Размеры мужских яиц фото: Страница не найдена – Мужской портал All For Mens

Содержание

Чем меньше, тем лучше! Размер мужских яичек связан с родительскими способностями

Относительный размер яичек может влиять на отцовские качества мужчины. К такому выводу пришли ученые из Америки.

Исследователи утверждают, что большой размер яичек и отцовские качества находятся между собой в обратной зависимости. Связано это с тем, что в их поведении акцент смещен в сторону сексуальных отношений, а не создания семьи.

С большими яичками связан высокий уровень тестостерона, что обуславливает склонность к промискуитету и повышенной частоте разводов. Также ученые выяснили, что такие мужчины проявляют очень слабый интерес к таким рутинным родительским обязанностям, как купание ребенка и смена подгузников.

По всей видимости, это связано с эволюционной ролью самца, которая заключается в том, чтобы оплодотворить как можно больше самок, а не выращивать детей.

«Наши данные свидетельствуют в пользу того, что биология мужского организма отражает его историческую сущность: эволюционная задача мужчины – зачать ребенка, а не растить его», – рассказывает Джеймс Риллинг, антрополог из университета Эмори (город Атланта, штат Джорджия, США), глава исследовательской группы.

В исследовании участвовали 70 мужчин, которые жили с постоянным половым партнером. При этом они являлись родителями детей в возрасте 1-2 лет. Их опрашивали относительно родительских обязанностей, а также проводили простой тест на глубину отцовских чувств – анализировали активность мозга мужчин во время демонстрации фотографии их ребенка.

Вышеозначенная тенденция была выявлена у всех 53 мужчин, которые позволили ученым измерить размер их яичек. «Однако эту связь нельзя назвать абсолютной, потому что некоторые мужчины явно не укладывались в общую картину», – рассказывает доктор Риллинг.

«В некоторых случаях это оказался вопрос личного выбора человека, для других же родительская рутина сопряжена с субъективными трудностями, что, конечно, ни в коем случае не оправдывает их», – поясняет Риллинг.

Наличие заботливого отца – чрезвычайно важный фактор здорового и благополучного развития личности, поэтому необходимо глубоко анализировать причины, по которым одни мужчины становятся хорошими родителями, а другие – нет.

Ключевым методом данного исследования стала магнитно-резонансная томография, с помощью которой оценивалась  активность зоны мозга под названием «вентральная область покрышки». Эта зона ассоциирована с чувством родительской привязанности.

«У мужчин с маленькими яичками этот участок мозга активировался в большей степени, когда они рассматривали фотографии своих детей», – рассказывает Дженнифер Маскаро, аспирантка университета Эмори.

Ученые считают, что весь этот феномен может иметь и обратную причинно-следственную связь: возможно, размер яичек несколько уменьшается, когда мужчина становится очень заботливым отцом. Связано это, по-видимому, со снижением уровня тестостерона.

Как бы то ни было, не судите по размеру! Маленький в одном аспекте может оказаться гигантом в другом.

Ну, а если у вас есть другие вопросы относительно мужского здоровья, обязательно посетите наш специальный проект «Секс с мужчиной», где ваша тяга к сокровенным знаниям будет удовлетворена сполна.

Размер яичек у мальчиков и мужчин (нормы УЗИ)

Размер яичек у взрослого: длина 3-5 см, ширина 2-4 см, передне-задний размер около 3 см. Разница между яичками более 20% или более 2 мл указывает на гипотрофию.

Чтобы определить объем яичка, на продольном срезе измеряют длину и толщину, а на поперечном срезе — ширину и толщину. Толщина на поперечном и продольном срезах имеют близкие значения. 

Объем яичка рассчитывают по формуле: длина (см) х ширина (см) х толщина (см) х 0,523.

Фото. А — длина (1), ширина (2) и толщина (3). Б — ширина (1), длина (2) и толщина (3).

Таблица. Нормальный размер яичек у детей разного возраста
ВозрастДлинаШиринаОбъем (мл)
Новорожденный15 мм10 мм
3 месяца20 мм12 мм
6 месяцевНесколько уменьшаются и остаются стабильными до 6-ти лет
1 год14,5 мм9 мм
2-5 лет16 мм10 мм
8 лет1,55 (0,7-2,8)
9 лет1,6 (0,7-3,1)
10 лет1,85 (0,9-4,4)
11 лет2,55 (1,0-6,9)
12 лет4,2 (2,3-12,3)
13 лет8,6 (4,3-22,1)
14 лет14,0 (8,3-26,0)
15 лет18,7 (10,1-28,3)
16 лет22,5 (12,6-30,9)
17 лет23,8 (14,2-32,4)

Таблица. Размер яичек и придатков яичек у мальчиков в зависимости от возраста (М±σ)
ВозрастПравое яичко (см)Левое яичко (см)Придаток ПЯ (см)Придаток ЛЯ (см)
 летдлинаширинадлинаширинадлинаширинадлинаширина
2-7 1,49±0,18
0,75±0,10
1,54±0,150,75±0,090,49±0,100,59±0,100,44±0,100,46±0,10
8-10 1,83±0,340,87±0,191,83±0,350,89±0,1700,51±0,110,51±0,060,48±0,090,57±0,08
11-133,10±0,701,63±0,423,13±0,741,63±0,460,84±0,200,88±0,230,91±0,200,89±0,24
14-17 3,97±0,542,06±0,383,85±0,572,13±0,401,00±0,181,04±0,221,07±0,231,09±0,29

При доплерографии в яичковой артерии монофазный спектр низкого сопротивления, т.е. с высокой диастолической амплитудой; в кремастерной артерии монофазный спектр высокого сопротивления, т.е. с низкой диастолической амплитудой. У взрослых максимальные скорости систолического потока составляют от 4 до 19 см/с (в среднем 9,7 см/с), а конечные диастолические скорости — от 1,6 до 6,9 см /с (в среднем 3,6 см/с).

Таблица. Показатели кровотока в яичковой артерии у детей (Schneble et al.)

Объем яичек0–1.5 ml1.6–2.6 ml2.6–6.0 ml6.1–12.0 ml>12 ml
Vs1.98 ± 0.622.78 ± 0.863.29 ± 0.954.50 ± 0.886.22 ± 1.76
Ved0.85 ± 0.321.17 ± 0.451.52 ± 0.691.98 ± 0.322.57 ± 0.77
RI0.54 ± 0.080.53 ± 0.070.53 ± 0.080.54 ± 0.080.54 ± 0.05

Берегите себя, Ваш Диагностер!

Как размер пениса и яичек изменяется с возрастом?

Подробности

 Половой член с годами не растет! Яички с годами становятся меньше!

  Как все в природе, пенис проходит через серию изменений на протяжении жизни. Каждая фаза находится под контролем вашего уровня тестостерона.

  Где-то между 9 и 15 годами, гипофиз вырабатывает гормоны, которые говорят телу синтезировать тестостерон. Подростковый период стартует и организм постепенно изменяется. Яички (тестикулы), мошонка, половой член и лобковые волосы начинают расти. Самый высокий уровень тестостерона у мужчин наблюдается в позднем подростковом периоде и до 20 лет.

  В период от 20 до 40 лет уровень тестостерона в вашем организме не такой высокий, может колебаться незначительно, но эти изменения минимальные.

  После 40 лет, уровень тестостерона колеблется, но не уменьшается значительно, однако в организме мужчин начинает синтезироваться больше вещества, который называется секс-стероид-связывающий глобулин. Он связывается с тестостероном и уменьшает его активность.

 

Что происходит с мужскими половыми органами с годами?

  1. Лобковые волосы, как и остальные волосы могут становиться тоньше, появляются седые волосы.
  2. Размер полового члена: визуально пенис не кажется таким большим, как раньше. Размер фактический возможно не изменяется совсем. Но если вы имеете избыточный вес в области живота и лобка, эта область может провисать и половой член кажется меньше.
  3. Форма полового члена: у небольшого процента мужчин с возрастом может меняться длина, толщина и функции. Это состояние носит название болезни Пейрони, возникновение которой связывают с физической травмой во время секса (при сильных изгибах). После травмы образуются внутренние рубцы, которые и деформируют половой член (особенно это становится заметным во время эрекции). Это заболевание в большинстве случаев требует хирургического лечения.
  4. Тестикулы (яички). Это маленькие органы, расположенные в мошонке. Их главная функция – образование спермы. По мере снижения уровня тестостерона также замедляется производство спермы и яички могут уменьшаться.

Автор: ЕВА МОНД

Является ли размер мошонки показателем способности к зачатию?

Мужские половые органы анатомически подразделяются на наружные – половой член и мошонку, и внутренние – яички, придатки яичек, семявыводящие пути, предстательную железу, семенные пузырьки. В функциональном отношении мужские половые органы являются органами совокупления и репродуктивной системы. В области наружных половых органов сосредоточены рецепторы, воспринимающие эрогенные раздражения (эрогенные зоны).

Наружные половые органы

Половой член (пенис, фаллос) — наружный половой орган мужчины, служащий для полового акта, доставки спермы (эякулята) во влагалище женщины, а также выведения мочи из мочевого пузыря.

Различают корень (основание), тело (ствол) и головку полового члена. Ствол образован двумя пещеристыми и губчатыми телами, содержащими большое количество углублений (лакун), которые легко заполняются кровью. Губчатое тело на конце полового члена заканчивается конусообразным утолщением – головкой полового члена. Край головки, покрывая концы пещеристых тел, срастается с ними, образуя утолщение (венчик) по окружности, за которым располагается венечная борозда. Головка покрыта тонкой нежной кожей (крайняя плоть) с большим количеством желез.

На головке полового члена имеется большое количество нервных окончаний, что делает ее наиболее чувствительной при прикосновении. Высокой чувствительностью обладает также ствол полового члена, особенно его нижняя зона в районе 2-3 см от головки. Стимуляция полового члена приводит к усилению эрекции. На верхней части головки имеется отверстие — это выход уретры, через который осуществляется как мочеиспускание, так и выброс спермы.

Внешний вид полового члена, как и других частей тела человека, очень индивидуален. Прямой половой член встречается редко, часто половой член в спокойном состоянии кажется прямым, но при эрекции искривляется.

Размеры полового члена взрослого мужчины в среднем в покое составляют 5-10 см, в состоянии эрекции — 14-16 см, то есть примерно соответствуют размерам влагалища женщины. Часто при эрекции короткий половой член пропорционально увеличивается больше, чем длинный. Форма полового члена во время эрекции и угол наклона индивидуальны. Эрегированный половой член длиной 16-18 см считается крупным, а 18-20 см и более – гигантским. Диаметр такого полового члена, как правило, не превышает 3-4 см.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Считается ли искривление члена нормой? 18+

Средняя длина полового члена при рождении составляет от 2,4 до 5,5 см, в начале полового созревания — 6 см, достижение взрослого размера происходит в течение последующих лет, до 17 лет половой член растет активно, до 25 лет — незначительно.

При половом возбуждении половой член увеличивается в объеме в 2-8 раза, становясь при этом достаточно плотным. Поддержание эрекции обеспечивается уменьшением венозного оттока, которому способствуют сокращение особых мышц, которые располагаются у корня полового члена. По окончании возбуждения мышцы расслабляются и кровь, заполнявшая половой орган, легко оттекает, после чего он уменьшается до обычных размеров и становится мягким. Головка члена при эрекции всегда остается менее упругой и более эластичной по сравнению с его телом, что предотвращает травматизацию женских половых органов.

В переднем отделе тела полового члена кожа образует кожную складку — крайнюю плоть, которая полностью или частично покрывает головку. Крайняя плоть, если она полностью покрывает головку, обычно легко сдвигается назад, обнажая ее. На задней поверхности полового члена крайняя плоть соединяется с головкой продольной складкой, называемой уздечкой. Между головкой полового члена и крайней плотью имеется щелевидная (препуциальная) полость, окончательно формирующаяся к двухлетнему возрасту ребенка.

С возрастом на коже тела полового члена становятся заметными волосяные луковицы, а в дальнейшем и небольшое количество волос. Иногда волосяные мешочки с увеличенными сальными железами воспринимаются подростками как «прыщи».

Смегма (препуциальная смазка) — секрет желез крайней плоти, скапливающийся под ее внутренним листком и в венечной борозде полового члена. Основные компоненты – жиры и микобактерии. Свежие выделения имеют белый цвет и равномерно распределены на поверхности головки, через некоторое время они приобретают желтоватый или зеленоватый оттенок. Смегма выполняет роль смазки, покрывающей головку и уменьшающей трение о нее крайней плоти. Смегмообразование увеличивается в период наибольшей половой активности (18 — 25 лет) и практически отсутствует в старческом возрасте.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Чем вызвано сужение крайней плоти?

Сперма (семенная жидкость, эякулят) — смесь выделяемых во время эякуляции продуктов секреции мужских половых органов: яичек и их придатков, предстательной железы, семенных пузырьков, уретры. Сперма слагается из двух раздельных частей: семенной плазмы — в основном образующейся из секреции предстательной железы, выделений яичек, их придатков и протоков семенной железы, и из форменных элементов (сперматозоидов или первичных половых клеток яичек).

-Жидкость из семенных пузырьков (65%).

-Жидкость из простаты (30%).

-Сперматозоиды (5%).

Сперма взрослого мужчины представляет собой липко-вязкую слизеподобную неоднородную и непрозрачную жидкость с характерным запахом. Вкус спермы, так же как и запах, определяется характером питания и обычно слегка сладко-соленый с кислым или горьким привкусом. При частых эякуляциях сперма становится менее сладкой и усиливается привкус горечи. В течение 20-30 секунд сперма разжижается, становится однородной, вязкой и имеет непрозрачный беловато-серый цвет. Количество ее индивидуально и может колебаться от 1-2 до 10 мл и более. Количество спермы может колебаться в зависимости от возраста, состояния здоровья, количества выпитой жидкости, от частоты семяизвержений и так далее. Чем чаще совершаются половые или мастурбаторные акты, тем меньше объем каждой последующей порции эякулята. Большой объем спермы не означает ее более высокой оплодотворяющей способности. Средний объем спермы, при условии, что эякуляция происходит с 3-дневными перерывами, составляет от 3 до 5 мл.

Мошонка — кожно-мышечный орган, в полости которого расположены яички, придатки и начальный отдел семенного канатика, разделенные между собой перегородкой, которой снаружи соответствует эмбриональный шов. Шов может быть хорошо заметен или, наоборот, почти не виден. На здоровье это никак не влияет.

Кожа мошонки пигментирована, покрыта редкими волосами, содержит большое количество потовых и сальных желез, секрет которых имеет специфический запах. Размещение яичек в мошонке позволяет создавать для них температуру ниже, чем внутри тела. Оптимальной температурой считается 34- 34,5 °С. Температура поддерживается примерно постоянной за счет того, что мошонка опускается ниже в теплых условиях и подтягивается к телу в холодных условиях. Мошонка также является органом полового чувства мужчины (эрогенная зона).

Внутренние половые органы

Яички (семенники, тестикулы) — парная мужская половая железа, основной функцией которой является образование сперматозоидов и выделение в кровеносное русло мужских половых гормонов (тестостерон). Располагаются яички внутри мошонки и расположены обычно на разном уровне (чаще левое ниже правого), также могут отличаться по величине. Размеры каждого яичка в длину — 4-6 см, в ширину — 2,5-3,5 см.

Яички требуют особого внимания по соблюдению правил гигиены половых органов мужчины. Температура яичек должна быть на 4 градуса ниже температуры тела, поскольку слишком высокая температура нарушает образование сперматозоидов. Даже одноразовое погружение яичек в горячую воду может нарушить способность к оплодотворению на последующие полгода. Мужчины, ведущие сидячий образ жизни, должны время от времени вставать и ходить, чтобы яички отодвигались от горячего тела.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Как безопасно сходить в общественный туалет

Семявыводящие пути (семяпроводы) — протоки, по которым сперма выводится из яичек. Они являются продолжением канала придатка яичка, проходят через паховый канал, затем, соединяясь между собой, образуют единый семявыбрасывающий проток, который проходит через предстательную железу и открывается отверстием в задней части мочеиспускательного канала. Продвижение спермы по семявыводящим путям осуществляется их волнообразным сокращением, в момент оргазма сперма через общий семявыбрасывающий проток попадает в уретру, а из нее наружу или во влагалище.

Семенной канатик — парный анатомический орган, идущий от придатка яичка до места слияния с протоком семенного пузырька. Основные его функции кровоснабжение яичка и выведение семени от придатка яичка до семявыводящего протока.

Предстательная железа (простата) — непарный орган мужской половой системы, вырабатывающий секрет, входящий в состав спермы, который располагается между мочевым пузырем и прямой кишкой. Через предстательную железу проходит уретра.

Величина простаты зависит от возраста, полного развития железа достигает к 17 годам. Снаружи простата покрыта капсулой из плотной соединительной ткани. Железистая ткань состоит из железок, открывающихся в предстательную часть мочеиспускательного канала выводными протоками. Выведению секрета из простатических железок способствует сокращение гладких мышц железы. Массивное выделение секрета наблюдается во время эякуляции.

Секрет простаты (простатический сок) представляет собой мутную жидкость белого цвета, которая участвует в разжижении спермы, активизирует движение сперматозоидов. Предстательная железа обеспечивает передвижение сперматозоидов по семявыносящим протокам и эякуляцию, участвует в формировании либидо и оргазма.

Семенные пузырьки — парные железистые образования, вырабатывающие секрет, входящий в состав спермы. Его содержимое состоит из вязкой белковой жидкости с большим содержанием фруктозы, являющейся источником энергии для сперматозоидов, и придает им большую сопротивляемость.

МИФЫ И ПРАВДА

Половой член можно сломать или вывихнуть

По сути, перелом полового члена — не что иное, как разрыв пещеристых (кавернозных – соединительные ткани, поставляющие кровь) тел, белочной оболочки и иногда мочеиспускательного канала. Это самая тяжелая травма мужского детородного органа.

Вывих члена случается в той же ситуации, что и перелом – из-за разрыва связок, фиксирующих предмет мужской гордости к тазовым костям. Пещеристые тела при этом смещаются под кожу мошонки и промежности, а сам член на ощупь становится как пустой мешок. Это лечится, но после крайне неприятного вправления на разорванные связки накладываются швы.

Чувствителен ли член к переменам температуры?

Да! К тому же, горячая вода (ванна, например) губительна для сперматозоидов.

Можно ли увеличить член?

Ответ – скорее всего, нет (самостоятельно). Но здоровое питание, отказ от курения и спорт (особенно кардио нагрузки — приседания, выпады бег) осуществят прилив крови к тазовой и ягодичной области.

Миф. Хорошая эрекция – значит, не будет проблем с зачатием

Потенция не влияет на качественные и количественные показатели спермы. Даже при полном отсутствии эрекции у мужчины вполне реальные шансы стать отцом при помощи вспомогательных репродуктивных технологий. Тогда как, при пониженных показателях спермограммы, даже обладатель хорошей эрекции будет испытывать проблемы с зачатием.

Миф. Большая мошонка свидетельствует о мужской плодовитости

Слишком большая мошонка должна насторожить ее обладателя, поскольку может быть признаком ряда «мужских» заболеваний (варикоцеле, водянка яичка). И размер мошонки не является показателем способности к зачатию.

Миф. Сперма может закончиться

Этот нелепый миф гласит о том, что на всю жизнь мужчины отпущено определенное количество семяизвержений и, если заниматься сексом слишком часто, то сперма быстро закончится. На самом деле в организме мужчины сперма образуется постоянно, а возраст начала и окончания половой жизни зависит от уровня половых гормонов и состояния здоровья.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

7 тревожных вопросов о твоих бубенцах

Яички… Священный Грааль, гордость и главное богатство любого мужика! Природа наградила тебя ими для размножения, а ты тратишь их впустую на Pornhub. Объект мужской гордости и символ мужественности. Как говорил Винни Джонс в «Большом куше»:

Бывает два типа яиц: здоровенные храбрые яйца и маленькие педерастичные яйчишки.

А на Винни можно положиться — он плохого не скажет.

Но как и другие человеческие органы, бубенцы подвержены заболеваниям и разного рода проблемам. А учитывая своеобразную стратегическую функцию шаров, за них мы переживаем гораздо больше, чем за своё сердце и даже мозг. Поэтому вокруг яиц так много пересудов, опасений и слухов. Мы ответим на самые волнующие вопросы, так или иначе связанные с яичными бедами.

1. Плохо, если они слишком большие или слишком маленькие?

Хорошая новость: в 90–95 % случаев размер кокушек не связан с состоянием здоровья. Подавляющее большинство парней может иметь детей, радовать своими половыми способностями подруг и обладает нормальным уровнем тестостерона, вне зависимости от размера своих «ягодок».

Единственный момент, когда размер яичек коррелирует с потенциальной медицинской проблемой, — когда есть проблемы с фертильностью, то есть способностью половозрелого организма производить жизнеспособное потомство. Маленькие яйчишки резко снижают фертильность, но только в том случае, если уже есть сложности с зачатием. Один известный уролог со сложнопроизносимой фамилией Штейшлейгер сказал:

У большинства нормальных мужчин размер не влияет на функциональные отличия. Они одинаково делают свою работу.

Кстати, этот же доктор добавил одну очень интересную особенность:

Стероиды влияют на размер. Стероиды могут также влиять на фертильность и уровень тестостерона. У меня есть много пациентов, которые применяли биодобавки, когда были моложе, и теперь им трудно иметь детей.

Ты, конечно, можешь с пеной у рта доказывать, что всё это неправда. Имеешь право, но это не мы — это Штейшлейгер. Кстати, доктор просил передать, что наркотики тоже способствуют сжатию озорных бубенцов.

2. Это нормально, что они разных размеров?

Яички похожи на снежинки: двух одинаковых не бывает. И они всегда слегка отличаются по размеру. По словам доктора Штейшлейгера, твои бобы на самом деле, скорее всего, будут разными. Если ты заметил небольшие изменения в размере, то беспокоиться не о чем — не придирайся к ним. Просто твой организм развивается таким образом.

Как правило, яички разные по размеру, как и ноги.

Однако бывают случаи, когда они чересчур неровные, и их необходимо отнести к врачу. И дело касается не размера, а совсем уж очевидных изменений в форме, или когда тебе 30, и твоё яичко растёт как на дрожжах. Тогда нужно не просто идти, а лететь к врачу — вдруг там воспаление, последствие травмы, инфекции, грыжа. Так что каждый раз, дергая себя за мошонку, обращай внимание на состояние бубенцов. Мацай без стеснения, но сугубо ради своего здоровья.

3. А правда, что если долго не… эякулировать, то можно стать бесплодным?

Короткий ответ: нет.

Развернутый ответ: отсутствие эякуляции может привести к краткосрочным проблемам с деторождением. Сперматозоиды мрут без дела и засоряют твою «пушку» своими мертвыми телами.

Доктор Штейшлейгер говорит:

Нет серьезных свидетельств того, что редкие эякуляции уменьшают функциональность семенников.

Он также говорит, что для того, чтобы исправить эту ситуацию, всё, что тебе нужно сделать, — это разрядить обойму (пощупать циклопа, покряхтеть над Brazzers — короче, ты понял).

4. Почему они висят, когда у тебя температура?

Твои драгоценности нависли над планетой словно мешки с ядрами? Они так близко к полу, что ты буквально можешь завязать их в узел? Ладно, насчёт узла погорячились.

Ну что сказать — это совершенно нормально. Не волнуйся об этом. Хардкорное провисание в летние месяцы или когда тебя лихорадит — это супернормально. На самом деле твоя мошонка, в отличие от тебя самого, стремится всегда быть в постоянном движении.

Давай начнём с основы: яички находятся хоть и под кожей, но фактически снаружи тела. Для того чтобы сперматозоиды развивались должным образом, они должны ощущать дуновение майского бриза и вообще находиться при температуре, которая сильно ниже температуры твоего тела. Когда они находятся слишком высоко, это повод трубить тревогу. Более того, это болезнь, и заботливый хирург выковыряет их наружу.

Мышцы вокруг мошонки прислушиваются к твоему организму более чутко, чем ты, и молниеносно реагируют на любые изменения. Есть чему поучиться у своих бубенцов. Например, в стрессовом состоянии твоим похолодевшим от стресса яйчишкам необходимо тепло родного тела, поэтому они сморщиваются. Проще говоря, мошонка знает, что делать, и если процесс протекает безболезненно, то волноваться нечего.

5. Это правда, что они перекручиваются?

Твои шары могут на сто процентов перекрутиться, и это не шутка. Кажется, будто они свободно плавают в «кожаном мешочке счастья», но на самом деле с ними может произойти такая неприятность, как перекрут яичка.

Иногда одно яичко вследствие своей подвижности и энергичности закручивается вокруг своей оси. После этого возникает резкая боль в яйках и животе. Иногда яичко при перекруте чаще располагается выше своего обычного положения. Местами может наблюдаться покраснение кожи и повышение её температуры. Организм настолько в шоке от происходящего, что начинает посылать тебе намёки в виде рвоты. А на месте событий разворачивается страшная картина: к кокушку перестаёт поступать кровь, в результате чего возникает некроз, и единственный вариант — удалить протухший бубенец, пока не пострадал весь организм. Без одного бубенца прожить можно, а вот без двух — лучше вообще не жить.

Реагировать нужно молниеносно. Уже через 6 часов в бубенце происходят ишемические изменения, а через 24 часа может быть совсем поздно, и только чудо, Господь Бог да талантливый уролог, объединив силы, смогут помочь тебе.

Кстати, интересная особенность: у людей, рождающихся с тремя яичками (да-да, такое тоже бывает! Потрогай, проверь — может, где затерялось), перекруты случаются в несколько раз чаще.
Обычно эта напасть проявляется у детишек в период полового созревания, но и число взрослых с кручёными яйцами не так мало, как хотелось бы. Так что следи за ними.

6. Если у меня опухоль, то мне конец?

Главное — не паниковать, не брать в руки молоток и не делать из своего достоинства яичницу. Рано списывать его со счетов. Опухоль может быть неопасна, но на УЗИ сходить придётся. Если опухоль внутри, то нужно принять серьёзные меры, а если снаружи под кожей наблюдаются своеобразные «комки», то это всего лишь кисты придатка яичка, и они не страшнее угроз школьника в соцсетях.

В любом случае — киста это или опухоль — сходить к врачу придётся. Зачем нам уплотнения на яйцах? Нам уплотнения на яйцах не нужны, тем более что в один прекрасный момент они могут превратиться в серьёзную раковую опухоль.

Кстати, есть два основных момента, провоцирующих яичные опухоли. Первый — это крипторхизм, или неопущение яичка в полость мошонки. Второй момент, провоцирующий развитие опухоли яичка, — это атрофия яичка и нарушения гормонального фона в мужском организме, которые относятся к атрофии.

7. Почему болит в животе, когда бьют по шарам?

Этот вопрос нас всех интересует. Почему, когда бьют в пах, кажется, что в живот выстрелили из гаубицы?

Причина на самом деле довольно логична. Прежде чем они опускаются в ходе развития (эмбриогенеза), яички начинают свой долгий путь к славе возле почек. В конце концов, в утробе они перемещаются из области почек вниз к мошонке, а дальше — долгий путь развития и дальнейшей эксплуатации.

Нервные окончания яичек восходят к местам своего рождения, то есть где-то на уровне почек. Когда тебя бьют по тому самому, то мозг, который готов впасть в кому от подобной дерзости (надо же — ударить по святому!), посылает импульс именно в брюшную полость и заставляет тебя согнуться, а также спускает его к мышцам ног и поджимает их. Боль в паху может вызвать непроизвольные сокращения мышц пресса. Причем боль эта ощущается как настоящая боль в брюшной полости, при этом таковой не является.

Не удивляйся — просто природа не смогла придумать бубенцам нормальную защиту вроде сильных мышц и костей, поэтому вызывает сокращения, чтобы ты поскорее нагнулся и не получил вторую звездюлину.

Хотя этому монаху явно не понятна суть проблемы. У его битых яиц за годы тренировок выросла ороговевшая прослойка, защищающая от всего на свете, даже от гнева божьего. Но не пытайся стать таким же! Этому нужно лет двадцать учиться и при этом быть абсолютно поехавшим!

Кстати, никогда не бей человека в «сакральный кошель». Во-первых, это подло — у нас на районе за такое били. А во-вторых — чревато раком яичек и бесплодием. Так что не порти человеку жизнь. И береги свои звенящие бубенцы славы и чести!

Зачем и как делать массаж яичек

Что нужно знать о строении и роли яичек

Прежде чем приступить к массажу, изучим теорию.

Яички — это парные железы овальной формы в среднем длиной 4 см, шириной 3 см и весом около 20 г каждое. Одно яичко, как правило, больше другого и опущено чуть ниже.

Второе название органа, тестикулы, происходит от латинского testis — свидетель. Есть версия, что в Древнем Риме мужчина, давая клятву говорить правду, прикладывал руку к яичкам — доказательству своей мужественности.

И в самом деле, именно яички, а не пенис, являются источником мужской энергии и центром всей половой системы. Внутри них находятся узкие трубочки — канальцы, в которых непрерывно вырабатываются сперматозоиды. А между канальцами разбросаны клетки Лейдига, ответственные за поставки мужского гормона тестостерона.

Обычно самые важные органы надёжно спрятаны внутри тела, под бронёй из костей или хотя бы мягких тканей. Но с яичками этот трюк не удался: при нормальной температуре человеческого тела (около 37 °C) сперматозоиды теряют подвижность и жизнеспособность. В итоге природе пришлось вывести яички наружу, поместив их в кожный мешочек под пенисом — мошонку.

Что служит яичкам защитой

От внешних воздействий яички защищает несколько линий обороны. Во‑первых, это плотная оболочка из соединительной ткани вокруг самих тестикул. Поэтому на ощупь они твёрдые и гладкие.

Вторая линия — это мошонка. Внутри неё яички разделены кожаной перегородкой, и когда одно воспаляется, то зараза не перебрасывается на второе. А ещё под кожей мошонки спрятаны пучки мышечных волокон. Если происходит ЧП — мужчина замёрз, перетрудился, сильно испугался — мышцы подтягивают яички вверх, ближе к телу.

Повышенная чувствительность органа тоже продиктована соображениями безопасности. Организм реагирует резкой болью на малейшую угрозу травмы — и тем самым страхует человеческий род от вымирания.

