Вычислительные алгоритмы глобальной оптимизации используют идею случайных мутаций и последующего естественного отбора наиболее приспособленного вида для повышения эффективности алгоритма. Фотография взята с сайта https://hms.harvard.edu/news/origins-mutation В настоящее время вычислительные алгоритмы глобальной стохастической (случайной) оптимизации и оптимального управления широко используются в литературе для решения различных научных и прикладных задач, в том числе экологии и эпидемиологии. В частности, такие алгоритмы используются в разработке оптимального контроля эпидемий инфекционных болезней людей и сельскохозяйственных животных. Например, одной из важнейших задач является минимизация количества зараженных организмов по прошествию фиксированного значения времени при ограниченных денежных ресурсах для решения поставленной задачи. Отметим, что глобальные методы оптимизации отличаются от локальных тем, что ищется глобальный, т.е. самый большой максимум. Однако, существующие в литературе вычислительные методы глобальной оптимизации, в частности использующие стохастические алгоритмы обладают важным недостатком. Математически, в пространствах большой размерности, не гарантирована сходимость решения к глобальному максимуму, т.е. есть вероятность «застрять» в каком-то локальном максимуме, что является грубой ошибкой алгоритма. В этом случае оптимальное управление системой невозможно. В настоящей работе предложен уникальный подход к разработке методов глобальной оптимизации на основе классической дарвиновской идеи эволюционного отбора, в частности, в работе используется принцип выживаемости наиболее приспособленного вида при наличии конкуренции других видов. Построенный в работе математический метод оптимизации (генерация случайных мутаций с последующим отбором наиболее приспособленного вида) гарантирует сходимость, что является проблемой для ранее предложенных методов, которые в литературе известны как «природоподобные» методы. Математически строго доказывается сходимость предложенного алгоритма оптимизации. Также предложенный алгоритм сравнивается с прежними алгоритмами в своем классе и показывается его высокая эффективность. Важную роль в эффективности нового алгоритма играет моделирование процесса случайных мутаций, для которых вводится эффект анизотропии (в гипотетическом много размерном пространстве параметров мутации происходят по-разному в разных измерениях). Далее, предложенный алгоритм применяется для построения стратегии оптимального контроля эпидемии в популяции, состоящей из взаимодействующих групп (агентов), обладающими разными характеристиками, такими как заражаемость, частота контактов с другими группами и др. В рассмотренной модели оптимальный контроль эпидемии осуществляется при ограничении на финансирование программы реализации контроля. Работа опубликована в журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. Kuzenkov, Oleg A., Andrew Yu Morozov, and Samvel A. Nalchajyan. "Revisiting ‘survival of the fittest’principle in global stochastic optimisation: Incorporating anisotropic mutations." Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 130 (2024): 107768. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2023.107768

Рис. 1. Расположение точек судовых научных наблюдений в 1977-2021 гг., использованных в анализе распространения акул в российских дальневосточных водах (цифрами обозначены географические привязки: моря, острова, заливы, мысы и т.п.). В морских экосистемах акулы играют важную роль. Являясь хищниками высшего трофического уровня, они не только представляют собой звено пищевой цепи, по которой энергия и органическое вещество передается от низших трофических уровней к высшим, но также потребляют в больших количествах промысловые виды беспозвоночных и рыб. Многие виды акул имеют промысловое значение. В северной части Тихого океана, включая российские дальневосточные воды, встречается около 30 видов акул. Среди них наиболее обычны пять видов: синяя (голубая) акула Prionace glauca, короткоперая акула-мако Isurus oxyrinchus, сельдевая акула Lamna ditropis, тихоокеанская колючая акула (катран) Squalus suckleyi и тихоокеанская полярная акула Somniosus pacificus. Первые две населяют теплые океанические воды всех океанов, а последние три обитают только в Северной Пацифике. Сотрудниками Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН и Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН были проанализированы многолетние данные за последние 40 с лишним лет (начиная с 1977 г.) по поимкам пяти наиболее обычных видов акул в российских дальневосточных водах. В основу анализа были положены результаты научных судовых наблюдений, включавших около 69 тысяч траловых станций от поверхности моря до глубины около 2 км (Рис. 1). Целью исследования было понять, как с течением времени изменялись границы распространения и численность акул в указанном районе. Было выяснено, что наиболее широкое распространение и максимальные уловы сельдевой и голубой акул наблюдались в 1980-х годах. Катран был наиболее широко распространен в 2000-х годах, а его максимальные уловы отмечались в 1980-х и 2010-х годах. Наиболее широко полярная акула была распространена в 1980-х годах, а ее максимальные уловы пришлись на 2000-е годы. Акула-мако в наших водах отмечалась только в 1980-х и 2010-х годах. Границы распространения у разных видов акул в течение периода исследований демонстрировали различную динамику. Значительные изменения в пространственном распределении и положении границ распространения обусловлены как субъективными причинами, так и климатическими изменениями. Полученные результаты предоставляют возможность определять и прогнозировать места скоплений акул в российских дальневосточных водах, что может иметь практическое значение. Тихоокеанский катран является объектом промысла в Японии, США и Канаде, но в российских водах не добывается, хотя мог бы промышляться. Полярная акула в районах добычи минтая, попадая в тралы в больших количествах (Рис. 2), сильно затрудняет ведение промысла. Информация о районах ее значительных концентраций может быть полезна рыбакам с точки зрения избегания подобных мест. Акула-мако может представлять непосредственную угрозу человеку (случаи ее нападения на людей хорошо известны, в т.ч. и на Дальнем Востоке). Поэтому знания о закономерностях ее распределения представляют особую ценность. Выходные данные статьи: Orlov, A.M., Volvenko, I.V. (2024). Uninvited guests and permanent residents: long-term changes in the distribution and abundance of the five most common sharks in the northwestern Pacific. Reviews in Fish Biology and Fisheries. https://doi.org/10.1007/s11160-024-09834-6 Рис. 2. Улов тихоокеанских полярных акул в западной части Берингова моря на одном из научно-исследовательских судов (автор Мишанова О.А., Тихоокеанский филиал ВНИРО – ТИНРО, г. Владивосток). Материалы по теме: Fishery: "Наука определила самые акульи места на Дальнем Востоке" Fishnews: "Наука определила самые акульи места на Дальнем Востоке"

Одним из модельных видов для изучения микроэволюционных вопросов является мелкое насекомоядное млекопитающее – обыкновенная бурозубка Sorex araneus Linnaeus 1758, обитающая в Северной Евразии от Британских островов до Якутии. Этот вид примечателен в первую очередь необычной системой определения пола, а именно наличием у самцов полового тривалента (XY1Y2). Более того, среди всех бурозубок именно S. araneus характеризуется удивительной изменчивостью кариотипа – к настоящему времени описано как минимум 76 внутривидовых хромосомных рас, различающихся структурой кариотипов. Расы распространены парапатрично и в местах контакта ареалов образуют гибридные зоны, ширина которых обратно пропорциональна степени различий в кариотипах. Из 36 исследованных гибридных зон самой интересной оказалась зона между расами «Москва» и «Селигер» на Валдае, поскольку эти расы характеризуются максимальными кариотипическими различиями и в мейозе у природных гибридов F1 формируется самая длинная из известных на данный момент конфигурация – мультивалент из 11 хромосом (CXI). Рис. 1. (A) G-окрашенный кариотип гибридного самца F1 между хромосомными расами «Москва» и «Селигер» обыкновенной бурозубки Sorex araneus; (B) мультивалент из 11 хромосом g/gm/mq/qp/pr/rk/ki/ih/hn/no/o, CXI, на стадии диакинеза/метафазы II в мейозе. Хромосомные плечи обозначены в соответствии с номенклатурой стандартного кариотипа S. araneus (Searle et al., 1991). Предполагалось, что подобные мультиваленты могут нарушать ход мейоза, и в итоге гибриды будут либо страдать пониженной фертильностью, либо будут полностью стерильны. И, следовательно, поток генов в подобных гибридных зонах должен быть резко ограничен. Коллективом авторов из ИПЭЭ РАН (С.В. Павлова и Н.А. Щипанов) и ИОГЕН РАН (С.Н. Матвеевский и О.Л. Коломиец) впервые использован расширенный набор современных цитогенетических и иммуноцитохимических методов, а также применена электронная микроскопия для анализа кариотипов и хода мейотических делений в пахитенных сперматоцитах у природных максимально кариотипически «сложных» гибридных самцов F1 между расами «Москва» и «Селигер», несущих CXI-мультивалент. Рис. 2. Иммуноокрашенные пахитенные хромосомы в сперматоцитах гибрида F1 между расами «Москва» и «Селигер» и схема мультивалента CXI: цвет каждого хромосомного плеча соответствует схеме кариотипов на верхней части рисунка. Масштаб – 5 μm. Оказалось, что несмотря на минимальную долю обнаруженных в сперматоцитах аномалий, таких как ассоциации хромосом, растянутые центромеры и отсутствие рекомбинационных узелков в некоторых хромосомных плечах CXI-мультивалента, у гибридов F1 присутствует большое количество морфологически нормальных активных сперматозоидов. Все остальные исследованные паттерны мейоза также значимо не отличались от таковых у особей «чистых» рас. Таким образом, проведенное исследование показало, что носительство целого набора структурных хромосомных перестроек не приводит к фатальной стерильности гибридных самцов F1, а следовательно, вероятность свободного потока генов между парапатричными хромосомными расами обыкновенных бурозубок должна быть довольно велика. Рис. 3. Структура сперматозоидов у обыкновенных бурозубок хромосомной расы «Москва» (A–E) и гибрида F1 между расами «Москва» и «Селигер» (F–K). Масштаб – 10 μm. Однако, парадокс заключается в том, что гибридная зона между расами «Москва» и «Селигер» является одной из самых узких, всего 1-2 км шириной, и поэтому вопрос о механизмах поддержания стабильности ареалов гибридизирующих рас остается открытым. Работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-24-00285, https://rscf.ru/project/22-24-00285/) (Q1) Matveevsky S.N., Kolomiets O.L., Shchipanov N.A., Pavlova S.V. 2024. Natural male hybrid common shrews with a very long chromosomal multivalent at meiosis appear not to be completely sterile // Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution, 342: 45–58. https://doi.org/10.1002/jez.b.23232

