Что вы не знаете о сперме — замечательная история эволюции

Сперматозоиды как правило не пользуется большим уважением. Они представляют собой не более чем набор ДНК, снабженный двигающимся хвостом. И их производят в таких огромных количествах, что ни один головоногий не имеет большого значения.

Мы все знаем об их большой роли в продолжении рода. Но, как подчеркивается в статье журнала Nature 2023 года, сперматозоиды представляет собой один из самых необычных и парадоксальных процессов эволюции, которые и привели нас всех сюда. Так что, возможно, пришло время узнать их получше.

Начнем с того, что сперматозоиды не только воплощают репродуктивные перспективы мужчин, которые их производят, но и сами по себе обладают замечательной свободой действий.

Биологи-эволюционисты давно знают, что среди многих видов самцы конкурируют с другими самцами, а конечная награда заключается в том, что победители смогут передать свои гены (через сперму) следующему поколению. Но конкуренция ведется и внутри мужских тел. Сперматозоиды сражаются за оплодотворение яйцеклетки самки, но они продолжают сражаться даже после совокупления, возможно, ради собственной эволюционной выгоды.

Что удивительно в новом исследовании, так это то, что оно показывает, что сперматозоиды также взаимодействуют друг с другом. Человеческая сперма имеет низкую вязкость по сравнению с большей частью женских репродуктивных путей.

Когда трудолюбивые маленькие пловцы сталкиваются с более густой вагинальной слизью, их путь замедляется. Поэтому сперматозоиды часто объединяются у их головок, что дает им большую скорость плавания (до 50 процентов быстрее), чем если бы они двигались по отдельности.

Более того, человеческие сперматозоиды с более высокой целостностью ДНК (меньшей фрагментацией) с большей вероятностью объединяются, применяя свою стратегию «все за одного, один за всех».

Когда местная вязкость уменьшается, они прекращают свое мушкетерское сотрудничество, возвращаясь к стратегии сам за себя. Интересно, что исследователи также смоделировали случаи, когда самка совокупляется более чем с одним самцом. Они обнаружили, что родственные сперматозоиды, вырабатываемые одним и тем же самцом, преимущественно объединяются вместе, получая преимущество перед своими неродственными собратьями, скорость работы которых замедляется, когда они образуют аналогичные группы.

Такое сотрудничество родственных сперматозоидов биологически согласуется с эволюционным феноменом родственного отбора, при котором особи (будь то организмы или гаметы) отбираются, чтобы принести пользу другим, несущим общие гены.

Тех особей, у которых есть общие гены, называют «родственниками». Когда они ведут себя подобным образом – помогая другим организмам, с которыми у них общие гены, – мы называем такое поведение «альтруизмом», хотя на самом деле речь идет о том, что гены ведут себя так ради собственной выгоды.

Это недавнее свидетельство сотрудничества человеческих сперматозоидов поразительно противоречит здравому смыслу, потому что во многих отношениях конкуренция — это название эволюционной игры, особенно когда неродственные отдельные организмы борются за репродуктивный успех. И особенно сильна эта конкуренция среди мужчин.

До недавнего времени биологи предполагали, что почти вся репродуктивная борьба происходит между отдельными самцами. Обращение внимания к гаметам открыло новый мир эволюционных стратегий, в котором отдельные самцы борются друг с другом не только через свои тела, но и через свою сперму.

По сути, поведение сперматозоидов аналогично поведению отдельных самцов, при этом на обоих уровнях действуют одни и те же силы эволюции. Ключ в том, что самцы реализуют свой успех, добиваясь успеха своей спермы, и во многом этот успех зависит не только от их тела, но и от самих сперматозоидов.

Здесь яичкам есть что рассказать. И у шимпанзе, и у бонобо огромные яички. У этих видов самки в конечном итоге спариваются более чем с одним самцом. С мужской точки зрения, чем больше у вас спермы в игре, тем больше у вас шансов на победу. Даже в таких случаях, как у бонобо, где самцы не очень активно соревнуются, конкуренция между самцами все еще существует, и большая часть ее происходит в репродуктивном тракте самок.

Напротив, у горилл конкуренция между самцами носит предкопулятивный характер и происходит через тела, а не через сперму. Доминирующие самцы, владеющие гаремами самок, уже достигли своего статуса, физически побеждая и запугивая других самцов.

Им не нужно производить много спермы, потому что другой самец вряд ли будет совокупляться с их самками; следовательно, несмотря на свои большие размеры и огромную силу, самцы горилл имеют сравнительно маленькие яички.

Размер яичек человека по отношению к массе тела ближе к таковому у горилл, чем у шимпанзе или бонобо. У горилл, образующих гаремы, семенники составляют около 0,02 процента массы тела, а их эякулят относительно разбавлен: примерно 5 миллионов сперматозоидов на одну порцию. Нет необходимости производить много спермы или высококонцентрированный эякулят, если вы единственный самец, который может оплодотворить самку.

Напротив, у шимпанзе семенники пропорционально в 15 раз больше (0,3 процента массы тела), а их эякулят в 14 раз богаче сперматозоидами (60 миллионов головоногих одновременно). Яички человека составляют в среднем 0,06 процента массы тела, а концентрация сперматозоидов составляет около 25 миллионов на эякулят. Эта закономерность согласуется с данными о среднем количестве половых партнеров-самцов у самок на рождение потомства: гориллы — один партнер на рождение; люди — 1,1; бабуины — 8; бонобо, 9; и шимпанзе — 13.

