Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100


А. Деревянко, М. Шуньков
Откуда пришел Homo sapiens?







Главная / Новости науки версия для печати

Взаимопомощь среди сперматозоидов основана на семейственности


Группировки сперматозоидов хомячка Peromyscus maniculatus. Фото из обсуждаемой статьи в Nature
Группировки сперматозоидов хомячка Peromyscus maniculatus. Фото из обсуждаемой статьи в Nature

Сперматозоиды могут объединяться в небольшие плотные стайки, что позволяет им обгонять конкурентов-одиночек. Это пример взаимопомощи с элементами альтруизма, потому что из всей стаи только один сперматозоид в итоге сможет оплодотворить яйцеклетку. Как выяснилось, у американских хомячков Peromyscus maniculatus, у которых самки спариваются с несколькими самцами подряд, сперматозоиды умеют отличать родню от чужаков и объединяются преимущественно со «своими». У близкородственного моногамного вида P. polionotus сперматозоиды лишены подобной избирательности, что полностью соответствует предсказаниям теории родственного отбора.

Полиандрия — спаривание самки со многими самцами — приводит к острой конкуренции между сперматозоидами за право оплодотворить яйцеклетку. Эту конкуренцию можно рассматривать с двух точек зрения: отдельных сперматозоидов (с одинарным набором хромосом) и целых самцов (с двойным набором). Эволюционная гонка вооружений (Evolutionary arms race), порождаемая спермовыми войнами, ведет к выработке специфических адаптаций на обоих уровнях. Как правило, самцов тех видов, для которых характерны спермовые войны, легко опознать по крупным семенникам. Чем больше они производят спермы, тем выше их шансы оставить потомство (типичный пример — шимпанзе). Сперматозоиды, со своей стороны, тоже вырабатывают специфические приспособления для победы в отчаянной гонке, в которой генам-победителям достается шанс на бессмертие. Одним из таких приспособлений является способность сперматозоидов объединяться в группы, склеиваясь «головка к головке» или «головка к хвосту» (см. рисунок). Смысл в том, что такие группы быстрее движутся в половых путях самки и обгоняют конкурентов-одиночек.

В кооперации сперматозоидов присутствует элемент альтруизма, ведь из всей группы только один сперматозоид может передать свои гены следующим поколениям, а все остальные жертвуют собой, чтобы ему помочь. Но они, скорее всего, не знают заранее, кто именно окажется счастливчиком, а у сперматозоидов-одиночек шансы на успех всё равно ниже, чем у любого члена группы.

Однако при полиандрии выгодно помогать не всякому сперматозоиду, а только родственнику, то есть сперматозоиду того же самца. Сперматозоиды одного самца имеют в среднем по 50% одинаковых генов, поэтому, согласно правилу Гамильтона (см.: Эволюция кооперации и альтруизма), каждому сперматозоиду выгодно пожертвовать частью собственных шансов на успех ради родственников, если их суммарный выигрыш от этого более чем вдвое превысит его проигрыш. Совсем другое дело, если речь идет о чужих сперматозоидах: помогать им во вред себе совершенно невыгодно.

Таким образом, теория предсказывает, что у видов, для которых характерна полиандрия, отбор может поддержать способность сперматозоидов отличать родню от чужаков и кооперироваться только со «своими».

Для проверки этого предсказания ученые из Гарвардского университета (США) изучили поведение сперматозоидов у двух близкородственных видов американских хомячков рода Peromyscus, которых в Америке называют «оленьими мышами» (deer mice) (см. о них в заметке: Эволюция защитной окраски у мышей изучена на молекулярном уровне, «Элементы», 02.09.2009). Для одного из видов (P. maniculatus) характерна полиандрия, причем между спариваниями одной самки с двумя разными самцами проходит порой меньше минуты. Самки второго вида (P. polionotus) более целомудренны и предпочитают устойчивые семейные связи. В соответствии с этим и семенники у самцов P. maniculatus втрое крупнее, чем у P. polionotus.

Для начала исследователи убедились, что у обоих видов сперматозоиды склонны объединяться в группы. Эти группы, как показали эксперименты in vitro (в пробирке), плавают в среднем со скоростью 127 микрометров в секунду и уверенно обгоняют одиночек, средняя скорость которых составляет лишь 110 мкм/с.

После этого были проведены эксперименты на избирательность объединений. Сперматозоиды разных особей красили двумя разными флюоресцентными красителями (красным и зеленым), а затем следили за их поведением в искусственной среде. В качестве контроля в этих опытах использовались сперматозоиды одного самца, половина из которых была выкрашена в красный, половина — в зеленый цвет. Подсчитывался процент одноцветных сперматозоидов в каждой группировке.