Что происходит с яичками во время секса

В период возбуждения тестикулы подтягиваются в брюшную полость и увеличиваются в размере. Причём чем ближе оргазм, тем выше яички. Если оттянуть их вниз перед кульминацией, то можно продлить половой акт. Этой техникой пользуются любители тантрического секса.

При наступлении оргазма яички выталкивают сперматозоиды в мочеиспускательный канал рядом с предстательной железой, где они смешиваются с семенной жидкостью, образуя сперму. Дальнейшее путешествие происходит уже без участия тестикул.

Зачем делать массаж яичек

Есть несколько весомых причин массировать яички не от случая к случаю, а на регулярной основе.

  • Улучшается циркуляция крови. Это хорошо и для здоровья самих тестикул, но в качестве побочного эффекта вы получите более стойкую эрекцию и более продолжительный половой акт.
  • Повышается качество спермы. Это особенно актуально, если вы планируете стать отцом.
  • Стимулируется выработка тестостерона. Следовательно, мужское либидо не упадёт, и сексуальная жизнь будет бить ключом.
  • Мужчина получает удовольствие. В самих тестикулах и особенно в мошонке много нервных окончаний, что превращает их в дополнительную эрогенную зону.
  • Вы сможете вовремя отреагировать на проблемы. При регулярном прощупывании яичек от вас не ускользнут тревожные сигналы вроде припухлостей, аномального увеличения в размерах или необычной болезненности. Всё это — повод обратиться к урологу.

Как делать массаж яичек

Массаж может быть частью любовной игры (например, орального секса) или же отдельной приятной процедурой. В любом случае старайтесь придерживаться следующих правил.

Избавьтесь от колец и длинных ногтей

Кожа мошонки чрезвычайно тонкая и нежная. Её легко поцарапать или больно прищемить, особенно в порыве страсти. Поэтому не забудьте снять кольца. Да и с хищным маникюром в эту чувствительную область лучше не лезть.

Прогрейте руки и сами яички

Делать массаж необходимо чистыми и тёплыми рукам. Сами яички и область вокруг них тоже рекомендуется прогреть, используя тёплое полотенце.

Воспользуйтесь лубрикантом

Для уменьшения трения обработайте руки лубрикантом, предварительно растерев его в ладонях, чтобы смазка нагрелась.

Начните с поглаживаний

Возьмите яички в ладони и делайте круговые движения большими пальцами, как будто разглаживая кожу.

Экспериментируйте с разными техниками

В процессе массажа яички можно:

  • нежно оттягивать вниз, обхватив мошонку у основания;
  • осторожно сжимать;
  • деликатно разминать;
  • легонько постукивать пальцами;
  • «рисовать» на них пальцами всевозможные фигуры.

Главное, чтобы все движения были мягкими, без резких рывков или щипков. Внимательно следите за реакцией партнёра и останавливайтесь при малейшем намёке на болезненность.

Если всё сделано качественно и с любовью, после пятиминутного массажа мошонка слегка вытянется, а яички будут висеть ниже, чем обычно, станут тяжелее и увеличатся в размерах из‑за притока крови.

Делайте массаж яичек регулярно

Для поддержания здоровья повторяйте процедуру три раза в неделю перед сном. А если хотите добиться каких‑то заметных результатов — например, улучшить эрекцию или повысить качество спермы — то каждый день.

Помните о противопоказаниях

Такой массаж противопоказан при заболеваниях органов мочеполовой системы (яичек, простаты, мочевого пузыря, уретры) в острой стадии, болях в мошонке, проблемах с прямой кишкой (геморрое, проктите).

Читайте также 🍌

Строение мужской половой системы

Мужские половые органы анатомически подразделяются на наружные - половой член и мошонку и внутренние - яички, придатки яичек, семявыводящие пути, предстательную железу, семенные пузырьки. В области наружных половых органов сосредоточены рецепторы, воспринимающие эрогенные раздражения (эрогенные зоны).

Наружные половые органы

Половой член (пенис, фаллос) - наружный половой орган мужчины, служащий для полового акта, доставки спермы (эякулята) во влагалище женщины, а также выведения мочи из мочевого пузыря.

Различают корень (основание), тело (ствол) и головку полового члена. Ствол образован двумя пещеристыми и губчатыми телами, содержащими большое количество углублений (лакун), которые легко заполняются кровью. Губчатое тело на конце полового члена заканчивается конусообразным утолщением – головкой полового члена. Край головки, покрывая концы пещеристых тел, срастается с ними, образуя утолщение (венчик) по окружности, за которым располагается венечная борозда. Головка покрыта тонкой нежной кожей (крайняя плоть) с большим количеством желёзок, вырабатывающих смегму.

На головке полового члена имеется большое количество нервных окончаний, что делает её наиболее чувствительной при прикосновении. Высокой чувствительностью обладает также ствол полового члена, особенно его нижняя зона в районе 2-3 см от головки. Стимуляция полового члена приводит к усилению эрекции. На верхней части головки имеется отверстие - это выход уретры, через который осуществляется как мочеиспускание, так и выброс спермы.

Внешний вид полового члена, как и других частей тела человека, очень индивидуален. Прямой половой член встречается редко, часто половой член в спокойном состоянии кажется прямым, но при эрекции искривляется.

Размеры полового члена взрослого мужчины в среднем в покое составляют 5-10 см, в состоянии эрекции - 14-16 см, то есть примерно соответствуют размерам влагалища женщины. Часто при эрекции короткий половой член пропорционально увеличивается больше, чем длинный. Форма полового члена во время эрекции и угол наклона индивидуальны. Эрегированный половой член длиной 16-18 см считается крупным, а 18-20 см и более – гигантским. Диаметр такого полового члена, как правило, не превышает 3-4 см.

Средняя длина полового члена при рождении составляет от 2,4 до 5,5 см, в начале полового созревания - 6 см, достижение взрослого размера происходит в течение последующих лет, до 17 лет половой член растет активно, до 25 лет - незначительно.

При половом возбуждении половой член увеличивается в объёме в 2-8 раза, становясь при этом достаточно плотным. Поддержание эрекции обеспечивается уменьшением венозного оттока, которому способствуют сокращение особых мышц, которые располагаются у корня полового члена. По окончании возбуждения мышцы расслабляются и кровь, заполнявшая половой орган, легко оттекает, после чего он уменьшается до обычных размеров и становится мягким. Головка члена при эрекции всегда остаётся менее упругой и более эластичной по сравнению с его телом, что предотвращает травматизацию женских половых органов.

В переднем отделе тела полового члена кожа образует кожную складку — крайнюю плоть, которая полностью или частично покрывает головку. Крайняя плоть, если она полностью покрывает головку, обычно легко сдвигается назад, обнажая её. На задней поверхности полового члена крайняя плоть соединяется с головкой продольной складкой, называемой уздечкой. Между головкой полового члена и крайней плотью имеется щелевидная (препуциальная) полость, окончательно формирующаяся к двухлетнему возрасту ребёнка. В препуциальном мешке обычно скапливается смегма.

С возрастом на коже тела полового члена становятся заметными волосяные луковицы, а в дальнейшем и небольшое количество волос. Иногда волосяные мешочки с увеличенными сальными железами воспринимаются подростками как "прыщи".

Смегма (препуциальная смазка) - секрет желез крайней плоти, скапливающийся под ее внутренним листком и в венечной борозде полового члена. Основные компоненты – жиры и микобактерии. Свежие выделения имеют белый цвет и равномерно распределены на поверхности головки, через некоторое время они приобретают желтоватый или зеленоватый оттенок. Смегма выполняет роль смазки, покрывающей головку и уменьшающей трение о нее крайней плоти. Смегмообразование увеличивается в период наибольшей половой активности (18 - 25 лет) и практически отсутствует в старческом возрасте.

Длительный застой смегмы в препуциальном мешке при фимозе, нарушениях правил личной гигиены способствует развитию воспалительных и предраковых заболеваний полового члена. В целях профилактики необходимо предупреждать застой смегмы, начиная с раннего детского возраста, соблюдать правила гигиены половых органов мужчины. Смегму, как и другие вещества, служащие смазкой, следует ежедневно удалять. Ежедневное тщательное подмывание - абсолютная необходимость. Это правило распространяется также на мужчин, подвергшихся обрезанию, - у них смегма может скапливаться в складках уздечки, если она сохранилась, и венечной борозды.

Обычно неприятности от скопившейся смегмы бывают у подростков, если они пренебрежительно относятся к правилам гигиены. Они называют смегму "замазкой" и удаляют ее грязными руками, когда она отвердевает. В юности именно несоблюдение правил гигиены является наиболее распространенной причиной инфекционных заболеваний половых органов. При правильном уходе смегма не представляет опасности для здоровья.

Сперма (семенная жидкость, эякулят) - смесь выделяемых во время эякуляции продуктов секреции мужских половых органов: яичек и их придатков, предстательной железы, семенных пузырьков, уретры. Сперма слагается из двух раздельных частей: семенной плазмы - в основном образующейся из секреции предстательной железы, выделений яичек, их придатков и протоков семенной железы, и из форменных элементов (сперматозоидов или первичных половых клеток яичек).

  • Жидкость из семенных пузырьков (65%)
  • Жидкость из простаты (30%)
  • Сперматозоиды (5%).

Сперма взрослого мужчины представляет собой липко-вязкую слизеподобную неоднородную и непрозрачную жидкость с характерным запахом. Вкус спермы, так же как и запах, определяется характером питания и обычно слегка сладко-соленый с кислым или горьким привкусом. При частых эякуляциях сперма становится менее сладкой и усиливается привкус горечи. В течение 20-30 секунд сперма разжижается, становится однородной, вязкой и имеет непрозрачный беловато-серый цвет. Количество её индивидуально и может колебаться от 1-2 до 10 мл и более. Количество спермы может колебаться в зависимости от возраста, состояния здоровья, количества выпитой жидкости, от частоты семяизвержений и так далее. Чем чаще совершаются половые или мастурбаторные акты, тем меньше объём каждой последующей порции эякулята. Большой объём спермы не означает её более высокой оплодотворяющей способности. Средний объем спермы, при условии, что эякуляция происходит с 3-дневными перерывами, составляет от 3 до 5 мл.

Оплодотворяющую способность спермы характеризует количество сперматозоидов в 1 мл спермы, которое в норме составляет 60-120 млн. При этом подвижные сперматозоиды должны составлять не менее 70% от их общего количества, нижней границей нормы (по данным ВОЗ) принято считать не менее 20 млн. сперматозоидов в 1 мл спермограмма).

Мошонка - кожно-мышечный орган, в полости которого расположены яички, придатки и начальный отдел семенного канатика, разделённые между собой перегородкой, которой снаружи соответствует эмбриональный шов. Шов может быть хорошо заметен или, наоборот, почти не виден. На здоровье это никак не влияет.

Кожа мошонки пигментирована, покрыта редкими волосами, содержит большое количество потовых и сальных желез, секрет которых имеет специфический запах. Размещение яичек в мошонке позволяет создавать для них температуру ниже, чем внутри тела. Оптимальной температурой считается 34- 34,5 °С . Температура поддерживается примерно постоянной за счёт того, что мошонка опускается ниже в тёплых условиях и подтягивается к телу в холодных условиях. Мошонка также является органом полового чувства мужчины (эрогенная зона).

Внутренние половые органы

Яички (семенники, тестикулы) - парная мужская половая железа, основной функцией которой является образование сперматозоидов и выделение в кровеносное русло мужских половых гормонов (тестостерон). Располагаются яички внутри мошонки и расположены обычно на разном уровне (чаще левое ниже правого), также могут отличаться по величине. Размеры каждого яичка в длину - 4-6 см, в ширину - 2,5-3,5 см.

Яички требуют особого внимания по соблюдению правил гигиены половых органов мужчины. Температура яичек должна быть на 4 градуса ниже температуры тела, поскольку слишком высокая температура нарушает образование сперматозоидов. Даже одноразовое погружение яичек в горячую воду может нарушить способность к оплодотворению на последующие полгода. Мужчины, ведущие сидячий образ жизни, должны время от времени вставать и ходить, чтобы яички отодвигались от горячего тела.

Семявыводящие пути (семяпроводы) - протоки, по которым сперма выводится из яичек. Они являются продолжением канала придатка яичка, проходят через паховый канал, затем, соединяясь между собой, образуют единый семявыбрасывающий проток. который проходит через предстательную железу и открывается отверстием в задней части мочеиспускательного канала. Продвижение спермы по семявыводящим путям осуществляется их волнообразным сокращением, в момент оргазма сперма через общий семявыбрасывающий проток попадает в уретру, а из неё наружу или во влагалище.

Семенной канатик - парный анатомический орган, идущий от придатка яичка до места слияния с протоком семенного пузырька. Основные его функции кровоснабжение яичка и выведение семени от придатка яичка до семявыводящего протока.

Предстательная железа (простата) - непарный орган мужской половой системы, вырабатывающий секрет, входящий в состав спермы, который располагается между мочевым пузырём и прямой кишкой. Через предстательную железу проходит уретра.

Величина простаты зависит от возраста, полного развития железа достигает к 17 годам. Снаружи простата покрыта капсулой из плотной соединительной ткани. Железистая ткань состоит из желёзок, открывающихся в предстательную часть мочеиспускательного канала выводными протоками. Выведению секрета из простатических желёзок способствует сокращение гладких мышц железы. Массивное выделение секрета наблюдается во время эякуляции.

Секрет простаты (простатический сок) представляет собой мутную жидкость белого цвета, которая участвует в разжижении спермы, активизирует движение сперматозоидов. Предстательная железа обеспечивает передвижение сперматозоидов по семявыносящим протокам и эякуляцию, участвует в формировании либидо и оргазма.

Семенные пузырьки - парные железистые образования, вырабатывающие секрет, входящий в состав спермы. Его содержимое состоит из вязкой белковой жидкости с большим содержанием фруктозы, являющейся источником энергии для сперматозоидов и придаёт им большую сопротивляемость.

Источники

  • Pardo LM., Zara FJ., Riveros MP., Paschke K., Pretterebner K., Mantelatto FL. Integrative depiction of the male reproductive system of the commercial purple crab Homalaspis plana (Platyxanthidae): Structure and function. // J Morphol - 2019 - Vol280 - N11 - p.1693-1705; PMID:31454103
  • Ö Koçakoğlu N., Candan S., Güllü M. The histomorphological structure of the male reproductive system of maize leaf weevil Tanymecus dilaticollis Gyllenhal, 1834 (Coleoptera: Curculionidae). // Microsc Res Tech - 2019 - Vol82 - N8 - p.1345-1352; PMID:31087461
  • Candan S., Özyurt Koçakoğlu N., Suludere Z. Morphological and histological structure of the male reproductive system of the water strider Gerris lacustris (Linnaeus 1758) (Gerridae, Heteroptera). // Microsc Res Tech - 2018 - Vol81 - N7 - p.770-780; PMID:29663597
  • Spiegel CN., Bretas JA., Peixoto AA., Vigoder FM., Bruno RV., Soares MJ. Fine structure of the male reproductive system and reproductive behavior of Lutzomyia longipalpis sandflies (Diptera: Psychodidae: Phlebotominae). // PLoS One - 2013 - Vol8 - N9 - p.e74898; PMID:24058637
  • Dallai R., Mercati D., Gottardo M., Machida R., Mashimo Y., Beutel RG. The male reproductive system of Zorotypus caudelli Karny (Zoraptera): Sperm structure and spermiogenesis. // Arthropod Struct Dev - 2011 - Vol40 - N6 - p.531-47; PMID:21996133
Размер яйца

и размер эякулята опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы

Abstract

Диморфизм гамет (анизогамия) определяет пол у большинства многоклеточных организмов. Теоретические объяснения его сохранения обычно подчеркивают давление отбора сперматозоидов и выживаемость зигот, связанное с размером, предполагая, что оплодотворение всех яйцеклеток препятствует отбору по фенотипам, которые увеличивают фертильность. Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов, и риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, как прогнозируется, ограничивает размер сперматозоидов, позволяя альтернативным давлениям отбора для целевых свободно плавающих сперматозоидов.Мы спросили, опосредуют ли размер яйцеклетки и размер эякулята выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , морского трубчатого червя с внешним оплодотворением, путем сравнения взаимосвязей между морфологией сперматозоидов и мужской фертильностью при манипуляциях с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов. Наши результаты показывают, что давление отбора, оказываемое этими факторами, может способствовать поддержанию анизогамии внешних удобрений, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренции.Таким образом, наше исследование предлагает более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания, и определяет новый потенциал для совместного развития полов посредством давления взаимного отбора, оказываемого гаметами при оплодотворении.

Ключевые слова: анизогамия, размер яйца, внешнее оплодотворение, анализ отбора, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1. Общие сведения

Анизогамия широко считается катализатором эволюции и совместной эволюции полов [1–3] .Ключевая теория его происхождения [4] предполагает разрушительный отбор по размеру гамет у изогамных морских предков с внешним оплодотворением. Предполагая ограниченные ресурсы для воспроизводства и что приспособленность зиготы увеличивается с объединенными размерами сливающихся гамет, эффективность оплодотворения увеличивается, когда один родитель производит много маленьких гамет, чтобы максимизировать производство зиготы, в то время как другой производит меньше крупных гамет, которые обеспечивают цитоплазматические резервы, необходимые для зиготы. жизнеспособность. После эволюции анизогамия, как говорят, поддерживается давлением посткопулятивного отбора (конкуренция сперматозоидов и загадочный женский выбор), которые усиливают специализацию мужских и женских гамет [5,6].В частности, Паркер [7] утверждал, что анизогамия нестабильна без конкуренции сперматозоидов, потому что яйцеклетки остаются большими из-за бремени снабжения зиготами, тогда как сперматозоиды остаются маленькими из-за соперничества за оплодотворение. В противном случае самцы не получат никаких преимуществ от создания более крупных эякулятов, если количество сперматозоидов достаточно для оплодотворения всех доступных яйцеклеток, и им будет лучше производить более крупные сперматозоиды, которые способствуют обеспечению зиготы.

Другая теория предполагала, что сперматозоиды малы, чтобы давать большое количество, необходимое для оплодотворения [8–10].Это было отклонено для внутренних удобрений, включая позвоночных и насекомых, на том основании, что эякуляты часто сильно разбавляются без потери фертильности, а оплодотворение является неполным только в условиях ограниченного количества сперматозоидов, с которыми женщины редко сталкиваются [7]. Тем не менее, для внешних удобрений ограничение количества сперматозоидов является обычным явлением из-за быстрого разбавления сперматозоидов после нереста [11,12], что дает широкие возможности отбору, чтобы отдать предпочтение как многочисленным крошечным сперматозоидам, так и большим яйцеклеткам за счет увеличения скорости встречи с гаметами [13,14].Соответственно, недавние модели, которые одновременно рассматривают эффекты конкуренции и ограничения сперматозоидов на эволюцию гамет, подтверждают, что последняя может, в принципе, стабилизировать анизогамию, действуя для увеличения количества сперматозоидов [15,16]. На практике, однако, избыток спермы вызывает снижение фертильности из-за полиспермии, состояния, которое почти всегда приводит к летальному исходу при использовании внешних удобрений [17]. Следовательно, более крупные эякуляты могут иметь меньшую адаптивную ценность, чем предполагалось [18], и даже дестабилизировать анизогамию, отдавая предпочтение яйцам меньшего размера с меньшим риском полиспермии [19–21].В целом, это говорит о том, что числовые эффекты на размер сперматозоидов, обусловленные конкуренцией, могут иметь ограниченные возможности для объяснения анизогамии внешних удобрений и что другие факторы отбора могут способствовать ее эволюционному сохранению.

Мало что известно о том, как выбор самки влияет на фенотип свободно плавающих сперматозоидов, несмотря на широко распространенные доказательства его способности влиять на результаты конкуренции и эволюции сперматозоидов у млекопитающих, птиц и насекомых [22–24]. Для таких внутренних удобрений выбор спермы самками происходит во время транспортировки и хранения сперматозоидов в женских репродуктивных путях, а также нацелены на свойства (например,грамм. размер, длина, качество), которые, таким образом, влияют на мужскую фертильность, не считая числовых эффектов размера эякулята [25,26]. Для внешних удобрений, сперматозоиды которых подвергаются отбору во внешней среде без сложности женского репродуктивного тракта, женский выбор сперматозоидов ограничивается взаимодействиями на уровне гамет [27], контролируемыми дополнительными репродуктивными жидкостями [28] или фенотипами самих яйцеклеток. Роль белков распознавания гамет, расположенных на яйцах, в определении мужской фертильности и репродуктивной изоляции хорошо известна [29,30].Размер яйцеклетки предлагает еще одну ключевую возможность для самок осуществлять отбор свободно плавающих сперматозоидов благодаря своей роли в кинетике оплодотворения, но ее способность делать это, ее взаимодействие с размером эякулята и более широкие последствия для эволюционного поддержания анизогамии в настоящее время неизвестны.

Здесь мы представляем новую проверку этой идеи, исследуя, опосредует ли размер яйцеклетки выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , раздельнополого морского трубочника, который сбрасывает мужские и женские гаметы в море для внешнего слияния.В частности, мы использовали классический подход множественной регрессии Lande & Arnold [31], реализованный в рамках смешанной модели, чтобы сравнить взаимосвязь между морфологическими признаками сперматозоидов и мужской фертильностью при экспериментальном изменении размера яйцеклетки. Мы сделали это в сочетании с ортогональной манипуляцией размером эякулята, чтобы дополнительно изучить, взаимодействует ли опосредованный яйцеклеткой отбор с ограничением сперматозоидов, учитывая совместную важность этих двух факторов в альтернативных объяснениях анизогамии [13,14,16] (см. Также [10] ] для обзора теории, не охваченной здесь).Задаваясь вопросом, действует ли давление отбора, окружающее оплодотворение в море, противодействует или усиливает диморфизм гамет во внешних удобрениях, наше исследование имеет важные последствия для половой коэволюции и эволюционного поддержания анизогамии в этой системе спаривания.

2. Материал и методы

(a) Изученный вид

Galeolaria caespitosa (именуемая в дальнейшем по роду) обитает в приливных зонах юго-западной Австралии в плотных скоплениях известковых трубок [32].Взрослые особи плодовиты круглый год и постоянно производят гаметы, которые сливаются в толще воды. Типичная для этой системы спаривания фертильность - это колоколообразная функция скорости встречи с гаметами, которая увеличивается с размером яйца и плотностью сперматозоидов. С одной стороны, из-за недостаточных контактов многие яйцеклетки остаются неоплодотворенными из-за ограничения количества сперматозоидов; с другой стороны, чрезмерные встречи делают многие оплодотворения нежизнеспособными из-за полиспермии [33]. Поскольку определенное количество полиспермических оплодотворений происходит естественным образом независимо от частоты встреч, фертильность в некоторой степени является неполной даже при максимуме [33–36].Фертильность также зависит от других факторов, таких как оплодотворяемость яйцеклеток, плавание спермой и совместимость мужчин и женщин [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может нацеливаться на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне недалеко от Royal Brighton Yacht Club, Виктория, Австралия (37,91 ° ю.ш., 144,99 ° в.д.), и поместили в рециркуляционные аквариумы Университета Монаша. Чтобы ежедневно получать свежие гаметы для экспериментов, взрослых особей извлекали из пробирок и помещали в небольшие объемы фильтрованной морской воды, чтобы вызвать нерест.

(b) Манипуляции со средой оплодотворения

Чтобы понять, опосредует ли размер яйцеклетки отбор на морфологию сперматозоидов и взаимодействуют ли его эффекты с ограничением сперматозоидов, мы проверили фертильность 97 очаговых самцов с известным фенотипом сперматозоидов при низкой и высокой плотности сперматозоидов против эталонные когорты мелких и крупных яиц (). Каждое испытание состояло из сперматозоидов одного мужчины, подвергнутых воздействию повторяющейся когорты яйцеклеток, которые были объединены между 25–30 женщинами, чтобы минимизировать влияние совместимости на мужскую фертильность.Были приняты меры к тому, чтобы все самки откладывали одинаковое количество яиц. Мы не проводили испытания с конкуренцией сперматозоидов, потому что нас интересовали альтернативные механизмы эволюции сперматозоидов, и у нас не было возможности определить отцовство зиготы с помощью молекулярных анализов. Свободно нерестовые яйца в природе часто сталкиваются с ограничением количества сперматозоидов [11,12], что делает наши испытания экологически релевантными для этой системы спаривания (см. Также [39,40]), но, тем не менее, ограничиваются выводом давления отбора в отсутствие конкуренции.Испытания проводились в 13 повторных блоках по 5–11 самцов в блоке. Внутри блоков каждый самец был повязан с одной и той же комбинацией самок, так что испытания были стандартизированы в отношении генетического фона яиц и различались только в отношении наших манипуляций со средой оплодотворения и идентичностью самцов.

Экспериментальные манипуляции со средой оплодотворения для исследования мужской фертильности. Свободно нерестившиеся яйца объединяли между несколькими самками, затем разделяли на мелкие и большие классы.Сперматозоиды, выращенные свободно, изолировали самцы и разводили до низкой и высокой плотности (с аликвотой, зарезервированной для фенотипирования). Это позволило создать четыре среды для оплодотворения, в которых проверялась фертильность каждого самца. Испытания проводились в 13 повторных блоках, причем сперматозоиды от каждого очагового самца ( n = 5–11 на блок) подвергались воздействию контрольной когорты яйцеклеток от того же пула самок ( n = 25–30 на блок) до изолировать влияние мужской идентичности и экспериментальных условий на мужскую фертильность.(Онлайн-версия в цвете.)

(i) Размер яйца

На основании предварительной работы, самки Galeolaria нерестят яйца диаметром до 70 мкм, а яйца диаметром менее 55 мкм не подлежат оплодотворению. Чтобы управлять размером яиц для наших испытаний, мы отфильтровали все яйца, порожденные уникальным набором самок, используемых в каждом блоке репликации, чтобы удалить нежизнеспособные яйца и разделить остальные на два класса размеров. Сначала мы собрали все яйца на блок самок в небольшом объеме морской воды и промыли суспензию через сито 60 мкм.Мы повторно отфильтровали часть яиц, пойманных этим размером ячеек, сохраняя пойманные им во второй раз (диаметр> 60 мкм) как наш класс крупного размера. Во-вторых, мы повторно отфильтровали часть яиц, прошедших через этот размер ячеек, используя сито 55 мкм, сохранив часть, захваченную ею (55 мкм <диаметр <60 мкм), как наш класс малого размера и отбросив те, которые прошли через нее, как неоплодотворяемые. Эта разница в диаметре приводит к примерно 30% разнице в среднем объеме между классами размеров.Обе части отложенных яиц ресуспендировали в фильтрованной морской воде с плотностью приблизительно 2 × 10 3 мл -1 до использования в испытаниях. Чтобы подтвердить эффективность наших манипуляций, мы сравнили размеры 15 яиц каждого класса крупности на блок, используя т -тестов. Ни в коем случае не было необходимости отказываться от блока испытаний, потому что средний размер крупных яиц был не больше, чем размер мелких яиц (все p <0,02).

(ii) Плотность сперматозоидов

Поскольку размер эякулята изменяет паттерны отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили здесь аналогичную манипуляцию, чтобы оценить общность этого эффекта и его взаимосвязь с размером яйца.Сначала мы провели предварительные испытания оплодотворения с 10-кратными разведениями сперматозоидов (10 7 –10 2 клеток на мл –1 ), чтобы найти две плотности, которые: класс малого размера, учитывая их меньший целевой размер для сперматозоидов, и (ii) максимальную фертильность без риска серьезной полиспермии для яйцеклеток в классе большого размера, учитывая их больший целевой размер [19,20]. На основании этих испытаний мы использовали 10 4 клеток на мл -1 в качестве нашей низкой плотности и 10 5 клеток на мл -1 в качестве нашей высокой.Эти плотности попадают в континуум, доступный для яиц Galeolaria в поле, а плодовитость при нашей низкой плотности сопоставима с полевыми оценками [41]. Мы собрали эякулят каждого самца (зарезервировав 10 мкл для фенотипирования сперматозоидов; см. Ниже) и записали его начальную плотность сперматозоидов (10 6 –10 8 клеток мл –1 ) из трех повторных подсчетов гемоцитометром. Чтобы испытать мужскую фертильность в эквивалентных условиях, мы стандартизировали исходную плотность сперматозоидов среди мужчин перед разбавлением образцов от каждого мужчины до требуемых экспериментальных условий.

(c) Измерение морфологии сперматозоидов

Морфологию сперматозоидов регистрировали из зарезервированного образца эякулята каждого мужчины. Мы сделали изображения не менее 15 клеток на одного самца, используя цифровую камеру, установленную на составном микроскопе с увеличением 1000 ×, гарантируя, что вся клетка лежит в плоскости фокуса, и отслеживая хвост во время съемки в реальном времени, чтобы учесть любое изгибание, которое может трудно интерпретировать по сохраненным изображениям. В ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij) мы измерили длину хвоста сперматозоида, а также длину и ширину тела сперматозоида.Последний состоит из овального ядра, средней части из четырех сферических митохондрий и шапкообразной акросомы, которая расширяется в длинный ветвящийся отросток при контакте с яйцеклеткой (см. Также [42] для подробного объяснения спермы Galeolaria ). Мы измеряли только нормальные клетки с неповрежденными хвостами и без акросомной реакции, сигнализирующей о загрязнении образца яйцами.

(d) Испытания по оплодотворению

Испытания по оплодотворению, каждое из которых состоит из 0,1 мл яичного раствора, осторожно смешанного с 0.9 мл раствора спермы разливали в маленькие пузырьки при постоянной температуре 21 ° C. Для каждого из 97 мужчин было проведено четыре испытания, в которых сперма низкой и высокой плотности подвергалась воздействию как больших, так и маленьких яиц (). Каждый блок испытаний также включал пробирку с яйцеклетками без спермы каждого класса размера для контроля ошибочных оплодотворений, которые могли произойти при извлечении взрослых особей из пробирок. Мы проводили испытания в течение 2 часов, осторожно встряхивая их каждые 15 минут, чтобы повторно приостановить действие гамет и минимизировать ограничение кислорода во флаконах.По истечении этого времени мы сделали снимки всех испытаний, используя цифровую камеру, установленную на сложном микроскопе при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, проходящих нормальное развитие. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами в дальнейшем перепроверили по изображениям, чтобы исключить ошибки в оценке эмбрионального развития.

