Ученые выяснили, почему девственницы менее разборчивы, чем опытные самки

Рис. 1. Когда самка дрозофилы решает, как ей реагировать на мужские ухаживания, она учитывает множество факторов, включая свое собственное состояние. В частности, как выяснилось, девственницы менее избирательны, чем самки, имеющие сексуальный опыт. Фото с сайта bbc.com

Теория предсказывает, что самкам многих животных должно быть выгодно регулировать свою половую избирательность в зависимости от ситуации и жизненного опыта. Эксперименты на дрозофилах подтвердили, что после первого спаривания самки становятся более разборчивыми. Опытные самки предпочитают самцов, производящих много феромона — пальмитолеиновой кислоты, а девственницы не проявляют такой избирательности. Как выяснилось, причина в том, что повышение уровня гормона JH (juvenile hormone), происходящее после первого спаривания, делает обонятельные нейроны самок менее чувствительными к данному феромону. Интересно, что у самцов уровень JH тоже растет с возрастом и опытом, но это ведет не к снижению, а к росту чувствительности к пальмитолеиновой кислоте. Благодаря этому опытные самцы ухаживают за самками активнее и успешнее, чем молодые. Противоположное действие одного и того же гормона на обоняние самцов и самок связано с тем, что важнейший регулятор полового поведения — ген fruitless, экспрессия которого усиливается под действием JH, даёт у самцов и самок разные белковые продукты (fru^M и fru^F) благодаря альтернативному сплайсингу.

Если самка будет слишком разборчивой при выборе полового партнера, она рискует умереть девственницей, особенно при дефиците самцов. Спариваться с первым встречным тоже рискованно: можно получить не самые качественные гены для своего потомства. Оптимальным решением была бы способность регулировать избирательность в зависимости от ситуации, в том числе от того, является ли самка девственной или уже имеет сексуальный опыт. Это особенно актуально для животных, самки которых, подобно самкам плодовой мушки Drosophila melanogaster, спариваются в течение жизни со многими самцами и хранят запас спермы в специальных хранилищах (сперматеках). У D. melanogaster есть и другие особенности, делающие регулируемую избирательность выгодной. Численность локальных популяций у этого вида подвержена резким колебаниям, а значит, хорошего самца не всегда легко найти. Важно и то, что наилучшие шансы стать отцом имеет тот самец, который спарился с самкой последним. В таких обстоятельствах можно ожидать, что девственные самки будут малоразборчивыми, чтобы на всякий случай получить запас хоть какой-то спермы, а после первого спаривания начнут проявлять избирательность, чтобы обеспечить потомство наилучшими генами.

Биологи, изучающие половое поведение дрозофил, хорошо знают, что девственные самки спариваются куда охотнее, чем недевственные. Это одна из главных причин того, что в тестах на половую избирательность обычно используют девственниц. Если использовать опытных самок, придется гораздо дольше ждать, пока они с кем-то спарятся.

Идея о том, что с опытом самки становятся не только менее рецептивными (восприимчивыми к мужским ухаживаниям), но и более избирательными, витает в воздухе, хотя прямых экспериментальных подтверждений у нее мало, а механизм явления и подавно не известен. В основе роста избирательности может лежать и приобретение опыта как таковое (то есть обучение), и срабатывание некого физиологического переключателя. Дрозофилы — практически идеальный объект для подобных исследований, потому что для них разработаны все необходимые методики и генетические инструменты.

В статье, опубликованной 21 июня в журнале Nature Ecology & Evolution, биологи из Нидерландов и США показали, что самки дрозофил после первого спаривания действительно становятся более избирательными. Более того, ученые в общих чертах расшифровали механизм этого явления, который оказался намного больше похож на «физиологический переключатель», чем на «осмысление жизненного опыта».

Исследователи предлагали самкам из стандартной лабораторной линии Canton-S на выбор двух самцов: одного из линии Netherlands (NL), другого из линии Tai. Оказалось, что девственные самки с равной вероятностью спариваются с любым из двоих, то есть вообще не проявляют избирательности. Однако при повторном тестировании, которое проводилось через сутки после первого спаривания, самки уверенно предпочитали самцов Tai (рис. 2, а). Кстати, девственным самкам в этих тестах давали на спаривание 2 часа (если самка за это время ни с кем не спарилась, ее исключали из эксперимента), а опытным — 10 часов, что отражает общее снижение рецептивности у недевственных самок.

