«Цель» каждого сперматозоида — оплодотворение яйцеклетки, что подразумевает победу в жестокой гонке через длинный женский репродуктивный тракт. В этой гонке соревнуются «родственные» сперматозоиды одного и того же мужчины, но часто также и сперматозоиды других мужчин. При такой конкуренции и, как следствие, сильном отборе, воспроизводство неизбежно происходит только у наиболее приспособленных.
Таким образом, в ходе эволюции будет преобладать лучший дизайн сперматозоидов. Однако у небольшой австралийской певчей птицы, зебрового вьюрка, ученые все же обнаружили сперматозоиды различной морфологии и скорости.Вместе с коллегами из Чешской Республики исследователи из Института орнитологии Макса Планка в Зеевизене обнаружили, что инверсия большого фрагмента половой хромосомы Z отвечает за дизайн сперматозоидов, что немедленно сказывается на скорости плавания сперматозоидов и, следовательно, на скорости оплодотворения и для репродуктивного успеха самца.
Каждый самец обладает двумя Z-хромосомами, одну из которых они унаследовали от матери, а другую — от отца. Z-хромосомы существуют в двух вариантах: обычном (A) и инвертированном (B). «Только если самец обладает обоими типами, а это означает, что это гетерозиготный AB, а не гомозиготный AA или BB, сперма самца показывает длинную среднюю часть, которая содержит двигатель для быстрого плавания», — говорит Ульрих Книф, первый автор исследования.
Животные с двумя идентичными формами Z-хромосомы (то есть гомозиготные самцы) не могут производить лучшие сперматозоиды и, следовательно, имеют более низкие показатели оплодотворения. Исследование основано на анализе отцовства 435 мужчин в отсутствие конкуренции сперматозоидов и еще 482 мужчин в условиях конкуренции с другими мужчинами. Исследование ясно показывает, что гетерозиготные самцы имели более высокий успех оплодотворения в обоих условиях.
Генетическая изменчивость не истощаетсяПревосходная сперма гетерозиготных самцов может уменьшить проблемы с фертильностью, но гетерозиготные самцы всегда будут производить 50% гомозиготных сыновей, так что генетическая изменчивость в популяции не истощается, потому что оптимальный генотип не может быть зафиксирован. В течение многих лет биолог-эволюционист Вольфганг Форстмайер был озадачен высоким уровнем бесплодия у этого вида, спрашивая, почему эволюция не может решить эту проблему, несмотря на строгий отбор против бесплодных самцов. «Это исследование — первый шаг в направлении ответа на этот вопрос», — говорит Форстмайер. «При системе наследования с двумя наборами хромосом эволюция застревает, когда только сочетание обоих создает идеальный генотип».
В то время как исследователи из Зевизена интересовались последствиями инверсии Z-хромосомы для фитнеса, другая группа ученых из лаборатории Джона Слейта из Университета Шеффилда пришла к тем же результатам с помощью совершенно другого подхода. Эти ученые исследовали определенные племенные линии зебровых вьюрков, которые были выбраны либо для коротких, либо для длинных сперматозоидов. В ходе полногеномного поиска вариантов, влияющих на морфологию сперматозоидов, они независимо обнаружили инверсию Z-хромосомы.
Таким образом, их исследование может показать, что соответствующая генетическая информация для морфологии сперматозоидов почти исключительно находится на этой половой хромосоме.«Вместо того, чтобы быть избыточными, исследования прекрасно дополняют друг друга тем фактом, что две исследовательские группы пришли к одному и тому же выводу, исходя из совершенно разных подходов», — объясняет Барт Кемпенаерс, старший автор исследования.