Жизненный цикл паразита сосальщика Diplostomum pseudospathaceum. Эта трематода обитает в рыбоядных птицах (их окончательный хозяин) в виде половозрелых червей,. Яйца попадают с фекалиями в воду, где они развиваются в мирацидий, свободно плавающие личинки, проникающие в улиток, первого промежуточного хозяина. Там мирацидии размножаются бесполым путем и в воду выпускаются следующие личинки - церкарии. Далее церкарии проникают в своего второго промежуточного хозяина - рыбу (радужную форель) и развиваются там до метацеркарий в хрусталике глаза хозяина. Наконец, трематоды превращаются во взрослых червей, когда рыбу поедает рыбоядная птица. Увеличение плотности популяции экологически и коммерчески важных видов животных - одна из основных задач управления экосистемами. Эта задача особенно сложна в биотопах с большим количеством паразитов и хищников. Создание безопасных участков среды с более низкой смертностью долгое время считалось безусловно полезным для повышения выживаемости популяций в коммерческом рыбоводстве и при восстановлении видов, находящихся под угрозой исчезновения. Однако,  наличие участков среды с низкой смертностью иногда может таить опасность для выживания популяции. В настоящем исследовании группа учёных, в том числе сотрудники Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, пересматривает традиционную концепцию о положительной роли убежищ и обращается к роли структурирования поведения (соотношение «смелых» и «робких» особей) в формировании численности популяции во враждебной среде. Была создана простая математическая модель, в которой организмы в популяции используют разную тактику защиты от естественных врагов, таких как паразиты и хищники. Модель предсказывает, что, хотя каждое убежище увеличивает выживаемость конкретного организма, при недостаточном количестве таких зон общая смертность популяции будет выше. Этот эффект - результат взаимодействия возникающей динамической поведенческой структуризации и сильной внутривидовой конкуренции за безопасные зоны. Непластическая структуризация поведения снижает указанные негативные эффекты. В работе продемонстрирована возможность возникновения непластической (устойчивой) поведенческой структуризации: эволюционное ветвление мономорфной популяции, превращающее ее в диморфную, состоящую из смелых и робких особей. Теоретические результаты применимы к оптимизации условий разведения в аквакультуре лососевых рыб, зараженных трематодами. Математическое моделирование дополнено экспериментальными результатами по заражению радужной форели (Oncorhynchus mykiss) с разным поведенческим стереотипом трематодами Diplostomum pseudospathaceum при разной гетерогенности среды. Результаты опубликованы в журнале: Sandhu, S., Mikheev, V., Pasternak, A. Taskinen, J., Morozov A. Revisiting the role of behavior-mediated structuring in the survival of populations in hostile environments. Communications Biology 7, 93 (2024). https://doi.org/10.1038/s42003-023-05731-z

Рисунок 1. На Артезиане в заказнике «Степной». 2016 г. Фото Кашининой Н.В. Сайгак (S. tatarica) – представитель комплекса крупных растительноядных млекопитающих тундростепной экосистемы плейстоцена, и на данный момент это единственная антилопа, сохранившаяся в Европе до наших дней. Еще в прошлом веке он был ценным промысловым видом. Но в начале 1990-х гг., в связи с резким снижением численности проблема сохранения сайгака приобрела мировое значение,  и его включили в Приложение II Конвенции о международной торговле видами дикой фауны и флоры (СИТЕС) и Конвенции о сохранении мигрирующих видов диких животных (CMS), а также в Красный Список Международного союза охраны природы (IUCN/МСОП), как вид, находящийся под угрозой исчезновения (Приложение II). В настоящее время в мире существует пять популяций сайгака, и только одна из них обитает в России на территории Северо-Западного Прикаспия в экорегионе «Черные земли», включающем в себя восточные районы Республики Калмыкия и юго-западные районы Астраханской области. Численность этой популяции с конца 1990-х годов до 2016 года в силу влияния комплекса факторов, в том числе и антропогенных, сократилась более чем в 40 раз. Кроме того, в связи с браконьерством, в то время отмечалось критическое снижение доли взрослых самцов, т.