Рис. 2. Результаты экспериментов, показывающие, что избирательность самок растет после первого спаривания, и что эффект связан с тремя факторами: присутствием в семенной жидкости полового пептида SP, наличием у самки рецептора SPR и повышенным уровнем гормона JH. Синие столбики — данные по девственным самкам, красные — по недевственным. а — доля самок, спарившихся с более привлекательным самцом (Tai). Диаграмма справа отражает уровень различий по избирательности между девственными и опытными самками; при расчете этого показателя самки, спарившиеся в первый раз с NL, а во второй — с Tai, получали 1 балл (избирательность выросла), спарившиеся с самцами из одной линии — 0 баллов (избирательность не изменилась), а спарившиеся сначала с Tai, а потом с NL, получали оценку −1 (избирательность снизилась). Средний уровень 0,5 соответствует резкому росту избирательности после первого спаривания. b — после спаривания с самцами, у которых в семенной жидкости есть половой пептид SP, избирательность самок растет (два левых столбика), но этого не происходит после спаривания с мутантными самцами, лишенными SP (правый столбик). c — женская избирательность не растет после спаривания, если у самки нет рецептора полового пептида SPR. d — девственные самки становятся избирательными даже без спаривания, если накормить их метопреном — аналогом гормона JH. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Ecology & Evolution

Таким образом, результаты согласуются с идеей, что после первого спаривания самки становятся более разборчивыми. Заодно стало ясно, что самцы Tai более привлекательны, чем NL. Девственницам это всё равно, но опытные самки чувствуют разницу.

Эти выводы подтвердились в дополнительных опытах, в которых к самке подсаживали только одного самца (либо Tai, либо NL) и измеряли время от начала теста до спаривания. Оказалось, что самцам из двух линий требуется в среднем одинаковое время, чтобы соблазнить девственную самку, но опытные самки быстрее поддаются на ухаживания самцов Tai.

Каков механизм роста избирательности после спаривания? С одной стороны, это может быть обучение на опыте. Самка может, например, оценить свой первый сексуальный опыт как положительный или отрицательный. Известно, что обучение на опыте влияет на половую избирательность самцов дрозофил: после опыта неудачного ухаживания самцы начинают предпочитать девственниц (см.: Дофаминовые нейроны нужны мухам, чтобы учиться на ошибках, «Элементы», 10.09.2012). С другой стороны, это может быть и чистой физиологией. Известно, что после первого спаривания у самок дрозофил происходят серьезные физиологические изменения, проявляющиеся, в частности, в ускоренном производстве яиц и снижении рецептивности. Ключевую роль в этих изменениях играет «половой пептид» (sex peptide, SP), содержащийся в семенной жидкости. Половой пептид воспринимается рецептором SPR, который экспрессируется в матке (см.: Ученые выяснили, почему самки дрозофил становятся агрессивными после спаривания, «Элементы», 22.05.2017).

Для начала авторы решили проверить, связан ли рост избирательности самок после спаривания с работой сигнального каскада SP–SPR. Предположение подтвердилось. Оказалось, что после спаривания с самцами-мутантами, не вырабатывающими SP, половая избирательность самок не увеличивается (рис. 2, b). Мутантные самки, лишенные рецептора SPR, тоже не становятся более избирательными после спаривания (рис. 2, c).

Известно, что после спаривания у самок под действием SP повышается уровень многофункционального «ювенильного гормона» (juvenile hormone, JH) (P. Moshitzky et al., 1996. Sex-peptide activates juvenile hormone biosynthesis in the Drosophila melanogaster corpus allatum). Рост производства яиц является одним из следствий повышенного уровня JH. Не влияет ли этот гормон также и на женскую избирательность? Чтобы это проверить, ученые кормили самок аналогом JH — метопреном (см. Methoprene; многофункциональность JH позволяет использовать метопрен в качестве инсектицида, потому что он блокирует метаморфоз, но это сейчас к делу не относится). Оказалось, что под действием метопрена девственные самки становятся избирательными даже без спаривания (рис. 2, d). Значит, рост избирательности, скорее всего, связан с уровнем JH, который повышается после спаривания под действием SP.

Итак, сексуальный опыт не ведет к росту избирательности, если поврежден сигнальный каскад SP–SPR, а аналог гормона JH повышает избирательность без всякого опыта. По-видимому, из этого следует, что обучение тут ни при чем, а всё дело в «физиологическом переключателе», компонентами которого являются каскад SP–SPR и гормон JH.