(e) Анализ данных

(i) Различия в морфологии сперматозоидов

Для оценки относительных величин вариаций характеристик сперматозоидов среди мужчин и внутри мужчин (т.е. среди гамет из одного и того же эякулята) мы подобрали многомерную линейную смешанную модель, используя ограниченное максимальное правдоподобие, с длиной хвоста, длиной тела и шириной тела в качестве переменных ответа, а также с самцом и гаметой (вложенными в самца) в качестве случайных эффектов. Эта модель оценила дисперсию каждого признака среди самцов, а также ковариацию (или корреляцию) между каждой парой признаков, выделенную из остаточных вариаций внутри самцов (дополнительный электронный материал, таблица S1). Мы проверили значимость всех оценок с помощью стандартных тестов отношения правдоподобия (LRT) с поправкой на множественность [43].Поскольку фертильность оценивалась на уровне самцов, а не гамет, мы использовали средства определения мужских черт в нашем анализе отбора. Концептуально это предполагает, что фенотип сперматозоидов в большей степени определяется диплоидными геномами мужчин, чем гаплоидными геномами сперматозоидов, как, по-видимому, имеет место для большинства видов [44]. Статистически это предполагает, что значения признаков являются фиксированными переменными, измеряемыми без ошибок, что, как ожидается, приведет к смещению наших оценок отбора к нулю, но не смещает тесты гипотез для этих коэффициентов, на которых мы сосредоточены здесь [45].

(ii) Отбор по морфологии сперматозоидов

Чтобы оценить отбор по признакам сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) в связи с их влиянием на мужскую фертильность, мы применили подход множественной регрессии Ланде и Арнольда [31] в смешанном -моделируйте фреймворк с использованием максимального правдоподобия. В этой структуре мы также реализовали подход выбора модели [46], чтобы сравнить выбор различных манипуляций с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов, тем самым проверяя, действуют ли эти факторы как агенты отбора на морфологию сперматозоидов [47].

Перед анализом признаки сперматозоидов были преобразованы в единицы стандартного отклонения [31], а фертильность была преобразована в относительную шкалу путем деления каждого абсолютного значения на среднее значение по всем средам оплодотворения (см. Также [40,48]). Сохраняя экологические различия в средней фертильности, эта трансформация предполагает жесткий отбор свободно плавающих сперматозоидов: другими словами, разные среды вносят разное количество зигот в следующее поколение, отдавая предпочтение генотипам с самой высокой фертильностью в разных средах [49,50].Для внешних удобрений, таких как Galeolaria , дифференциальная фертильность из-за мелкомасштабных различий в среде удобрения [41,51] и последующее смешивание дисперсных зигот в водной толще делают это вероятным сценарием (см. Также [16] для аналогичной обработки пригодности в моделировании эволюции анизогамии). Ключевое отличие от мягкого отбора (который предполагает, что каждая среда вносит равный вклад в следующее поколение) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как мягкий отбор, как ожидается, будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в окружающей среде, их направления изменения в окружающей среде и их проверки гипотез были идентичны анализу нетрансформированных данных.

Во-первых, мы проанализировали относительную фертильность в линейной смешанной модели с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов в качестве факториальных фиксированных эффектов, а также с блочной и мужской идентичностью в качестве случайных эффектов. При моделировании мужской идентичности мы учли отсутствие независимости испытаний от одного и того же мужчины путем подбора неструктурированной ковариационной матрицы, с диагональными элементами, оценивающими мужскую дисперсию в относительной фертильности в зависимости от среды оплодотворения, и недиагональными элементами, оценивающими ковариацию фертильности в разных средах. из-за общей мужской идентичности.Эта модель (модель 1) была отправной точкой для последующих анализов.

Затем, чтобы спросить, различается ли отбор по признакам сперматозоидов в зависимости от размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, мы использовали вложенные LRT для сравнения соответствия моделей, в которых коэффициенты частичной регрессии (градиенты отбора) могли варьироваться в зависимости от условий оплодотворения с помощью совпадений. сокращенных моделей, в которых градиенты сохранялись постоянными с точки зрения окружающей среды [46]. Поскольку многофакторный характер нашего эксперимента означал, что градиенты отбора потенциально могут различаться в ответ на интерактивные эффекты размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, такие сложные трехсторонние взаимодействия необходимо было оценить, прежде чем исследовать более простые, аддитивные эффекты каждого фактора в отдельности.Поэтому мы добавили к нашей базовой модели 1 все линейные (направленные) градиенты выбора, а также все их двух- и трехсторонние взаимодействия с обоими факторами. Эта модель (модель 2) соответствовала нашим данным не лучше, чем сокращенная модель (модель 3), из которой были исключены трехсторонние взаимодействия ( χ 2 = 0,95, df = 3, p = 0,81), что указывает на то, что размер яйца и плотность сперматозоидов в лучшем случае независимо влияли на направленный отбор. Затем мы сравнили модель 3 с другими моделями с дополнительным сокращением, в которых градиенты были объединены либо по размеру яйцеклетки, либо по плотности сперматозоидов, чтобы проверить, был ли направленный отбор изменен каждым фактором отдельно.После того, как градиенты направленного отбора были оценены в соответствующих масштабах (т.е. внутри или между средами удобрения), определенных в процессе выбора модели, мы использовали LRT для оценки значимости каждого градиента и того, различается ли он в разных средах.

Наконец, основываясь на модели 3, мы повторили процесс для нелинейных (квадратичных и корреляционных) градиентов выбора. Опять же, в отсутствие каких-либо доказательств того, что размер яйцеклетки и плотность сперматозоидов взаимодействуют с нелинейным отбором ( χ 2 = 9.17, д.ф. = 6, p = 0,16), мы подобрали сокращенные модели, чтобы выяснить, изменился ли нелинейный отбор только одним из факторов.

3. Результаты

(a) Различия в морфологии сперматозоидов

Длина хвоста сперматозоида, длина тела и ширина тела значительно различались у мужчин (дополнительный электронный материал, рисунок S1), при этом идентичность мужчин объясняется 38%, 37% и 27%. %, соответственно, от общей вариации признака среди гамет (электронный дополнительный материал, таблица S1).Признаки сперматозоидов также варьировались среди мужчин: между длиной хвоста и длиной тела достоверно положительная корреляция ( r = 0,44), а между длиной хвоста и шириной тела - отрицательная ( r = -0,29). Следовательно, самцы с длиннохвостой спермой, как правило, имеют сперматозоиды с более длинным телом или сперматозоиды с более узким телом, но размеры тела сперматозоидов сами по себе не коррелируют (электронный дополнительный материал, таблица S1).

(b) Различия в фертильности в зависимости от среды оплодотворения

Для иллюстрации ожидаемой кинетики внешнего оплодотворения средняя фертильность самцов увеличивалась в зависимости от размера яйца ( х 2 = 90.11, д.ф. = 1, p <0,01) и плотности сперматозоидов ( × 2 = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их эффекты не были интерактивными ( × 2 = 2,35, df = 1, p = 0,13). Яйца обоих классов размера были значительно ограничены сперматозоидами при низкой плотности сперматозоидов, как и маленькие яйца при высокой плотности сперматозоидов (хотя и в меньшей степени; дополнительный электронный материал, рисунок S2). Крупные яйца при высокой плотности сперматозоидов приближались к максимальной фертильности, указанной в предварительных испытаниях (см. Раздел «Материалы и методы»).

По оценкам модели 1, относительная фертильность значительно варьировала среди мужчин во всех средах оплодотворения, предлагая постоянную возможность для отбора по целевому фенотипу сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от интерактивных эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: χ 2 = 19,76, d.f. = 4, p <0.01). Взаимодействие произошло из-за того, что дисперсия увеличивалась от более мелких яиц к более крупным при низкой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 18,73, df = 1, p <0,01), но не изменялась размером яйца при высокой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 1,13, df = 1, p = 0,29; дополнительный электронный материал, рисунок S2).

(c) Отбор по морфологии сперматозоидов в разных средах оплодотворения

Градиенты направленного отбора ( β ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига средних значений признаков сперматозоидов, различались в зависимости от размера яйцеклетки ( х ). 2 = 16.46, д.ф. = 3, p <0,01), но не плотность сперматозоидов ( × 2 = 5,78, d.f. = 3, p = 0,12). Сравнение индивидуальных градиентов по классам размера яиц показало, что яйца большего размера оказывают более сильный отбор на морфологию сперматозоидов, чем яйца меньшего размера (). В частности, более длинные хвосты сперматозоидов увеличивают мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но преимущества становятся более значительными для сперматозоидов, нацеленных на более крупные яйцеклетки ( ß длина хвоста × размер яйца χ 2 = 4.26, д.ф. = 1, p = 0,03). Точно так же длина и ширина тела сперматозоида не влияли на способность самца оплодотворять меньшие яйцеклетки, но более крупные яйцеклетки благоприятствовали самцам с более коротким телом ( ß длина тела × размер яйца : χ 2 = 10,24, df = 1, p <0,01) и сперматозоидов с более узким телом ( ß ширина тела × размер яйца : x 2 = 7,17, df = 1, p <0,01).

Размер яйца опосредует направленный отбор по морфологии сперматозоидов.Каждый градиент ( β i ) измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения среднего значения признака (* p <0,05; ** p <0,01). По каждому признаку сила отбора существенно различается в зависимости от класса размера яиц. (Онлайн-версия в цвете.)

Нелинейные градиенты отбора ( γ ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига дисперсий и ковариаций признаков сперматозоидов, не зависели от размера яйцеклетки ( × 2 = 8 .89, д.ф. = 6, p = 0,18), но различались в зависимости от плотности сперматозоидов ( χ 2 = 22,94, d.f. = 6, p <0,01; дополнительный электронный материал, таблица S2). Сравнение индивидуальных градиентов по плотности приписало этот результат деструктивному отбору по длине тела при высокой плотности, тогда как этот признак был выборочно нейтральным при низкой плотности ( γ длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 14,06, df = 1, п. <0.01) и положительной корреляционной селекции по длине хвоста и тела при низкой плотности, тогда как эта комбинация признаков была нейтральной при высокой плотности ( γ длина хвоста × длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 6,82, df = 1, p <0,01). Плотность сперматозоидов также изменила квадратичный отбор по ширине тела ( γ ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 4,14, df = 6, p = 0,04) и корреляционный отбор по длине и ширине тела ( γ длина тела × ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 5.03, д.ф. = 1, p = 0,02), но индивидуальный градиент не был значимым. Точно так же длина хвоста находилась под стабилизирующим отбором при низкой плотности сперматозоидов и нейтральным при высокой плотности, но эта разница между средами не была значительной.

Чтобы разрешить эти последние неоднозначные результаты и сравнить общую геометрию нелинейного отбора по плотности сперматозоидов, мы выполнили собственный анализ каждой матрицы γ [53]. Эта процедура post hoc дополняет обычную оценку градиентов нелинейного отбора путем визуализации нелинейного отбора вдоль составных осей (собственные векторы γ , определенные линейными комбинациями признаков сперматозоидов), где кривизна (заданная собственными значениями γ ) самый сильный.Таким образом, он не раскрывает больше выбора, чем в γ , а просто перераспределяет выбор между различными коэффициентами [54]. Мы рассчитали стандартные ошибки и p -значений для собственных значений в соответствии с Рейнольдсом и др. . [55] и построили важные оси с помощью тонких шлицев [54].

При каждой плотности сперматозоидов мы обнаружили две важные оси нелинейного отбора (электронный дополнительный материал, таблица S3), что позволило визуализировать отбор как единую поверхность пригодности, а фенотипы сперматозоидов, которые максимизируют фертильность, можно найти путем совместной интерпретации нагрузок признаков на эти топоры.При низкой плотности поверхность представляла собой простой пик ( a ). Здесь контрастные нагрузки длины хвоста и размеров тела на м 3 означают, что у высокоплодородных самцов была сперма со средними значениями всех признаков или что в ней сочетались более длинные хвосты с меньшими телами (причем последнее оставалось небольшим из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м 2 ). Напротив, поверхность при высокой плотности была седловидной ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м 1 , а длина хвоста преобладала м 3 , что означает, что у высокоплодородных самцов была сперма с необычно большими телами (или необычно маленькими, хотя и с меньшим приростом фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м i ) определяется линейной комбинацией признаков сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) и измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения вариации комбинаций признаков. Оси получены из собственных анализов нелинейных градиентов выбора ( γ ; подробности см. В тексте). (Онлайн-версия в цвете.)

4. Обсуждение и заключение

Теоретические объяснения сохранения анизогамии традиционно подчеркивали давление отбора, связанное с размером конкуренции сперматозоидов и постзиготной выживаемостью [4,7], предполагая, что оплодотворение из всех доступных яйца препятствуют отбору по фенотипам, повышающим фертильность [10].Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов [11,12], а риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, по прогнозам, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора, чтобы сформировать эволюцию свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйцеклетки и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающих сперматозоидов Galeolaria и способами, которые потенциально могут усилить диморфизм размеров мужских и женских гамет.Таким образом, наше исследование предлагает новое понимание эволюции сперматозоидов и эволюционного поддержания анизогамии при использовании внешних удобрений.

(a) Размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов

Наши тесты показали, что размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов, активно способствуя направленному эволюционному изменению свойств сперматозоидов через их влияние на мужскую фертильность. В частности, яйца большего размера усиливали положительный отбор по длине хвоста: то есть сперматозоиды с более длинными хвостами повышали мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но избирательное преимущество более длинных хвостов становилось более значительным, когда сперматозоиды предназначались для более крупных яйцеклеток.Яйца большего размера также благоприятствовали сперматозоидам с более коротким и узким телом, тогда как яйца меньшего размера полностью ослабляли выбор по размерам тела сперматозоидов. Основываясь на физических и биомеханических принципах [56,57], эти результаты предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с меньшим сопротивлением меньшего тела и большей толчком более длинного хвоста. Данные других внешних удобрений о том, что низкое соотношение тела к хвосту увеличивает скорость плавания сперматозоидов [58], и что более быстрые сперматозоиды имеют более высокий успех оплодотворения [59], подтверждают нашу интерпретацию.Этот курс предполагает, что адаптивная эволюция фенотипа сперматозоидов не ограничивается генетической архитектурой, которая остается неизвестной для Galeolaria , но, тем не менее, согласуется с текущими данными из различных таксонов [60].

Возможность того, что размер яйцеклетки влияет на выбор морфологии свободно плавающих сперматозоидов, поднимает вопрос о том, является ли это аналогом загадочного выбора самки. Необходимым компонентом такого выбора является то, что женщины различают и предпочтительно используют сперму разных мужчин [61].Здесь, в Galeolaria , яйца разных размеров изменяли вероятность оплодотворения данным самцом в соответствии с морфологией его спермы. Поскольку яйцеклетки были объединены у женщин, чтобы изолировать последствия пригодности сперматозоидов от генетической совместимости при оплодотворении, мы утверждаем, что этот феномен действительно может отражать преимущественное использование яйцеклетками различных фенотипов сперматозоидов. Однако, поскольку наши испытания оплодотворения не проводились в конкурентных условиях, способность яйцеклеток различать сперматозоиды от разных самцов, когда им предоставляется такая возможность, остается открытым вопросом.

Выбор сперматозоидов женщинами все чаще признается важным фактором эволюции сперматозоидов и совместной половой эволюции во внутренних удобрениях, что проявляется в положительной связи между длиной сперматозоидов и размерами женских репродуктивных путей [22–24]. Доказательства выбора женской спермы во внешних удобрениях накапливались медленнее, несмотря на то, что в этой системе у женщин была одна из немногих возможностей для выбора партнера [12,61]. Заметным исключением являются работы по белкам распознавания гамет, демонстрирующие, как они способствуют выбору партнера и репродуктивной изоляции, опосредуя мужскую фертильность внутри и между видами [30,62,63].Другие исследования также предположили, что яичниковая жидкость, окружающая яйца во время нереста, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследуемых нами видов [37]. Здесь, насколько нам известно, мы представляем первое свидетельство того, что яйцеклетки сами могут быть нацелены на морфологические, возможно, гидродинамические аспекты функционирования сперматозоидов, добавляя новое измерение к аргументу о том, что яйцеклетки - это больше, чем просто пассивные приемники сперматозоидов, а внешнее оплодотворение - больше, чем раса. среди мужчин [63].

(b) Размер эякулята является фактором нелинейного отбора на морфологию сперматозоидов

Учитывая роль частоты встреч с гаметами в кинетике оплодотворения [19–21], мы ожидали, что отбор сперматозоидов Galeolaria будет зависеть от интерактивных эффектов яйцеклетки. и размер эякулята, при этом эффекты размера яйцеклетки сильнее при ограничении спермы и ослабляются, когда яйцеклетки становятся насыщенными спермой. Вместо этого размер эякулята изменил нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов, действуя, чтобы изменить дисперсию комбинаций признаков, но не изменил направленных изменений, которым способствует эти признаки яйцеклеткой.Чтобы понять, как эти различные аспекты среды оплодотворения нацелены на разные моменты распределения фенотипов сперматозоидов, стоит понять, что нелинейный отбор формирует вариацию признаков независимо от направленного отбора по средним признакам [31,53]. Следовательно, условия ограниченности сперматозоидов приводят к сокращению дисперсии вокруг фенотипа с более длинным хвостом и меньшим телом, которому отдают предпочтение более крупные яйцеклетки, действуя таким образом, чтобы стабилизировать этот фенотип. Хотя эта потеря дисперсии может потенциально ограничить опосредованный яйцеклеткой отбор за счет сокращения диапазона доступных фенотипов сперматозоидов, условия насыщения сперматозоидами должны иметь противоположный эффект, предоставляя яйцеклеткам новые возможности отбора, действуя для увеличения дисперсии вокруг нового фенотипа.Такие колеблющиеся эффекты плотности сперматозоидов облегчаются по своей природе, более того, из-за различий в размере популяции, нерестовом поведении и эффектах разведения [11,12].

Оценки отбора по фенотипу сперматозоидов остаются редкими для внешних удобрений, но прошлые исследования выявили в целом аналогичные закономерности с нашими. Например, Фитцпатрик и др. . [39] обнаружили нелинейный, но не направленный отбор в пользу более мелких тел сперматозоидов в условиях ограниченного количества сперматозоидов у мидий Mytilus galloprovincialis .Наше исследование Galeolaria gemineoa [40] показало, что сперматозоиды с более длинными хвостами и меньшим телом обладают избирательным преимуществом при более высокой плотности сперматозоидов, но обусловлены скорее направленным, чем нелинейным отбором, и более широким диапазоном плотностей, чем мы исследовали здесь. Таким образом, имеющиеся ограниченные данные подтверждают два наблюдения. Во-первых, отбор по морфологии сперматозоидов зависит от контекста, предлагая возможное объяснение разнообразия характеристик эякулята во внешних удобрениях [27].Во-вторых, независимо от его точной формы и источника, отбор последовательно ориентируется на размер тела относительно длины хвоста, подтверждая рекомендацию a priori об этом соотношении в качестве ключевого предиктора производительности сперматозоидов через его связь со скоростью плавания [56].

(c) Влияние на эволюционное поддержание анизогамии

В целом, наша работа предполагает, что давление отбора, оказываемое размером яйцеклетки и ограничением сперматозоидов, может способствовать поддержанию анизогамии во внешних удобрениях, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренция.Это отходит от обычного предположения, что ослабление давления конкуренции сперматозоидов должно способствовать более крупным сперматозоидам, которые увеличивают жизнеспособность зигот [1,4,7]. Мы никоим образом не утверждаем, что эти давления являются взаимоисключающими, только то, что продемонстрированные здесь потенциально предлагают более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания. Наш аргумент о том, что более крупные яйцеклетки благоприятствуют более мелким сперматозоидам (несмотря на широкие вариации признаков, лишь слабо ограниченные отрицательными корреляциями, чтобы позволить им эволюционировать пропорционально крупнее; дополнительный электронный материал, таблица S1), предполагает, что тело дороже, чем хвост.Однако энергетика спермы предлагает некоторую поддержку этой интерпретации. Для свободно плавающих сперматозоидов размер тела - это сумма ядра и митохондриальной средней части, которая хранит ресурсы, управляющие энергетическим метаболизмом и подвижностью [65], и производит энергию пропорционально своему размеру [66]. Таким образом, если ресурсы, полученные от меньшего тела, перевешивают те, которые были заплачены за более длинный хвост (что вероятно, если плавание обеспечивается средним элементом), то более крупные яйцеклетки действительно могут формировать морфологию сперматозоидов, которая фактически меньше с точки зрения чистых затрат.Этот аргумент, хотя и предположительно спекулятивный, предполагает, что акцент на размере сперматозоидов в моделях анизогамии и конкуренции сперматозоидов потенциально предлагает чрезмерно упрощенный взгляд на эволюцию сперматозоидов (см. Также [56]), но такой, который можно согласовать с такими результатами, как наши, лучшее понимание энергетических затрат на сперматозоиды разных конструкций.

Наконец, предполагается, что размеры сперматозоидов и яйцеклеток совместно эволюционируют за счет их совместного инвестирования в зиготы [4,7], но наше исследование утверждает, что гаметы внешних удобрений могут делать это посредством давления взаимного отбора, оказываемого сперматозоидами и яйцеклетками при оплодотворении.Прошлые работы по этой системе спаривания установили важность плотности сперматозоидов как фактора отбора по размеру яйцеклетки, при этом меньшие эякуляты предпочитают более крупные яйца, которые легче обнаруживаются спермой, а более крупные эякуляты предпочитают меньшие яйца с меньшим риском полиспермии [19–19]. 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки действует реципрокно как фактор отбора сперматозоидов, мы делаем вывод, что эволюционные судьбы полов связаны взаимодействиями между гаметами как на до-, так и на постзиготической стадиях жизненного цикла.Более того, эволюционная диверсификация размеров яиц охватывает поразительные несколько порядков величины среди современных многоклеточных животных и обычно объясняется неоднородностью окружающей среды при постзиготном отборе [67]. Возможность того, что эволюция сперматозоидов была задействована в этом процессе, подразумевает, что следующим ключевым шагом будет поиск признаков коэволюции гамет в более глубокой эволюционной истории этой группы.

размер яйца и размер эякулята опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы

Abstract

Диморфизм гамет (анизогамия) определяет пол в большинстве многоклеточных организмов.Теоретические объяснения его сохранения обычно подчеркивают давление отбора сперматозоидов и выживаемость зигот, связанное с размером, предполагая, что оплодотворение всех яйцеклеток препятствует отбору по фенотипам, которые увеличивают фертильность. Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов, и риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, как прогнозируется, ограничивает размер сперматозоидов, позволяя альтернативным давлениям отбора для целевых свободно плавающих сперматозоидов.Мы спросили, опосредуют ли размер яйцеклетки и размер эякулята выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , морского трубчатого червя с внешним оплодотворением, путем сравнения взаимосвязей между морфологией сперматозоидов и мужской фертильностью при манипуляциях с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов. Наши результаты показывают, что давление отбора, оказываемое этими факторами, может способствовать поддержанию анизогамии внешних удобрений, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренции.Таким образом, наше исследование предлагает более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания, и определяет новый потенциал для совместного развития полов посредством давления взаимного отбора, оказываемого гаметами при оплодотворении.

Ключевые слова: анизогамия, размер яйца, внешнее оплодотворение, анализ отбора, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1. Общие сведения

Анизогамия широко считается катализатором эволюции и совместной эволюции полов [1–3] .Ключевая теория его происхождения [4] предполагает разрушительный отбор по размеру гамет у изогамных морских предков с внешним оплодотворением. Предполагая ограниченные ресурсы для воспроизводства и что приспособленность зиготы увеличивается с объединенными размерами сливающихся гамет, эффективность оплодотворения увеличивается, когда один родитель производит много маленьких гамет, чтобы максимизировать производство зиготы, в то время как другой производит меньше крупных гамет, которые обеспечивают цитоплазматические резервы, необходимые для зиготы. жизнеспособность. После эволюции анизогамия, как говорят, поддерживается давлением посткопулятивного отбора (конкуренция сперматозоидов и загадочный женский выбор), которые усиливают специализацию мужских и женских гамет [5,6].В частности, Паркер [7] утверждал, что анизогамия нестабильна без конкуренции сперматозоидов, потому что яйцеклетки остаются большими из-за бремени снабжения зиготами, тогда как сперматозоиды остаются маленькими из-за соперничества за оплодотворение. В противном случае самцы не получат никаких преимуществ от создания более крупных эякулятов, если количество сперматозоидов достаточно для оплодотворения всех доступных яйцеклеток, и им будет лучше производить более крупные сперматозоиды, которые способствуют обеспечению зиготы.

Другая теория предполагала, что сперматозоиды малы, чтобы давать большое количество, необходимое для оплодотворения [8–10].Это было отклонено для внутренних удобрений, включая позвоночных и насекомых, на том основании, что эякуляты часто сильно разбавляются без потери фертильности, а оплодотворение является неполным только в условиях ограниченного количества сперматозоидов, с которыми женщины редко сталкиваются [7]. Тем не менее, для внешних удобрений ограничение количества сперматозоидов является обычным явлением из-за быстрого разбавления сперматозоидов после нереста [11,12], что дает широкие возможности отбору, чтобы отдать предпочтение как многочисленным крошечным сперматозоидам, так и большим яйцеклеткам за счет увеличения скорости встречи с гаметами [13,14].Соответственно, недавние модели, которые одновременно рассматривают эффекты конкуренции и ограничения сперматозоидов на эволюцию гамет, подтверждают, что последняя может, в принципе, стабилизировать анизогамию, действуя для увеличения количества сперматозоидов [15,16]. На практике, однако, избыток спермы вызывает снижение фертильности из-за полиспермии, состояния, которое почти всегда приводит к летальному исходу при использовании внешних удобрений [17]. Следовательно, более крупные эякуляты могут иметь меньшую адаптивную ценность, чем предполагалось [18], и даже дестабилизировать анизогамию, отдавая предпочтение яйцам меньшего размера с меньшим риском полиспермии [19–21].В целом, это говорит о том, что числовые эффекты на размер сперматозоидов, обусловленные конкуренцией, могут иметь ограниченные возможности для объяснения анизогамии внешних удобрений и что другие факторы отбора могут способствовать ее эволюционному сохранению.

Мало что известно о том, как выбор самки влияет на фенотип свободно плавающих сперматозоидов, несмотря на широко распространенные доказательства его способности влиять на результаты конкуренции и эволюции сперматозоидов у млекопитающих, птиц и насекомых [22–24]. Для таких внутренних удобрений выбор спермы самками происходит во время транспортировки и хранения сперматозоидов в женских репродуктивных путях, а также нацелены на свойства (например,грамм. размер, длина, качество), которые, таким образом, влияют на мужскую фертильность, не считая числовых эффектов размера эякулята [25,26]. Для внешних удобрений, сперматозоиды которых подвергаются отбору во внешней среде без сложности женского репродуктивного тракта, женский выбор сперматозоидов ограничивается взаимодействиями на уровне гамет [27], контролируемыми дополнительными репродуктивными жидкостями [28] или фенотипами самих яйцеклеток. Роль белков распознавания гамет, расположенных на яйцах, в определении мужской фертильности и репродуктивной изоляции хорошо известна [29,30].Размер яйцеклетки предлагает еще одну ключевую возможность для самок осуществлять отбор свободно плавающих сперматозоидов благодаря своей роли в кинетике оплодотворения, но ее способность делать это, ее взаимодействие с размером эякулята и более широкие последствия для эволюционного поддержания анизогамии в настоящее время неизвестны.

Здесь мы представляем новую проверку этой идеи, исследуя, опосредует ли размер яйцеклетки выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , раздельнополого морского трубочника, который сбрасывает мужские и женские гаметы в море для внешнего слияния.В частности, мы использовали классический подход множественной регрессии Lande & Arnold [31], реализованный в рамках смешанной модели, чтобы сравнить взаимосвязь между морфологическими признаками сперматозоидов и мужской фертильностью при экспериментальном изменении размера яйцеклетки. Мы сделали это в сочетании с ортогональной манипуляцией размером эякулята, чтобы дополнительно изучить, взаимодействует ли опосредованный яйцеклеткой отбор с ограничением сперматозоидов, учитывая совместную важность этих двух факторов в альтернативных объяснениях анизогамии [13,14,16] (см. Также [10] ] для обзора теории, не охваченной здесь).Задаваясь вопросом, действует ли давление отбора, окружающее оплодотворение в море, противодействует или усиливает диморфизм гамет во внешних удобрениях, наше исследование имеет важные последствия для половой коэволюции и эволюционного поддержания анизогамии в этой системе спаривания.

2. Материал и методы

(a) Изученный вид

Galeolaria caespitosa (именуемая в дальнейшем по роду) обитает в приливных зонах юго-западной Австралии в плотных скоплениях известковых трубок [32].Взрослые особи плодовиты круглый год и постоянно производят гаметы, которые сливаются в толще воды. Типичная для этой системы спаривания фертильность - это колоколообразная функция скорости встречи с гаметами, которая увеличивается с размером яйца и плотностью сперматозоидов. С одной стороны, из-за недостаточных контактов многие яйцеклетки остаются неоплодотворенными из-за ограничения количества сперматозоидов; с другой стороны, чрезмерные встречи делают многие оплодотворения нежизнеспособными из-за полиспермии [33]. Поскольку определенное количество полиспермических оплодотворений происходит естественным образом независимо от частоты встреч, фертильность в некоторой степени является неполной даже при максимуме [33–36].Фертильность также зависит от других факторов, таких как оплодотворяемость яйцеклеток, плавание спермой и совместимость мужчин и женщин [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может нацеливаться на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне недалеко от Royal Brighton Yacht Club, Виктория, Австралия (37,91 ° ю.ш., 144,99 ° в.д.), и поместили в рециркуляционные аквариумы Университета Монаша. Чтобы ежедневно получать свежие гаметы для экспериментов, взрослых особей извлекали из пробирок и помещали в небольшие объемы фильтрованной морской воды, чтобы вызвать нерест.

