В войнах спермы верх берут грубая сила и химия

"Когда самка образует пары более чем с одним самцом – а женская беспорядочность связей распространена в природе очень широко – между самцами происходит постоянная борьба за внимание женской особи и продолжение рода.

Мы хотели понять, каким образом сперматозоиды борются друг с другом за возможность оплодотворить яйцеклетку. Ведь этот внутренний половой отбор – не менее важная движущая сила эволюционных изменений", — рассказывает Питник.

Семенная жидкость может атаковать незнакомца, но не способна защитить свои собственные сперматозоиды (фото Scott Pitnick/Syracuse University).

Мужским особям с разно раскрашенными сперматозоидами дали возможность последовательно совокупиться с самкой. За происходящим далее наблюдали при помощи микроскопа (а также замораживая и препарируя самок на разных стадиях после совокупления).

Учёным был известен один интересный факт: у дрозофил вида D. melanogaster тот самец, который совокупляется с самкой последним, оплодотворяет 80% её яйцеклеток, а все те особи, что ему предшествовали, довольствуются оставшимся. Механизм этого странного процесса ранее был биологам неизвестен. Но на сей раз удалось установить, что же происходит на самом деле.

"Когда мы наблюдали за поведением светящейся спермы в микроскоп, наши челюсти упали на пол. Оказалось, что внутри органов, в которых женские особи сохраняют сперму, происходило не просто постоянное движение, а целая цепочка событий с применением грубой силы и химикатов", — говорит Скотт. (Посмотреть записанные видео можно ниже, а также здесь и здесь, MOV-файлы.)

Возможно, такое большое (и даже избыточное) количество сперматозоидов – ответ на жёсткую конкуренцию между самцами (фото Boris Baer/University of Western Australia).

В своей статье в Science учёные пишут, что каждый самец за один акт совокупления передаёт самке около 1400 сперматозоидов. При этом в трёх органах-хранилищах (слепых трубках, ответвляющихся от половых путей женской особи) может остаться только 500 из них.

После встречи с первым самцом самка либо сама выгоняет часть спермы из "запасников", либо этот процесс запускают химические соединения, содержащиеся в сперме второго самца. Мало того что разворачивается настоящая химическая война, так ещё и движение второй группы сперматозоидов столь ожесточённое, что за место под солнцем приходится бороться чисто физически.

Спустя несколько часов после осеменения самка повторно сжимает внутренние органы, и те сперматозоиды, что не успели закрепиться внутри трёх трубок, выбрасываются вовне, теряя всякий шанс оплодотворить яйцеклетку.

Скотту и его коллегам удалось вывести самцов других видов насекомых (а также гибриды), сперма которых тоже светилась. В ближайшем будущем учёные планируют узнать, что происходит, когда в организм женской особи попадает чужая сперма.

Механизмы, обуславливающие возникновение войн сперматозоидов, вероятно, эволюционировали у пчёл и муравьёв отдельно (фото STRI).

"Женские особи многих видов – от позвоночных до насекомых – часто спариваются сразу с несколькими партнёрами. Сперма приспособилась к конкуренции самцов на своём собственном уровне", – считает Уильям Эберхард (William Eberhard) из Смитсонианского института тропических исследований, где проводилась часть работы (фото Miriam Arrueta/STRI).

Во второй работе в качестве объекта исследования были выбраны социальные насекомые: пчёлы и муравьи-листорезы из Панамы. Выяснилось, что у них в игру вступают и женские особи, которые в определённый момент начинают подавлять боевые действия сперматозоидов. Однако происходит это отнюдь не из миролюбивости, а в угоду собственным интересам.

Биологи из университетов Копенгагена (K benhavns Universitet и Западной Австралии (University of Western Australia) изучили поведение, пожалуй, самых массовых хранителей и одновременно манипуляторов спермой – королев ульев и муравейников.

Королевам колоний необходим гигантский запас сперматозоидов. К примеру, муравьиная матка спаривается с десятками самцов в течение нескольких часов лишь однажды в жизни, собирая таким образом 100-400 миллионов сперматозоидов.

Самцы умирают, но их сперма живёт в теле королевы годами. Постепенно благодаря этим запасам на свет появятся от 50 до 150 миллионов личинок. Пчелиная матка живёт чуть меньше муравьиной, но и ей необходимо родить около миллиона пчёл.

Однако, как выяснили биологи, попадая в тело королевы, сперматозоиды этих насекомых тоже не успокаиваются. "Некоторое время они продолжают борьбу", — рассказывает один из участников исследования Якобус Бумсма (Jacobus Boomsma). Причём в этой борьбе активно участвуют не только сами "толкающиеся" сперматозоиды, но и попавшая вместе с ними семенная жидкость.

Бумсма и его коллеги проследили за поведением сперматозоидов как пчёл, так и муравьёв, поместив их на предметное стекло микроскопа в компании соляного раствора, семенной жидкости того же самца или же его соперника. Оказалось, что в своей родной среде сперма выживала дольше, а в присутствии чужой химии умирала быстрее (за 15 минут уничтожалось более 50% чужаков), чем просто в подсоленной воде.

В статье, также опубликованной в Science, биологи предполагают, что в семенной жидкости присутствуют некие вещества, которые "ухаживают" за своими сперматозоидами и портят жизнь чужим (атакуют их как иммунная система).

То есть получается, что семенная жидкость – не просто питательная среда, а "думающая" субстанция, способная различать друзей и соперников не хуже самих сперматозоидов. Теперь группа Якобуса планирует выяснить, какие гены контролируют особенности состава семенной жидкости, позволяющие ей избирательно действовать на свои и чужие клетки.

"Удивительно, что людям для хранения спермы в течение длительного времени необходим жидкий азот, в то время как муравьи изобрели натуральные банки спермы, которые работают даже при комнатной температуре. Получаются, что они обладают гораздо более сложными органами, чем мы", – говорит Бумсма в пресс-релизе университета Копенгагена (фото Boris Baer/University of Western Australia).

Любопытно, что и самки во всей этой борьбе занимают активную позицию. Поначалу они некоторое время позволяют сперматозоидам сразиться между собой (видимо, давая таким образом возможность выжить наиболее приспособленным), после чего останавливают войны, используя свою собственную химию (особый секрет).

Учёные установили, что добавление жидкости из органов муравьиной матки, отменяет негативное воздействие семенной жидкости самцов. Если не сделать этого, то рано или поздно запасы истощатся и тогда пострадает вся колония. "Каждая мужская половая клетка становится драгоценной", — поясняет Бумсма.

Происходящему есть и ещё одно логичное объяснение: так как спаривание с несколькими самцами увеличивает генетическое разнообразие потомства и, соответственно, шансы на его выживание, то в интересах сперматозоидов всех мужских особей через некоторое время перестать уничтожать друг друга.

Дополнительное исследование шмелей вида Bombus terrestris и "моногамных" муравьёв-листорезов Trachymyrmex показало, что у их королев, спаривающихся лишь с одним партнёром, нет такой же борьбы сперматозоидов. Им просто-напросто не с кем соревноваться (фото Boris Baer/University of Western Australia).

Питник считает, что обе нынешние работы позволят лучше понять особенности размножения и эволюции насекомых. Однако возникает закономерный вопрос: будут ли подобные войны когда-нибудь обнаружены в сперме человека? Вряд ли, считает один из исследователей Борис Баэр (Boris Baer). "Вы когда-нибудь видели женщину, которая бы спарилась с 90 мужчинами за полчаса? — вопрошает он и тут же добавляет: – С другой стороны, когда дело касается спермы, надо быть готовым ко всему".