Авторы не остановились на достигнутом и задались вопросом, как самки отличают «привлекательных» самцов от «непривлекательных» (Tai от NL). Первое, что здесь приходит в голову — это феромоны и воспринимающие их рецепторы. Известно, что феромоны играют важную роль в регуляции полового поведения дрозофил (см.: Феромоны не привлекают, а заставляют задуматься, «Элементы», 19.10.2009), и что разные природные популяции и лабораторные линии D. melanogaster различаются по количеству и соотношению феромонов (см.: Половой отбор способствует эволюции углеводородного состава кутикулы у дрозофил, «Элементы», 15.11.2012).

Дальнейшие эксперименты показали, что для роста женской половой избирательности после спаривания необходим обонятельный рецептор Or47b, реагирующий на один из половых феромонов дрозофилы — пальмитолеиновую кислоту (palmitoleic acid). Два других хорошо изученных феромонных рецептора, Or67d и Or88a, для изучаемого эффекта не нужны. Самки, лишенные Or47b, остаются после спаривания неизбирательными, как девственницы. Нейроны, экспрессирующие Or47b, у девственниц сильнее реагируют на пальмитолеиновую кислоту, чем у опытных самок. То есть после спаривания снижается чувствительность специализированных обонятельных нейронов к пальмитолеиновой кислоте. Реакция других обонятельных нейронов (экспрессирующих Or67d и Or88a) на свои лиганды (другие феромоны) после спаривания не меняется.

Выяснилось также, что рост уровня JH снижает чувствительность нейронов к пальмитолеиновой кислоте даже без спаривания. Причем JH действует непосредственно на сами нейроны, экспрессирующие Or47b. Это видно из того, что эффект пропадает, если заблокировать в этих нейронах (и только в них) работу гена, кодирующего рецептор JH (у этого гена говорящее название methoprene-tolerant, потому что его поломка делает насекомое нечувствительным к метопрену).

Итак, вырисовывается следующая картина. Спаривание через каскад SP–SPR повышает уровень JH. Это, в свою очередь, снижает чувствительность обонятельных нейронов самки к афродизиаку — пальмитолеиновой кислоте. В результате самцу, чтобы заинтересовать самку, нужно производить больше афродизиака.

Чтобы у этой теории сошлись концы с концами, оставалось убедиться, что самцы Tai действительно производят больше пальмитолеиновой кислоты, чем самцы NL. Это было проверено (смытые с самцов углеводороды и жирные кислоты изучались при помощи газовой хроматографии) и подтвердилось. Как выяснилось, самцы Tai производят почти все известные феромоны в больших количествах, чем самцы NL. Что касается пальмитолеиновой кислоты, то ее у самцов NL в среднем около 7 нанограмм на особь, а у самцов Tai — 13 нанограмм (целая дрозофила весит примерно 1 миллиграмм).

Еще один эксперимент был проведен, чтобы окончательно убедиться, что повышенный уровень JH у опытных самок в сочетании с повышенным уровнем пальмитолеиновой кислоты у самцов Tai являются достаточным объяснением той избирательности, которая была обнаружена в исходном эксперименте. На этот раз авторы использовали только девственных самок и только самцов NL. При этом половину самок накормили метопреном (что аналогично повышению уровня JH), а половине самцов нанесли на спину капельку (0,5 мкл) спиртового раствора пальмитолеиновой кислоты. Другая (контрольная) половина самцов получила такую же капельку чистого спирта. Всё сошлось: девственные самки, поевшие метопрена, предпочитали самцов, намазанных афродизиаком, а контрольным самкам было всё равно.

Но даже на этом авторы не остановились, а попытались еще выяснить, каким образом JH снижает чувствительность обонятельных нейронов, экспрессирующих Or47b, к пальмитолеиновой кислоте. Этот вопрос крайне интересен, потому что ранее было показано, что у самцов дрозофил JH не снижает, а наоборот, повышает чувствительность этих нейронов к афродизиаку. У самцов уровень JH растет с возрастом, особенно при интенсивных контактах с другими мухами. Ювенильный гормон у самцов стимулирует экспрессию гена fruitless — одного из ключевых регуляторов репродуктивного поведения дрозофил. мРНК, считанная с гена fruitless, подвергается альтернативному сплайсингу. Поэтому у самцов и самок в итоге получаются разные белковые продукты: fru^M (мужской) и fru^F (женский). fru^M — транскрипционный фактор, повышающий экспрессию других генов, в том числе гена pickpocket25 (ppk25). Этот ген кодируют субъединицу ионного канала. Именно повышенная экспрессия ppk25 в обонятельных нейронах является непосредственной причиной того, что у опытных самцов нейроны, экспрессирующие Or47b, становятся более чувствительными к пальмитолеиновой кислоте. На поведенческом уровне это приводит к тому, что опытные самцы активнее ухаживают за самками и чаще добиваются успеха (H.-H. Lin et al., 2016. Hormonal modulation of pheromone detection enhances male courtship success).

