BBC, Великобритания. У кого самые большие сперматозоиды
11.06.2017
Элла Дэвис (Ella Davies)
Сперматозоиды и яйцеклетки разных животных могут быть невероятно маленькими — во много раз меньше, чем человеческие, а могут быть и поистине громадными, выяснила корреспондент BBC Earth. От чего же это зависит и кто чемпион?
Сперматозоид — самая маленькая клетка в человеческом теле, и в то же время одна из самых сложных. Яйцеклетка, напротив, — самая большая, но не менее сложная.
Если же мы бросим взгляд на то, какими бывают половые клетки (или гаметы) у представителей животного мира, мы обнаружим, что их разнообразие просто поразительно.
У большинства биологических видов — две гаметы, мы определяем их как мужскую и женскую.
«Гаметы выполняют две фундаментальные функции: а) обеспечить зиготу (оплодотворенную яйцеклетку, развивающуюся в особь, — Прим. перев.) достаточным запасом питательных веществ и защитными оболочками и б) найти половые клетки того же биологического вида и оплодотворить их», — объясняет Мэттью Гейдж из британского Университета Восточной Англии.
«Выполнять одинаково хорошо и то, и другое — это сложнейшая задача, потому что каждая из функций имеет свои, специфические особенности и требования, влияющие как на размер, так и на количество клеток».
«С одной стороны, для половых клеток, отвечающих за выживание потомства, важен большой размер с достаточным питательным потенциалом — так появились и развивались яйцеклетки, производимые женскими особями», — продолжает он.
«С другой стороны, нужны гаметы, оптимально выполняющие задачу проникновения в яйцеклетку и оплодотворения ее, поэтому эволюция позаботилась о том, чтобы сперматозоидов, производимых мужскими особями, было достаточное количество».
Почему сперматозоиды бывают такими разными — и по размеру, и по форме? Для исследователей тут — работы непочатый край.
Логически можно предположить, что чем меньше живой организм, тем меньше его сперматозоиды. Однако так бывает далеко не всегда. Более того, самый длинный из известных науке сперматозоидов — у крошечной мушки.
Муха дрозофила (Drosophila bifurca) вырабатывает сперматозоид в виде клубка. Когда ученым удалось размотать этот клубок на всю его длину и измерить, оказалось, что сперматозоид маленькой мушки достигает почти 6 см. Это в 20 раз длинней, чем тело мужской особи этой самой дрозофилы.
В исследовании 2016 года поистине гигантский по меркам дрозофилы сперматозоид сравнивался с хвостом павлина. То есть он, как предполагалось, эволюционно развился до такой длины в связи с тем, что женские особи предпочитали именно такие, длинные.
Однако больше — не всегда означает лучше. На другом конце масштабной шкалы — самый короткий из известных науке сперматозоидов — осы-паразитоида, Cotesia congregata. В нем меньше 7 микрометров (0,0007 см).
Как говорит Ронда Снук из Шеффилдского университета (Великобритания), есть несколько возможных объяснений таким большим различиям в размерах сперматозоидов.
Исследование Снук показали, что естественный отбор оставил только сперматозоиды, наиболее оптимальной для размножения формы и размера.
Может показаться странным, что победили как коротенькие, так и длинные, однако все это определяется обстоятельствами развития того или иного биологического вида — а точнее, конкуренцией и критериями выбора.
Когда женские особи спариваются с множеством мужских, сперматозоиды вступают в конкуренцию друг с другом, и только наиболее здоровый из них выиграет это жесткое соревнование и оплодотворит яйцеклетку.
Такие условия породили массу вариаций — в том числе и тот длиннющий сперматозоид дрозофилы.
Как пример сверхконкурентоспособности можно привести сперму мокрицы, которая образует цепочки маленьких капсул, помогающих друг другу, и семенную жидкость некоторых мух и жуков, которая отравляет сперму конкурентов.
Одна из распространенных тактик, применяемых мужскими особями, — установка так называемой копуляционной пробки, перекрывающей сперматозоидам других мужских особей доступ к яйцеклеткам. Копуляционная пробка используется пауками, шмелями, белками и даже некоторыми приматами.
Но по большому счету для мужской особи все сводится к достижению преимущества либо за счет производства большого количества спермы, либо малого ее количества, но более сильной.
Выбор зависит от нескольких факторов — например, от того, путь какой длины должен проделывать сперматозоид или как много энергии остается у мужской особи после всех брачных ритуалов, предшествующих спариванию.
Скажем, в исследовании 2015 года выдвигается предположение, что более крупные млекопитающие вырабатывают более мелкие сперматозоиды, поскольку репродуктивный тракт их самок большего размера. И это звучит логично — ведь чем больше поле, тем больше нужно игроков.
Кроме всего прочего, есть еще и «загадка женского выбора»: у некоторых биологических видов женская особь может выбирать, чьи сперматозоиды оплодотворят ее яйцеклетки.
«Мы многого не знаем про этот процесс: то ли такое разнообразие в формах и размерах сперматозоидов стало результатом этого самого "загадочного женского выбора", то ли все сводится к конкуренции, — размышляет Снук. — Но как и в большинстве вопросов, встающих перед наукой, скорее всего это сочетание нескольких факторов».
С женскими яйцеклетками всё не менее сложно.
Самое большое яйцо среди живых существ откладывает страус. Оно в 20 раз тяжелее куриного яйца — высота его достигает 15 см, ширина 13 см.
Самые маленькие яйца среди птиц — меньше 7 мм — откладывает колибри-пчелка, самая маленькая из колибри.
Тим Беркхед из британского Университета Шеффилда — автор книги The Most Perfect Thing: The inside (and outside) of a bird's egg («Самая совершенная вещь на свете: внутри и снаружи птичьего яйца»). По его словам, в мире птиц размер яйца как правило пропорционален размеру тела, хотя есть и исключения.
«Ворон (Corvus corax) и полярная птица кайра (Uria aalge) схожи по размеру тела и весят примерно 1 кг, — отмечает он. — И тем не менее вес яйца ворона составляет лишь 3% от веса самки, в то время как вес яйца кайры составляет около 12% веса самки».
Беркхед утверждает, что ключевой фактор в определении, какого размера будут яйца того или иного биологического вида, — это скорость развития зародыша.
Особи тех видов, птенцы которых развиваются быстро, откладывают крупные яйца, говорит он.
Тут надо отметить, что мы немного непоследовательны в том, как используем слово «яйцо».
Сравним женскую яйцеклетку человека, диаметр которой 0,12 мм, с куриным яйцом длиной 55 мм. Дело всё в том, что куриное яйцо — это не только яйцеклетка, у него множество других функций.
В то время как женщины вынашивают свое потомство в животе, несущие яйца особи (например, куры) должны обеспечить своих детей достаточным количеством всего необходимого, чтобы развиваться вне тела матери.
Для этого последние создают специальную структуру, которую мы привычно называем яйцом и которая дает зародышу пищу, воду и защиту (скорлупа) от внешних воздействий.
И это не какой-то странный каприз природы — большая часть живых существ (птицы, насекомые, рыбы) делает именно так.
Как отмечает Беркхед, здесь тоже не обходится без эволюционных компромиссов и вариаций: для каких-то видов лучшим вариантом стали крупные яйца, для других — маленькие, но много.
По крайней мере, ясно одно: если вы хотите увидеть самые маленькие яйца на свете, вам понадобится микроскоп.
Согласно обзору исследований, сделанному в 1994 году энтомологами Университета Флориды (США), самые маленькие яйца откладывают крошечные паразиты.
Неудивительно, что данные о таких микроскопических яйцах крайне трудно найти. В том же обзоре 1994 года упоминается малюсенькая мушка-паразитоид Clemelis pullata, у которой самые маленькие яйца из известных науке: 0,027 на 0,02 мм.
Впрочем, пока никто еще не исследовал половые клетки мимаридов, миниатюрных ос-паразитоидов (паразитических наездников). Эти насекомые — одни из самых маленьких на планете, от 0,5 до 1 мм длиной. Несложно догадаться, что яйца, которые они откладывают, очень и очень маленькие.