У мужчин не только относительно маленькие яички, но и уменьшенная масса клеток Сертоли. Эти клетки помогают питать развивающуюся сперму, и их иногда называют «клетками-медсестрами». Из-за меньшей конкуренции сперматозоидов у маленьких пловцов меньше необходимости набирать вес. Кроме того, мужчины обладают сравнительно небольшими резервуарами спермы, чего можно было бы ожидать, если бы сперма извергалась, возможно, каждые несколько дней, а не много раз в день, как в популяциях, состоящих из нескольких самцов и самок, таких как шимпанзе и бонобо.

Между прочим, есть виды, у которых самцы производят значительно меньше сперматозоидов за одну эякуляцию. Например, у некоторых видов морских коньков количество сперматозоидов исчисляется десятками, а не сотнями миллионов. Это имеет смысл, поскольку их самки откладывают яйца в выводковую сумку самцов, где они оплодотворяются без риска проникновения других самцов и их спермы.

Одно дело отметить, как самцы часто используют свою сперму для конкуренции со спермой других самцов, и совсем другое — выяснить, конкурируют ли сперматозоиды напрямую друг с другом, даже в эякуляте одного и того же самца. Но на самом деле существует определенная конкуренция один на один, когда крошечные гладиаторы ведут эволюционные битвы с другими претендентами, хотя и имеющими одного и того же предка.

Разумеется, отдельные сперматозоиды тесно связаны, поскольку они произведены одним и тем же самцом; но они также генетически отличаются друг от друга. После сперматогенеза каждый сперматозоид несет свой собственный случайный набор из генов своего производителя, поэтому они почти всегда генетически отличаются друг от друга. В результате отдельные сперматозоиды борются друг с другом на микроарене репродуктивного тракта женщины. Успех любого конкретного сперматозоида будет определяться его способностью превосходить свои собратьев.

У многих видов самцы охраняют «своих» самок после совокупления, чтобы удержать других самцов от спаривания с рассматриваемой самкой. Нередко эякуляты застывают в репродуктивных путях самки, образуя копулятивные пробки, которые предотвращают вытекание спермы и в то же время не позволяют другим самцам проникнуть внутрь.

Некоторые насекомые доводят эту тактику до крайности. У некоторых видов пчел тело самца буквально взрывается после совокупления из-за внезапного повышения внутрибрюшного давления, в результате чего часть тела уже умершего самца внедряется в половые пути самки, не позволяя другим самцам совокупляться с только что оплодотворенной самкой.

У многих млекопитающих, включая шимпанзе, самки также развили посткопулятивные контрстратегии, при которых они иногда удаляют эти пробки, открывая себя для последующего спаривания и оплодотворения. Интересно, что этого не наблюдалось среди орангутанов, у которых самки совокупляются почти исключительно с одним самцом и у которых даже не образуются копулятивные пробки.

Хотя теория конкуренции сперматозоидов сосредоточена на стратегиях конкуренции между мужчинами, женщины в этом отношении не лишены свободы действий, используя тактики, выходящие за рамки удаления или растворения копулятивных пробок.

Теория полового отбора изобилует случаями женского выбора, впервые описанными Чарльзом Дарвином. Яйцеклетки, в отличие от сперматозоидов, относительно неподвижны: насколько известно, конкуренции между яйцеклетками не существует.

Но есть убедительные доказательства того, что женщины создают основу для так называемого «загадочного женского выбора». Вместо того, чтобы организовать свою анатомию и физиологию для облегчения оплодотворения – как можно было бы предположить с наивной эволюционной точки зрения – самки часто затрудняют этот важный эволюционный процесс; например, изолируя яйцеклетки на дальней стороне извилистых, труднодоступных трубок, отбирая особенно энергичные сперматозоиды.

Экологи различают два фундаментальных механизма конкуренции: схватка и соревновательная конкуренция. В схватках ключевое значение имеют чистые цифры. Представьте себе охоту за пасхальными яйцами, в которой победитель собирает (или оплодотворяет) наибольшее количество яиц. В соревновании-конкурсе участники сначала соревнуются друг с другом, независимо от фактической охоты за яйцами, после чего победитель получает большую часть яиц. Учитывая, что сперматозоиды производятся в таких огромных количествах, становится ясно, что простые схватки являются важным способом конкуренции сперматозоидов. Однако возникает вопрос, имеет ли место соревновательная конкуренция и среди сперматозоидов.

Около одной пятой сперматозоидов млекопитающих (включая человека) обычно аномальны: не содержат головок, имеют две головки, два или более хвостов, имеют странную деформированную или неправильно функционирующую хвостовую часть и т.д.

В результате они не могут выполнять свою традиционную функцию — оплодотворение яйцеклетки. Аномальные сперматозоиды обычно рассматривались как результат простой биологической ошибки, которые неизбежны, особенно, когда конечные продукты производятся так быстро и в таких больших количествах.

Некоторые биологи в 1980-х годах выдвинули гипотезу, что аберрантные сперматозоиды — это не неудачники, а сперматозоиды «камикадзе». Идея состоит в том, что они могут производиться самцами в рамках конкурентной стратегии, в соответствии с которой их функция заключается не в оплодотворении, а скорее в принесении себя в жертву, чтобы запутать или иным образом вывести из строя другие сперматозоиды.

С другой стороны, эти якобы самоотверженные сперматозоиды также могут способствовать образованию копулятивных пробок. Увы, это интригующее предположение не подтверждается современной теорией или экспериментальными данными.

Чем больше мы изучаем живой мир, тем более разнообразными, сложными и совершенно захватывающими становятся маневры, с помощью которых естественный отбор выполняет свою работу. Возможно, большинство из нас никогда не осознавали, что это касается и сперматозоидов.