О предмете исследования. Генетические исследования.
Геносистематика
Во второй половине XX века начался период массового применения биохимических методов в различных областях науки. Первые попытки применения таковых для изучения популяционной генетики ветвистоусых ракообразных (Hebert, 1972, 1974a-c) обнадежили исследователей. Однако специалисты-генетики нередко переоценивали свои возможности и наряду с некоторыми положительными моментами внесли немало путаницы, пренебрегая параллельным изучением морфологии организмов и игнорируя приемы и правила таксономических исследований. При этом результаты разных авторов, исследовавших одну и ту же проблему, могли заметно различаться, например, как в случае анализа видового состава рода Daphnia в Австралии (Benzie, 1986b, 1988a; Hebert, Wilson, 1994, 2000). Семидесятые-восьмидесятые годы XX века были временем глубокого, и вполне понятного, разочарования "традиционных" систематиков в генетических методах.
С 90-х годов прошлого века проведена большая "работа над ошибками" в области получения массивов данных и их анализа. Новым этапом в генетических исследованиях Cladocera стали работы по определению последовательности нуклеотидов в митохондриальных (16S, COI, ND1, ND2, ND5) и ядерных (5,8S, 18S, 28S, ITS-1, ITS-2) генах (Colbourne et al. 1997, 1998; Taylor et al., 2002; Sacherová, Hebert, 2003; Ishida et al., 2006). Изменение отношения к морфологии и классической систематике специалистов в области биохимических и молекулярно-генетических методов, произошедшее в последнее время, является важной современной тенденцией в области изучения ветвистоусых ракообразных. В лице молекулярной генетики систематика получила хороший независимый метод проверки группировки таксонов. Важной особенностью современного этапа генетических исследований кладоцер является прорыв в связи с полным секвенированием геномов D. pulex и D. magna (Colbourne et al., 2011; Ebert, 2011). Хотя они так не опубликованы к настоящему времени в приемлемой форме, эти результаты доступны для предварительного анализа. В результате такой работы, помимо открывшегося необъятного поля деятельности для различных биоинформационных исследований, в руки молекулярных систематиков попал инструмент подбора праймеров для сиквенса любых генов любой степени консервативности.
В 90-х годах XX века был предложен метод определения времени расхождения различных групп организмов по степени генетических различий между ними (метод "молекулярных часов") (Lynch, Jarrell, 1993). В отношении ветвисоусых ракообразных он применялся почти исключительно к роду Daphnia (Lehman et al., 1995; Taylor et al., 1996; Schwenk et al., 2000), из других семейств были исследованы только Chydoridae (Sacherová, Hebert, 2003). "Молекулярные часы" продемонстрировали древность Cladocera (раннемезозойскую дифференциацию рода Daphnia и среднепалеозойское происхождение семейства Chydoridae и его подсемейств). Однако, другое исследование (Haag et al., 2009) привело к выводу, что два подрода дафний обособились только несколько миллионов лет назад. Противоречия в оценках можно устранить только имея новые находки ископаемых ветвистоусых ракообразных. Изучение мезозойских кладоцер в последнее время ведется исключительно А.А. Котовым (Kotov, 2007, 2009). Эти работы привели к выводу о том, что остатки кладоцер обычны в древних отложениях. Однако ранне-среднекайнозойские ископаемые исследованы гораздо хуже (Richter, Baszio, 2001; Peñalver, 2002), а именно они важны для датировок времени расхождения таксонов ранга рода.
Штрихкодирование
П. Эбером с коллегами (Hebert et al., 2003) для определения живых организмов, предложено внедрение универсального генетического «штрихкодирования» (ДНК баркодинга) таксонов. Для такового у животных используется последовательность короткого фрагмента цепи митохондриальной ДНК, кодирующий субъединицу I фермента цитохром с оксидазы (COI). Последовательность данного фрагмента является видоспецифичной и может быть использована, по идее авторов, как "штрихкод" организма, по аналогии с штрихкодами различных товаров в магазине. Подобная методика имеет ряд очевидных преимуществ: она относительно недорога, не требует долгой подготовки исследователя в области освоения морфологического анализа (а большая часть биологов не занимается морфологией и испытывает серьезные затруднения с определениями видов) и молекулярно-генетических методов (которые, например, для экологов не являются основными), и позволяет с высокой степенью надежности отнести организм к той или иной ранее выявленной генетическими методами группе путем сопоставления с эталоном в базе данных. «Штрихкодирование» уже позволило показать, что многие таксоны ветвистоусых ракообразных на самом деле являются группами близких видов, и что под одинаковыми названиями на разных континентах часто скрываются разные виды, требующие более аккуратного изучения, в том числе, описания в качестве новых для науки (Elías-Gutiérrez et al., 2008; Jeffery et al., 2011; Sharma & Kotov, 2012).