(b) Манипуляции со средой оплодотворения

Чтобы понять, опосредует ли размер яйцеклетки отбор на морфологию сперматозоидов и взаимодействуют ли его эффекты с ограничением сперматозоидов, мы проверили фертильность 97 очаговых самцов с известным фенотипом сперматозоидов при низкой и высокой плотности сперматозоидов против эталонные когорты мелких и крупных яиц (). Каждое испытание состояло из сперматозоидов одного мужчины, подвергнутых воздействию повторяющейся когорты яйцеклеток, которые были объединены между 25–30 женщинами, чтобы минимизировать влияние совместимости на мужскую фертильность.Были приняты меры к тому, чтобы все самки откладывали одинаковое количество яиц. Мы не проводили испытания с конкуренцией сперматозоидов, потому что нас интересовали альтернативные механизмы эволюции сперматозоидов, и у нас не было возможности определить отцовство зиготы с помощью молекулярных анализов. Свободно нерестовые яйца в природе часто сталкиваются с ограничением количества сперматозоидов [11,12], что делает наши испытания экологически релевантными для этой системы спаривания (см. Также [39,40]), но, тем не менее, ограничиваются выводом давления отбора в отсутствие конкуренции.Испытания проводились в 13 повторных блоках по 5–11 самцов в блоке. Внутри блоков каждый самец был повязан с одной и той же комбинацией самок, так что испытания были стандартизированы в отношении генетического фона яиц и различались только в отношении наших манипуляций со средой оплодотворения и идентичностью самцов.

Экспериментальные манипуляции со средой оплодотворения для исследования мужской фертильности. Свободно нерестившиеся яйца объединяли между несколькими самками, затем разделяли на мелкие и большие классы.Сперматозоиды, выращенные свободно, изолировали самцы и разводили до низкой и высокой плотности (с аликвотой, зарезервированной для фенотипирования). Это позволило создать четыре среды для оплодотворения, в которых проверялась фертильность каждого самца. Испытания проводились в 13 повторных блоках, причем сперматозоиды от каждого очагового самца ( n = 5–11 на блок) подвергались воздействию контрольной когорты яйцеклеток от того же пула самок ( n = 25–30 на блок) до изолировать влияние мужской идентичности и экспериментальных условий на мужскую фертильность.(Онлайн-версия в цвете.)

(i) Размер яйца

На основании предварительной работы, самки Galeolaria нерестят яйца диаметром до 70 мкм, а яйца диаметром менее 55 мкм не подлежат оплодотворению. Чтобы управлять размером яиц для наших испытаний, мы отфильтровали все яйца, порожденные уникальным набором самок, используемых в каждом блоке репликации, чтобы удалить нежизнеспособные яйца и разделить остальные на два класса размеров. Сначала мы собрали все яйца на блок самок в небольшом объеме морской воды и промыли суспензию через сито 60 мкм.Мы повторно отфильтровали часть яиц, пойманных этим размером ячеек, сохраняя пойманные им во второй раз (диаметр> 60 мкм) как наш класс крупного размера. Во-вторых, мы повторно отфильтровали часть яиц, прошедших через этот размер ячеек, используя сито 55 мкм, сохранив часть, захваченную ею (55 мкм <диаметр <60 мкм), как наш класс малого размера и отбросив те, которые прошли через нее, как неоплодотворяемые. Эта разница в диаметре приводит к примерно 30% разнице в среднем объеме между классами размеров.Обе части отложенных яиц ресуспендировали в фильтрованной морской воде с плотностью приблизительно 2 × 10 3 мл -1 до использования в испытаниях. Чтобы подтвердить эффективность наших манипуляций, мы сравнили размеры 15 яиц каждого класса крупности на блок, используя т -тестов. Ни в коем случае не было необходимости отказываться от блока испытаний, потому что средний размер крупных яиц был не больше, чем размер мелких яиц (все p <0,02).

(ii) Плотность сперматозоидов

Поскольку размер эякулята изменяет паттерны отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили здесь аналогичную манипуляцию, чтобы оценить общность этого эффекта и его взаимосвязь с размером яйца.Сначала мы провели предварительные испытания оплодотворения с 10-кратными разведениями сперматозоидов (10 7 –10 2 клеток на мл –1 ), чтобы найти две плотности, которые: класс малого размера, учитывая их меньший целевой размер для сперматозоидов, и (ii) максимальную фертильность без риска серьезной полиспермии для яйцеклеток в классе большого размера, учитывая их больший целевой размер [19,20]. На основании этих испытаний мы использовали 10 4 клеток на мл -1 в качестве нашей низкой плотности и 10 5 клеток на мл -1 в качестве нашей высокой.Эти плотности попадают в континуум, доступный для яиц Galeolaria в поле, а плодовитость при нашей низкой плотности сопоставима с полевыми оценками [41]. Мы собрали эякулят каждого самца (зарезервировав 10 мкл для фенотипирования сперматозоидов; см. Ниже) и записали его начальную плотность сперматозоидов (10 6 –10 8 клеток мл –1 ) из трех повторных подсчетов гемоцитометром. Чтобы испытать мужскую фертильность в эквивалентных условиях, мы стандартизировали исходную плотность сперматозоидов среди мужчин перед разбавлением образцов от каждого мужчины до требуемых экспериментальных условий.

(c) Измерение морфологии сперматозоидов

Морфологию сперматозоидов регистрировали из зарезервированного образца эякулята каждого мужчины. Мы сделали изображения не менее 15 клеток на одного самца, используя цифровую камеру, установленную на составном микроскопе с увеличением 1000 ×, гарантируя, что вся клетка лежит в плоскости фокуса, и отслеживая хвост во время съемки в реальном времени, чтобы учесть любое изгибание, которое может трудно интерпретировать по сохраненным изображениям. В ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij) мы измерили длину хвоста сперматозоида, а также длину и ширину тела сперматозоида.Последний состоит из овального ядра, средней части из четырех сферических митохондрий и шапкообразной акросомы, которая расширяется в длинный ветвящийся отросток при контакте с яйцеклеткой (см. Также [42] для подробного объяснения спермы Galeolaria ). Мы измеряли только нормальные клетки с неповрежденными хвостами и без акросомной реакции, сигнализирующей о загрязнении образца яйцами.

(d) Испытания по оплодотворению

Испытания по оплодотворению, каждое из которых состоит из 0,1 мл яичного раствора, осторожно смешанного с 0.9 мл раствора спермы разливали в маленькие пузырьки при постоянной температуре 21 ° C. Для каждого из 97 мужчин было проведено четыре испытания, в которых сперма низкой и высокой плотности подвергалась воздействию как больших, так и маленьких яиц (). Каждый блок испытаний также включал пробирку с яйцеклетками без спермы каждого класса размера для контроля ошибочных оплодотворений, которые могли произойти при извлечении взрослых особей из пробирок. Мы проводили испытания в течение 2 часов, осторожно встряхивая их каждые 15 минут, чтобы повторно приостановить действие гамет и минимизировать ограничение кислорода во флаконах.По истечении этого времени мы сделали снимки всех испытаний, используя цифровую камеру, установленную на сложном микроскопе при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, проходящих нормальное развитие. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами в дальнейшем перепроверили по изображениям, чтобы исключить ошибки в оценке эмбрионального развития.

(e) Анализ данных

(i) Различия в морфологии сперматозоидов

Для оценки относительных величин вариаций характеристик сперматозоидов среди мужчин и внутри мужчин (т.е. среди гамет из одного и того же эякулята) мы подобрали многомерную линейную смешанную модель, используя ограниченное максимальное правдоподобие, с длиной хвоста, длиной тела и шириной тела в качестве переменных ответа, а также с самцом и гаметой (вложенными в самца) в качестве случайных эффектов. Эта модель оценила дисперсию каждого признака среди самцов, а также ковариацию (или корреляцию) между каждой парой признаков, выделенную из остаточных вариаций внутри самцов (дополнительный электронный материал, таблица S1). Мы проверили значимость всех оценок с помощью стандартных тестов отношения правдоподобия (LRT) с поправкой на множественность [43].Поскольку фертильность оценивалась на уровне самцов, а не гамет, мы использовали средства определения мужских черт в нашем анализе отбора. Концептуально это предполагает, что фенотип сперматозоидов в большей степени определяется диплоидными геномами мужчин, чем гаплоидными геномами сперматозоидов, как, по-видимому, имеет место для большинства видов [44]. Статистически это предполагает, что значения признаков являются фиксированными переменными, измеряемыми без ошибок, что, как ожидается, приведет к смещению наших оценок отбора к нулю, но не смещает тесты гипотез для этих коэффициентов, на которых мы сосредоточены здесь [45].

(ii) Отбор по морфологии сперматозоидов

Чтобы оценить отбор по признакам сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) в связи с их влиянием на мужскую фертильность, мы применили подход множественной регрессии Ланде и Арнольда [31] в смешанном -моделируйте фреймворк с использованием максимального правдоподобия. В этой структуре мы также реализовали подход выбора модели [46], чтобы сравнить выбор различных манипуляций с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов, тем самым проверяя, действуют ли эти факторы как агенты отбора на морфологию сперматозоидов [47].

Перед анализом признаки сперматозоидов были преобразованы в единицы стандартного отклонения [31], а фертильность была преобразована в относительную шкалу путем деления каждого абсолютного значения на среднее значение по всем средам оплодотворения (см. Также [40,48]). Сохраняя экологические различия в средней фертильности, эта трансформация предполагает жесткий отбор свободно плавающих сперматозоидов: другими словами, разные среды вносят разное количество зигот в следующее поколение, отдавая предпочтение генотипам с самой высокой фертильностью в разных средах [49,50].Для внешних удобрений, таких как Galeolaria , дифференциальная фертильность из-за мелкомасштабных различий в среде удобрения [41,51] и последующее смешивание дисперсных зигот в водной толще делают это вероятным сценарием (см. Также [16] для аналогичной обработки пригодности в моделировании эволюции анизогамии). Ключевое отличие от мягкого отбора (который предполагает, что каждая среда вносит равный вклад в следующее поколение) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как мягкий отбор, как ожидается, будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в окружающей среде, их направления изменения в окружающей среде и их проверки гипотез были идентичны анализу нетрансформированных данных.

Во-первых, мы проанализировали относительную фертильность в линейной смешанной модели с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов в качестве факториальных фиксированных эффектов, а также с блочной и мужской идентичностью в качестве случайных эффектов. При моделировании мужской идентичности мы учли отсутствие независимости испытаний от одного и того же мужчины путем подбора неструктурированной ковариационной матрицы, с диагональными элементами, оценивающими мужскую дисперсию в относительной фертильности в зависимости от среды оплодотворения, и недиагональными элементами, оценивающими ковариацию фертильности в разных средах. из-за общей мужской идентичности.Эта модель (модель 1) была отправной точкой для последующих анализов.

Затем, чтобы спросить, различается ли отбор по признакам сперматозоидов в зависимости от размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, мы использовали вложенные LRT для сравнения соответствия моделей, в которых коэффициенты частичной регрессии (градиенты отбора) могли варьироваться в зависимости от условий оплодотворения с помощью совпадений. сокращенных моделей, в которых градиенты сохранялись постоянными с точки зрения окружающей среды [46]. Поскольку многофакторный характер нашего эксперимента означал, что градиенты отбора потенциально могут различаться в ответ на интерактивные эффекты размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, такие сложные трехсторонние взаимодействия необходимо было оценить, прежде чем исследовать более простые, аддитивные эффекты каждого фактора в отдельности.Поэтому мы добавили к нашей базовой модели 1 все линейные (направленные) градиенты выбора, а также все их двух- и трехсторонние взаимодействия с обоими факторами. Эта модель (модель 2) соответствовала нашим данным не лучше, чем сокращенная модель (модель 3), из которой были исключены трехсторонние взаимодействия ( χ 2 = 0,95, df = 3, p = 0,81), что указывает на то, что размер яйца и плотность сперматозоидов в лучшем случае независимо влияли на направленный отбор. Затем мы сравнили модель 3 с другими моделями с дополнительным сокращением, в которых градиенты были объединены либо по размеру яйцеклетки, либо по плотности сперматозоидов, чтобы проверить, был ли направленный отбор изменен каждым фактором отдельно.После того, как градиенты направленного отбора были оценены в соответствующих масштабах (т.е. внутри или между средами удобрения), определенных в процессе выбора модели, мы использовали LRT для оценки значимости каждого градиента и того, различается ли он в разных средах.

Наконец, основываясь на модели 3, мы повторили процесс для нелинейных (квадратичных и корреляционных) градиентов выбора. Опять же, в отсутствие каких-либо доказательств того, что размер яйцеклетки и плотность сперматозоидов взаимодействуют с нелинейным отбором ( χ 2 = 9.17, д.ф. = 6, p = 0,16), мы подобрали сокращенные модели, чтобы выяснить, изменился ли нелинейный отбор только одним из факторов.

3. Результаты

(a) Различия в морфологии сперматозоидов

Длина хвоста сперматозоида, длина тела и ширина тела значительно различались у мужчин (дополнительный электронный материал, рисунок S1), при этом идентичность мужчин объясняется 38%, 37% и 27%. %, соответственно, от общей вариации признака среди гамет (электронный дополнительный материал, таблица S1).Признаки сперматозоидов также варьировались среди мужчин: между длиной хвоста и длиной тела достоверно положительная корреляция ( r = 0,44), а между длиной хвоста и шириной тела - отрицательная ( r = -0,29). Следовательно, самцы с длиннохвостой спермой, как правило, имеют сперматозоиды с более длинным телом или сперматозоиды с более узким телом, но размеры тела сперматозоидов сами по себе не коррелируют (электронный дополнительный материал, таблица S1).

(b) Различия в фертильности в зависимости от среды оплодотворения

Для иллюстрации ожидаемой кинетики внешнего оплодотворения средняя фертильность самцов увеличивалась в зависимости от размера яйца ( х 2 = 90.11, д.ф. = 1, p <0,01) и плотности сперматозоидов ( × 2 = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их эффекты не были интерактивными ( × 2 = 2,35, df = 1, p = 0,13). Яйца обоих классов размера были значительно ограничены сперматозоидами при низкой плотности сперматозоидов, как и маленькие яйца при высокой плотности сперматозоидов (хотя и в меньшей степени; дополнительный электронный материал, рисунок S2). Крупные яйца при высокой плотности сперматозоидов приближались к максимальной фертильности, указанной в предварительных испытаниях (см. Раздел «Материалы и методы»).

По оценкам модели 1, относительная фертильность значительно варьировала среди мужчин во всех средах оплодотворения, предлагая постоянную возможность для отбора по целевому фенотипу сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от интерактивных эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: χ 2 = 19,76, d.f. = 4, p <0.01). Взаимодействие произошло из-за того, что дисперсия увеличивалась от более мелких яиц к более крупным при низкой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 18,73, df = 1, p <0,01), но не изменялась размером яйца при высокой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 1,13, df = 1, p = 0,29; дополнительный электронный материал, рисунок S2).

(c) Отбор по морфологии сперматозоидов в разных средах оплодотворения

Градиенты направленного отбора ( β ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига средних значений признаков сперматозоидов, различались в зависимости от размера яйцеклетки ( х ). 2 = 16.46, д.ф. = 3, p <0,01), но не плотность сперматозоидов ( × 2 = 5,78, d.f. = 3, p = 0,12). Сравнение индивидуальных градиентов по классам размера яиц показало, что яйца большего размера оказывают более сильный отбор на морфологию сперматозоидов, чем яйца меньшего размера (). В частности, более длинные хвосты сперматозоидов увеличивают мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но преимущества становятся более значительными для сперматозоидов, нацеленных на более крупные яйцеклетки ( ß длина хвоста × размер яйца χ 2 = 4.26, д.ф. = 1, p = 0,03). Точно так же длина и ширина тела сперматозоида не влияли на способность самца оплодотворять меньшие яйцеклетки, но более крупные яйцеклетки благоприятствовали самцам с более коротким телом ( ß длина тела × размер яйца : χ 2 = 10,24, df = 1, p <0,01) и сперматозоидов с более узким телом ( ß ширина тела × размер яйца : x 2 = 7,17, df = 1, p <0,01).

Размер яйца опосредует направленный отбор по морфологии сперматозоидов.Каждый градиент ( β i ) измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения среднего значения признака (* p <0,05; ** p <0,01). По каждому признаку сила отбора существенно различается в зависимости от класса размера яиц. (Онлайн-версия в цвете.)

Нелинейные градиенты отбора ( γ ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига дисперсий и ковариаций признаков сперматозоидов, не зависели от размера яйцеклетки ( × 2 = 8 .89, д.ф. = 6, p = 0,18), но различались в зависимости от плотности сперматозоидов ( χ 2 = 22,94, d.f. = 6, p <0,01; дополнительный электронный материал, таблица S2). Сравнение индивидуальных градиентов по плотности приписало этот результат деструктивному отбору по длине тела при высокой плотности, тогда как этот признак был выборочно нейтральным при низкой плотности ( γ длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 14,06, df = 1, п. <0.01) и положительной корреляционной селекции по длине хвоста и тела при низкой плотности, тогда как эта комбинация признаков была нейтральной при высокой плотности ( γ длина хвоста × длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 6,82, df = 1, p <0,01). Плотность сперматозоидов также изменила квадратичный отбор по ширине тела ( γ ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 4,14, df = 6, p = 0,04) и корреляционный отбор по длине и ширине тела ( γ длина тела × ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 5.03, д.ф. = 1, p = 0,02), но индивидуальный градиент не был значимым. Точно так же длина хвоста находилась под стабилизирующим отбором при низкой плотности сперматозоидов и нейтральным при высокой плотности, но эта разница между средами не была значительной.

Чтобы разрешить эти последние неоднозначные результаты и сравнить общую геометрию нелинейного отбора по плотности сперматозоидов, мы выполнили собственный анализ каждой матрицы γ [53]. Эта процедура post hoc дополняет обычную оценку градиентов нелинейного отбора путем визуализации нелинейного отбора вдоль составных осей (собственные векторы γ , определенные линейными комбинациями признаков сперматозоидов), где кривизна (заданная собственными значениями γ ) самый сильный.Таким образом, он не раскрывает больше выбора, чем в γ , а просто перераспределяет выбор между различными коэффициентами [54]. Мы рассчитали стандартные ошибки и p -значений для собственных значений в соответствии с Рейнольдсом и др. . [55] и построили важные оси с помощью тонких шлицев [54].

При каждой плотности сперматозоидов мы обнаружили две важные оси нелинейного отбора (электронный дополнительный материал, таблица S3), что позволило визуализировать отбор как единую поверхность пригодности, а фенотипы сперматозоидов, которые максимизируют фертильность, можно найти путем совместной интерпретации нагрузок признаков на эти топоры.При низкой плотности поверхность представляла собой простой пик ( a ). Здесь контрастные нагрузки длины хвоста и размеров тела на м 3 означают, что у высокоплодородных самцов была сперма со средними значениями всех признаков или что в ней сочетались более длинные хвосты с меньшими телами (причем последнее оставалось небольшим из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м 2 ). Напротив, поверхность при высокой плотности была седловидной ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м 1 , а длина хвоста преобладала м 3 , что означает, что у высокоплодородных самцов была сперма с необычно большими телами (или необычно маленькими, хотя и с меньшим приростом фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м i ) определяется линейной комбинацией признаков сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) и измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения вариации комбинаций признаков. Оси получены из собственных анализов нелинейных градиентов выбора ( γ ; подробности см. В тексте). (Онлайн-версия в цвете.)

4. Обсуждение и заключение

Теоретические объяснения сохранения анизогамии традиционно подчеркивали давление отбора, связанное с размером конкуренции сперматозоидов и постзиготной выживаемостью [4,7], предполагая, что оплодотворение из всех доступных яйца препятствуют отбору по фенотипам, повышающим фертильность [10].Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов [11,12], а риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, по прогнозам, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора, чтобы сформировать эволюцию свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйцеклетки и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающих сперматозоидов Galeolaria и способами, которые потенциально могут усилить диморфизм размеров мужских и женских гамет.Таким образом, наше исследование предлагает новое понимание эволюции сперматозоидов и эволюционного поддержания анизогамии при использовании внешних удобрений.

(a) Размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов

Наши тесты показали, что размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов, активно способствуя направленному эволюционному изменению свойств сперматозоидов через их влияние на мужскую фертильность. В частности, яйца большего размера усиливали положительный отбор по длине хвоста: то есть сперматозоиды с более длинными хвостами повышали мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но избирательное преимущество более длинных хвостов становилось более значительным, когда сперматозоиды предназначались для более крупных яйцеклеток.Яйца большего размера также благоприятствовали сперматозоидам с более коротким и узким телом, тогда как яйца меньшего размера полностью ослабляли выбор по размерам тела сперматозоидов. Основываясь на физических и биомеханических принципах [56,57], эти результаты предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с меньшим сопротивлением меньшего тела и большей толчком более длинного хвоста. Данные других внешних удобрений о том, что низкое соотношение тела к хвосту увеличивает скорость плавания сперматозоидов [58], и что более быстрые сперматозоиды имеют более высокий успех оплодотворения [59], подтверждают нашу интерпретацию.Этот курс предполагает, что адаптивная эволюция фенотипа сперматозоидов не ограничивается генетической архитектурой, которая остается неизвестной для Galeolaria , но, тем не менее, согласуется с текущими данными из различных таксонов [60].

Возможность того, что размер яйцеклетки влияет на выбор морфологии свободно плавающих сперматозоидов, поднимает вопрос о том, является ли это аналогом загадочного выбора самки. Необходимым компонентом такого выбора является то, что женщины различают и предпочтительно используют сперму разных мужчин [61].Здесь, в Galeolaria , яйца разных размеров изменяли вероятность оплодотворения данным самцом в соответствии с морфологией его спермы. Поскольку яйцеклетки были объединены у женщин, чтобы изолировать последствия пригодности сперматозоидов от генетической совместимости при оплодотворении, мы утверждаем, что этот феномен действительно может отражать преимущественное использование яйцеклетками различных фенотипов сперматозоидов. Однако, поскольку наши испытания оплодотворения не проводились в конкурентных условиях, способность яйцеклеток различать сперматозоиды от разных самцов, когда им предоставляется такая возможность, остается открытым вопросом.

Выбор сперматозоидов женщинами все чаще признается важным фактором эволюции сперматозоидов и совместной половой эволюции во внутренних удобрениях, что проявляется в положительной связи между длиной сперматозоидов и размерами женских репродуктивных путей [22–24]. Доказательства выбора женской спермы во внешних удобрениях накапливались медленнее, несмотря на то, что в этой системе у женщин была одна из немногих возможностей для выбора партнера [12,61]. Заметным исключением являются работы по белкам распознавания гамет, демонстрирующие, как они способствуют выбору партнера и репродуктивной изоляции, опосредуя мужскую фертильность внутри и между видами [30,62,63].Другие исследования также предположили, что яичниковая жидкость, окружающая яйца во время нереста, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследуемых нами видов [37]. Здесь, насколько нам известно, мы представляем первое свидетельство того, что яйцеклетки сами могут быть нацелены на морфологические, возможно, гидродинамические аспекты функционирования сперматозоидов, добавляя новое измерение к аргументу о том, что яйцеклетки - это больше, чем просто пассивные приемники сперматозоидов, а внешнее оплодотворение - больше, чем раса. среди мужчин [63].

(b) Размер эякулята является фактором нелинейного отбора на морфологию сперматозоидов

Учитывая роль частоты встреч с гаметами в кинетике оплодотворения [19–21], мы ожидали, что отбор сперматозоидов Galeolaria будет зависеть от интерактивных эффектов яйцеклетки. и размер эякулята, при этом эффекты размера яйцеклетки сильнее при ограничении спермы и ослабляются, когда яйцеклетки становятся насыщенными спермой. Вместо этого размер эякулята изменил нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов, действуя, чтобы изменить дисперсию комбинаций признаков, но не изменил направленных изменений, которым способствует эти признаки яйцеклеткой.Чтобы понять, как эти различные аспекты среды оплодотворения нацелены на разные моменты распределения фенотипов сперматозоидов, стоит понять, что нелинейный отбор формирует вариацию признаков независимо от направленного отбора по средним признакам [31,53]. Следовательно, условия ограниченности сперматозоидов приводят к сокращению дисперсии вокруг фенотипа с более длинным хвостом и меньшим телом, которому отдают предпочтение более крупные яйцеклетки, действуя таким образом, чтобы стабилизировать этот фенотип. Хотя эта потеря дисперсии может потенциально ограничить опосредованный яйцеклеткой отбор за счет сокращения диапазона доступных фенотипов сперматозоидов, условия насыщения сперматозоидами должны иметь противоположный эффект, предоставляя яйцеклеткам новые возможности отбора, действуя для увеличения дисперсии вокруг нового фенотипа.Такие колеблющиеся эффекты плотности сперматозоидов облегчаются по своей природе, более того, из-за различий в размере популяции, нерестовом поведении и эффектах разведения [11,12].

Оценки отбора по фенотипу сперматозоидов остаются редкими для внешних удобрений, но прошлые исследования выявили в целом аналогичные закономерности с нашими. Например, Фитцпатрик и др. . [39] обнаружили нелинейный, но не направленный отбор в пользу более мелких тел сперматозоидов в условиях ограниченного количества сперматозоидов у мидий Mytilus galloprovincialis .Наше исследование Galeolaria gemineoa [40] показало, что сперматозоиды с более длинными хвостами и меньшим телом обладают избирательным преимуществом при более высокой плотности сперматозоидов, но обусловлены скорее направленным, чем нелинейным отбором, и более широким диапазоном плотностей, чем мы исследовали здесь. Таким образом, имеющиеся ограниченные данные подтверждают два наблюдения. Во-первых, отбор по морфологии сперматозоидов зависит от контекста, предлагая возможное объяснение разнообразия характеристик эякулята во внешних удобрениях [27].Во-вторых, независимо от его точной формы и источника, отбор последовательно ориентируется на размер тела относительно длины хвоста, подтверждая рекомендацию a priori об этом соотношении в качестве ключевого предиктора производительности сперматозоидов через его связь со скоростью плавания [56].

(c) Влияние на эволюционное поддержание анизогамии

В целом, наша работа предполагает, что давление отбора, оказываемое размером яйцеклетки и ограничением сперматозоидов, может способствовать поддержанию анизогамии во внешних удобрениях, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренция.Это отходит от обычного предположения, что ослабление давления конкуренции сперматозоидов должно способствовать более крупным сперматозоидам, которые увеличивают жизнеспособность зигот [1,4,7]. Мы никоим образом не утверждаем, что эти давления являются взаимоисключающими, только то, что продемонстрированные здесь потенциально предлагают более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания. Наш аргумент о том, что более крупные яйцеклетки благоприятствуют более мелким сперматозоидам (несмотря на широкие вариации признаков, лишь слабо ограниченные отрицательными корреляциями, чтобы позволить им эволюционировать пропорционально крупнее; дополнительный электронный материал, таблица S1), предполагает, что тело дороже, чем хвост.Однако энергетика спермы предлагает некоторую поддержку этой интерпретации. Для свободно плавающих сперматозоидов размер тела - это сумма ядра и митохондриальной средней части, которая хранит ресурсы, управляющие энергетическим метаболизмом и подвижностью [65], и производит энергию пропорционально своему размеру [66]. Таким образом, если ресурсы, полученные от меньшего тела, перевешивают те, которые были заплачены за более длинный хвост (что вероятно, если плавание обеспечивается средним элементом), то более крупные яйцеклетки действительно могут формировать морфологию сперматозоидов, которая фактически меньше с точки зрения чистых затрат.Этот аргумент, хотя и предположительно спекулятивный, предполагает, что акцент на размере сперматозоидов в моделях анизогамии и конкуренции сперматозоидов потенциально предлагает чрезмерно упрощенный взгляд на эволюцию сперматозоидов (см. Также [56]), но такой, который можно согласовать с такими результатами, как наши, лучшее понимание энергетических затрат на сперматозоиды разных конструкций.

Наконец, предполагается, что размеры сперматозоидов и яйцеклеток совместно эволюционируют за счет их совместного инвестирования в зиготы [4,7], но наше исследование утверждает, что гаметы внешних удобрений могут делать это посредством давления взаимного отбора, оказываемого сперматозоидами и яйцеклетками при оплодотворении.Прошлые работы по этой системе спаривания установили важность плотности сперматозоидов как фактора отбора по размеру яйцеклетки, при этом меньшие эякуляты предпочитают более крупные яйца, которые легче обнаруживаются спермой, а более крупные эякуляты предпочитают меньшие яйца с меньшим риском полиспермии [19–19]. 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки действует реципрокно как фактор отбора сперматозоидов, мы делаем вывод, что эволюционные судьбы полов связаны взаимодействиями между гаметами как на до-, так и на постзиготической стадиях жизненного цикла.Более того, эволюционная диверсификация размеров яиц охватывает поразительные несколько порядков величины среди современных многоклеточных животных и обычно объясняется неоднородностью окружающей среды при постзиготном отборе [67]. Возможность того, что эволюция сперматозоидов была задействована в этом процессе, подразумевает, что следующим ключевым шагом будет поиск признаков коэволюции гамет в более глубокой эволюционной истории этой группы.

размер яйца и размер эякулята опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы

Abstract

Диморфизм гамет (анизогамия) определяет пол в большинстве многоклеточных организмов.Теоретические объяснения его сохранения обычно подчеркивают давление отбора сперматозоидов и выживаемость зигот, связанное с размером, предполагая, что оплодотворение всех яйцеклеток препятствует отбору по фенотипам, которые увеличивают фертильность. Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов, и риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, как прогнозируется, ограничивает размер сперматозоидов, позволяя альтернативным давлениям отбора для целевых свободно плавающих сперматозоидов.Мы спросили, опосредуют ли размер яйцеклетки и размер эякулята выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , морского трубчатого червя с внешним оплодотворением, путем сравнения взаимосвязей между морфологией сперматозоидов и мужской фертильностью при манипуляциях с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов. Наши результаты показывают, что давление отбора, оказываемое этими факторами, может способствовать поддержанию анизогамии внешних удобрений, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренции.Таким образом, наше исследование предлагает более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания, и определяет новый потенциал для совместного развития полов посредством давления взаимного отбора, оказываемого гаметами при оплодотворении.