е. нарушилась половозрастная структура. Считается, что из-за резкого снижения численности, особенно «эффективной», может снижаться и генетическое разнообразие, в связи с чем возникла необходимость исследовать эту популяцию. Группой сотрудников ИПЭЭ РАН проведено исследование 95 образцов от сайгаков на территории заповедника «Черные Земли» и заказника «Степной». Для того чтобы установить, снизилось ли генетическое разнообразие сайгаков за последние 20 лет, образцы разделили на две разновременные выборки – «Old» и «New». Образцы выборки «Old» были собраны на начальной стадии депрессии численности (в конце 20-го века) и хранились в коллекции Кабинета методов молекулярной диагностики, образцы выборки «New» – в момент критически низкой численности (3500 особей в 2016 году). В ходе исследования были проанализированы три типа молекулярных маркеров: два селективно-нейтральных (фрагмент контрольного региона мтДНК и микросателлитные локусы яДНК) и один функционально-значимый (фрагмент гена DRB3 Главного Комплекса Гистосовместимости, отвечающий за иммунный ответ организма), что позволило оценить генетическое разнообразие популяции сайгаков Северо-Западного Прикаспия в период последней депрессии численности. Рисунок 2. Процесс сбора экскрементов для генетического анализа в 2016 году. В результате анализа полученных данных для популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия был описан высокий уровень разнообразия контрольного региона мтДНК (H = 0.92+/-0.02, π = 0.028+/-0.01), который, вероятно, сохранился от предковой популяции. Интересно, что уровень разнообразия гена DRB3 ГКГ, связанного с устойчивостью к внеклеточным паразитам, также был высокий (Ho = 0.8; He = 0.78+/-0.05), что отражает широкую адаптивную возможность исследуемой популяции. Однако опасение вызывают низкие показатели гетерозиготности и высокий коэффициент инбридинга, полученные для микросателлитных локусов (Ho = 0.422+/-0.08; He = 0.514+/-0.083, Fis = 0.181). Это может быть связано с существенной селективной элиминацией самцов сайгака. В настоящее время важнейшей задачей для сохранения популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия является снижение андропогенного влияния, прежде всего, с целью предотвращения браконьерства и трансформации среды обитания. Рисунок 3. Медианные сети гаплотипов контрольного региона мтДНК (920пн) Рисунок 4. Медианные сети гаплотипов десяти аллелей гена DRB3 популяции сайгака Северо-Западного Прикаспия (250 пн) Работа была выполнена при поддержке гранта РФФИ №17-04-01351. Статья опубликована: Kashinina NV, Lushchekina AA, Sorokin PA, Tarasyan KK, Kholodova MV. (2023). The modern state of thе European saiga population (Saiga tatarica tatarica): mtDNA, DRB3 MHC gene, and microsatellite diversity // Integrative Zoology. 18. Pp. 661–676. https://doi.org/10.1111/1749-4877.12700 Материалы по теме: Nature.Kremlin: "Сайгаки Северо-Западного Прикаспия: как падение численности популяции отразилось на их генетическом разнообразии" Nature.Kremlin: "Учёные представили разработку системы учёта диких копытных с помощью искусственного интеллекта"

Массовое вымирание антилоп-сайгаков в поле в Казахстане. Фото взято с вебсайта https://www.theguardian.com/environment/2018/feb/25/mass-mortality-events-animal-conservation-climate-change Прогнозирование вымираний популяций отдельных видов и внезапной смены режима функционирования экосистемы уже давно находится в центре внимания экологов и специалистов по управлению экосистемами. Математическое моделирование экологических процессов играет ключевую роль в оценке возможности таких событий. Традиционно, в научной литературе моделирование популяционной динамики (в частности, предсказание вымирания популяций) в основном было сфокусировано на исследовании динамики экосистем в долгосрочной перспективе, пренебрегая переходными режимами. Между тем, окружающая среда обычно нестационарна, а это может означать, что долгосрочное поведение никогда не наблюдается в реальности. Соответственно, за последние два десятилетия наблюдается растущее понимание и переосмысление роли переходных режимов как в эмпирической экологии, так и в теоретических исследованиях, особенно в контексте исчезновения видов. Сотрудниками Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН  А.Ю. Морозовым и коллегами рассматриваются несколько парадигматических математических популяционных моделей с дискретным временем возрастающей сложности, таких как одновидовые, двухвидовые и трехвидовые системы взаимодействующих популяций. Особенность рассматриваемых моделей - учет пространственной диффузии (перемещения) организмов, которая зависит от плотности популяций. С помощью математического моделирования исследуется переходные неравновесные процессы с целью предсказания живучести экосистем и сохранения видов. В работе показывается, что внезапный коллапс экосистемы и исчезновение видов может происходить без какого-то влияния внешних факторов. Это происходит как следствие того, что длительный переходный квазистатичный режим ошибочно принимается  за финальный, тогда как по окончанию этого режима, экосистема резко переходит в другой режим без всякого внешнего воздействия. Примечательно, что отсроченное вымирание может произойти после