Общественный портал

Ученым, занятым изучением размножения в лаборатории одного из видов плоских червей, удалось вывести линию, все клетки всех особей которых (в том числе и сперматозоиды) содержат зеленый флуоресцентный белок. Это позволило им в серии экспериментов детально исследовать успешность размножения, прослеживая путь сперматозоидов внутри особи-реципиента. Оказалось, что итоговый успех размножения данной особи в большей степени зависит не от числа спариваний (как нередко считают), а от эффективности оплодотворения — событий, которые происходят между проникновением спермы донора в половые пути реципиента и оплодотворением. Таким образом, впервые четко показано, что наибольшее значение может иметь конкуренция между сперматозоидами в половых путях, а не конкуренция самих животных за право спариться.

Конкуренцию за право спаривания с самкой обычно считают одной из основных причин неравенства самцов в репродуктивном успехе. У разных видов такая конкуренция может принимать совершенно разные формы (от весьма кровопролитных столкновений самцов в борьбе за самку до экзотических стратегий вроде запечатывания полового отверстия самки после спаривания), но считается, что в выигрыше оказывается тот самец, который спарился большее число раз и/или с большим количеством самок и что это напрямую определяет число потомков данного самца. Но иногда — или даже довольно часто — дело может обстоять сложнее. Дело в том, что сперматозоиды разных самцов могут с разной вероятностью оплодотворять яйцеклетку. Влиять на это может, например, морфология сперматозоидов (у одних самцов они более мобильны, чем у других), их концентрация в сперме или — если самка спаривается с несколькими самцами — последовательность копуляций.

Сравнивая успех спаривания и устанавливая, кто именно из самцов стал отцом, ученые в какой-то степени могут оценить влияние описанных посткопуляционных факторов (качество спермы и т. д.). Но в целом это явление — неравноценность спермы разных самцов — пока что остается мало изученным с точки зрения влияния на репродуктивный успех. Во многом это связано с методологическими трудностями, ведь проследить судьбу сперматозоидов после их попадания в репродуктивные пути самки не так просто.

Это удалось сделать международной команде ученых, занятых изучением полового поведения червя Macrostomum lignano из класса ресничных червей (Turbellaria). Они вывели трансгенную линию этого червя, все клетки (в том числе и сперматозоиды) всех особей которой содержат зеленый флуоресцентный белок (GFP). Поэтому, когда такие сперматозоиды попадают в половые пути «дикой» (не модифицированной генетически) особи, их дальнейшую судьбу легко наблюдать (рис. 1, С).

Рис. 2. Фото (слева) и рисунок двух спаривающихся червей, каждый из которых принял форму буквы G. Рисунок из статьи L. Schärer et al. 2004. Mating behaviour of the marine turbellarian Macrostomum sp.: these worms suck

Червь Macrostomum lignano обитает в литоральной зоне северной части Адриатического моря и относится к так называемой интерстициальной фауне (организмы, живущие на дне между песчинками). Это небольшое прозрачное животное длиной до 1,5 мм. Прозрачность позволяет определять размер гонад и другие подобные показатели у живых червей. А в контексте обсуждаемого исследования она удачно сочетается с применением GFP. В эксперименте использовали две линии: трансгенную GFP(+) и «дикую» GFP(−). Черви этого вида — гермафродиты, но для развития потомства необходимо спаривание двух особей. При этом каждое животное выступает одновременно в роли как мужской, так и женской особи. При копуляции оба животных принимают позу в форме буквы «G», так что мужской репродуктивный орган (стилет) входит в семяпринимающую структуру партнера (антрум) (рис. 2). Спаривания можно наблюдать довольно часто, до 6 раз в час у одной особи. Сперма сохраняется в антруме некоторое время после спаривания, и лишь затем происходит оплодотворение. Поскольку спаривания происходят часто, в антруме может находится сперма нескольких особей.

Задача ученых состояла в том, чтобы увидеть различия в «поведении» сперматозоидов от разных доноров в антруме реципиента. Тестируемые группы червей для спаривания подбирали таким образом, что реципиент линии GFP(−) мог получить сперму от особей обеих линий. Зеленый маркер GFP(+) передается по наследству как доминантный аллель, что позволило легко оценивать отцовство в каждой комбинации доноров спермы.