Ключевые слова: анизогамия, размер яйца, внешнее оплодотворение, анализ отбора, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1. Общие сведения

Анизогамия широко считается катализатором эволюции и совместной эволюции полов [1–3] .Ключевая теория его происхождения [4] предполагает разрушительный отбор по размеру гамет у изогамных морских предков с внешним оплодотворением. Предполагая ограниченные ресурсы для воспроизводства и что приспособленность зиготы увеличивается с объединенными размерами сливающихся гамет, эффективность оплодотворения увеличивается, когда один родитель производит много маленьких гамет, чтобы максимизировать производство зиготы, в то время как другой производит меньше крупных гамет, которые обеспечивают цитоплазматические резервы, необходимые для зиготы. жизнеспособность. После эволюции анизогамия, как говорят, поддерживается давлением посткопулятивного отбора (конкуренция сперматозоидов и загадочный женский выбор), которые усиливают специализацию мужских и женских гамет [5,6].В частности, Паркер [7] утверждал, что анизогамия нестабильна без конкуренции сперматозоидов, потому что яйцеклетки остаются большими из-за бремени снабжения зиготами, тогда как сперматозоиды остаются маленькими из-за соперничества за оплодотворение. В противном случае самцы не получат никаких преимуществ от создания более крупных эякулятов, если количество сперматозоидов достаточно для оплодотворения всех доступных яйцеклеток, и им будет лучше производить более крупные сперматозоиды, которые способствуют обеспечению зиготы.

Другая теория предполагала, что сперматозоиды малы, чтобы давать большое количество, необходимое для оплодотворения [8–10].Это было отклонено для внутренних удобрений, включая позвоночных и насекомых, на том основании, что эякуляты часто сильно разбавляются без потери фертильности, а оплодотворение является неполным только в условиях ограниченного количества сперматозоидов, с которыми женщины редко сталкиваются [7]. Тем не менее, для внешних удобрений ограничение количества сперматозоидов является обычным явлением из-за быстрого разбавления сперматозоидов после нереста [11,12], что дает широкие возможности отбору, чтобы отдать предпочтение как многочисленным крошечным сперматозоидам, так и большим яйцеклеткам за счет увеличения скорости встречи с гаметами [13,14].Соответственно, недавние модели, которые одновременно рассматривают эффекты конкуренции и ограничения сперматозоидов на эволюцию гамет, подтверждают, что последняя может, в принципе, стабилизировать анизогамию, действуя для увеличения количества сперматозоидов [15,16]. На практике, однако, избыток спермы вызывает снижение фертильности из-за полиспермии, состояния, которое почти всегда приводит к летальному исходу при использовании внешних удобрений [17]. Следовательно, более крупные эякуляты могут иметь меньшую адаптивную ценность, чем предполагалось [18], и даже дестабилизировать анизогамию, отдавая предпочтение яйцам меньшего размера с меньшим риском полиспермии [19–21].В целом, это говорит о том, что числовые эффекты на размер сперматозоидов, обусловленные конкуренцией, могут иметь ограниченные возможности для объяснения анизогамии внешних удобрений и что другие факторы отбора могут способствовать ее эволюционному сохранению.

Мало что известно о том, как выбор самки влияет на фенотип свободно плавающих сперматозоидов, несмотря на широко распространенные доказательства его способности влиять на результаты конкуренции и эволюции сперматозоидов у млекопитающих, птиц и насекомых [22–24]. Для таких внутренних удобрений выбор спермы самками происходит во время транспортировки и хранения сперматозоидов в женских репродуктивных путях, а также нацелены на свойства (например,грамм. размер, длина, качество), которые, таким образом, влияют на мужскую фертильность, не считая числовых эффектов размера эякулята [25,26]. Для внешних удобрений, сперматозоиды которых подвергаются отбору во внешней среде без сложности женского репродуктивного тракта, женский выбор сперматозоидов ограничивается взаимодействиями на уровне гамет [27], контролируемыми дополнительными репродуктивными жидкостями [28] или фенотипами самих яйцеклеток. Роль белков распознавания гамет, расположенных на яйцах, в определении мужской фертильности и репродуктивной изоляции хорошо известна [29,30].Размер яйцеклетки предлагает еще одну ключевую возможность для самок осуществлять отбор свободно плавающих сперматозоидов благодаря своей роли в кинетике оплодотворения, но ее способность делать это, ее взаимодействие с размером эякулята и более широкие последствия для эволюционного поддержания анизогамии в настоящее время неизвестны.

Здесь мы представляем новую проверку этой идеи, исследуя, опосредует ли размер яйцеклетки выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , раздельнополого морского трубочника, который сбрасывает мужские и женские гаметы в море для внешнего слияния.В частности, мы использовали классический подход множественной регрессии Lande & Arnold [31], реализованный в рамках смешанной модели, чтобы сравнить взаимосвязь между морфологическими признаками сперматозоидов и мужской фертильностью при экспериментальном изменении размера яйцеклетки. Мы сделали это в сочетании с ортогональной манипуляцией размером эякулята, чтобы дополнительно изучить, взаимодействует ли опосредованный яйцеклеткой отбор с ограничением сперматозоидов, учитывая совместную важность этих двух факторов в альтернативных объяснениях анизогамии [13,14,16] (см. Также [10] ] для обзора теории, не охваченной здесь).Задаваясь вопросом, действует ли давление отбора, окружающее оплодотворение в море, противодействует или усиливает диморфизм гамет во внешних удобрениях, наше исследование имеет важные последствия для половой коэволюции и эволюционного поддержания анизогамии в этой системе спаривания.

2. Материал и методы

(a) Изученный вид

Galeolaria caespitosa (именуемая в дальнейшем по роду) обитает в приливных зонах юго-западной Австралии в плотных скоплениях известковых трубок [32].Взрослые особи плодовиты круглый год и постоянно производят гаметы, которые сливаются в толще воды. Типичная для этой системы спаривания фертильность - это колоколообразная функция скорости встречи с гаметами, которая увеличивается с размером яйца и плотностью сперматозоидов. С одной стороны, из-за недостаточных контактов многие яйцеклетки остаются неоплодотворенными из-за ограничения количества сперматозоидов; с другой стороны, чрезмерные встречи делают многие оплодотворения нежизнеспособными из-за полиспермии [33]. Поскольку определенное количество полиспермических оплодотворений происходит естественным образом независимо от частоты встреч, фертильность в некоторой степени является неполной даже при максимуме [33–36].Фертильность также зависит от других факторов, таких как оплодотворяемость яйцеклеток, плавание спермой и совместимость мужчин и женщин [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может нацеливаться на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне недалеко от Royal Brighton Yacht Club, Виктория, Австралия (37,91 ° ю.ш., 144,99 ° в.д.), и поместили в рециркуляционные аквариумы Университета Монаша. Чтобы ежедневно получать свежие гаметы для экспериментов, взрослых особей извлекали из пробирок и помещали в небольшие объемы фильтрованной морской воды, чтобы вызвать нерест.

(b) Манипуляции со средой оплодотворения

Чтобы понять, опосредует ли размер яйцеклетки отбор на морфологию сперматозоидов и взаимодействуют ли его эффекты с ограничением сперматозоидов, мы проверили фертильность 97 очаговых самцов с известным фенотипом сперматозоидов при низкой и высокой плотности сперматозоидов против эталонные когорты мелких и крупных яиц (). Каждое испытание состояло из сперматозоидов одного мужчины, подвергнутых воздействию повторяющейся когорты яйцеклеток, которые были объединены между 25–30 женщинами, чтобы минимизировать влияние совместимости на мужскую фертильность.Были приняты меры к тому, чтобы все самки откладывали одинаковое количество яиц. Мы не проводили испытания с конкуренцией сперматозоидов, потому что нас интересовали альтернативные механизмы эволюции сперматозоидов, и у нас не было возможности определить отцовство зиготы с помощью молекулярных анализов. Свободно нерестовые яйца в природе часто сталкиваются с ограничением количества сперматозоидов [11,12], что делает наши испытания экологически релевантными для этой системы спаривания (см. Также [39,40]), но, тем не менее, ограничиваются выводом давления отбора в отсутствие конкуренции.Испытания проводились в 13 повторных блоках по 5–11 самцов в блоке. Внутри блоков каждый самец был повязан с одной и той же комбинацией самок, так что испытания были стандартизированы в отношении генетического фона яиц и различались только в отношении наших манипуляций со средой оплодотворения и идентичностью самцов.

Экспериментальные манипуляции со средой оплодотворения для исследования мужской фертильности. Свободно нерестившиеся яйца объединяли между несколькими самками, затем разделяли на мелкие и большие классы.Сперматозоиды, выращенные свободно, изолировали самцы и разводили до низкой и высокой плотности (с аликвотой, зарезервированной для фенотипирования). Это позволило создать четыре среды для оплодотворения, в которых проверялась фертильность каждого самца. Испытания проводились в 13 повторных блоках, причем сперматозоиды от каждого очагового самца ( n = 5–11 на блок) подвергались воздействию контрольной когорты яйцеклеток от того же пула самок ( n = 25–30 на блок) до изолировать влияние мужской идентичности и экспериментальных условий на мужскую фертильность.(Онлайн-версия в цвете.)

(i) Размер яйца

На основании предварительной работы, самки Galeolaria нерестят яйца диаметром до 70 мкм, а яйца диаметром менее 55 мкм не подлежат оплодотворению. Чтобы управлять размером яиц для наших испытаний, мы отфильтровали все яйца, порожденные уникальным набором самок, используемых в каждом блоке репликации, чтобы удалить нежизнеспособные яйца и разделить остальные на два класса размеров. Сначала мы собрали все яйца на блок самок в небольшом объеме морской воды и промыли суспензию через сито 60 мкм.Мы повторно отфильтровали часть яиц, пойманных этим размером ячеек, сохраняя пойманные им во второй раз (диаметр> 60 мкм) как наш класс крупного размера. Во-вторых, мы повторно отфильтровали часть яиц, прошедших через этот размер ячеек, используя сито 55 мкм, сохранив часть, захваченную ею (55 мкм <диаметр <60 мкм), как наш класс малого размера и отбросив те, которые прошли через нее, как неоплодотворяемые. Эта разница в диаметре приводит к примерно 30% разнице в среднем объеме между классами размеров.Обе части отложенных яиц ресуспендировали в фильтрованной морской воде с плотностью приблизительно 2 × 10 3 мл -1 до использования в испытаниях. Чтобы подтвердить эффективность наших манипуляций, мы сравнили размеры 15 яиц каждого класса крупности на блок, используя т -тестов. Ни в коем случае не было необходимости отказываться от блока испытаний, потому что средний размер крупных яиц был не больше, чем размер мелких яиц (все p <0,02).

(ii) Плотность сперматозоидов

Поскольку размер эякулята изменяет паттерны отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили здесь аналогичную манипуляцию, чтобы оценить общность этого эффекта и его взаимосвязь с размером яйца.Сначала мы провели предварительные испытания оплодотворения с 10-кратными разведениями сперматозоидов (10 7 –10 2 клеток на мл –1 ), чтобы найти две плотности, которые: класс малого размера, учитывая их меньший целевой размер для сперматозоидов, и (ii) максимальную фертильность без риска серьезной полиспермии для яйцеклеток в классе большого размера, учитывая их больший целевой размер [19,20]. На основании этих испытаний мы использовали 10 4 клеток на мл -1 в качестве нашей низкой плотности и 10 5 клеток на мл -1 в качестве нашей высокой.Эти плотности попадают в континуум, доступный для яиц Galeolaria в поле, а плодовитость при нашей низкой плотности сопоставима с полевыми оценками [41]. Мы собрали эякулят каждого самца (зарезервировав 10 мкл для фенотипирования сперматозоидов; см. Ниже) и записали его начальную плотность сперматозоидов (10 6 –10 8 клеток мл –1 ) из трех повторных подсчетов гемоцитометром. Чтобы испытать мужскую фертильность в эквивалентных условиях, мы стандартизировали исходную плотность сперматозоидов среди мужчин перед разбавлением образцов от каждого мужчины до требуемых экспериментальных условий.

(c) Измерение морфологии сперматозоидов

Морфологию сперматозоидов регистрировали из зарезервированного образца эякулята каждого мужчины. Мы сделали изображения не менее 15 клеток на одного самца, используя цифровую камеру, установленную на составном микроскопе с увеличением 1000 ×, гарантируя, что вся клетка лежит в плоскости фокуса, и отслеживая хвост во время съемки в реальном времени, чтобы учесть любое изгибание, которое может трудно интерпретировать по сохраненным изображениям. В ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij) мы измерили длину хвоста сперматозоида, а также длину и ширину тела сперматозоида.Последний состоит из овального ядра, средней части из четырех сферических митохондрий и шапкообразной акросомы, которая расширяется в длинный ветвящийся отросток при контакте с яйцеклеткой (см. Также [42] для подробного объяснения спермы Galeolaria ). Мы измеряли только нормальные клетки с неповрежденными хвостами и без акросомной реакции, сигнализирующей о загрязнении образца яйцами.

(d) Испытания по оплодотворению

Испытания по оплодотворению, каждое из которых состоит из 0,1 мл яичного раствора, осторожно смешанного с 0.9 мл раствора спермы разливали в маленькие пузырьки при постоянной температуре 21 ° C. Для каждого из 97 мужчин было проведено четыре испытания, в которых сперма низкой и высокой плотности подвергалась воздействию как больших, так и маленьких яиц (). Каждый блок испытаний также включал пробирку с яйцеклетками без спермы каждого класса размера для контроля ошибочных оплодотворений, которые могли произойти при извлечении взрослых особей из пробирок. Мы проводили испытания в течение 2 часов, осторожно встряхивая их каждые 15 минут, чтобы повторно приостановить действие гамет и минимизировать ограничение кислорода во флаконах.По истечении этого времени мы сделали снимки всех испытаний, используя цифровую камеру, установленную на сложном микроскопе при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, проходящих нормальное развитие. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами в дальнейшем перепроверили по изображениям, чтобы исключить ошибки в оценке эмбрионального развития.

(e) Анализ данных

(i) Различия в морфологии сперматозоидов

Для оценки относительных величин вариаций характеристик сперматозоидов среди мужчин и внутри мужчин (т.е. среди гамет из одного и того же эякулята) мы подобрали многомерную линейную смешанную модель, используя ограниченное максимальное правдоподобие, с длиной хвоста, длиной тела и шириной тела в качестве переменных ответа, а также с самцом и гаметой (вложенными в самца) в качестве случайных эффектов. Эта модель оценила дисперсию каждого признака среди самцов, а также ковариацию (или корреляцию) между каждой парой признаков, выделенную из остаточных вариаций внутри самцов (дополнительный электронный материал, таблица S1). Мы проверили значимость всех оценок с помощью стандартных тестов отношения правдоподобия (LRT) с поправкой на множественность [43].Поскольку фертильность оценивалась на уровне самцов, а не гамет, мы использовали средства определения мужских черт в нашем анализе отбора. Концептуально это предполагает, что фенотип сперматозоидов в большей степени определяется диплоидными геномами мужчин, чем гаплоидными геномами сперматозоидов, как, по-видимому, имеет место для большинства видов [44]. Статистически это предполагает, что значения признаков являются фиксированными переменными, измеряемыми без ошибок, что, как ожидается, приведет к смещению наших оценок отбора к нулю, но не смещает тесты гипотез для этих коэффициентов, на которых мы сосредоточены здесь [45].

(ii) Отбор по морфологии сперматозоидов

Чтобы оценить отбор по признакам сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) в связи с их влиянием на мужскую фертильность, мы применили подход множественной регрессии Ланде и Арнольда [31] в смешанном -моделируйте фреймворк с использованием максимального правдоподобия. В этой структуре мы также реализовали подход выбора модели [46], чтобы сравнить выбор различных манипуляций с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов, тем самым проверяя, действуют ли эти факторы как агенты отбора на морфологию сперматозоидов [47].

Перед анализом признаки сперматозоидов были преобразованы в единицы стандартного отклонения [31], а фертильность была преобразована в относительную шкалу путем деления каждого абсолютного значения на среднее значение по всем средам оплодотворения (см. Также [40,48]). Сохраняя экологические различия в средней фертильности, эта трансформация предполагает жесткий отбор свободно плавающих сперматозоидов: другими словами, разные среды вносят разное количество зигот в следующее поколение, отдавая предпочтение генотипам с самой высокой фертильностью в разных средах [49,50].Для внешних удобрений, таких как Galeolaria , дифференциальная фертильность из-за мелкомасштабных различий в среде удобрения [41,51] и последующее смешивание дисперсных зигот в водной толще делают это вероятным сценарием (см. Также [16] для аналогичной обработки пригодности в моделировании эволюции анизогамии). Ключевое отличие от мягкого отбора (который предполагает, что каждая среда вносит равный вклад в следующее поколение) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как мягкий отбор, как ожидается, будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в окружающей среде, их направления изменения в окружающей среде и их проверки гипотез были идентичны анализу нетрансформированных данных.

Во-первых, мы проанализировали относительную фертильность в линейной смешанной модели с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов в качестве факториальных фиксированных эффектов, а также с блочной и мужской идентичностью в качестве случайных эффектов. При моделировании мужской идентичности мы учли отсутствие независимости испытаний от одного и того же мужчины путем подбора неструктурированной ковариационной матрицы, с диагональными элементами, оценивающими мужскую дисперсию в относительной фертильности в зависимости от среды оплодотворения, и недиагональными элементами, оценивающими ковариацию фертильности в разных средах. из-за общей мужской идентичности.Эта модель (модель 1) была отправной точкой для последующих анализов.

Затем, чтобы спросить, различается ли отбор по признакам сперматозоидов в зависимости от размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, мы использовали вложенные LRT для сравнения соответствия моделей, в которых коэффициенты частичной регрессии (градиенты отбора) могли варьироваться в зависимости от условий оплодотворения с помощью совпадений. сокращенных моделей, в которых градиенты сохранялись постоянными с точки зрения окружающей среды [46]. Поскольку многофакторный характер нашего эксперимента означал, что градиенты отбора потенциально могут различаться в ответ на интерактивные эффекты размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, такие сложные трехсторонние взаимодействия необходимо было оценить, прежде чем исследовать более простые, аддитивные эффекты каждого фактора в отдельности.Поэтому мы добавили к нашей базовой модели 1 все линейные (направленные) градиенты выбора, а также все их двух- и трехсторонние взаимодействия с обоими факторами. Эта модель (модель 2) соответствовала нашим данным не лучше, чем сокращенная модель (модель 3), из которой были исключены трехсторонние взаимодействия ( χ 2 = 0,95, df = 3, p = 0,81), что указывает на то, что размер яйца и плотность сперматозоидов в лучшем случае независимо влияли на направленный отбор. Затем мы сравнили модель 3 с другими моделями с дополнительным сокращением, в которых градиенты были объединены либо по размеру яйцеклетки, либо по плотности сперматозоидов, чтобы проверить, был ли направленный отбор изменен каждым фактором отдельно.После того, как градиенты направленного отбора были оценены в соответствующих масштабах (т.е. внутри или между средами удобрения), определенных в процессе выбора модели, мы использовали LRT для оценки значимости каждого градиента и того, различается ли он в разных средах.

Наконец, основываясь на модели 3, мы повторили процесс для нелинейных (квадратичных и корреляционных) градиентов выбора. Опять же, в отсутствие каких-либо доказательств того, что размер яйцеклетки и плотность сперматозоидов взаимодействуют с нелинейным отбором ( χ 2 = 9.17, д.ф. = 6, p = 0,16), мы подобрали сокращенные модели, чтобы выяснить, изменился ли нелинейный отбор только одним из факторов.

3. Результаты

(a) Различия в морфологии сперматозоидов

Длина хвоста сперматозоида, длина тела и ширина тела значительно различались у мужчин (дополнительный электронный материал, рисунок S1), при этом идентичность мужчин объясняется 38%, 37% и 27%. %, соответственно, от общей вариации признака среди гамет (электронный дополнительный материал, таблица S1).Признаки сперматозоидов также варьировались среди мужчин: между длиной хвоста и длиной тела достоверно положительная корреляция ( r = 0,44), а между длиной хвоста и шириной тела - отрицательная ( r = -0,29). Следовательно, самцы с длиннохвостой спермой, как правило, имеют сперматозоиды с более длинным телом или сперматозоиды с более узким телом, но размеры тела сперматозоидов сами по себе не коррелируют (электронный дополнительный материал, таблица S1).

(b) Различия в фертильности в зависимости от среды оплодотворения

Для иллюстрации ожидаемой кинетики внешнего оплодотворения средняя фертильность самцов увеличивалась в зависимости от размера яйца ( х 2 = 90.11, д.ф. = 1, p <0,01) и плотности сперматозоидов ( × 2 = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их эффекты не были интерактивными ( × 2 = 2,35, df = 1, p = 0,13). Яйца обоих классов размера были значительно ограничены сперматозоидами при низкой плотности сперматозоидов, как и маленькие яйца при высокой плотности сперматозоидов (хотя и в меньшей степени; дополнительный электронный материал, рисунок S2). Крупные яйца при высокой плотности сперматозоидов приближались к максимальной фертильности, указанной в предварительных испытаниях (см. Раздел «Материалы и методы»).

По оценкам модели 1, относительная фертильность значительно варьировала среди мужчин во всех средах оплодотворения, предлагая постоянную возможность для отбора по целевому фенотипу сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от интерактивных эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: χ 2 = 19,76, d.f. = 4, p <0.01). Взаимодействие произошло из-за того, что дисперсия увеличивалась от более мелких яиц к более крупным при низкой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 18,73, df = 1, p <0,01), но не изменялась размером яйца при высокой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 1,13, df = 1, p = 0,29; дополнительный электронный материал, рисунок S2).

(c) Отбор по морфологии сперматозоидов в разных средах оплодотворения

Градиенты направленного отбора ( β ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига средних значений признаков сперматозоидов, различались в зависимости от размера яйцеклетки ( х ). 2 = 16.46, д.ф. = 3, p <0,01), но не плотность сперматозоидов ( × 2 = 5,78, d.f. = 3, p = 0,12). Сравнение индивидуальных градиентов по классам размера яиц показало, что яйца большего размера оказывают более сильный отбор на морфологию сперматозоидов, чем яйца меньшего размера (). В частности, более длинные хвосты сперматозоидов увеличивают мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но преимущества становятся более значительными для сперматозоидов, нацеленных на более крупные яйцеклетки ( ß длина хвоста × размер яйца χ 2 = 4.26, д.ф. = 1, p = 0,03). Точно так же длина и ширина тела сперматозоида не влияли на способность самца оплодотворять меньшие яйцеклетки, но более крупные яйцеклетки благоприятствовали самцам с более коротким телом ( ß длина тела × размер яйца : χ 2 = 10,24, df = 1, p <0,01) и сперматозоидов с более узким телом ( ß ширина тела × размер яйца : x 2 = 7,17, df = 1, p <0,01).

Размер яйца опосредует направленный отбор по морфологии сперматозоидов.Каждый градиент ( β i ) измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения среднего значения признака (* p <0,05; ** p <0,01). По каждому признаку сила отбора существенно различается в зависимости от класса размера яиц. (Онлайн-версия в цвете.)

Нелинейные градиенты отбора ( γ ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига дисперсий и ковариаций признаков сперматозоидов, не зависели от размера яйцеклетки ( × 2 = 8 .89, д.ф. = 6, p = 0,18), но различались в зависимости от плотности сперматозоидов ( χ 2 = 22,94, d.f. = 6, p <0,01; дополнительный электронный материал, таблица S2). Сравнение индивидуальных градиентов по плотности приписало этот результат деструктивному отбору по длине тела при высокой плотности, тогда как этот признак был выборочно нейтральным при низкой плотности ( γ длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 14,06, df = 1, п. <0.01) и положительной корреляционной селекции по длине хвоста и тела при низкой плотности, тогда как эта комбинация признаков была нейтральной при высокой плотности ( γ длина хвоста × длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 6,82, df = 1, p <0,01). Плотность сперматозоидов также изменила квадратичный отбор по ширине тела ( γ ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 4,14, df = 6, p = 0,04) и корреляционный отбор по длине и ширине тела ( γ длина тела × ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 5.03, д.ф. = 1, p = 0,02), но индивидуальный градиент не был значимым. Точно так же длина хвоста находилась под стабилизирующим отбором при низкой плотности сперматозоидов и нейтральным при высокой плотности, но эта разница между средами не была значительной.

Чтобы разрешить эти последние неоднозначные результаты и сравнить общую геометрию нелинейного отбора по плотности сперматозоидов, мы выполнили собственный анализ каждой матрицы γ [53]. Эта процедура post hoc дополняет обычную оценку градиентов нелинейного отбора путем визуализации нелинейного отбора вдоль составных осей (собственные векторы γ , определенные линейными комбинациями признаков сперматозоидов), где кривизна (заданная собственными значениями γ ) самый сильный.Таким образом, он не раскрывает больше выбора, чем в γ , а просто перераспределяет выбор между различными коэффициентами [54]. Мы рассчитали стандартные ошибки и p -значений для собственных значений в соответствии с Рейнольдсом и др. . [55] и построили важные оси с помощью тонких шлицев [54].

При каждой плотности сперматозоидов мы обнаружили две важные оси нелинейного отбора (электронный дополнительный материал, таблица S3), что позволило визуализировать отбор как единую поверхность пригодности, а фенотипы сперматозоидов, которые максимизируют фертильность, можно найти путем совместной интерпретации нагрузок признаков на эти топоры.При низкой плотности поверхность представляла собой простой пик ( a ). Здесь контрастные нагрузки длины хвоста и размеров тела на м 3 означают, что у высокоплодородных самцов была сперма со средними значениями всех признаков или что в ней сочетались более длинные хвосты с меньшими телами (причем последнее оставалось небольшим из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м 2 ). Напротив, поверхность при высокой плотности была седловидной ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м 1 , а длина хвоста преобладала м 3 , что означает, что у высокоплодородных самцов была сперма с необычно большими телами (или необычно маленькими, хотя и с меньшим приростом фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м i ) определяется линейной комбинацией признаков сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) и измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения вариации комбинаций признаков. Оси получены из собственных анализов нелинейных градиентов выбора ( γ ; подробности см. В тексте). (Онлайн-версия в цвете.)

4. Обсуждение и заключение

Теоретические объяснения сохранения анизогамии традиционно подчеркивали давление отбора, связанное с размером конкуренции сперматозоидов и постзиготной выживаемостью [4,7], предполагая, что оплодотворение из всех доступных яйца препятствуют отбору по фенотипам, повышающим фертильность [10].Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов [11,12], а риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, по прогнозам, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора, чтобы сформировать эволюцию свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйцеклетки и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающих сперматозоидов Galeolaria и способами, которые потенциально могут усилить диморфизм размеров мужских и женских гамет.Таким образом, наше исследование предлагает новое понимание эволюции сперматозоидов и эволюционного поддержания анизогамии при использовании внешних удобрений.

(a) Размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов

Наши тесты показали, что размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов, активно способствуя направленному эволюционному изменению свойств сперматозоидов через их влияние на мужскую фертильность. В частности, яйца большего размера усиливали положительный отбор по длине хвоста: то есть сперматозоиды с более длинными хвостами повышали мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но избирательное преимущество более длинных хвостов становилось более значительным, когда сперматозоиды предназначались для более крупных яйцеклеток.Яйца большего размера также благоприятствовали сперматозоидам с более коротким и узким телом, тогда как яйца меньшего размера полностью ослабляли выбор по размерам тела сперматозоидов. Основываясь на физических и биомеханических принципах [56,57], эти результаты предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с меньшим сопротивлением меньшего тела и большей толчком более длинного хвоста. Данные других внешних удобрений о том, что низкое соотношение тела к хвосту увеличивает скорость плавания сперматозоидов [58], и что более быстрые сперматозоиды имеют более высокий успех оплодотворения [59], подтверждают нашу интерпретацию.Этот курс предполагает, что адаптивная эволюция фенотипа сперматозоидов не ограничивается генетической архитектурой, которая остается неизвестной для Galeolaria , но, тем не менее, согласуется с текущими данными из различных таксонов [60].

Возможность того, что размер яйцеклетки влияет на выбор морфологии свободно плавающих сперматозоидов, поднимает вопрос о том, является ли это аналогом загадочного выбора самки. Необходимым компонентом такого выбора является то, что женщины различают и предпочтительно используют сперму разных мужчин [61].Здесь, в Galeolaria , яйца разных размеров изменяли вероятность оплодотворения данным самцом в соответствии с морфологией его спермы. Поскольку яйцеклетки были объединены у женщин, чтобы изолировать последствия пригодности сперматозоидов от генетической совместимости при оплодотворении, мы утверждаем, что этот феномен действительно может отражать преимущественное использование яйцеклетками различных фенотипов сперматозоидов. Однако, поскольку наши испытания оплодотворения не проводились в конкурентных условиях, способность яйцеклеток различать сперматозоиды от разных самцов, когда им предоставляется такая возможность, остается открытым вопросом.

Выбор сперматозоидов женщинами все чаще признается важным фактором эволюции сперматозоидов и совместной половой эволюции во внутренних удобрениях, что проявляется в положительной связи между длиной сперматозоидов и размерами женских репродуктивных путей [22–24]. Доказательства выбора женской спермы во внешних удобрениях накапливались медленнее, несмотря на то, что в этой системе у женщин была одна из немногих возможностей для выбора партнера [12,61]. Заметным исключением являются работы по белкам распознавания гамет, демонстрирующие, как они способствуют выбору партнера и репродуктивной изоляции, опосредуя мужскую фертильность внутри и между видами [30,62,63].Другие исследования также предположили, что яичниковая жидкость, окружающая яйца во время нереста, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследуемых нами видов [37]. Здесь, насколько нам известно, мы представляем первое свидетельство того, что яйцеклетки сами могут быть нацелены на морфологические, возможно, гидродинамические аспекты функционирования сперматозоидов, добавляя новое измерение к аргументу о том, что яйцеклетки - это больше, чем просто пассивные приемники сперматозоидов, а внешнее оплодотворение - больше, чем раса. среди мужчин [63].

(b) Размер эякулята является фактором нелинейного отбора на морфологию сперматозоидов

Учитывая роль частоты встреч с гаметами в кинетике оплодотворения [19–21], мы ожидали, что отбор сперматозоидов Galeolaria будет зависеть от интерактивных эффектов яйцеклетки. и размер эякулята, при этом эффекты размера яйцеклетки сильнее при ограничении спермы и ослабляются, когда яйцеклетки становятся насыщенными спермой. Вместо этого размер эякулята изменил нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов, действуя, чтобы изменить дисперсию комбинаций признаков, но не изменил направленных изменений, которым способствует эти признаки яйцеклеткой.Чтобы понять, как эти различные аспекты среды оплодотворения нацелены на разные моменты распределения фенотипов сперматозоидов, стоит понять, что нелинейный отбор формирует вариацию признаков независимо от направленного отбора по средним признакам [31,53]. Следовательно, условия ограниченности сперматозоидов приводят к сокращению дисперсии вокруг фенотипа с более длинным хвостом и меньшим телом, которому отдают предпочтение более крупные яйцеклетки, действуя таким образом, чтобы стабилизировать этот фенотип. Хотя эта потеря дисперсии может потенциально ограничить опосредованный яйцеклеткой отбор за счет сокращения диапазона доступных фенотипов сперматозоидов, условия насыщения сперматозоидами должны иметь противоположный эффект, предоставляя яйцеклеткам новые возможности отбора, действуя для увеличения дисперсии вокруг нового фенотипа.Такие колеблющиеся эффекты плотности сперматозоидов облегчаются по своей природе, более того, из-за различий в размере популяции, нерестовом поведении и эффектах разведения [11,12].