тысяч поколений кажущейся безопасной динамики популяций. Исследование предсказывает, что длительные переходные процессы не только широко распространены в различных моделях популяционной динамики, но и имеют большое разнообразие типов сценариев внезапного коллапса без изменения внешних условий среды. Предсказываемая вездесущность длительных переходных процессов подчеркивает необходимость их учета в программах сохранения разнообразия видов. В работе рассказано, как можно моделировать и прогнозировать подобные сценарии. Результаты опубликованы в журнале Biological Conservation (2024). AY Morozov, D Almutairi, SV Petrovskii, A Hastings. Regime shifts, extinctions and long transients in models of population dynamics with density-dependent dispersal. Biological Conservation, 2024, vol. 290, 110419, doi.org/10.1016/j.biocon.2023.110419

Рис.1: Карта-схема мест отлова горбуши в Белом море Интродукция животных или растений в новые для них географические регионы имеет непрогнозируемые паразитологические последствия, и может приводить к усилению или ослаблению паразитарной нагрузки на местные виды, либо иметь относительно нейтральный статус. Паразитологический мониторинг интродуцентов важен для оценки их экологической роли в новых для них экосистемах. В данном исследовании ученые из Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН, Института общей генетики РАН, Института биологии КарНЦ РАН и Петрозаводского государственного университета сосредоточились на анализе паразитофауны горбуши, нерестующей в реках Белого моря, и нагуливающейся в Северной Атлантике и западных морях Северного Ледовитого океана. Исторический ареал горбуши охватывает Северную часть Тихого океана, восточные моря Северного Ледовитого океана и реки их бассейнов. В северных широтах Европы горбуша появилась благодаря программе целенаправленной интродукции, активная фаза которой приходилась на 1950-1980 годы. Ученые оценили видовой состав и численность паразитов в особях горбуши, выловленных в июле 2021 г. в Кандалакшском заливе Белого моря, и сравнили эти данные с результатами, полученными другими авторами в 1960-ые, 1990-ые и начале 2000-ых гг. Идентификация ряда видов осуществлена с использованием молекулярных данных. На протяжении 60 лет, прошедших с момента первых исследований паразитофауны интродуцированной горбуши, только три вида постоянно сохраняли доминирующие  позиции по численности - взрослые трематоды Brachyphallus crenatus, Lecithaster salmonis, и личинки тетрафиллидных цестод. Обилие остальных паразитов за исключением личинок нематод рода Anisakis изменчиво без прослеживания явных тенденций. У Anisakis заметно увеличение численности в беломорской горбуше в 2021 году по сравнению с периодом 1990-ых – начало 2000-ых гг. В целом, видовой состав паразитов интродуцированной горбуши указывает на использование хозяином того же спектра кормовых объектов, что и в родном ареале. Материалы опубликованы в статье Sokolov, S., Ieshko, E., Gordeeva, N. Gorbach V.V., Parshukov A.N. (2024) Parasites of invasive pink salmon, Oncorhynchus gorbuscha (Walbaum, 1792) (Actinopterygii: Salmonidae), in the Kandalaksha Bay of the White Sea. Polar Biology 47, 101–113. https://doi.org/10.1007/s00300-023-03214-9; Q1 Филогенетическое положение личинки тетрафиллидных цестод из беломорской горбуши(фрагмент дерева, последовательности гена cox1)

Рис. 1. Рентген тушки лесной куницы Martes martes (PAN-160) при виде сбоку: (a) спина в момент наибольшей дорсальной экстензии; (б, в) две позы, демонстрирующие положение спины при вентральной флексии. T11 – одиннадцатый грудной позвонок; L1 – первый поясничный позвонок. Стремительные погони на коротких дистанциях, долгое и изнурительное преследование жертвы, засада и прыжок, медитативные поиски падали на равнинах, охота в суровых условиях Арктики и в жарком влажном климате у экватора, охота в ветвях деревьев и норах. Вне зависимости от весовых категорий, которые охватывают диапазон от сотен грамм у мелких куньих до сотен килограмм у медведей и крупных кошек, хищные млекопитающие (отряд Carnivora) остаются одними из самых успешных плотоядных животных нашей планеты. Одной из основ гармоничного совершенства их локомоторного аппарата является гибкость позвоночного столба, которая находится в прямой взаимосвязи с особенностями локомоции и стратегией охоты. В своей новой статье, опубликованной в Journal of Anatomy, сотрудники лаборатории экологии, физиологии и функциональной морфологии высших позвоночных ИПЭЭ РАН Руслан Беляев и Наталья Прилепская изучили подвижность шеи и спины у 34 различных видов, относящихся к 6 семействам наземных хищных. Данная статья является первым сравнительным исследованием подобного типа. Использование филогенетических методов анализа данных позволило показать, что такие структурные характеристики позвоночного столба как позвоночная (число позвонков в различных отделах) и суставная формулы, а также пропорции длин модулей спины имеют сильный филогенетический сигнал. Это обозначает высокую гомогенность в структурных характеристиках спины у близкородственных таксонов. В большинстве характеристик