На подготовительном этапе ученые взяли 500 червей GFP(+) и 1000 червей GFP(−) и рассадили их в чашки Петри по 100 штук (линии не смешивали). Через 3 дня после откладывания яиц все взрослые особи были удалены. Далее опыты проводили только с вылупившимися впоследствии животными, которые были, таким образом, примерно одного возраста. Еще через 6 дней молодых червей рассадили, сформировав 72 группы типа А, куда входила 1 особь GFP(+) и 4 особи GFP(−), и 72 группы типа В (только 4 особи GFP(–)).

Собственно опыт начался на 70-й день, когда все особи полностью выросли и уже имели опыт спаривания (рис. 3). Для начала, всех червей из групп типа А в течение суток содержали на субстрате, в состав которого входил синий пищевой краситель. Благодаря потреблению красителя, эти особи приобрели голубоватый цвет, что позволяло легко отличать их от прочих. Далее одного червя GFP(+), уже имеющего голубоватый цвет, подсаживали в группу типа В и держали там три часа, после чего животных рассаживали для предотвращения дальнейших взаимодействий. Все это фиксировалось на видео. При анализе видеосъемок считали число копуляций с участием единственного в группе червя GFP(+) и отдельно — число копуляций с участием только четырех неразличимых особей GFP(−). Далее у каждого червя GFP(−) определяли количество сперматозоидов от GFP(+) (светящихся зеленым) и количество сперматозоидов от червей GFP(−). Наконец, от каждого GFP(−) получали потомство, в котором определяли (тоже по зеленому свечению) долю отпрысков червя GFP(+).

Рис. 3. Схема дизайна эксперимента. Пояснения в тексте. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution

На основе этих параметров рассчитывали наборы характеристик каждого червя GFP(+), которые потом использовались в статистическом анализе репродуктивной «результативности»:

• успех спаривания, MS (отношение числа копуляций в данной группе с данным червем GFP(+) к числу копуляций между червями GFP(−) в этой группе);
• успех семяпередачи, STS (отношения количества сперматозоидов, полученных червями GFP(−) от червя GFP(+), к суммарному по данной группе числу сперматозоидов, полученных червями GFP(−) при спариваниях между собой);
• успех отцовства, PS (отношение числа потомков червя GFP(+) к числу потомков червей GFP(−));
• посткопуляционный репродуктивный успех, PMS (равный отношению PS и MS);
• эффективность передачи спермы, STE (отношение параметров STS и MS);
• эффективность оплодотворения, SFE (отношение параметров PS и STS).

Также у каждого червя GFP(+) определяли индивидуальные характеристики: размер тела, размер семенника, длину стилета и морфологию сперматозоидов (общая длина и длина жгутика). Одной из основных идей всего исследования было изучение взаимосвязей между этими характеристиками и параметрами успеха спаривания и оплодотворения из приведенного списка.

При обработке данных использовали модель, согласно которой межиндивидуальная вариабельность в общем успехе размножения у особи, выступающей в роли самца, зависит от параметров MS, STE, SFE, а также от плодовитости особи, выступающей в роли самки.

Анализ показал, что вариабельность общего успеха размножения у разных особей–«самцов» на 11% объясняется вариабельностью плодовитости особи–«самки», на 6% — успехом спаривания (MS), на 22% — эффективностью передачи спермы (STE) и на 52% — эффективностью оплодотворения (SFE). Также выяснилось, что репродуктивный успех положительно связан c размером семенников (рис. 4), но не зависит от других изученных морфологических признаков.

Рис. 4. Положительная корреляция относительного репродуктивного успеха (RS) и стандартизированного размера семенников. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution

Таким образом, обсуждаемое исследование показало, что у турбеллярии Macrostomum lignano репродуктивный успех особи в качестве самца определяется в большей степени не числом спариваний (как часто считают применительно к большинству видов), а эффективностью оплодотворения спермой, уже поступившей донору. То есть теми событиями, которые происходят уже после попадания спермы внутрь другой особи. Именно здесь сперматозоиды разных потенциальных отцов «конкурируют» друг с другом. При этом особи, обладающие семенниками большего размера, в итоге имеют больше потомков. Предположительно это происходит потому, что им удается передать донору больше спермы в каждое конкретное спаривание. Авторы полагают, что выявленные закономерности могут быть применимы и к некоторым другим животным, практикующим промискуитетную систему спаривания, при которой каждая особь спаривается с разными партнерами и сколько-нибудь постоянных пар или репродуктивных групп (например, один самец и две самки) не образуется.

Источник: Lucas Marie-Orleach, Tim Janicke, Dita B. Vizoso, and Lukas Schärer. Quantifying episodes of sexual selection insight from a transparent worm with fluorescent sperm // Evolution. 2016. V. 70. P. 314–328.

Алексей Опаев