Оценки отбора по фенотипу сперматозоидов остаются редкими для внешних удобрений, но прошлые исследования выявили в целом аналогичные закономерности с нашими. Например, Фитцпатрик и др. . [39] обнаружили нелинейный, но не направленный отбор в пользу более мелких тел сперматозоидов в условиях ограниченного количества сперматозоидов у мидий Mytilus galloprovincialis .Наше исследование Galeolaria gemineoa [40] показало, что сперматозоиды с более длинными хвостами и меньшим телом обладают избирательным преимуществом при более высокой плотности сперматозоидов, но обусловлены скорее направленным, чем нелинейным отбором, и более широким диапазоном плотностей, чем мы исследовали здесь. Таким образом, имеющиеся ограниченные данные подтверждают два наблюдения. Во-первых, отбор по морфологии сперматозоидов зависит от контекста, предлагая возможное объяснение разнообразия характеристик эякулята во внешних удобрениях [27].Во-вторых, независимо от его точной формы и источника, отбор последовательно ориентируется на размер тела относительно длины хвоста, подтверждая рекомендацию a priori об этом соотношении в качестве ключевого предиктора производительности сперматозоидов через его связь со скоростью плавания [56].

(c) Влияние на эволюционное поддержание анизогамии

В целом, наша работа предполагает, что давление отбора, оказываемое размером яйцеклетки и ограничением сперматозоидов, может способствовать поддержанию анизогамии во внешних удобрениях, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренция.Это отходит от обычного предположения, что ослабление давления конкуренции сперматозоидов должно способствовать более крупным сперматозоидам, которые увеличивают жизнеспособность зигот [1,4,7]. Мы никоим образом не утверждаем, что эти давления являются взаимоисключающими, только то, что продемонстрированные здесь потенциально предлагают более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания. Наш аргумент о том, что более крупные яйцеклетки благоприятствуют более мелким сперматозоидам (несмотря на широкие вариации признаков, лишь слабо ограниченные отрицательными корреляциями, чтобы позволить им эволюционировать пропорционально крупнее; дополнительный электронный материал, таблица S1), предполагает, что тело дороже, чем хвост.Однако энергетика спермы предлагает некоторую поддержку этой интерпретации. Для свободно плавающих сперматозоидов размер тела - это сумма ядра и митохондриальной средней части, которая хранит ресурсы, управляющие энергетическим метаболизмом и подвижностью [65], и производит энергию пропорционально своему размеру [66]. Таким образом, если ресурсы, полученные от меньшего тела, перевешивают те, которые были заплачены за более длинный хвост (что вероятно, если плавание обеспечивается средним элементом), то более крупные яйцеклетки действительно могут формировать морфологию сперматозоидов, которая фактически меньше с точки зрения чистых затрат.Этот аргумент, хотя и предположительно спекулятивный, предполагает, что акцент на размере сперматозоидов в моделях анизогамии и конкуренции сперматозоидов потенциально предлагает чрезмерно упрощенный взгляд на эволюцию сперматозоидов (см. Также [56]), но такой, который можно согласовать с такими результатами, как наши, лучшее понимание энергетических затрат на сперматозоиды разных конструкций.

Наконец, предполагается, что размеры сперматозоидов и яйцеклеток совместно эволюционируют за счет их совместного инвестирования в зиготы [4,7], но наше исследование утверждает, что гаметы внешних удобрений могут делать это посредством давления взаимного отбора, оказываемого сперматозоидами и яйцеклетками при оплодотворении.Прошлые работы по этой системе спаривания установили важность плотности сперматозоидов как фактора отбора по размеру яйцеклетки, при этом меньшие эякуляты предпочитают более крупные яйца, которые легче обнаруживаются спермой, а более крупные эякуляты предпочитают меньшие яйца с меньшим риском полиспермии [19–19]. 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки действует реципрокно как фактор отбора сперматозоидов, мы делаем вывод, что эволюционные судьбы полов связаны взаимодействиями между гаметами как на до-, так и на постзиготической стадиях жизненного цикла.Более того, эволюционная диверсификация размеров яиц охватывает поразительные несколько порядков величины среди современных многоклеточных животных и обычно объясняется неоднородностью окружающей среды при постзиготном отборе [67]. Возможность того, что эволюция сперматозоидов была задействована в этом процессе, подразумевает, что следующим ключевым шагом будет поиск признаков коэволюции гамет в более глубокой эволюционной истории этой группы.

размер яйца и размер эякулята опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы

Abstract

Диморфизм гамет (анизогамия) определяет пол в большинстве многоклеточных организмов.Теоретические объяснения его сохранения обычно подчеркивают давление отбора сперматозоидов и выживаемость зигот, связанное с размером, предполагая, что оплодотворение всех яйцеклеток препятствует отбору по фенотипам, которые увеличивают фертильность. Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов, и риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, как прогнозируется, ограничивает размер сперматозоидов, позволяя альтернативным давлениям отбора для целевых свободно плавающих сперматозоидов.Мы спросили, опосредуют ли размер яйцеклетки и размер эякулята выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , морского трубчатого червя с внешним оплодотворением, путем сравнения взаимосвязей между морфологией сперматозоидов и мужской фертильностью при манипуляциях с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов. Наши результаты показывают, что давление отбора, оказываемое этими факторами, может способствовать поддержанию анизогамии внешних удобрений, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренции.Таким образом, наше исследование предлагает более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания, и определяет новый потенциал для совместного развития полов посредством давления взаимного отбора, оказываемого гаметами при оплодотворении.

Ключевые слова: анизогамия, размер яйца, внешнее оплодотворение, анализ отбора, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1. Общие сведения

Анизогамия широко считается катализатором эволюции и совместной эволюции полов [1–3] .Ключевая теория его происхождения [4] предполагает разрушительный отбор по размеру гамет у изогамных морских предков с внешним оплодотворением. Предполагая ограниченные ресурсы для воспроизводства и что приспособленность зиготы увеличивается с объединенными размерами сливающихся гамет, эффективность оплодотворения увеличивается, когда один родитель производит много маленьких гамет, чтобы максимизировать производство зиготы, в то время как другой производит меньше крупных гамет, которые обеспечивают цитоплазматические резервы, необходимые для зиготы. жизнеспособность. После эволюции анизогамия, как говорят, поддерживается давлением посткопулятивного отбора (конкуренция сперматозоидов и загадочный женский выбор), которые усиливают специализацию мужских и женских гамет [5,6].В частности, Паркер [7] утверждал, что анизогамия нестабильна без конкуренции сперматозоидов, потому что яйцеклетки остаются большими из-за бремени снабжения зиготами, тогда как сперматозоиды остаются маленькими из-за соперничества за оплодотворение. В противном случае самцы не получат никаких преимуществ от создания более крупных эякулятов, если количество сперматозоидов достаточно для оплодотворения всех доступных яйцеклеток, и им будет лучше производить более крупные сперматозоиды, которые способствуют обеспечению зиготы.

Другая теория предполагала, что сперматозоиды малы, чтобы давать большое количество, необходимое для оплодотворения [8–10].Это было отклонено для внутренних удобрений, включая позвоночных и насекомых, на том основании, что эякуляты часто сильно разбавляются без потери фертильности, а оплодотворение является неполным только в условиях ограниченного количества сперматозоидов, с которыми женщины редко сталкиваются [7]. Тем не менее, для внешних удобрений ограничение количества сперматозоидов является обычным явлением из-за быстрого разбавления сперматозоидов после нереста [11,12], что дает широкие возможности отбору, чтобы отдать предпочтение как многочисленным крошечным сперматозоидам, так и большим яйцеклеткам за счет увеличения скорости встречи с гаметами [13,14].Соответственно, недавние модели, которые одновременно рассматривают эффекты конкуренции и ограничения сперматозоидов на эволюцию гамет, подтверждают, что последняя может, в принципе, стабилизировать анизогамию, действуя для увеличения количества сперматозоидов [15,16]. На практике, однако, избыток спермы вызывает снижение фертильности из-за полиспермии, состояния, которое почти всегда приводит к летальному исходу при использовании внешних удобрений [17]. Следовательно, более крупные эякуляты могут иметь меньшую адаптивную ценность, чем предполагалось [18], и даже дестабилизировать анизогамию, отдавая предпочтение яйцам меньшего размера с меньшим риском полиспермии [19–21].В целом, это говорит о том, что числовые эффекты на размер сперматозоидов, обусловленные конкуренцией, могут иметь ограниченные возможности для объяснения анизогамии внешних удобрений и что другие факторы отбора могут способствовать ее эволюционному сохранению.

Мало что известно о том, как выбор самки влияет на фенотип свободно плавающих сперматозоидов, несмотря на широко распространенные доказательства его способности влиять на результаты конкуренции и эволюции сперматозоидов у млекопитающих, птиц и насекомых [22–24]. Для таких внутренних удобрений выбор спермы самками происходит во время транспортировки и хранения сперматозоидов в женских репродуктивных путях, а также нацелены на свойства (например,грамм. размер, длина, качество), которые, таким образом, влияют на мужскую фертильность, не считая числовых эффектов размера эякулята [25,26]. Для внешних удобрений, сперматозоиды которых подвергаются отбору во внешней среде без сложности женского репродуктивного тракта, женский выбор сперматозоидов ограничивается взаимодействиями на уровне гамет [27], контролируемыми дополнительными репродуктивными жидкостями [28] или фенотипами самих яйцеклеток. Роль белков распознавания гамет, расположенных на яйцах, в определении мужской фертильности и репродуктивной изоляции хорошо известна [29,30].Размер яйцеклетки предлагает еще одну ключевую возможность для самок осуществлять отбор свободно плавающих сперматозоидов благодаря своей роли в кинетике оплодотворения, но ее способность делать это, ее взаимодействие с размером эякулята и более широкие последствия для эволюционного поддержания анизогамии в настоящее время неизвестны.

Здесь мы представляем новую проверку этой идеи, исследуя, опосредует ли размер яйцеклетки выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , раздельнополого морского трубочника, который сбрасывает мужские и женские гаметы в море для внешнего слияния.В частности, мы использовали классический подход множественной регрессии Lande & Arnold [31], реализованный в рамках смешанной модели, чтобы сравнить взаимосвязь между морфологическими признаками сперматозоидов и мужской фертильностью при экспериментальном изменении размера яйцеклетки. Мы сделали это в сочетании с ортогональной манипуляцией размером эякулята, чтобы дополнительно изучить, взаимодействует ли опосредованный яйцеклеткой отбор с ограничением сперматозоидов, учитывая совместную важность этих двух факторов в альтернативных объяснениях анизогамии [13,14,16] (см. Также [10] ] для обзора теории, не охваченной здесь).Задаваясь вопросом, действует ли давление отбора, окружающее оплодотворение в море, противодействует или усиливает диморфизм гамет во внешних удобрениях, наше исследование имеет важные последствия для половой коэволюции и эволюционного поддержания анизогамии в этой системе спаривания.

2. Материал и методы

(a) Изученный вид

Galeolaria caespitosa (именуемая в дальнейшем по роду) обитает в приливных зонах юго-западной Австралии в плотных скоплениях известковых трубок [32].Взрослые особи плодовиты круглый год и постоянно производят гаметы, которые сливаются в толще воды. Типичная для этой системы спаривания фертильность - это колоколообразная функция скорости встречи с гаметами, которая увеличивается с размером яйца и плотностью сперматозоидов. С одной стороны, из-за недостаточных контактов многие яйцеклетки остаются неоплодотворенными из-за ограничения количества сперматозоидов; с другой стороны, чрезмерные встречи делают многие оплодотворения нежизнеспособными из-за полиспермии [33]. Поскольку определенное количество полиспермических оплодотворений происходит естественным образом независимо от частоты встреч, фертильность в некоторой степени является неполной даже при максимуме [33–36].Фертильность также зависит от других факторов, таких как оплодотворяемость яйцеклеток, плавание спермой и совместимость мужчин и женщин [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может нацеливаться на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне недалеко от Royal Brighton Yacht Club, Виктория, Австралия (37,91 ° ю.ш., 144,99 ° в.д.), и поместили в рециркуляционные аквариумы Университета Монаша. Чтобы ежедневно получать свежие гаметы для экспериментов, взрослых особей извлекали из пробирок и помещали в небольшие объемы фильтрованной морской воды, чтобы вызвать нерест.

(b) Манипуляции со средой оплодотворения

Чтобы понять, опосредует ли размер яйцеклетки отбор на морфологию сперматозоидов и взаимодействуют ли его эффекты с ограничением сперматозоидов, мы проверили фертильность 97 очаговых самцов с известным фенотипом сперматозоидов при низкой и высокой плотности сперматозоидов против эталонные когорты мелких и крупных яиц (). Каждое испытание состояло из сперматозоидов одного мужчины, подвергнутых воздействию повторяющейся когорты яйцеклеток, которые были объединены между 25–30 женщинами, чтобы минимизировать влияние совместимости на мужскую фертильность.Были приняты меры к тому, чтобы все самки откладывали одинаковое количество яиц. Мы не проводили испытания с конкуренцией сперматозоидов, потому что нас интересовали альтернативные механизмы эволюции сперматозоидов, и у нас не было возможности определить отцовство зиготы с помощью молекулярных анализов. Свободно нерестовые яйца в природе часто сталкиваются с ограничением количества сперматозоидов [11,12], что делает наши испытания экологически релевантными для этой системы спаривания (см. Также [39,40]), но, тем не менее, ограничиваются выводом давления отбора в отсутствие конкуренции.Испытания проводились в 13 повторных блоках по 5–11 самцов в блоке. Внутри блоков каждый самец был повязан с одной и той же комбинацией самок, так что испытания были стандартизированы в отношении генетического фона яиц и различались только в отношении наших манипуляций со средой оплодотворения и идентичностью самцов.

Экспериментальные манипуляции со средой оплодотворения для исследования мужской фертильности. Свободно нерестившиеся яйца объединяли между несколькими самками, затем разделяли на мелкие и большие классы.Сперматозоиды, выращенные свободно, изолировали самцы и разводили до низкой и высокой плотности (с аликвотой, зарезервированной для фенотипирования). Это позволило создать четыре среды для оплодотворения, в которых проверялась фертильность каждого самца. Испытания проводились в 13 повторных блоках, причем сперматозоиды от каждого очагового самца ( n = 5–11 на блок) подвергались воздействию контрольной когорты яйцеклеток от того же пула самок ( n = 25–30 на блок) до изолировать влияние мужской идентичности и экспериментальных условий на мужскую фертильность.(Онлайн-версия в цвете.)

(i) Размер яйца

На основании предварительной работы, самки Galeolaria нерестят яйца диаметром до 70 мкм, а яйца диаметром менее 55 мкм не подлежат оплодотворению. Чтобы управлять размером яиц для наших испытаний, мы отфильтровали все яйца, порожденные уникальным набором самок, используемых в каждом блоке репликации, чтобы удалить нежизнеспособные яйца и разделить остальные на два класса размеров. Сначала мы собрали все яйца на блок самок в небольшом объеме морской воды и промыли суспензию через сито 60 мкм.Мы повторно отфильтровали часть яиц, пойманных этим размером ячеек, сохраняя пойманные им во второй раз (диаметр> 60 мкм) как наш класс крупного размера. Во-вторых, мы повторно отфильтровали часть яиц, прошедших через этот размер ячеек, используя сито 55 мкм, сохранив часть, захваченную ею (55 мкм <диаметр <60 мкм), как наш класс малого размера и отбросив те, которые прошли через нее, как неоплодотворяемые. Эта разница в диаметре приводит к примерно 30% разнице в среднем объеме между классами размеров.Обе части отложенных яиц ресуспендировали в фильтрованной морской воде с плотностью приблизительно 2 × 10 3 мл -1 до использования в испытаниях. Чтобы подтвердить эффективность наших манипуляций, мы сравнили размеры 15 яиц каждого класса крупности на блок, используя т -тестов. Ни в коем случае не было необходимости отказываться от блока испытаний, потому что средний размер крупных яиц был не больше, чем размер мелких яиц (все p <0,02).

(ii) Плотность сперматозоидов

Поскольку размер эякулята изменяет паттерны отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили здесь аналогичную манипуляцию, чтобы оценить общность этого эффекта и его взаимосвязь с размером яйца.Сначала мы провели предварительные испытания оплодотворения с 10-кратными разведениями сперматозоидов (10 7 –10 2 клеток на мл –1 ), чтобы найти две плотности, которые: класс малого размера, учитывая их меньший целевой размер для сперматозоидов, и (ii) максимальную фертильность без риска серьезной полиспермии для яйцеклеток в классе большого размера, учитывая их больший целевой размер [19,20]. На основании этих испытаний мы использовали 10 4 клеток на мл -1 в качестве нашей низкой плотности и 10 5 клеток на мл -1 в качестве нашей высокой.Эти плотности попадают в континуум, доступный для яиц Galeolaria в поле, а плодовитость при нашей низкой плотности сопоставима с полевыми оценками [41]. Мы собрали эякулят каждого самца (зарезервировав 10 мкл для фенотипирования сперматозоидов; см. Ниже) и записали его начальную плотность сперматозоидов (10 6 –10 8 клеток мл –1 ) из трех повторных подсчетов гемоцитометром. Чтобы испытать мужскую фертильность в эквивалентных условиях, мы стандартизировали исходную плотность сперматозоидов среди мужчин перед разбавлением образцов от каждого мужчины до требуемых экспериментальных условий.

(c) Измерение морфологии сперматозоидов

Морфологию сперматозоидов регистрировали из зарезервированного образца эякулята каждого мужчины. Мы сделали изображения не менее 15 клеток на одного самца, используя цифровую камеру, установленную на составном микроскопе с увеличением 1000 ×, гарантируя, что вся клетка лежит в плоскости фокуса, и отслеживая хвост во время съемки в реальном времени, чтобы учесть любое изгибание, которое может трудно интерпретировать по сохраненным изображениям. В ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij) мы измерили длину хвоста сперматозоида, а также длину и ширину тела сперматозоида.Последний состоит из овального ядра, средней части из четырех сферических митохондрий и шапкообразной акросомы, которая расширяется в длинный ветвящийся отросток при контакте с яйцеклеткой (см. Также [42] для подробного объяснения спермы Galeolaria ). Мы измеряли только нормальные клетки с неповрежденными хвостами и без акросомной реакции, сигнализирующей о загрязнении образца яйцами.

(d) Испытания по оплодотворению

Испытания по оплодотворению, каждое из которых состоит из 0,1 мл яичного раствора, осторожно смешанного с 0.9 мл раствора спермы разливали в маленькие пузырьки при постоянной температуре 21 ° C. Для каждого из 97 мужчин было проведено четыре испытания, в которых сперма низкой и высокой плотности подвергалась воздействию как больших, так и маленьких яиц (). Каждый блок испытаний также включал пробирку с яйцеклетками без спермы каждого класса размера для контроля ошибочных оплодотворений, которые могли произойти при извлечении взрослых особей из пробирок. Мы проводили испытания в течение 2 часов, осторожно встряхивая их каждые 15 минут, чтобы повторно приостановить действие гамет и минимизировать ограничение кислорода во флаконах.По истечении этого времени мы сделали снимки всех испытаний, используя цифровую камеру, установленную на сложном микроскопе при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, проходящих нормальное развитие. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами в дальнейшем перепроверили по изображениям, чтобы исключить ошибки в оценке эмбрионального развития.

(e) Анализ данных

(i) Различия в морфологии сперматозоидов

Для оценки относительных величин вариаций характеристик сперматозоидов среди мужчин и внутри мужчин (т.е. среди гамет из одного и того же эякулята) мы подобрали многомерную линейную смешанную модель, используя ограниченное максимальное правдоподобие, с длиной хвоста, длиной тела и шириной тела в качестве переменных ответа, а также с самцом и гаметой (вложенными в самца) в качестве случайных эффектов. Эта модель оценила дисперсию каждого признака среди самцов, а также ковариацию (или корреляцию) между каждой парой признаков, выделенную из остаточных вариаций внутри самцов (дополнительный электронный материал, таблица S1). Мы проверили значимость всех оценок с помощью стандартных тестов отношения правдоподобия (LRT) с поправкой на множественность [43].Поскольку фертильность оценивалась на уровне самцов, а не гамет, мы использовали средства определения мужских черт в нашем анализе отбора. Концептуально это предполагает, что фенотип сперматозоидов в большей степени определяется диплоидными геномами мужчин, чем гаплоидными геномами сперматозоидов, как, по-видимому, имеет место для большинства видов [44]. Статистически это предполагает, что значения признаков являются фиксированными переменными, измеряемыми без ошибок, что, как ожидается, приведет к смещению наших оценок отбора к нулю, но не смещает тесты гипотез для этих коэффициентов, на которых мы сосредоточены здесь [45].

(ii) Отбор по морфологии сперматозоидов

Чтобы оценить отбор по признакам сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) в связи с их влиянием на мужскую фертильность, мы применили подход множественной регрессии Ланде и Арнольда [31] в смешанном -моделируйте фреймворк с использованием максимального правдоподобия. В этой структуре мы также реализовали подход выбора модели [46], чтобы сравнить выбор различных манипуляций с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов, тем самым проверяя, действуют ли эти факторы как агенты отбора на морфологию сперматозоидов [47].

Перед анализом признаки сперматозоидов были преобразованы в единицы стандартного отклонения [31], а фертильность была преобразована в относительную шкалу путем деления каждого абсолютного значения на среднее значение по всем средам оплодотворения (см. Также [40,48]). Сохраняя экологические различия в средней фертильности, эта трансформация предполагает жесткий отбор свободно плавающих сперматозоидов: другими словами, разные среды вносят разное количество зигот в следующее поколение, отдавая предпочтение генотипам с самой высокой фертильностью в разных средах [49,50].Для внешних удобрений, таких как Galeolaria , дифференциальная фертильность из-за мелкомасштабных различий в среде удобрения [41,51] и последующее смешивание дисперсных зигот в водной толще делают это вероятным сценарием (см. Также [16] для аналогичной обработки пригодности в моделировании эволюции анизогамии). Ключевое отличие от мягкого отбора (который предполагает, что каждая среда вносит равный вклад в следующее поколение) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как мягкий отбор, как ожидается, будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в окружающей среде, их направления изменения в окружающей среде и их проверки гипотез были идентичны анализу нетрансформированных данных.

Во-первых, мы проанализировали относительную фертильность в линейной смешанной модели с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов в качестве факториальных фиксированных эффектов, а также с блочной и мужской идентичностью в качестве случайных эффектов. При моделировании мужской идентичности мы учли отсутствие независимости испытаний от одного и того же мужчины путем подбора неструктурированной ковариационной матрицы, с диагональными элементами, оценивающими мужскую дисперсию в относительной фертильности в зависимости от среды оплодотворения, и недиагональными элементами, оценивающими ковариацию фертильности в разных средах. из-за общей мужской идентичности.Эта модель (модель 1) была отправной точкой для последующих анализов.

Затем, чтобы спросить, различается ли отбор по признакам сперматозоидов в зависимости от размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, мы использовали вложенные LRT для сравнения соответствия моделей, в которых коэффициенты частичной регрессии (градиенты отбора) могли варьироваться в зависимости от условий оплодотворения с помощью совпадений. сокращенных моделей, в которых градиенты сохранялись постоянными с точки зрения окружающей среды [46]. Поскольку многофакторный характер нашего эксперимента означал, что градиенты отбора потенциально могут различаться в ответ на интерактивные эффекты размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, такие сложные трехсторонние взаимодействия необходимо было оценить, прежде чем исследовать более простые, аддитивные эффекты каждого фактора в отдельности.Поэтому мы добавили к нашей базовой модели 1 все линейные (направленные) градиенты выбора, а также все их двух- и трехсторонние взаимодействия с обоими факторами. Эта модель (модель 2) соответствовала нашим данным не лучше, чем сокращенная модель (модель 3), из которой были исключены трехсторонние взаимодействия ( χ 2 = 0,95, df = 3, p = 0,81), что указывает на то, что размер яйца и плотность сперматозоидов в лучшем случае независимо влияли на направленный отбор. Затем мы сравнили модель 3 с другими моделями с дополнительным сокращением, в которых градиенты были объединены либо по размеру яйцеклетки, либо по плотности сперматозоидов, чтобы проверить, был ли направленный отбор изменен каждым фактором отдельно.После того, как градиенты направленного отбора были оценены в соответствующих масштабах (т.е. внутри или между средами удобрения), определенных в процессе выбора модели, мы использовали LRT для оценки значимости каждого градиента и того, различается ли он в разных средах.

Наконец, основываясь на модели 3, мы повторили процесс для нелинейных (квадратичных и корреляционных) градиентов выбора. Опять же, в отсутствие каких-либо доказательств того, что размер яйцеклетки и плотность сперматозоидов взаимодействуют с нелинейным отбором ( χ 2 = 9.17, д.ф. = 6, p = 0,16), мы подобрали сокращенные модели, чтобы выяснить, изменился ли нелинейный отбор только одним из факторов.

3. Результаты

(a) Различия в морфологии сперматозоидов

Длина хвоста сперматозоида, длина тела и ширина тела значительно различались у мужчин (дополнительный электронный материал, рисунок S1), при этом идентичность мужчин объясняется 38%, 37% и 27%. %, соответственно, от общей вариации признака среди гамет (электронный дополнительный материал, таблица S1).Признаки сперматозоидов также варьировались среди мужчин: между длиной хвоста и длиной тела достоверно положительная корреляция ( r = 0,44), а между длиной хвоста и шириной тела - отрицательная ( r = -0,29). Следовательно, самцы с длиннохвостой спермой, как правило, имеют сперматозоиды с более длинным телом или сперматозоиды с более узким телом, но размеры тела сперматозоидов сами по себе не коррелируют (электронный дополнительный материал, таблица S1).

(b) Различия в фертильности в зависимости от среды оплодотворения

Для иллюстрации ожидаемой кинетики внешнего оплодотворения средняя фертильность самцов увеличивалась в зависимости от размера яйца ( х 2 = 90.11, д.ф. = 1, p <0,01) и плотности сперматозоидов ( × 2 = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их эффекты не были интерактивными ( × 2 = 2,35, df = 1, p = 0,13). Яйца обоих классов размера были значительно ограничены сперматозоидами при низкой плотности сперматозоидов, как и маленькие яйца при высокой плотности сперматозоидов (хотя и в меньшей степени; дополнительный электронный материал, рисунок S2). Крупные яйца при высокой плотности сперматозоидов приближались к максимальной фертильности, указанной в предварительных испытаниях (см. Раздел «Материалы и методы»).

По оценкам модели 1, относительная фертильность значительно варьировала среди мужчин во всех средах оплодотворения, предлагая постоянную возможность для отбора по целевому фенотипу сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от интерактивных эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: χ 2 = 19,76, d.f. = 4, p <0.01). Взаимодействие произошло из-за того, что дисперсия увеличивалась от более мелких яиц к более крупным при низкой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 18,73, df = 1, p <0,01), но не изменялась размером яйца при высокой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 1,13, df = 1, p = 0,29; дополнительный электронный материал, рисунок S2).

(c) Отбор по морфологии сперматозоидов в разных средах оплодотворения

Градиенты направленного отбора ( β ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига средних значений признаков сперматозоидов, различались в зависимости от размера яйцеклетки ( х ). 2 = 16.46, д.ф. = 3, p <0,01), но не плотность сперматозоидов ( × 2 = 5,78, d.f. = 3, p = 0,12). Сравнение индивидуальных градиентов по классам размера яиц показало, что яйца большего размера оказывают более сильный отбор на морфологию сперматозоидов, чем яйца меньшего размера (). В частности, более длинные хвосты сперматозоидов увеличивают мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но преимущества становятся более значительными для сперматозоидов, нацеленных на более крупные яйцеклетки ( ß длина хвоста × размер яйца χ 2 = 4.26, д.ф. = 1, p = 0,03). Точно так же длина и ширина тела сперматозоида не влияли на способность самца оплодотворять меньшие яйцеклетки, но более крупные яйцеклетки благоприятствовали самцам с более коротким телом ( ß длина тела × размер яйца : χ 2 = 10,24, df = 1, p <0,01) и сперматозоидов с более узким телом ( ß ширина тела × размер яйца : x 2 = 7,17, df = 1, p <0,01).

Размер яйца опосредует направленный отбор по морфологии сперматозоидов.Каждый градиент ( β i ) измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения среднего значения признака (* p <0,05; ** p <0,01). По каждому признаку сила отбора существенно различается в зависимости от класса размера яиц. (Онлайн-версия в цвете.)

Нелинейные градиенты отбора ( γ ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига дисперсий и ковариаций признаков сперматозоидов, не зависели от размера яйцеклетки ( × 2 = 8 .89, д.ф. = 6, p = 0,18), но различались в зависимости от плотности сперматозоидов ( χ 2 = 22,94, d.f. = 6, p <0,01; дополнительный электронный материал, таблица S2). Сравнение индивидуальных градиентов по плотности приписало этот результат деструктивному отбору по длине тела при высокой плотности, тогда как этот признак был выборочно нейтральным при низкой плотности ( γ длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 14,06, df = 1, п. <0.01) и положительной корреляционной селекции по длине хвоста и тела при низкой плотности, тогда как эта комбинация признаков была нейтральной при высокой плотности ( γ длина хвоста × длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 6,82, df = 1, p <0,01). Плотность сперматозоидов также изменила квадратичный отбор по ширине тела ( γ ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 4,14, df = 6, p = 0,04) и корреляционный отбор по длине и ширине тела ( γ длина тела × ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 5.03, д.ф. = 1, p = 0,02), но индивидуальный градиент не был значимым. Точно так же длина хвоста находилась под стабилизирующим отбором при низкой плотности сперматозоидов и нейтральным при высокой плотности, но эта разница между средами не была значительной.