подвижности позвоночника, напротив, наблюдается лишь незначительный филогенетический сигнал. Это обозначает, что в рамках существующей структуры (стабилизация которой могла произойти достаточно рано в эволюционной истории крупных филогенетических линий хищных) могут реализовываться различные биомеханические решения. Таким образом, подвижность позвоночника имеет высокую пластичность и легко адаптируется под экологические особенности конкретных видов. Единственной характеристикой подвижности, у которой исследователями был обнаружен сильный филогенетический сигнал оказалась гибкость шейного отдела во фронтальной плоскости. При охоте хищные реализуют две основные стратегии захвата жертвы: с помощью когтей на лапах или с помощью пасти. В проведенной работе было показано, что для псовых и гиен, использующих для захвата жертвы челюсти, характерно существенное увеличение относительной длины шейного отдела, сопровождающееся увеличением гибкости шейных суставов в сагиттальной и особенно фронтальной плоскостях. Учитывая, что гиены и псовые были “горячими точками” позитивных автокорреляций как для повышенной гибкости, так и для более высокой относительной длины шеи мы можем предположить, что эти специализации могли произойти в этих двух филогенетических линиях достаточно рано и были связаны со способом захвата добычи. Интересно отметить, что несмотря на то, что у представителей других семейств наземных хищных относительная длина шеи в полтора-два раза уступает псовым и гиенам, его гибкость (как в сагиттальной, так и во фронтальной плоскости) остается достаточно высокой и значительно превышает ее у короткошеих копытных. Одной из важнейших специализаций спины млекопитающих является способность к вертикальным (вверх-вниз) движениям во время бега. Именно она позволила наземным млекопитающим освоить галоп — скоростной и очень экономичный способ быстрого передвижения. Вертикальная гибкость локализована в задней части спины, а цикл сгибания и разгибания позвоночника синхронизован с циклом работы задних конечностей. Ранее проведенные исследования галопа у мелких млекопитающих показали, что граница вертикально гибкого модуля спины может либо в точности совпадать с границей грудного и поясничного отдела, либо помимо поясницы захватывать еще несколько последних грудных суставов. Однако ни у кого из ранее исследованных видов этот модуль не охватывал все постдиафрагмальные суставы (суставы с ‘замковым’ типом сочленения зигапофизов). В новом исследование рентгенографирование лесной куницы позволило показать, что именно такой вариант регионализации подвижности характерен для мелких куньих. Причем суммарная гибкость грудных ‘постдиафрагмальных’ суставов у куньих лишь незначительно уступает подвижности поясничного отдела, составляя ~40% от суммарной вертикальной гибкости спины. В самом общем виде в исследовании было показано, что поясничный отдел позвоночника у хищных заметно более подвижен, чем у копытных, с которыми они соревнуются в беге как хищник и жертва. В среднем хищные на ~25° превосходят по вертикальной подвижности парнокопытных, и на ~40° непарнокопытных. Несмотря на общую дорсомобильность (высокую вертикальную гибкость спины), подвижность поясницы у большинства хищных находятся в диапазоне изменчивости парнокопытных, лишь некоторые представители Canidae, Felidae, Mustelidae и Viverridae превосходят по гибкости поясницы всех без исключения копытных. Также в статье было показано, что гибкость позвоночника у хищных и парнокопытных различным образом распределена между сгибанием и разгибанием. Так наиболее дорсомобильные парнокопытные не уступают или даже превосходят хищных в способности к разгибанию позвоночника во время галопа, в то время как хищные значительно превосходят копытных по способности к его сгибанию. Сгибание спины позволяет хищным эффективнее выносить вперед задние ноги в фазе переноса конечностей, в то время как разгибание обслуживает толчок задних конечностей в фазе опоры. То, что даже самые крупные хищные существенно превосходят любых копытных в способности к сгибанию спины вероятно связано с гораздо более коротким пищеварительным трактом и отсутствием камер для ферментации целлюлозы. Рис. 2. Диаграмма, показывающая соотношение суммарной вертикальной гибкости поясничного отдела спины и кубического корня массы тела у некоторых хищных, парно- и непарнокопытных. * – палеогеновый предок лошадей Arenahippus grangeri. Суммарная вертикальная гибкость в поясничном отделе у хищных во многом зависит от специфики бега и способа охоты. Так, адаптация к долгому и выносливому преследованию добычи у гиен сопровождается заметным снижением вертикальной гибкости в поясничном отделе. Более дорсостабильный бег характерен также и для Ursidae, и для длинноногого гривистого волка. Представители Felidae и Canidae в среднем обладают значительно большей располагаемой подвижностью в поясничном отделе. Однако, раскадровки сцен охоты этих животных показали, что они полностью задействуют гибкость спины лишь в ключевые моменты охоты, связанные с разгоном, непосредственным захватом добычи, или при беге по прямой на максимальной скорости. При