Исходя из этих сведений, авторы проверили, стимулирует ли JH экспрессию fruitless у самок. Оказалось — да, стимулирует. Но только у самок это никак не влияет на экспрессию ppk25. Скорее всего, причина в том, что женский транскрипт fru^F содержит ранний стоп-кодон, и поэтому женский белковый продукт fru^F не является полноценным транскрипционным фактором.

Каким именно способом повышенный уровень JH снижает чувствительность нейронов Or47b к пальмитолеиновой кислоте у самок, в итоге так и не удалось выяснить. Ясно только, что не через каскад fruitless–ppk25. Зато стало в общих чертах понятно, как в данном конкретном случае эволюция сумела разрешить так называемый «внутрилокусный конфликт полов». Этим термином обозначают ситуацию, когда какая-то генетическая особенность, развившаяся в ходе эволюции для повышения репродуктивного успеха одного из полов, снижает репродуктивный успех другого.

В данном случае самцам выгодно, чтобы гормон JH, уровень которого растет с возрастом у обоих полов, повышал чувствительность обонятельных нейронов к пальмитолеиновой кислоте. Это позволяет опытным самцам быть более успешными в конкуренции за самок, а достигается за счет положительного влияния JH на экспрессию fruitless. Самкам же, наоборот, выгодно, чтобы рост уровня JH вел к снижению чувствительности нейронов к пальмитолеиновой кислоте. Это позволяет опытным самкам быть разборчивыми в связях. Но у самок, как и у самцов, JH тоже стимулирует экспрессию fruitless. Если бы и дальше всё шло, как у самцов, самки после спаривания могли бы стать еще менее разборчивыми, чем девственницы. Выход, который нашла эволюция, состоит в том, что fruitless, благодаря альтернативному сплайсингу, дает разные белковые продукты у самцов и самок. Женский продукт fru^F не влияет на экспрессию ppk25, и поэтому мужской регуляторный каскад «JH → fruitless → ppk25 → повышенная чувствительность к пальмитолеиновой кислоте» у самок не срабатывает.

Должен существовать еще специальный женский каскад, связывающий рост уровня JH со снижением чувствительности нейронов у самок. Его, наверное, скоро расшифруют. Ну а ученым, изучающим брачное поведение и половую избирательность дрозофил, нужно намотать себе на ус, что принятая практика использовать в тестах на избирательность девственных самок, скорее всего, ведет к общей недооценке степени избирательности и ограничивает наши возможности по выявлению всех ее нюансов. Это, в свою очередь, ведет к неточным представлениям о силе и характере полового отбора.

Источник: Philip Kohlmeier, Ye Zhang, Jenke A. Gorter, Chih-Ying Su and Jean-Christophe Billeter. Mating increases Drosophila melanogaster females’ choosiness by reducing olfactory sensitivity to a male pheromone // Nature Ecology & Evolution. 2021. DOI: 10.1038/s41559-021-01482-4.

См. также:
1) В. Ю. Веденина. Эволюция брачного поведения дрозофил: от генов до поведенческих программ.
2) Ученые выяснили, почему самки дрозофил становятся агрессивными после спаривания, «Элементы», 22.05.2017.
3) Дофаминовые нейроны нужны мухам, чтобы учиться на ошибках, «Элементы», 10.09.2012.
4) Мухи узнают своих бывших избранников, «Элементы», 08.10.2013.
5) Половой отбор способствует эволюции углеводородного состава кутикулы у дрозофил, «Элементы», 15.11.2012.
6) Рецепторы пищевых запахов запускают ухаживание у дрозофилы, «Элементы», 14.10.2011.
7) Феромоны не привлекают, а заставляют задуматься, «Элементы», 19.10.2009.

Александр Марков