Чтобы разрешить эти последние неоднозначные результаты и сравнить общую геометрию нелинейного отбора по плотности сперматозоидов, мы выполнили собственный анализ каждой матрицы γ [53]. Эта процедура post hoc дополняет обычную оценку градиентов нелинейного отбора путем визуализации нелинейного отбора вдоль составных осей (собственные векторы γ , определенные линейными комбинациями признаков сперматозоидов), где кривизна (заданная собственными значениями γ ) самый сильный.Таким образом, он не раскрывает больше выбора, чем в γ , а просто перераспределяет выбор между различными коэффициентами [54]. Мы рассчитали стандартные ошибки и p -значений для собственных значений в соответствии с Рейнольдсом и др. . [55] и построили важные оси с помощью тонких шлицев [54].

При каждой плотности сперматозоидов мы обнаружили две важные оси нелинейного отбора (электронный дополнительный материал, таблица S3), что позволило визуализировать отбор как единую поверхность пригодности, а фенотипы сперматозоидов, которые максимизируют фертильность, можно найти путем совместной интерпретации нагрузок признаков на эти топоры.При низкой плотности поверхность представляла собой простой пик ( a ). Здесь контрастные нагрузки длины хвоста и размеров тела на м 3 означают, что у высокоплодородных самцов была сперма со средними значениями всех признаков или что в ней сочетались более длинные хвосты с меньшими телами (причем последнее оставалось небольшим из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м 2 ). Напротив, поверхность при высокой плотности была седловидной ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м 1 , а длина хвоста преобладала м 3 , что означает, что у высокоплодородных самцов была сперма с необычно большими телами (или необычно маленькими, хотя и с меньшим приростом фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м i ) определяется линейной комбинацией признаков сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) и измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения вариации комбинаций признаков. Оси получены из собственных анализов нелинейных градиентов выбора ( γ ; подробности см. В тексте). (Онлайн-версия в цвете.)

4. Обсуждение и заключение

Теоретические объяснения сохранения анизогамии традиционно подчеркивали давление отбора, связанное с размером конкуренции сперматозоидов и постзиготной выживаемостью [4,7], предполагая, что оплодотворение из всех доступных яйца препятствуют отбору по фенотипам, повышающим фертильность [10].Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов [11,12], а риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, по прогнозам, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора, чтобы сформировать эволюцию свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйцеклетки и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающих сперматозоидов Galeolaria и способами, которые потенциально могут усилить диморфизм размеров мужских и женских гамет.Таким образом, наше исследование предлагает новое понимание эволюции сперматозоидов и эволюционного поддержания анизогамии при использовании внешних удобрений.

(a) Размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов

Наши тесты показали, что размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов, активно способствуя направленному эволюционному изменению свойств сперматозоидов через их влияние на мужскую фертильность. В частности, яйца большего размера усиливали положительный отбор по длине хвоста: то есть сперматозоиды с более длинными хвостами повышали мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но избирательное преимущество более длинных хвостов становилось более значительным, когда сперматозоиды предназначались для более крупных яйцеклеток.Яйца большего размера также благоприятствовали сперматозоидам с более коротким и узким телом, тогда как яйца меньшего размера полностью ослабляли выбор по размерам тела сперматозоидов. Основываясь на физических и биомеханических принципах [56,57], эти результаты предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с меньшим сопротивлением меньшего тела и большей толчком более длинного хвоста. Данные других внешних удобрений о том, что низкое соотношение тела к хвосту увеличивает скорость плавания сперматозоидов [58], и что более быстрые сперматозоиды имеют более высокий успех оплодотворения [59], подтверждают нашу интерпретацию.Этот курс предполагает, что адаптивная эволюция фенотипа сперматозоидов не ограничивается генетической архитектурой, которая остается неизвестной для Galeolaria , но, тем не менее, согласуется с текущими данными из различных таксонов [60].

Возможность того, что размер яйцеклетки влияет на выбор морфологии свободно плавающих сперматозоидов, поднимает вопрос о том, является ли это аналогом загадочного выбора самки. Необходимым компонентом такого выбора является то, что женщины различают и предпочтительно используют сперму разных мужчин [61].Здесь, в Galeolaria , яйца разных размеров изменяли вероятность оплодотворения данным самцом в соответствии с морфологией его спермы. Поскольку яйцеклетки были объединены у женщин, чтобы изолировать последствия пригодности сперматозоидов от генетической совместимости при оплодотворении, мы утверждаем, что этот феномен действительно может отражать преимущественное использование яйцеклетками различных фенотипов сперматозоидов. Однако, поскольку наши испытания оплодотворения не проводились в конкурентных условиях, способность яйцеклеток различать сперматозоиды от разных самцов, когда им предоставляется такая возможность, остается открытым вопросом.

Выбор сперматозоидов женщинами все чаще признается важным фактором эволюции сперматозоидов и совместной половой эволюции во внутренних удобрениях, что проявляется в положительной связи между длиной сперматозоидов и размерами женских репродуктивных путей [22–24]. Доказательства выбора женской спермы во внешних удобрениях накапливались медленнее, несмотря на то, что в этой системе у женщин была одна из немногих возможностей для выбора партнера [12,61]. Заметным исключением являются работы по белкам распознавания гамет, демонстрирующие, как они способствуют выбору партнера и репродуктивной изоляции, опосредуя мужскую фертильность внутри и между видами [30,62,63].Другие исследования также предположили, что яичниковая жидкость, окружающая яйца во время нереста, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследуемых нами видов [37]. Здесь, насколько нам известно, мы представляем первое свидетельство того, что яйцеклетки сами могут быть нацелены на морфологические, возможно, гидродинамические аспекты функционирования сперматозоидов, добавляя новое измерение к аргументу о том, что яйцеклетки - это больше, чем просто пассивные приемники сперматозоидов, а внешнее оплодотворение - больше, чем раса. среди мужчин [63].

(b) Размер эякулята является фактором нелинейного отбора на морфологию сперматозоидов

Учитывая роль частоты встреч с гаметами в кинетике оплодотворения [19–21], мы ожидали, что отбор сперматозоидов Galeolaria будет зависеть от интерактивных эффектов яйцеклетки. и размер эякулята, при этом эффекты размера яйцеклетки сильнее при ограничении спермы и ослабляются, когда яйцеклетки становятся насыщенными спермой. Вместо этого размер эякулята изменил нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов, действуя, чтобы изменить дисперсию комбинаций признаков, но не изменил направленных изменений, которым способствует эти признаки яйцеклеткой.Чтобы понять, как эти различные аспекты среды оплодотворения нацелены на разные моменты распределения фенотипов сперматозоидов, стоит понять, что нелинейный отбор формирует вариацию признаков независимо от направленного отбора по средним признакам [31,53]. Следовательно, условия ограниченности сперматозоидов приводят к сокращению дисперсии вокруг фенотипа с более длинным хвостом и меньшим телом, которому отдают предпочтение более крупные яйцеклетки, действуя таким образом, чтобы стабилизировать этот фенотип. Хотя эта потеря дисперсии может потенциально ограничить опосредованный яйцеклеткой отбор за счет сокращения диапазона доступных фенотипов сперматозоидов, условия насыщения сперматозоидами должны иметь противоположный эффект, предоставляя яйцеклеткам новые возможности отбора, действуя для увеличения дисперсии вокруг нового фенотипа.Такие колеблющиеся эффекты плотности сперматозоидов облегчаются по своей природе, более того, из-за различий в размере популяции, нерестовом поведении и эффектах разведения [11,12].

Оценки отбора по фенотипу сперматозоидов остаются редкими для внешних удобрений, но прошлые исследования выявили в целом аналогичные закономерности с нашими. Например, Фитцпатрик и др. . [39] обнаружили нелинейный, но не направленный отбор в пользу более мелких тел сперматозоидов в условиях ограниченного количества сперматозоидов у мидий Mytilus galloprovincialis .Наше исследование Galeolaria gemineoa [40] показало, что сперматозоиды с более длинными хвостами и меньшим телом обладают избирательным преимуществом при более высокой плотности сперматозоидов, но обусловлены скорее направленным, чем нелинейным отбором, и более широким диапазоном плотностей, чем мы исследовали здесь. Таким образом, имеющиеся ограниченные данные подтверждают два наблюдения. Во-первых, отбор по морфологии сперматозоидов зависит от контекста, предлагая возможное объяснение разнообразия характеристик эякулята во внешних удобрениях [27].Во-вторых, независимо от его точной формы и источника, отбор последовательно ориентируется на размер тела относительно длины хвоста, подтверждая рекомендацию a priori об этом соотношении в качестве ключевого предиктора производительности сперматозоидов через его связь со скоростью плавания [56].

(c) Влияние на эволюционное поддержание анизогамии

В целом, наша работа предполагает, что давление отбора, оказываемое размером яйцеклетки и ограничением сперматозоидов, может способствовать поддержанию анизогамии во внешних удобрениях, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренция.Это отходит от обычного предположения, что ослабление давления конкуренции сперматозоидов должно способствовать более крупным сперматозоидам, которые увеличивают жизнеспособность зигот [1,4,7]. Мы никоим образом не утверждаем, что эти давления являются взаимоисключающими, только то, что продемонстрированные здесь потенциально предлагают более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания. Наш аргумент о том, что более крупные яйцеклетки благоприятствуют более мелким сперматозоидам (несмотря на широкие вариации признаков, лишь слабо ограниченные отрицательными корреляциями, чтобы позволить им эволюционировать пропорционально крупнее; дополнительный электронный материал, таблица S1), предполагает, что тело дороже, чем хвост.Однако энергетика спермы предлагает некоторую поддержку этой интерпретации. Для свободно плавающих сперматозоидов размер тела - это сумма ядра и митохондриальной средней части, которая хранит ресурсы, управляющие энергетическим метаболизмом и подвижностью [65], и производит энергию пропорционально своему размеру [66]. Таким образом, если ресурсы, полученные от меньшего тела, перевешивают те, которые были заплачены за более длинный хвост (что вероятно, если плавание обеспечивается средним элементом), то более крупные яйцеклетки действительно могут формировать морфологию сперматозоидов, которая фактически меньше с точки зрения чистых затрат.Этот аргумент, хотя и предположительно спекулятивный, предполагает, что акцент на размере сперматозоидов в моделях анизогамии и конкуренции сперматозоидов потенциально предлагает чрезмерно упрощенный взгляд на эволюцию сперматозоидов (см. Также [56]), но такой, который можно согласовать с такими результатами, как наши, лучшее понимание энергетических затрат на сперматозоиды разных конструкций.

Наконец, предполагается, что размеры сперматозоидов и яйцеклеток совместно эволюционируют за счет их совместного инвестирования в зиготы [4,7], но наше исследование утверждает, что гаметы внешних удобрений могут делать это посредством давления взаимного отбора, оказываемого сперматозоидами и яйцеклетками при оплодотворении.Прошлые работы по этой системе спаривания установили важность плотности сперматозоидов как фактора отбора по размеру яйцеклетки, при этом меньшие эякуляты предпочитают более крупные яйца, которые легче обнаруживаются спермой, а более крупные эякуляты предпочитают меньшие яйца с меньшим риском полиспермии [19–19]. 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки действует реципрокно как фактор отбора сперматозоидов, мы делаем вывод, что эволюционные судьбы полов связаны взаимодействиями между гаметами как на до-, так и на постзиготической стадиях жизненного цикла.Более того, эволюционная диверсификация размеров яиц охватывает поразительные несколько порядков величины среди современных многоклеточных животных и обычно объясняется неоднородностью окружающей среды при постзиготном отборе [67]. Возможность того, что эволюция сперматозоидов была задействована в этом процессе, подразумевает, что следующим ключевым шагом будет поиск признаков коэволюции гамет в более глубокой эволюционной истории этой группы.

размер яйца и размер эякулята опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы

Abstract

Диморфизм гамет (анизогамия) определяет пол в большинстве многоклеточных организмов.Теоретические объяснения его сохранения обычно подчеркивают давление отбора сперматозоидов и выживаемость зигот, связанное с размером, предполагая, что оплодотворение всех яйцеклеток препятствует отбору по фенотипам, которые увеличивают фертильность. Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов, и риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, как прогнозируется, ограничивает размер сперматозоидов, позволяя альтернативным давлениям отбора для целевых свободно плавающих сперматозоидов.Мы спросили, опосредуют ли размер яйцеклетки и размер эякулята выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , морского трубчатого червя с внешним оплодотворением, путем сравнения взаимосвязей между морфологией сперматозоидов и мужской фертильностью при манипуляциях с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов. Наши результаты показывают, что давление отбора, оказываемое этими факторами, может способствовать поддержанию анизогамии внешних удобрений, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренции.Таким образом, наше исследование предлагает более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания, и определяет новый потенциал для совместного развития полов посредством давления взаимного отбора, оказываемого гаметами при оплодотворении.

Ключевые слова: анизогамия, размер яйца, внешнее оплодотворение, анализ отбора, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1. Общие сведения

Анизогамия широко считается катализатором эволюции и совместной эволюции полов [1–3] .Ключевая теория его происхождения [4] предполагает разрушительный отбор по размеру гамет у изогамных морских предков с внешним оплодотворением. Предполагая ограниченные ресурсы для воспроизводства и что приспособленность зиготы увеличивается с объединенными размерами сливающихся гамет, эффективность оплодотворения увеличивается, когда один родитель производит много маленьких гамет, чтобы максимизировать производство зиготы, в то время как другой производит меньше крупных гамет, которые обеспечивают цитоплазматические резервы, необходимые для зиготы. жизнеспособность. После эволюции анизогамия, как говорят, поддерживается давлением посткопулятивного отбора (конкуренция сперматозоидов и загадочный женский выбор), которые усиливают специализацию мужских и женских гамет [5,6].В частности, Паркер [7] утверждал, что анизогамия нестабильна без конкуренции сперматозоидов, потому что яйцеклетки остаются большими из-за бремени снабжения зиготами, тогда как сперматозоиды остаются маленькими из-за соперничества за оплодотворение. В противном случае самцы не получат никаких преимуществ от создания более крупных эякулятов, если количество сперматозоидов достаточно для оплодотворения всех доступных яйцеклеток, и им будет лучше производить более крупные сперматозоиды, которые способствуют обеспечению зиготы.

Другая теория предполагала, что сперматозоиды малы, чтобы давать большое количество, необходимое для оплодотворения [8–10].Это было отклонено для внутренних удобрений, включая позвоночных и насекомых, на том основании, что эякуляты часто сильно разбавляются без потери фертильности, а оплодотворение является неполным только в условиях ограниченного количества сперматозоидов, с которыми женщины редко сталкиваются [7]. Тем не менее, для внешних удобрений ограничение количества сперматозоидов является обычным явлением из-за быстрого разбавления сперматозоидов после нереста [11,12], что дает широкие возможности отбору, чтобы отдать предпочтение как многочисленным крошечным сперматозоидам, так и большим яйцеклеткам за счет увеличения скорости встречи с гаметами [13,14].Соответственно, недавние модели, которые одновременно рассматривают эффекты конкуренции и ограничения сперматозоидов на эволюцию гамет, подтверждают, что последняя может, в принципе, стабилизировать анизогамию, действуя для увеличения количества сперматозоидов [15,16]. На практике, однако, избыток спермы вызывает снижение фертильности из-за полиспермии, состояния, которое почти всегда приводит к летальному исходу при использовании внешних удобрений [17]. Следовательно, более крупные эякуляты могут иметь меньшую адаптивную ценность, чем предполагалось [18], и даже дестабилизировать анизогамию, отдавая предпочтение яйцам меньшего размера с меньшим риском полиспермии [19–21].В целом, это говорит о том, что числовые эффекты на размер сперматозоидов, обусловленные конкуренцией, могут иметь ограниченные возможности для объяснения анизогамии внешних удобрений и что другие факторы отбора могут способствовать ее эволюционному сохранению.

Мало что известно о том, как выбор самки влияет на фенотип свободно плавающих сперматозоидов, несмотря на широко распространенные доказательства его способности влиять на результаты конкуренции и эволюции сперматозоидов у млекопитающих, птиц и насекомых [22–24]. Для таких внутренних удобрений выбор спермы самками происходит во время транспортировки и хранения сперматозоидов в женских репродуктивных путях, а также нацелены на свойства (например,грамм. размер, длина, качество), которые, таким образом, влияют на мужскую фертильность, не считая числовых эффектов размера эякулята [25,26]. Для внешних удобрений, сперматозоиды которых подвергаются отбору во внешней среде без сложности женского репродуктивного тракта, женский выбор сперматозоидов ограничивается взаимодействиями на уровне гамет [27], контролируемыми дополнительными репродуктивными жидкостями [28] или фенотипами самих яйцеклеток. Роль белков распознавания гамет, расположенных на яйцах, в определении мужской фертильности и репродуктивной изоляции хорошо известна [29,30].Размер яйцеклетки предлагает еще одну ключевую возможность для самок осуществлять отбор свободно плавающих сперматозоидов благодаря своей роли в кинетике оплодотворения, но ее способность делать это, ее взаимодействие с размером эякулята и более широкие последствия для эволюционного поддержания анизогамии в настоящее время неизвестны.

Здесь мы представляем новую проверку этой идеи, исследуя, опосредует ли размер яйцеклетки выбор свободно плавающей спермы Galeolaria caespitosa , раздельнополого морского трубочника, который сбрасывает мужские и женские гаметы в море для внешнего слияния.В частности, мы использовали классический подход множественной регрессии Lande & Arnold [31], реализованный в рамках смешанной модели, чтобы сравнить взаимосвязь между морфологическими признаками сперматозоидов и мужской фертильностью при экспериментальном изменении размера яйцеклетки. Мы сделали это в сочетании с ортогональной манипуляцией размером эякулята, чтобы дополнительно изучить, взаимодействует ли опосредованный яйцеклеткой отбор с ограничением сперматозоидов, учитывая совместную важность этих двух факторов в альтернативных объяснениях анизогамии [13,14,16] (см. Также [10] ] для обзора теории, не охваченной здесь).Задаваясь вопросом, действует ли давление отбора, окружающее оплодотворение в море, противодействует или усиливает диморфизм гамет во внешних удобрениях, наше исследование имеет важные последствия для половой коэволюции и эволюционного поддержания анизогамии в этой системе спаривания.

2. Материал и методы

(a) Изученный вид

Galeolaria caespitosa (именуемая в дальнейшем по роду) обитает в приливных зонах юго-западной Австралии в плотных скоплениях известковых трубок [32].Взрослые особи плодовиты круглый год и постоянно производят гаметы, которые сливаются в толще воды. Типичная для этой системы спаривания фертильность - это колоколообразная функция скорости встречи с гаметами, которая увеличивается с размером яйца и плотностью сперматозоидов. С одной стороны, из-за недостаточных контактов многие яйцеклетки остаются неоплодотворенными из-за ограничения количества сперматозоидов; с другой стороны, чрезмерные встречи делают многие оплодотворения нежизнеспособными из-за полиспермии [33]. Поскольку определенное количество полиспермических оплодотворений происходит естественным образом независимо от частоты встреч, фертильность в некоторой степени является неполной даже при максимуме [33–36].Фертильность также зависит от других факторов, таких как оплодотворяемость яйцеклеток, плавание спермой и совместимость мужчин и женщин [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может нацеливаться на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне недалеко от Royal Brighton Yacht Club, Виктория, Австралия (37,91 ° ю.ш., 144,99 ° в.д.), и поместили в рециркуляционные аквариумы Университета Монаша. Чтобы ежедневно получать свежие гаметы для экспериментов, взрослых особей извлекали из пробирок и помещали в небольшие объемы фильтрованной морской воды, чтобы вызвать нерест.

(b) Манипуляции со средой оплодотворения

Чтобы понять, опосредует ли размер яйцеклетки отбор на морфологию сперматозоидов и взаимодействуют ли его эффекты с ограничением сперматозоидов, мы проверили фертильность 97 очаговых самцов с известным фенотипом сперматозоидов при низкой и высокой плотности сперматозоидов против эталонные когорты мелких и крупных яиц (). Каждое испытание состояло из сперматозоидов одного мужчины, подвергнутых воздействию повторяющейся когорты яйцеклеток, которые были объединены между 25–30 женщинами, чтобы минимизировать влияние совместимости на мужскую фертильность.Были приняты меры к тому, чтобы все самки откладывали одинаковое количество яиц. Мы не проводили испытания с конкуренцией сперматозоидов, потому что нас интересовали альтернативные механизмы эволюции сперматозоидов, и у нас не было возможности определить отцовство зиготы с помощью молекулярных анализов. Свободно нерестовые яйца в природе часто сталкиваются с ограничением количества сперматозоидов [11,12], что делает наши испытания экологически релевантными для этой системы спаривания (см. Также [39,40]), но, тем не менее, ограничиваются выводом давления отбора в отсутствие конкуренции.Испытания проводились в 13 повторных блоках по 5–11 самцов в блоке. Внутри блоков каждый самец был повязан с одной и той же комбинацией самок, так что испытания были стандартизированы в отношении генетического фона яиц и различались только в отношении наших манипуляций со средой оплодотворения и идентичностью самцов.

Экспериментальные манипуляции со средой оплодотворения для исследования мужской фертильности. Свободно нерестившиеся яйца объединяли между несколькими самками, затем разделяли на мелкие и большие классы.Сперматозоиды, выращенные свободно, изолировали самцы и разводили до низкой и высокой плотности (с аликвотой, зарезервированной для фенотипирования). Это позволило создать четыре среды для оплодотворения, в которых проверялась фертильность каждого самца. Испытания проводились в 13 повторных блоках, причем сперматозоиды от каждого очагового самца ( n = 5–11 на блок) подвергались воздействию контрольной когорты яйцеклеток от того же пула самок ( n = 25–30 на блок) до изолировать влияние мужской идентичности и экспериментальных условий на мужскую фертильность.(Онлайн-версия в цвете.)

(i) Размер яйца

На основании предварительной работы, самки Galeolaria нерестят яйца диаметром до 70 мкм, а яйца диаметром менее 55 мкм не подлежат оплодотворению. Чтобы управлять размером яиц для наших испытаний, мы отфильтровали все яйца, порожденные уникальным набором самок, используемых в каждом блоке репликации, чтобы удалить нежизнеспособные яйца и разделить остальные на два класса размеров. Сначала мы собрали все яйца на блок самок в небольшом объеме морской воды и промыли суспензию через сито 60 мкм.Мы повторно отфильтровали часть яиц, пойманных этим размером ячеек, сохраняя пойманные им во второй раз (диаметр> 60 мкм) как наш класс крупного размера. Во-вторых, мы повторно отфильтровали часть яиц, прошедших через этот размер ячеек, используя сито 55 мкм, сохранив часть, захваченную ею (55 мкм <диаметр <60 мкм), как наш класс малого размера и отбросив те, которые прошли через нее, как неоплодотворяемые. Эта разница в диаметре приводит к примерно 30% разнице в среднем объеме между классами размеров.Обе части отложенных яиц ресуспендировали в фильтрованной морской воде с плотностью приблизительно 2 × 10 3 мл -1 до использования в испытаниях. Чтобы подтвердить эффективность наших манипуляций, мы сравнили размеры 15 яиц каждого класса крупности на блок, используя т -тестов. Ни в коем случае не было необходимости отказываться от блока испытаний, потому что средний размер крупных яиц был не больше, чем размер мелких яиц (все p <0,02).

(ii) Плотность сперматозоидов

Поскольку размер эякулята изменяет паттерны отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили здесь аналогичную манипуляцию, чтобы оценить общность этого эффекта и его взаимосвязь с размером яйца.Сначала мы провели предварительные испытания оплодотворения с 10-кратными разведениями сперматозоидов (10 7 –10 2 клеток на мл –1 ), чтобы найти две плотности, которые: класс малого размера, учитывая их меньший целевой размер для сперматозоидов, и (ii) максимальную фертильность без риска серьезной полиспермии для яйцеклеток в классе большого размера, учитывая их больший целевой размер [19,20]. На основании этих испытаний мы использовали 10 4 клеток на мл -1 в качестве нашей низкой плотности и 10 5 клеток на мл -1 в качестве нашей высокой.Эти плотности попадают в континуум, доступный для яиц Galeolaria в поле, а плодовитость при нашей низкой плотности сопоставима с полевыми оценками [41]. Мы собрали эякулят каждого самца (зарезервировав 10 мкл для фенотипирования сперматозоидов; см. Ниже) и записали его начальную плотность сперматозоидов (10 6 –10 8 клеток мл –1 ) из трех повторных подсчетов гемоцитометром. Чтобы испытать мужскую фертильность в эквивалентных условиях, мы стандартизировали исходную плотность сперматозоидов среди мужчин перед разбавлением образцов от каждого мужчины до требуемых экспериментальных условий.

(c) Измерение морфологии сперматозоидов

Морфологию сперматозоидов регистрировали из зарезервированного образца эякулята каждого мужчины. Мы сделали изображения не менее 15 клеток на одного самца, используя цифровую камеру, установленную на составном микроскопе с увеличением 1000 ×, гарантируя, что вся клетка лежит в плоскости фокуса, и отслеживая хвост во время съемки в реальном времени, чтобы учесть любое изгибание, которое может трудно интерпретировать по сохраненным изображениям. В ImageJ (http://imagej.nih.gov/ij) мы измерили длину хвоста сперматозоида, а также длину и ширину тела сперматозоида.Последний состоит из овального ядра, средней части из четырех сферических митохондрий и шапкообразной акросомы, которая расширяется в длинный ветвящийся отросток при контакте с яйцеклеткой (см. Также [42] для подробного объяснения спермы Galeolaria ). Мы измеряли только нормальные клетки с неповрежденными хвостами и без акросомной реакции, сигнализирующей о загрязнении образца яйцами.

(d) Испытания по оплодотворению

Испытания по оплодотворению, каждое из которых состоит из 0,1 мл яичного раствора, осторожно смешанного с 0.9 мл раствора спермы разливали в маленькие пузырьки при постоянной температуре 21 ° C. Для каждого из 97 мужчин было проведено четыре испытания, в которых сперма низкой и высокой плотности подвергалась воздействию как больших, так и маленьких яиц (). Каждый блок испытаний также включал пробирку с яйцеклетками без спермы каждого класса размера для контроля ошибочных оплодотворений, которые могли произойти при извлечении взрослых особей из пробирок. Мы проводили испытания в течение 2 часов, осторожно встряхивая их каждые 15 минут, чтобы повторно приостановить действие гамет и минимизировать ограничение кислорода во флаконах.По истечении этого времени мы сделали снимки всех испытаний, используя цифровую камеру, установленную на сложном микроскопе при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, проходящих нормальное развитие. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами в дальнейшем перепроверили по изображениям, чтобы исключить ошибки в оценке эмбрионального развития.

(e) Анализ данных

(i) Различия в морфологии сперматозоидов

Для оценки относительных величин вариаций характеристик сперматозоидов среди мужчин и внутри мужчин (т.е. среди гамет из одного и того же эякулята) мы подобрали многомерную линейную смешанную модель, используя ограниченное максимальное правдоподобие, с длиной хвоста, длиной тела и шириной тела в качестве переменных ответа, а также с самцом и гаметой (вложенными в самца) в качестве случайных эффектов. Эта модель оценила дисперсию каждого признака среди самцов, а также ковариацию (или корреляцию) между каждой парой признаков, выделенную из остаточных вариаций внутри самцов (дополнительный электронный материал, таблица S1). Мы проверили значимость всех оценок с помощью стандартных тестов отношения правдоподобия (LRT) с поправкой на множественность [43].Поскольку фертильность оценивалась на уровне самцов, а не гамет, мы использовали средства определения мужских черт в нашем анализе отбора. Концептуально это предполагает, что фенотип сперматозоидов в большей степени определяется диплоидными геномами мужчин, чем гаплоидными геномами сперматозоидов, как, по-видимому, имеет место для большинства видов [44]. Статистически это предполагает, что значения признаков являются фиксированными переменными, измеряемыми без ошибок, что, как ожидается, приведет к смещению наших оценок отбора к нулю, но не смещает тесты гипотез для этих коэффициентов, на которых мы сосредоточены здесь [45].

(ii) Отбор по морфологии сперматозоидов

Чтобы оценить отбор по признакам сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) в связи с их влиянием на мужскую фертильность, мы применили подход множественной регрессии Ланде и Арнольда [31] в смешанном -моделируйте фреймворк с использованием максимального правдоподобия. В этой структуре мы также реализовали подход выбора модели [46], чтобы сравнить выбор различных манипуляций с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов, тем самым проверяя, действуют ли эти факторы как агенты отбора на морфологию сперматозоидов [47].

Перед анализом признаки сперматозоидов были преобразованы в единицы стандартного отклонения [31], а фертильность была преобразована в относительную шкалу путем деления каждого абсолютного значения на среднее значение по всем средам оплодотворения (см. Также [40,48]). Сохраняя экологические различия в средней фертильности, эта трансформация предполагает жесткий отбор свободно плавающих сперматозоидов: другими словами, разные среды вносят разное количество зигот в следующее поколение, отдавая предпочтение генотипам с самой высокой фертильностью в разных средах [49,50].Для внешних удобрений, таких как Galeolaria , дифференциальная фертильность из-за мелкомасштабных различий в среде удобрения [41,51] и последующее смешивание дисперсных зигот в водной толще делают это вероятным сценарием (см. Также [16] для аналогичной обработки пригодности в моделировании эволюции анизогамии). Ключевое отличие от мягкого отбора (который предполагает, что каждая среда вносит равный вклад в следующее поколение) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как мягкий отбор, как ожидается, будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в окружающей среде, их направления изменения в окружающей среде и их проверки гипотез были идентичны анализу нетрансформированных данных.

Во-первых, мы проанализировали относительную фертильность в линейной смешанной модели с размером яйцеклетки и плотностью сперматозоидов в качестве факториальных фиксированных эффектов, а также с блочной и мужской идентичностью в качестве случайных эффектов. При моделировании мужской идентичности мы учли отсутствие независимости испытаний от одного и того же мужчины путем подбора неструктурированной ковариационной матрицы, с диагональными элементами, оценивающими мужскую дисперсию в относительной фертильности в зависимости от среды оплодотворения, и недиагональными элементами, оценивающими ковариацию фертильности в разных средах. из-за общей мужской идентичности.Эта модель (модель 1) была отправной точкой для последующих анализов.