этом, даже большая часть времени активного преследования жертвы происходит на более низкой скорости, на которой используется достаточно дорсостабильный галоп. Это связано, в том числе, с необходимостью активно маневрировать при поимке добычи. Бег же на максимальной скорости лишает животных возможности эффективно совершать резкие маневры. Рис. 3. Максимальный (слева) и минимальный (справа) изгиб спины во время галопа у псовых: (а, б) грейхаунд бегущий по прямой на максимальной скорости (https://www.youtube.com/watch ?v=sf9pr gDBeAU); (в, г) волк преследующий зайца; (д, е) пара волков в момент перед поимкой зайца (BBC The Hunt. Эпизод 2. “In the Grip of Seasons Arctic”), обратите внимание на вырванный пучок волос из хвоста зайца во рту одного из преследующих его волков.   Источник: Ruslan I. Belyaev, Polina Nikolskaia, Andrey V. Bushuev, Aleksandra A. Panyutina, Darya A. Kozhanova, & Natalya E. Prilepskaya. (2024) Running, jumping, hunting, and scavenging: Functional analysis of vertebral mobility and backbone properties in carnivorans. Journal of Anatomy, 244(2), 205–231. Available from: https://doi.org/10.1111/joa.13955 Ссылка: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/joa.13955

Рис. 1. Основные направления использования рыбьего жира из печени акул (слева) и тренды добычи акул для получения жира, мяса и плавников (справа). Океанские глубины являются последним естественным убежищем биоразнообразия, практически незатронутым человеческой деятельностью. Глубоководные акулы и скаты относятся к числу морских позвоночных животных, наиболее чувствительных к чрезмерной промысловой эксплуатации. Популяции трети видов глубоководных акул и скатов находятся в угрожающем состоянии, а половина видов, вовлеченных в международную торговлю рыбьим жиром из печени, находятся под угрозой исчезновения. Остановить и обратить вспять резкое сокращение численности популяций глубоководных акул и скатов является непростой задачей из-за высокой продолжительности жизни большинства видов, низких темпов воспроизводства и практически полного отсутствия управления их промыслом. Международным коллективом ученых из 16 стран мира, включающим также сотрудников Российской академии наук из Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН и Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, были проанализированы многолетние данные о биоразнообразии глубоководных акул и скатов, состоянии их популяций и промысле видов, добываемых, прежде всего, для производства жира из печени, а также ради плавников и мяса. Целью исследования было понять, насколько указанные виды промысла влияют на разнообразие фауны глубоководных акул и скатов и состояние их популяций. Результаты проведенного исследования показали, что численность популяций глубоководных акул и скатов сократилась из-за чрезмерного вылова, усугубленного наличием у этих видов специфических особенностей жизненных циклов. Такое сочетание черт биологии, чрезмерного вылова и международной торговли привело в течение последних 10 лет к удвоению числа видов глубоководных акул и скатов, находящихся под угрозой исчезновения, что требует принятия неотложных мер, которые могли бы остановить и обратить вспять резкое сокращение численности их популяций. Рис. 2. Улов охлажденных акул на рыбном рынке г. Пусан (Республика Корея). Выходные данные статьи: Finucci B., Pacoureau N., Rigby C.L., Matsushiba J.H., Faure-Beaulieu N., Sherman C.S., Vanderwright W.J., Jabado R.W., Charvet P., Mejía-Falla P.A., Navia A.F., Derrick D.H., Kyne P.M., Pollom R.A., Walls R.H.L., Herman C.B., Kinattumkara B., Cotton C.F.,Cuevas J.-M., Daley R.K., Dharmadi, Ebert D.A., Fernando D., Fernando S.M.C., Francis M.P., Huveneers C., Ishihara H., Kulka D.W., Leslie R.W., Neat F., Orlov A.M., Rincon G., Sant G.J., Volvenko I.V., Walker T.I., Simpfendorfer C.A., Dulvy N.K. 2024. Fishing for oil and meat drives irreversible defaunation of deepwater sharks and rays. Science.No.383. P. 1135-1141.  https://doi.org/10.1126/science.ade9121 Рис. 3. Сушеные скаты на рыбном рынке г. Пусан (Республика Корея). Материалы по теме: РАН: "Исследования показали существенное сокращение популяций глубоководных акул и скатов из-за чрезмерного вылова"

Рисунок 1. Кораллы, страдающие от экстремального обесцвечивания. Залив Нячанг, Вьетнам. Фото К. Ткаченко. Экосистемы коралловых рифов славятся своим богатством и разнообразием, именно они испокон веков обеспечивают пищей и другими ресурсами миллионы людей, населяющих тропические страны. Однако в настоящее время происходит стремительная деградация коралловых экосистем. Только за период с конца 1960-х по конец 2000-х годов площадь коралловых рифов сократилась приблизительно в два раза. Так в чем же причина деградации рифов? В этом виноваты как естественные, так и антропогенные факторы: повышение температуры воды, кислотности, концентрации солей азота и фосфора, седиментации, вспышки численности хищных морских звезд и моллюсков, перелов рыбы, развитие макроводорослей. Этот список можно продолжить. Наиболее известная причина деградации рифов — обесцвечивание или бличинг кораллов (coral bleaching). Это процесс, при котором симбиотические водоросли выбрасываются из полости тела кораллового полипа в воду (Рис. 1). Питание кораллов в значительной степени обеспечивается этими микроскопическими водорослями, поэтому бличинг ослабляет коралл, а сильный продолжительный бличинг часто приводит к его гибели. Исследованию интенсивного бличинга посвящены многочисленные статьи и книги, при этом в тени остаются два менее выраженных, но не менее значимых для кораллового рифа процесса – сезонного обесцвечивания и частичной смертности. По-видимому, сезонному обесцвечиванию подвержены кораллы по всему миру, это естественная реакция симбиотических водорослей на изменения таких факторов среды как температура и освещенность. Однако и незначительное сезонное обесцвечивание ослабляет коралл, что может привести его к гибели в случае, если процесс бличинга затянется. Частичная смертность – это возникающее по различным причинам отмирание поверхности коралла, например при механическом повреждении коралловой колонии вследствие укусов кораллоядных рыб или твердыми песчинками при штормах.  Образовавшиеся участки обнаженного кораллового скелета могут вновь зарасти тканями, но если этот процесс идет медленно, то они колонизируются макроводорослями. Водоросли выделяют токсичные для кораллов метаболиты, провоцируя разрастание поврежденного участка. В естественных условиях процесс обрастания кораллов контролируется рыбами–фитофагами, но если этих рыб нет или мало в следствие перелова, баланс смещается в пользу водорослей. В результате пораженный участок расширяется все больше и больше, постепенно захватывая всю колонию, что в итоге приводит к ее гибели. До последнего времени исследованию причин сезонного бличинга и частичной смертности были посвящены лишь отдельные разрозненные исследования, а связь между сезонным обесцвечиванием, частичной смертностью и смертностью кораллов не была изучена вовсе. Заполнение этого пробела и стало целью исследования группы сотрудников лаборатории морфологии и экологии морских беспозвоночных ИПЭЭ РАН под руководством Темира Алановича Бритаева. Работа была выполнена на базе морской научно-исследовательской станции Дамбай, расположенной в заливе Нячанг (Вьетнам). В ходе исследования ежедневно выполнялся мониторинг состояния среды, в частности температуры воды, интенсивности осадков и скорости ветра (последний фактор был выбран как косвенный индикатор штормов в районе станции), дважды в месяц фиксировалось состояние кораллов Pocillopora verrucosa, высаженных на полигоне вблизи станции. Работа показала, что развитие сезонного обесцвечивания вызывается (Рис. 2), главным образом, повышением температуры воды, при этом колонии, уже страдающие от частичной смертности, более подвержены обесцвечиванию, чем те, которые не имеют травмированных участков. Рисунок 2. Развитие сезонного обесцвечивания и восстановление колонии коралла Pocillopora verrucosa. В свою очередь, частичная смертность была вызвана штормами. Колонии кораллов, страдающие от обесцвечивания, были подвержены развитию частичной смертности в большей степени, чем здоровые. Однако влияние обесцвечивания на частичную смертность было заметно ниже, чем частичной смертности на обесцвечивание. Рисунок 3. Колония коралла Pocillopora verrucosa, страдающая от частичной смертности. Наконец, был получен ответ на вопрос – могут ли сезонное обесцвечивание и частичная смертность быть причиной гибели кораллов? По наблюдениям, все погибшие колонии перед смертью страдали от частичной смертности. Как и ожидалось, поражение постепенно распространялось по кораллу, с каждым днем захватывая все большую ее часть, что в конце концов приводило к гибели колонии (Рис. 3). С другой стороны, не было обнаружено прямой связи между сезонным обесцвечиванием и гибелью. Да, ряд колоний перед гибелью страдал от обесцвечивания, но это было скорее внешним проявлением ухудшения состояния коралла, а не причиной гибели. Рисунок 4. Факторы, вызывающие обесцвечивание (bleaching) и частичную смертность (partial mortality). Таким образом, была подтверждена гипотеза, согласно которой массовая гибель кораллов может быть вызвана их повреждением и обрастанием макроводорослями. С другой стороны, влияние сезонного обесцвечивания на гибель кораллов оказалось существенно слабее ожидаемого. Оба исследованных процесса вызываются воздействием факторов среды (повышением температуры воды в случае сезонного обесцвечивания и штормами в случае частичной смертности) и связаны друг с другом (Рис. 4). Полученные данные не только существенно расширяют знания о биологии кораллов, но и могут служить фундаментальной основой для разработки программ по восстановлению коралловых рифов в Индопацифике. Настоящее исследование было выполнено в рамках программы Эколан Э – 3.1, задачи 1 Структура и динамика формирования симбиотических сообществ, ассоциированных с кораллами. Кроме того, работа была за средства гранта РНФ № 22-24-00836. Более подробно результаты исследования изложены в статье Seasonal bleaching and partial mortality of Pocillopora verrucosa corals of the coast of central Vietnam, доступной по ссылке.