«Галактика» внутри дрозофилы

Эта «спиральная галактика», окруженная «туманностью», — на самом деле внутренние половые органы самца обыкновенной дрозофилы (Drosophila melanogaster), плодовой мушки, которая частенько летает у вас дома над спелыми фруктами. Исследователь Бен Уолш (Ben Walsh) окрасил структуры разными флуоресцентными красителями и сделал этот снимок, поднеся камеру своего смартфона к объективу микроскопа.

Мужские половые органы дрозофилы состоят из двух спирально свернутых слепых трубок-семенников (на снимке они окрашены желтым), которые через семенные пузырьки (длинные трубки с голубыми точками) вместе с придаточными железами (видна одна из них, листовидная, состоящая из голубых точек) впадают в семяизвергательный канал (белый, виден «анфас»). Голубое облако, которое окружает эти органы, — это сперма: видны ее сгустки и местами даже отдельные сперматозоиды.

Микрофотографии и схемы мужской половой системы D. melanogaster целиком (А) и отдельно семенников с семенными пузырьками (B). Длина масштабного отрезка — 250 мкм. Коричневым цветом на схеме окрашен семяизвергательный канал, зеленым — придаточные железы, голубым — семенные пузырьки, красным — семенники. Иллюстрация из статьи P. Sitaram et al., 2014. Cytological Analysis of Spermatogenesis: Live and Fixed Preparations of Drosophila Testes

Кстати, сперматозоиды дрозофил — самые длинные из известных в животном мире: ученые объясняют это действием полового отбора (см. Половой отбор сделал сперматозоиды дрозофил самыми длинными в мире, «Элементы», 01.06.2016). Например, у Drosophila bifurca длина сперматозоидов (со жгутиком, конечно) достигает 5,8 см, что в 20 раз длиннее тела самой мушки. У Drosophila melanogaster они, впрочем, гораздо короче: около 2 мм, что примерно равно длине ее тела. В семенниках сперматозоиды свернуты в клубки диаметром около 50 мкм (примерно 1/20 мм).

A — самец Drosophila bifurca, окруженный собственным семенником (самец был сфотографирован до вскрытия, и его фото наложено в том же масштабе на фото развернутого левого семенника). Фото © Scott Pitnick. B — два сперматозоида в семенном пузырьке самца. Фото © Romano Dallai. Изображение из статьи T. Pizzari, 2006. Evolution: The Paradox of Sperm Leviathans

Развитие сперматозоидов (сперматогенез) начинается в дальнем «тупиковом» конце семенника. Там обитает популяция стволовых клеток-сперматогониев, имеющих нормальный диплоидный (двойной) набор хромосом. Каждая несколько раз делится обычным митотическим делением и дает начало сперматоцитам 1-го порядка. Те, в свою очередь, проходят через мейоз (деление, сокращающее число хромосом вдвое) и становятся гаплоидными сперматоцитами 2-го порядка. Последние превращаются в сперматиды — тоже гаплоидные клетки, уже обладающие короткими жгутиками. Проходя путь до семенных пузырьков, жгутики сперматид удлиняются и скручиваются, и клетки созревают в полноценные сперматозоиды.

Схема сперматогенеза в семеннике дрозофилы обыкновенной. Изображение из статьи A.-M. Dion-Côté, 2019. Spermatogenesis: A hotspot for new genes

Сперма, мигрирующая из семенных пузырьков, смешивается в семяизвергательном канале с семенной жидкостью, вырабатываемой секреторными клетками придаточных желез. Белки, содержащиеся в семенной жидкости, необходимы для длительного хранения спермы в семяприемниках (сперматеках) самок.

Сперматозоиды дрозофилы обыкновенной (Drosophila melanogaster) короче, чем у Drosophila bifurca, и не настолько скручены. A — сперматозоиды (количеством около 5000), движущиеся из семяприемника (SR) самки к матке (UT). B — увеличенное изображение, показывающее сперматозоиды с изогнутыми жгутиками. C–F — волнообразное движение сперматозоидов. Tail tip — кончик жгутика, head — головка сперматозоида. Стрелки указывают направление изгибов. Длина масштабного отрезка — 0,1 мм. Изображение из статьи Y. Yang, X. Lu, 2011. Drosophila sperm motility in the reproductive tract

Главный снимок был сделан в рамках исследования влияния изменения климата на фертильность (способность к размножению) животных, растений и грибов. Окрашивая семенники дрозофил флуоресцентными красителями и рассматривая их в микроскоп, Уолш и его коллеги искали в них сгустки сперматозоидов, и по их количеству и местонахождению анализировали, как менялся описанный выше процесс сперматогенеза у самцов мушек, содержавшихся при разной температуре.

Оказалось, что термальный стресс — то есть воздействие аномально низких или аномально высоких температур — отрицательно влияет на сперматогенез дрозофил. В таких условиях сперматозоиды хуже растут, уменьшается их подвижность и, соответственно, их способность оплодотворять яйцеклетки самок.

Впрочем, дрозофилы в этом не одиноки. Ученые, собрав и проанализировав данные из многих научных статей, пришли к выводу, что экстремальные температуры отрицательно влияют на фертильность самых разных животных, от коралловых полипов до мышей. Они предлагают ввести понятие «термального предела фертильности» (thermal fertility limit, TFL) — границы средних температур в месте обитания, после перехода которой фертильность представителей данного вида начинает снижаться критически, — и использовать этот показатель, чтобы определить, каким видам и при каких изменениях глобальных температур грозит вымирание.

Фото © Ben Walsh из твиттера автора.

Олег Соколенко