Затем, чтобы спросить, различается ли отбор по признакам сперматозоидов в зависимости от размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, мы использовали вложенные LRT для сравнения соответствия моделей, в которых коэффициенты частичной регрессии (градиенты отбора) могли варьироваться в зависимости от условий оплодотворения с помощью совпадений. сокращенных моделей, в которых градиенты сохранялись постоянными с точки зрения окружающей среды [46]. Поскольку многофакторный характер нашего эксперимента означал, что градиенты отбора потенциально могут различаться в ответ на интерактивные эффекты размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов, такие сложные трехсторонние взаимодействия необходимо было оценить, прежде чем исследовать более простые, аддитивные эффекты каждого фактора в отдельности.Поэтому мы добавили к нашей базовой модели 1 все линейные (направленные) градиенты выбора, а также все их двух- и трехсторонние взаимодействия с обоими факторами. Эта модель (модель 2) соответствовала нашим данным не лучше, чем сокращенная модель (модель 3), из которой были исключены трехсторонние взаимодействия ( χ 2 = 0,95, df = 3, p = 0,81), что указывает на то, что размер яйца и плотность сперматозоидов в лучшем случае независимо влияли на направленный отбор. Затем мы сравнили модель 3 с другими моделями с дополнительным сокращением, в которых градиенты были объединены либо по размеру яйцеклетки, либо по плотности сперматозоидов, чтобы проверить, был ли направленный отбор изменен каждым фактором отдельно.После того, как градиенты направленного отбора были оценены в соответствующих масштабах (т.е. внутри или между средами удобрения), определенных в процессе выбора модели, мы использовали LRT для оценки значимости каждого градиента и того, различается ли он в разных средах.

Наконец, основываясь на модели 3, мы повторили процесс для нелинейных (квадратичных и корреляционных) градиентов выбора. Опять же, в отсутствие каких-либо доказательств того, что размер яйцеклетки и плотность сперматозоидов взаимодействуют с нелинейным отбором ( χ 2 = 9.17, д.ф. = 6, p = 0,16), мы подобрали сокращенные модели, чтобы выяснить, изменился ли нелинейный отбор только одним из факторов.

3. Результаты

(a) Различия в морфологии сперматозоидов

Длина хвоста сперматозоида, длина тела и ширина тела значительно различались у мужчин (дополнительный электронный материал, рисунок S1), при этом идентичность мужчин объясняется 38%, 37% и 27%. %, соответственно, от общей вариации признака среди гамет (электронный дополнительный материал, таблица S1).Признаки сперматозоидов также варьировались среди мужчин: между длиной хвоста и длиной тела достоверно положительная корреляция ( r = 0,44), а между длиной хвоста и шириной тела - отрицательная ( r = -0,29). Следовательно, самцы с длиннохвостой спермой, как правило, имеют сперматозоиды с более длинным телом или сперматозоиды с более узким телом, но размеры тела сперматозоидов сами по себе не коррелируют (электронный дополнительный материал, таблица S1).

(b) Различия в фертильности в зависимости от среды оплодотворения

Для иллюстрации ожидаемой кинетики внешнего оплодотворения средняя фертильность самцов увеличивалась в зависимости от размера яйца ( х 2 = 90.11, д.ф. = 1, p <0,01) и плотности сперматозоидов ( × 2 = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их эффекты не были интерактивными ( × 2 = 2,35, df = 1, p = 0,13). Яйца обоих классов размера были значительно ограничены сперматозоидами при низкой плотности сперматозоидов, как и маленькие яйца при высокой плотности сперматозоидов (хотя и в меньшей степени; дополнительный электронный материал, рисунок S2). Крупные яйца при высокой плотности сперматозоидов приближались к максимальной фертильности, указанной в предварительных испытаниях (см. Раздел «Материалы и методы»).

По оценкам модели 1, относительная фертильность значительно варьировала среди мужчин во всех средах оплодотворения, предлагая постоянную возможность для отбора по целевому фенотипу сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от интерактивных эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: χ 2 = 19,76, d.f. = 4, p <0.01). Взаимодействие произошло из-за того, что дисперсия увеличивалась от более мелких яиц к более крупным при низкой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 18,73, df = 1, p <0,01), но не изменялась размером яйца при высокой плотности сперматозоидов ( χ 2 = 1,13, df = 1, p = 0,29; дополнительный электронный материал, рисунок S2).

(c) Отбор по морфологии сперматозоидов в разных средах оплодотворения

Градиенты направленного отбора ( β ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига средних значений признаков сперматозоидов, различались в зависимости от размера яйцеклетки ( х ). 2 = 16.46, д.ф. = 3, p <0,01), но не плотность сперматозоидов ( × 2 = 5,78, d.f. = 3, p = 0,12). Сравнение индивидуальных градиентов по классам размера яиц показало, что яйца большего размера оказывают более сильный отбор на морфологию сперматозоидов, чем яйца меньшего размера (). В частности, более длинные хвосты сперматозоидов увеличивают мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но преимущества становятся более значительными для сперматозоидов, нацеленных на более крупные яйцеклетки ( ß длина хвоста × размер яйца χ 2 = 4.26, д.ф. = 1, p = 0,03). Точно так же длина и ширина тела сперматозоида не влияли на способность самца оплодотворять меньшие яйцеклетки, но более крупные яйцеклетки благоприятствовали самцам с более коротким телом ( ß длина тела × размер яйца : χ 2 = 10,24, df = 1, p <0,01) и сперматозоидов с более узким телом ( ß ширина тела × размер яйца : x 2 = 7,17, df = 1, p <0,01).

Размер яйца опосредует направленный отбор по морфологии сперматозоидов.Каждый градиент ( β i ) измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения среднего значения признака (* p <0,05; ** p <0,01). По каждому признаку сила отбора существенно различается в зависимости от класса размера яиц. (Онлайн-версия в цвете.)

Нелинейные градиенты отбора ( γ ), измеряющие прямую силу отбора для сдвига дисперсий и ковариаций признаков сперматозоидов, не зависели от размера яйцеклетки ( × 2 = 8 .89, д.ф. = 6, p = 0,18), но различались в зависимости от плотности сперматозоидов ( χ 2 = 22,94, d.f. = 6, p <0,01; дополнительный электронный материал, таблица S2). Сравнение индивидуальных градиентов по плотности приписало этот результат деструктивному отбору по длине тела при высокой плотности, тогда как этот признак был выборочно нейтральным при низкой плотности ( γ длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 14,06, df = 1, п. <0.01) и положительной корреляционной селекции по длине хвоста и тела при низкой плотности, тогда как эта комбинация признаков была нейтральной при высокой плотности ( γ длина хвоста × длина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 6,82, df = 1, p <0,01). Плотность сперматозоидов также изменила квадратичный отбор по ширине тела ( γ ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 4,14, df = 6, p = 0,04) и корреляционный отбор по длине и ширине тела ( γ длина тела × ширина тела × плотность сперматозоидов : χ 2 = 5.03, д.ф. = 1, p = 0,02), но индивидуальный градиент не был значимым. Точно так же длина хвоста находилась под стабилизирующим отбором при низкой плотности сперматозоидов и нейтральным при высокой плотности, но эта разница между средами не была значительной.

Чтобы разрешить эти последние неоднозначные результаты и сравнить общую геометрию нелинейного отбора по плотности сперматозоидов, мы выполнили собственный анализ каждой матрицы γ [53]. Эта процедура post hoc дополняет обычную оценку градиентов нелинейного отбора путем визуализации нелинейного отбора вдоль составных осей (собственные векторы γ , определенные линейными комбинациями признаков сперматозоидов), где кривизна (заданная собственными значениями γ ) самый сильный.Таким образом, он не раскрывает больше выбора, чем в γ , а просто перераспределяет выбор между различными коэффициентами [54]. Мы рассчитали стандартные ошибки и p -значений для собственных значений в соответствии с Рейнольдсом и др. . [55] и построили важные оси с помощью тонких шлицев [54].

При каждой плотности сперматозоидов мы обнаружили две важные оси нелинейного отбора (электронный дополнительный материал, таблица S3), что позволило визуализировать отбор как единую поверхность пригодности, а фенотипы сперматозоидов, которые максимизируют фертильность, можно найти путем совместной интерпретации нагрузок признаков на эти топоры.При низкой плотности поверхность представляла собой простой пик ( a ). Здесь контрастные нагрузки длины хвоста и размеров тела на м 3 означают, что у высокоплодородных самцов была сперма со средними значениями всех признаков или что в ней сочетались более длинные хвосты с меньшими телами (причем последнее оставалось небольшим из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м 2 ). Напротив, поверхность при высокой плотности была седловидной ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м 1 , а длина хвоста преобладала м 3 , что означает, что у высокоплодородных самцов была сперма с необычно большими телами (или необычно маленькими, хотя и с меньшим приростом фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м i ) определяется линейной комбинацией признаков сперматозоидов (длина хвоста, длина тела и ширина тела) и измеряет прямую силу отбора для увеличения или уменьшения вариации комбинаций признаков. Оси получены из собственных анализов нелинейных градиентов выбора ( γ ; подробности см. В тексте). (Онлайн-версия в цвете.)

4. Обсуждение и заключение

Теоретические объяснения сохранения анизогамии традиционно подчеркивали давление отбора, связанное с размером конкуренции сперматозоидов и постзиготной выживаемостью [4,7], предполагая, что оплодотворение из всех доступных яйца препятствуют отбору по фенотипам, повышающим фертильность [10].Однако при использовании внешних удобрений оплодотворение часто бывает неполным из-за ограничения количества сперматозоидов [11,12], а риск полиспермии ослабляет преимущество большого количества сперматозоидов, которое, по прогнозам, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора, чтобы сформировать эволюцию свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйцеклетки и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающих сперматозоидов Galeolaria и способами, которые потенциально могут усилить диморфизм размеров мужских и женских гамет.Таким образом, наше исследование предлагает новое понимание эволюции сперматозоидов и эволюционного поддержания анизогамии при использовании внешних удобрений.

(a) Размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов

Наши тесты показали, что размер яйца является фактором направленного отбора на морфологию сперматозоидов, активно способствуя направленному эволюционному изменению свойств сперматозоидов через их влияние на мужскую фертильность. В частности, яйца большего размера усиливали положительный отбор по длине хвоста: то есть сперматозоиды с более длинными хвостами повышали мужскую фертильность независимо от размера яйцеклетки, но избирательное преимущество более длинных хвостов становилось более значительным, когда сперматозоиды предназначались для более крупных яйцеклеток.Яйца большего размера также благоприятствовали сперматозоидам с более коротким и узким телом, тогда как яйца меньшего размера полностью ослабляли выбор по размерам тела сперматозоидов. Основываясь на физических и биомеханических принципах [56,57], эти результаты предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с меньшим сопротивлением меньшего тела и большей толчком более длинного хвоста. Данные других внешних удобрений о том, что низкое соотношение тела к хвосту увеличивает скорость плавания сперматозоидов [58], и что более быстрые сперматозоиды имеют более высокий успех оплодотворения [59], подтверждают нашу интерпретацию.Этот курс предполагает, что адаптивная эволюция фенотипа сперматозоидов не ограничивается генетической архитектурой, которая остается неизвестной для Galeolaria , но, тем не менее, согласуется с текущими данными из различных таксонов [60].

Возможность того, что размер яйцеклетки влияет на выбор морфологии свободно плавающих сперматозоидов, поднимает вопрос о том, является ли это аналогом загадочного выбора самки. Необходимым компонентом такого выбора является то, что женщины различают и предпочтительно используют сперму разных мужчин [61].Здесь, в Galeolaria , яйца разных размеров изменяли вероятность оплодотворения данным самцом в соответствии с морфологией его спермы. Поскольку яйцеклетки были объединены у женщин, чтобы изолировать последствия пригодности сперматозоидов от генетической совместимости при оплодотворении, мы утверждаем, что этот феномен действительно может отражать преимущественное использование яйцеклетками различных фенотипов сперматозоидов. Однако, поскольку наши испытания оплодотворения не проводились в конкурентных условиях, способность яйцеклеток различать сперматозоиды от разных самцов, когда им предоставляется такая возможность, остается открытым вопросом.

Выбор сперматозоидов женщинами все чаще признается важным фактором эволюции сперматозоидов и совместной половой эволюции во внутренних удобрениях, что проявляется в положительной связи между длиной сперматозоидов и размерами женских репродуктивных путей [22–24]. Доказательства выбора женской спермы во внешних удобрениях накапливались медленнее, несмотря на то, что в этой системе у женщин была одна из немногих возможностей для выбора партнера [12,61]. Заметным исключением являются работы по белкам распознавания гамет, демонстрирующие, как они способствуют выбору партнера и репродуктивной изоляции, опосредуя мужскую фертильность внутри и между видами [30,62,63].Другие исследования также предположили, что яичниковая жидкость, окружающая яйца во время нереста, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследуемых нами видов [37]. Здесь, насколько нам известно, мы представляем первое свидетельство того, что яйцеклетки сами могут быть нацелены на морфологические, возможно, гидродинамические аспекты функционирования сперматозоидов, добавляя новое измерение к аргументу о том, что яйцеклетки - это больше, чем просто пассивные приемники сперматозоидов, а внешнее оплодотворение - больше, чем раса. среди мужчин [63].

(b) Размер эякулята является фактором нелинейного отбора на морфологию сперматозоидов

Учитывая роль частоты встреч с гаметами в кинетике оплодотворения [19–21], мы ожидали, что отбор сперматозоидов Galeolaria будет зависеть от интерактивных эффектов яйцеклетки. и размер эякулята, при этом эффекты размера яйцеклетки сильнее при ограничении спермы и ослабляются, когда яйцеклетки становятся насыщенными спермой. Вместо этого размер эякулята изменил нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов, действуя, чтобы изменить дисперсию комбинаций признаков, но не изменил направленных изменений, которым способствует эти признаки яйцеклеткой.Чтобы понять, как эти различные аспекты среды оплодотворения нацелены на разные моменты распределения фенотипов сперматозоидов, стоит понять, что нелинейный отбор формирует вариацию признаков независимо от направленного отбора по средним признакам [31,53]. Следовательно, условия ограниченности сперматозоидов приводят к сокращению дисперсии вокруг фенотипа с более длинным хвостом и меньшим телом, которому отдают предпочтение более крупные яйцеклетки, действуя таким образом, чтобы стабилизировать этот фенотип. Хотя эта потеря дисперсии может потенциально ограничить опосредованный яйцеклеткой отбор за счет сокращения диапазона доступных фенотипов сперматозоидов, условия насыщения сперматозоидами должны иметь противоположный эффект, предоставляя яйцеклеткам новые возможности отбора, действуя для увеличения дисперсии вокруг нового фенотипа.Такие колеблющиеся эффекты плотности сперматозоидов облегчаются по своей природе, более того, из-за различий в размере популяции, нерестовом поведении и эффектах разведения [11,12].

Оценки отбора по фенотипу сперматозоидов остаются редкими для внешних удобрений, но прошлые исследования выявили в целом аналогичные закономерности с нашими. Например, Фитцпатрик и др. . [39] обнаружили нелинейный, но не направленный отбор в пользу более мелких тел сперматозоидов в условиях ограниченного количества сперматозоидов у мидий Mytilus galloprovincialis .Наше исследование Galeolaria gemineoa [40] показало, что сперматозоиды с более длинными хвостами и меньшим телом обладают избирательным преимуществом при более высокой плотности сперматозоидов, но обусловлены скорее направленным, чем нелинейным отбором, и более широким диапазоном плотностей, чем мы исследовали здесь. Таким образом, имеющиеся ограниченные данные подтверждают два наблюдения. Во-первых, отбор по морфологии сперматозоидов зависит от контекста, предлагая возможное объяснение разнообразия характеристик эякулята во внешних удобрениях [27].Во-вторых, независимо от его точной формы и источника, отбор последовательно ориентируется на размер тела относительно длины хвоста, подтверждая рекомендацию a priori об этом соотношении в качестве ключевого предиктора производительности сперматозоидов через его связь со скоростью плавания [56].

(c) Влияние на эволюционное поддержание анизогамии

В целом, наша работа предполагает, что давление отбора, оказываемое размером яйцеклетки и ограничением сперматозоидов, может способствовать поддержанию анизогамии во внешних удобрениях, ограничивая адаптивную ценность более крупных сперматозоидов в отсутствие конкуренция.Это отходит от обычного предположения, что ослабление давления конкуренции сперматозоидов должно способствовать более крупным сперматозоидам, которые увеличивают жизнеспособность зигот [1,4,7]. Мы никоим образом не утверждаем, что эти давления являются взаимоисключающими, только то, что продемонстрированные здесь потенциально предлагают более полное объяснение стабильности анизогамии во всем диапазоне сред спермы, типичных для этой системы спаривания. Наш аргумент о том, что более крупные яйцеклетки благоприятствуют более мелким сперматозоидам (несмотря на широкие вариации признаков, лишь слабо ограниченные отрицательными корреляциями, чтобы позволить им эволюционировать пропорционально крупнее; дополнительный электронный материал, таблица S1), предполагает, что тело дороже, чем хвост.Однако энергетика спермы предлагает некоторую поддержку этой интерпретации. Для свободно плавающих сперматозоидов размер тела - это сумма ядра и митохондриальной средней части, которая хранит ресурсы, управляющие энергетическим метаболизмом и подвижностью [65], и производит энергию пропорционально своему размеру [66]. Таким образом, если ресурсы, полученные от меньшего тела, перевешивают те, которые были заплачены за более длинный хвост (что вероятно, если плавание обеспечивается средним элементом), то более крупные яйцеклетки действительно могут формировать морфологию сперматозоидов, которая фактически меньше с точки зрения чистых затрат.Этот аргумент, хотя и предположительно спекулятивный, предполагает, что акцент на размере сперматозоидов в моделях анизогамии и конкуренции сперматозоидов потенциально предлагает чрезмерно упрощенный взгляд на эволюцию сперматозоидов (см. Также [56]), но такой, который можно согласовать с такими результатами, как наши, лучшее понимание энергетических затрат на сперматозоиды разных конструкций.

Наконец, предполагается, что размеры сперматозоидов и яйцеклеток совместно эволюционируют за счет их совместного инвестирования в зиготы [4,7], но наше исследование утверждает, что гаметы внешних удобрений могут делать это посредством давления взаимного отбора, оказываемого сперматозоидами и яйцеклетками при оплодотворении.Прошлые работы по этой системе спаривания установили важность плотности сперматозоидов как фактора отбора по размеру яйцеклетки, при этом меньшие эякуляты предпочитают более крупные яйца, которые легче обнаруживаются спермой, а более крупные эякуляты предпочитают меньшие яйца с меньшим риском полиспермии [19–19]. 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки действует реципрокно как фактор отбора сперматозоидов, мы делаем вывод, что эволюционные судьбы полов связаны взаимодействиями между гаметами как на до-, так и на постзиготической стадиях жизненного цикла.Более того, эволюционная диверсификация размеров яиц охватывает поразительные несколько порядков величины среди современных многоклеточных животных и обычно объясняется неоднородностью окружающей среды при постзиготном отборе [67]. Возможность того, что эволюция сперматозоидов была задействована в этом процессе, подразумевает, что следующим ключевым шагом будет поиск признаков коэволюции гамет в более глубокой эволюционной истории этой группы.

Размер и однополая ячейка

У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.

Сперматозоиды - одни из самых маленьких клеток человеческого тела. Яичные клетки, напротив, являются одними из самых крупных. Почему половые клетки («гаметы») должны быть такого неравного размера? Разве не было бы лучше, если бы яйца и сперма были одинакового размера?

Пытаясь объяснить это различие, биологи-эволюционисты продолжают копать богатый пласт теории и наблюдений за естественной историей.Последние в длинной череде продуманных теоретических исследований по этому вопросу были сделаны Хироюки Мацуда из Токийского университета, Япония, и Питером А. Абрамсом из Университета Мэриленда.

В статье Evolutionary Ecology Research 1 , Мацуда и Абрамс задают дополнительный вопрос: почему гаметы одинакового размера должны быть настолько редкими? Хотя некоторые простые одноклеточные организмы, водоросли и грибы имеют гаметы одинакового размера, у большинства существ, как правило, сперматозоиды (мужские гаметы) намного меньше, чем яйца (женские гаметы).Часть их аргументов основывается на интуиции, подкрепленной строгой математикой, о конкурирующих приоритетах гамет и оплодотворенных яиц, также называемых «зиготами».

Преимущество производить много гамет, а не несколько. Но производство является дорогостоящим и может привести к уменьшению размера отдельных гамет: самцы производят много сперматозоидов, но каждая из них очень мала. Другими словами, количество произведенных гамет обратно пропорционально размеру гамет. Но если и у самцов , и у самок будут крошечные гаметы, в результате оплодотворенная яйцеклетка окажется слишком маленькой, чтобы быть жизнеспособной.У зигот тоже есть свои потребности, что приводит к отбору для увеличения размера гамет - успех зиготы зависит от суммы размеров обеих гамет, сперматозоидов и яйцеклетки.

Это объяснение имеет смысл, но оно неполное, так как возникает следующий вопрос: почему маленькие гаметы всегда являются мужскими, а большие - всегда женскими? Конечно, если бы самцы и самки были похожи во всех отношениях, за исключением размеров их гамет, этот вопрос был бы бессмысленным. Однако у большинства организмов есть два разных пола или «типа спаривания», которые различаются всеми способами, помимо формы их гамет.

Возможно, гендерные различия начинались с простого различия в гаметах - однако существуют организмы, которые имеют разные типы спаривания, но гаметы одинакового размера. Но почему не существует видов, у которых как самцы, так и самки имеют очень разные размеры гамет? Вот где анализ Мацуда и Абрамса становится действительно интересным.

Важная часть их аргументов основывается на предположении о генетике. Гаметы одинакового размера могут сохраняться при условии, что гены, влияющие на размер гамет, и гены, определяющие пол, не сцеплены (то есть физически не расположены близко друг к другу по хромосоме.Однако, если гены размера гамет и пола связаны, они будут усиливать друг друга.

Это означает, что условие наличия гамет одинакового размера нестабильно по своей природе. Если по какой-либо причине возникает ситуация, при которой мужские гаметы в среднем меньше женских, то повернуть время вспять становится невозможно. По словам исследователей, путь к гаметам равного размера фактически заблокирован. Следовательно, в эволюции будет происходить большее чистое движение от гамет равного размера к гаметам неравного размера, поэтому гаметы одинакового размера в природе редки.

Ссылки

  1. 1

    Matsuda, H. & Abrams, P.A. Почему гаметы одинакового размера так редки? Нестабильность изогамии и стоимость анизогамии Evolutionary Ecology Research 1 , 769 - 784 .1999.

    Google ученый

Скачать ссылки

Об этой статье

Цитируйте эту статью

Ну и дела, H. Размер и однополая ячейка. Nature (1999). https://doi.org/10.1038/news9-4

Скачать цитату

Справочник по размеру и весу яиц

Вы когда-нибудь открывали коробку с яйцами и замечали, что одно или два из них не совсем соответствуют размеру? Вопреки распространенному мнению, размер яйца определяется по весу, а не по объему. По этой причине нередко можно время от времени наблюдать некоторые визуальные изменения физического размера яиц, даже в одной и той же коробке.И хотя средние и большие яйца являются наиболее распространенными вариантами в продуктовом магазине, куры откладывают яйца самых разных размеров, от крошечных до крупных. Читайте дальше, чтобы узнать все о разных размерах яиц, о том, как они определяются и какие факторы влияют на размер куриного яйца.

Как определяется размер яиц

В Соединенных Штатах за установление стандартов размеров яиц отвечает Министерство сельского хозяйства США (USDA), устанавливая минимальный вес каждой дюжины.Правильно: согласно Министерству сельского хозяйства США, "размер указывает на минимальный требуемый вес нетто на дюжину яиц. Он не относится к размерам яйца или его внешнему виду. Некоторые яйца в коробке могут выглядеть немного больше или меньше, чем остальное, это общий вес дюжины яиц, который помещает их в один из следующих классов ". Это может показаться нелогичным, но это объясняет, почему в большинстве картонных коробок для яиц есть некоторые визуальные различия. Калибровка по дюжине, а не по индивидуальному весу, также помогает устранить отходы в яичной промышленности, гарантируя, что все яйца попадут в картонную коробку.

Руководство по размеру и весу яиц

Министерство сельского хозяйства США выделяет шесть весовых категорий для очищенных яиц потребительского класса: мелкие, средние, большие, очень большие и большие.

Peewee

Яйца Peewee, наименьшая весовая категория, считаются самым редким размером. Их часто называют яйцами молодки, что означает, что они снесены очень молодыми курицами. Яйца Peewee весят не менее 15 унций на дюжину.

Малый

Как и крошечные яйца, маленькие яйца поступают от кур, которые только начинают свой цикл яйцекладки.По размеру они часто напоминают перепелиные яйца. Маленькие яйца весят не менее 18 унций на дюжину.

средний

Поскольку толщина скорлупы коррелирует с размером яйца, яйца среднего размера - отличный вариант для варки вкрутую, потому что у них немного более толстая скорлупа, чем у больших яиц, что облегчает их очистку. Яйца среднего размера весят не менее 21 унции на дюжину.

Большой

Крупные яйца являются наиболее распространенным размером яиц для кур в расцвете яйцекладки и, следовательно, наиболее широко доступными.Большинство рецептов (особенно когда речь идет о выпечке) написаны с учетом больших яиц, независимо от того, указан ли размер в рецепте или нет. Крупные яйца весят не менее 24 унций на дюжину.

Очень большой

Если вы хотите немного прибавить силы в схватке, выбирайте очень большие яйца. Они почти так же распространены, как и большие яйца, но они отлично подходят для всех, кто не занимается выпечкой (но в крайнем случае их можно заменить большими яйцами). Яйца очень большого размера весят не менее 27 унций на дюжину.

Джамбо

Яйца Jumbo являются самой крупной весовой категорией и, как правило, поступают от крупных пород кур или от кур, которые все еще адаптируются к своему циклу яйцекладки. Яйца Jumbo весят не менее 30 унций на дюжину.

Бонус: двойные желтки и яйца фей

Когда вы возьмете коробку с нашими гигантскими яйцами, вам может повезти, и вы обнаружите внутри двойной желток (или целую дюжину!). Эти яйца технически считаются «супер-джамбо». По большому счету двойные желтки очень редки, но поскольку наши суперджамбо настолько велики, что их приходится упаковывать вручную, они, как правило, оказываются в одной и той же коробке.Это означает, что если вы обнаружите один двойной желток, скорее всего, яйца поблизости также будут наполнены дополнительным золотым вкусом. На другом конце спектра есть яйца настолько маленькие, что в них даже нет желтка. Они известны как яйца фей, и хотя их интересно увидеть лично, очень маловероятно, что вы найдете их в наших картонных коробках.

Несоответствия в калибровке яиц

Иногда яиц одного размера больше, чем других. Министерство сельского хозяйства США заявляет, что «допустимо упаковывать яйца следующего большего размера в картонные коробки (например, большие яйца, упакованные в картонные коробки среднего размера), при условии, что они не смешаны в одной картонной коробке с более низкой отмеченной весовой категорией.Это означает, что для выполнения заказа, например, большие яйца могут быть упакованы в картонные коробки с пометкой «средний» - поэтому время от времени вы можете встретить картонную коробку с яйцами, которая кажется больше, чем вы привыкли.

От чего зависит размер яйца?

Физический размер яйца зависит от ряда факторов, некоторые из которых связаны с самой курицей, а другие - с ее средой и окружением. Некоторые из наиболее важных факторов включают возраст, породу, время года и освещение.

Возраст

Возраст курицы, пожалуй, самый важный фактор, определяющий размер ее яйца. Однако корреляция между возрастом и размером яиц не совсем прямая: известно, что молодки и молодые куры откладывают яйца в обоих крайних диапазонах размеров, от крохотных до гигантских. Куры в первые дни яйцекладки имеют тенденцию к более равномерной кладке, обычно откладывая яйца среднего и крупного размера.

Порода

Порода курицы определяет размер ее тела, что помогает определить размер ее яиц.Такие породы, как джерсейские гиганты, кохины и орпингтоны, например, являются более крупными птицами и поэтому откладывают более крупные яйца. С другой стороны, куры породы бантам меньше средней курицы и, как правило, откладывают соответствующие яйца.

Сезон и освещение

Как и у людей, у кур есть внутренние часы, поэтому время года играет большую роль не только в частоте их кладки, но иногда и в размере их яиц. Зимой куры, естественно, перестают нести, если им не предоставляется искусственное освещение, и даже те, которые продолжают нести, часто откладывают яйца меньшего размера.

Как Пит и Джерри определяют размер яиц?

Оценить наши яйца в Pete and Gerry's - непростая задача. Фактически, у нас есть своя наука, чтобы гарантировать, что каждая упаковка яиц с наших небольших семейных ферм всегда соответствует ожиданиям потребителей. Вот как мы это делаем:

В начале каждого дня наши механики калибруют наши весы, чтобы убедиться, что они соответствуют нашим спецификациям по весу яиц. Это рекомендовано производителями нашего оборудования и задокументировано на нашем предприятии.Наши механики ведут строгий учет надлежащей калибровки наших машин и ежедневно регистрируют проверки калибровки.

Отсюда наши операторы оборудования назначают упаковщиков для определенных яиц в зависимости от веса яйца. Затем продукт, соответствующий этим спецификациям, проходит через соответствующую упаковочную линию. Например, если линия упаковки предназначена для яиц большого размера, компьютеризированная система будет отправлять только яйца большого веса для упаковки в наши картонные коробки с крупной этикеткой. Компьютеризированная система запрещает упаковывать яйца весом менее стандартного USDA для крупных партий в крупную линию.Наши компьютеры также отслеживают общий вес всех крупных яиц, обработанных в течение дня, чтобы мы могли убедиться, что средний вес определенного типа яиц находился в пределах определенных весовых параметров.

Помимо калиброванных весов, у нас есть персонал на упаковочной линии, который регулярно документирует ручной вес нашего готового продукта, чтобы проверить, что мы отправляем готовый продукт, который соответствует этим строгим требованиям к весу. У нас также есть персонал Министерства сельского хозяйства США, который следит за тем, чтобы мы очень строго следовали этим ожиданиям и строгим правилам.Это всего лишь один из этапов путешествия яйца, но он очень важен.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *