor of extinction. However, modern scientific evidence also indicates that the risk of extinction, as in pre-anthropogenic times, depends on the intrinsic, biological properties of species. Only a proper understanding of the role of species biology in biodiversity loss will allow us to develop more effective measures to protect species from extinction. The main biological properties that affect extinction risk are demographic and genetic characteristics, which are the focus of this project. The role of demography will be studied using mathematical population-dynamics models. We will examine population models of the two levels of complexity: a model with aggregated age structure (with only two age groups – juveniles and adults) and a model with fine age structure (the number of age classes is three or more). The first, simpler model is intended to reveal external factors putting the population in question at risk; more specifically, this model will be used to reveal an increase in food shortage as a potential cause of extinction. The second, more complicated model will be used to quantify extinction risk. The first model relies on the Edmondson-Paloheimo equation and will be applied to a population of the cladoceran Bosmina longirostris inhabiting a small northern lake. The second model is a Leslie-type matrix model; it will be constructed for the population of the Arctic fox Vulpes lagopus semenovi, from Mednyi Island (the Commander Islands). The role of genetic factors in extinction will be studied through constructing a regression relationship between extinction risk and the rate of accumulation of slightly deleterious mutations. The risk of extinction will be estimated on the basis of whether a mammalian species belongs to one of the two most extreme levels of extinction threat – CR (critically endangered) or LC (least concern), based on the IUCN Red List. The rate of mutation accumulation will be estimated using bioinformatics methods, by means of comparison of the nucleotide sequences of complete mitochondrial genomes of mammals, based on GenBank. The present project will result in further analysis of some already available and constructing new population-dynamics and statistical regression models meant to predict extinction risk from species demographic and genetic traits. These models would contribute to the development and enhancement of the ecological tool-kit for species protection and biodiversity conservation.
- Добавил в систему: Полищук Леонард Владимирович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2018 г.-15 декабря 2018 г. | Демографические и генетические свойства видов как факторы вымирания |
| Результаты этапа: 1) Построена матричная модели популяции песца Vulpes lagopus semenovi, населяющей о. Медный. На базе этой модели рассчитан риск вымирания с учетом и без учета эмиграции песцов с обследуемой части острова. Главный результат состоит в том, что без учета миграции модель предсказывает быстрое вымирание популяции, что не согласуется с реальностью. Напротив, с учетом миграции модель предсказывает стабильную численность популяции в течение 20 лет, что наблюдается на самом деле. Этот результат может иметь важное значение для природоохранной практики, поскольку стандартные методы оценки смертности, на базе классической (непространственной) версии подхода Кормака-Джолли-Сибера (Cormack-Jolly-Seber), не учитывают миграцию (они дают так называемую кажущуюся выживаемость – apparent survival). Ключевой параметр модели, выживаемость в условиях незамкнутой популяции, оценивалась современными методами байесовской статистики. 2) В ходе анализа рождаемости ветвистоусого рачка Bosmina longirostris, населяющего небольшое северное озеро, мы обнаружили, что с наибольшей точностью эффект недостатка пищи (который, по-видимому, испытывает эта популяция – поскольку в озере нет хищников-планктофагов) выявляется на временном интервале, продолжительность которого равна или близка к времени генерации босмины. Этот результат, если он подтвердится, позволит более надежно определять средовые факторы вымирания по демографическим данным. Метод, использованный в этой части выполнения проекта, - анализ вкладов (contribution analysis) изменения доли взрослых особей и плодовитости в изменение рождаемости. Полученный нами результат открывает путь для дальнейшего развития и расширения сферы применения этого метода. 3) Анализ литературы в области генетических факторов вымирания показал, что параллельно с оценкой скорости накопления слабовредных мутаций как генетического фактора вымирания необходимо оценивать генетическое разнообразие (генетический полиморфизм). За отчетный год один из участников нашего проекта, К.Ю. Попадьин, принял участие в создании базы данных внутривидового генетического полиморфизма митохондриального генома для более чем 1000 видов позвоночных (среди которых более 300 видов млекопитающих; Shamanskiy et al., 2018). Эти данные будут в дальнейшем использованы для построения межвидовой макроэкологической зависимости между риском вымирания, с одной стороны, и скорости накопления слабовредных мутаций, генетического полиморфизма и массы тела, с другой, у млекопитающих. 4) Поскольку параметры макроэкологической зависимости риска вымирания от генетических факторов предстоит оценивать на сравнительно небольших выборках видов (имеется не так много видов, для которых одновременно известны скорость накопления слабовредных мутаций и генетический полиморфизм), была проведена оценка устойчивости макроэкологических зависимостей в условиях неполноты выборки – на примере зависимости между численностью особей разных размеров и массой тела в двух разных экологических средах. Для этого мы использовали классические данные, относящиеся к двум разным экологическим средам, - почве и морской пелагиали - и, соответственно, к двум совсем разным наборам населяющих эти среды организмов. Несмотря на различие сред и организмов, ключевой параметр рассматриваемой зависимости оказался одинаковым – показатель степени при массе равен (статистически не отличается от) -1. Это означает, что биомасса разных размерных групп примерно одинакова, или, как говорят, выполняется правило эквивалентности биомассы (Полищук, 2018; Polishchuk, Blanchard, 2018). В контексте настоящего проекта этот результат важен потому, что он свидетельствует об устойчивости макроэкологических зависимостей, даже если они получены на материале, ограниченном по тому или иному признаку, например, относятся только к определенной экологической среде. 5) Мы предприняли попытку освоить новый для нас метод Каплана-Майера (Kaplan-Meier estimator) для оценки выживаемости. В принципе, метод Каплана-Майера позволяет работать с цензурированными данными по выживаемости, когда особи уходят из поля зрения наблюдателя не только из-за их гибели, но и по другим причинам (например, в силу эмиграции). В отчетном году один из участников настоящего проекта, А.А. Поромов, использовал этот метод для оценки выживаемости в условиях токсикологического эксперимента (Федюнин и др., 2018). В дальнейшем мы надеемся оценить возможность применения этого метода для определения выживаемости в незамкнутых природных популяциях. | ||
| 2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Демографические и генетические свойства видов как факторы вымирания |
| Результаты этапа: | ||
| 3 | 1 января 2020 г.-26 декабря 2020 г. | Демографические и генетические свойства видов как факторы вымирания |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".