Следует отметить, что генетическое «ширихкодирование» - это лишь возможный дополнительный метод систематики, но никак не систематика сама по себе. Перед тем, как данный метод может быть рекомендован как универсальный, необходима огромная совместная работа молекулярных биологов и "традиционных" систематиков по определению точной видовой принадлежности исследованных генетически образцов, описанию выявленных новых для науки таконов, и т.д. К глубокому сожалению, определения животных, последовательности которых помещаются в базы данных (как BOLD так и GeneBank) ныне, часто оставляют желать лучшего, что еще более запутывает, а не никак не проясняет систематику. Мы исключаем возможность создания самостоятельной систематики, основанной на "штрихкодировании".
Филогеография
Д. Авис (Avise, 2000), один из главных идеологов филогеографии, определил данное направление как "область науки, изучающую принципы и процессы, определяющие географическое распределение генеалогических линий (преимущественно на внутривидовом уровне и на уровне близкородственных видов" (цит по: Холодова, 2009). В то время как закономерности формирования фауны наземных животных (обзоры: Hewitt, 2001, 2004; Холодова, 2009) и рыб (обзор: Махров, Болотов, 2006; Costedoat et al., 2009) относительно хорошо изучены, знания по филогеографии большинства групп планктонных животных отрывочны и не систематизированы, а число опубликованных работ по данной проблеме не так невелико.
Первые филогеографические работы по ветвистоусым ракообразным были опубликованы Полем Эбером (P.D.N. Hebert, Guelpph, Canada) с различными коллегами (Cerny, Hebert, 1999; Weider et al., 1999a-b). Отличительными особенностями филогеографических работ по кладоцерам является то, что: (1) они практически исключительно сконцентрированы на единственном роде Daphnia; (2) практически всегда затрагивают только Северную Америку и Западную Европу с особым вниманием северным частям этих континентов; (3) практически всегда они сконцентрированы на выявлении последствий последнего оледенения с классическим для филогеографии набором конкретных задач (поиск рефугиумов в период последнего оледенения, отслеживание путей расселения таксона, и т.д.) Таких работ выполнено относительно немало (Cox, Hebert, 2001; Hebert et al., 2003; De Gelas, De Meester, 2005; Thielsh et al., 2009). Несколько филогеографических работ было специально посвящено Арктике (Weider, Hobaek, 2000, 2003; Weider et al., 1999).
Другие регионы мира исследованы слабо, хотя опубликовано несколько удачных работ по дафниям Южной Америки, в основном касающихся регионов с нетропическим климатом, поскольку в тропиках дафнии малочисленны (Adamowicz et al., 2002, 2004; Mergeay et al., 2008).
Что касается Азиатской Палеарктики, то филогеография кладоцер изучалась там зарубежными коллегами зачастую базируясь на пробах, исходящих из коллекции коллектива (Ishida, Taylor, 2007a-b; Xu et al., 2011; Millette et al., 2011). Наиболее представительное исследование по Палеарктике, посвященное роду Polyphemus, появилось в результате рабочего визита А.А. Котова в лабораторию Мелании Кристеску (M. Crustescu, Windsor, Canada) (Xu et al., 2009). Однако к тому времени хороших проб для генетического анализа из Восточной Сибири было еще мало, и эта территория оказалась плохо представленной в работе, в то время как Дальний Восток, Сахалин и Камчатка были относительно хорошо исследованы. Однако наиболее интересными оказались результаты по Европейской России, где историю расселения полифема удалось связать с событиями в истории региона, и именно, его расселение, видимо, шло из больших озер по границе ледника. Отдельные филогеографические выводы сделаны в систематических статьях, выполненных участниками проекта совместно с американскими коллегами из лаборатории Дерека Тейлора (Ishida et al., 2006; Kotov et al., 2006, 2009; Kotov, Taylor, 2010; Bekker et al., 2012).
В самое последнее время предприняты попытки глобальных работ по роду Daphnia. В первую очередь, следует назвать работу Сары Адамович с коллегами (Adamowicz et al., 2009), выявивших аллопатрические и симпатрические паттерны видообразования у дафний разных групп и продемонстрировавших случаи межконтинентального переноса в пределах рода. Эта работа важна для нашего проекта выводом о том, что паттерны в разных группах очень сильно различаются, то есть, у филогеографов еще очень много работы. Публикация Терезы Криз с коллегами (Crease et al., 2012) по филогеографии группы видов D. pulex, подтвердила мнение о существовании нескольких криптических видов, но показала, что один из них («панарктическая» D. pulex) распространен космополитически вследствие недавней экспансии в южное полушарие из Голарктики. Важной особенностью современного этапа генетических исследований кладоцер является прорыв в связи с полным секвенированием геномов D. pulex и D. magna (Colbourne et al., 2011; Ebert, 2011), позволяющим использовать для нужд филогеографии геномные и биоинформационные методы.
Отметим, что у генетических методов есть шанс дать информацию о относительно более ранних (пре-голоценовых) событиях в истории таксона, например, Шу Лей с коллегами (Xu et al., 2011) связали появление отдельной популяции Leptodora kindtii в Северном Китае с образованием "Джунгарских ворот" а среднем плейстоцене.При этом филогеографию кладоцер в Азиатской Палеарктики и даже Европейской России (а два эти региона составляют более 3/4 Палеарктики) можно смело признать находящейся в зачаточном состоянии.