Оказалось, что если смешать сперматозоиды двух видов, то они образуют преимущественно конспецифичные группировки, то есть объединяются в соответствии с видовой принадлежностью. Значит, способность к различению «своих» и «чужих» у сперматозоидов имеется. Во втором эксперименте смешали сперматозоиды двух разных самцов P. maniculatus. Они тоже образовали одноцветные группы по родственному принципу. Но когда экспериментаторы смешали сперматозоиды двух самцов моногамного вида P. polionotus, для которых спермовые войны не актуальны, сперматозоиды стали образовывать смешанные красно-зеленые группировки. Таким образом, эксперименты полностью подтвердили теоретические ожидания: у вида с полиандрией сперматозоиды разных самцов различают друг друга и объединяются только со «своими», а у моногамного вида сперматозоиды не имеют такой избирательности.

В заключительном эксперименте авторы поставили перед разборчивыми сперматозоидами P. maniculatus более сложную задачу, смешав сперматозоиды двух родных братьев. Такие половые клетки имеют в среднем по 25% одинаковых генов. Сперматозоиды успешно прошли это испытание, образовав группировки преимущественно со «своими». Таким образом, способности сперматозоидов P. maniculatus к различению «своих» и «чужих» весьма совершенны.

Данное исследование является красивой иллюстрацией действенности современных эволюционных моделей. Всё было сделано прямо-таки по Юлию Цезарю: «предсказал — проверил — подтвердил».

Молекулярный механизм, при помощи которого сперматозоиды отличают родню от чужаков, неизвестен. Можно, однако, предположить, что он примерно такой же, как и в случае общения между взрослыми млекопитающими, и что в нем участвуют белки главного комплекса гистосовместимости (ГКГ) и специализированные обонятельные рецепторы (см.: Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006). Известно, что и белки ГКГ, и обонятельные рецепторы производятся сперматозоидами и присутствуют на их поверхности. Ранее была предложена интересная гипотеза, согласно которой эти молекулы помогают сперматозоидам найти яйцеклетку, если скрещивание не близкородственное (Ziegler et al., 2002, PDF, 380 Кб). Жаль, что авторы не обратили внимания на эту публикацию (и поэтому не смогли предложить правдоподобную гипотезу о молекулярном механизме распознавания).

Попутно это исследование ставит интересный вопрос: зачем у моногамного вида сперматозоиды вообще утруждают себя объединением в группы, если им не нужно конкурировать с чужаками? Конечно, это может объясняться просто тем, что моногамные хомячки унаследовали данное свойство от немоногамных предков, причем способность сперматозоидов отличать своих от чужих уже успела атрофироваться, а объединение в группы — еще нет. Но есть и другое возможное объяснение, которое будет работать в том случае, если признак «умение объединяться в группы» определяется гаплоидным генотипом самого сперматозоида, а не диплоидным генотипом самца. К сожалению, мы пока не знаем, так ли это. Но если так, то решение проблемы кроется в конкуренции между сперматозоидами одного и того же самца. Такая конкуренция может направлять эволюцию, потому что сперматозоиды имеют неидентичные геномы.

В итоге получаем любопытную нестандартную задачку по генетике. Если в моногамной популяции появится самец-мутант, у которого половина сперматозоидов будет иметь новый признак «способность объединяться в группы», и если группы сперматозоидов всегда обгоняют одиночек, то все дети этого самца унаследуют эту мутацию (а не половина детей, как было бы в случае любой другой мутации). При скрещивании двух гетерозиготных носителей этой мутации половина детей будет гомозиготна по ней (в обычной ситуации была бы только четверть гомозигот). Благодаря таким необычным свойствам новая мутация с большой вероятностью вскоре вытеснит из популяции конкурирующий аллель, не дающий сперматозоидам возможности объединяться в группы. В результате в популяции закрепится новый наследственный признак, совершенно не нужный ни популяции в целом, ни отдельным самцам, потому что их относительный репродуктивный успех от этого признака не зависит (в нашей модели самцы с этим признаком и без него оставляют в среднем одинаковое количество потомства). В данном случае отбор будет работать исключительно в интересах эгоистичного сперматозоида.

Источник: Heidi S. Fisher, Hopi E. Hoekstra. Competition drives cooperation among closely related sperm of deer mice // Nature. Advance online publication 20 January 2010.

См. также о полиандрии и спермовых войнах:
1) М. Л. Бутовская. Тайны пола. Мужчина и женщина в зеркале эволюции.
2) R. Baker. Sperm wars, PDF, 2,8 Мб (научно-популярная книга об эволюционных последствиях спермовых войн у человека).
3) Распутство матерей идет на пользу потомству, «Элементы», 09.11.2006.
4) Семейные отношения — ключ к пониманию эволюции человека, «Элементы», 09.10.2009.
5) Зачем самки приматов кричат во время секса?, «Элементы», 07.07.2008.

Александр Марков


Комментарии (4)



Последние новости: ГенетикаМолекулярная биологияАлександр Марков

11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия