Размер яиц у мужчин: УЗИ яичек у мужчин в Москве в центре диагностики, сделать ультразвуковое исследование яичек у мужчин в Москве по низким ценам

УЗИ яичек у мужчин в Москве в центре диагностики, сделать ультразвуковое исследование яичек у мужчин в Москве по низким ценам

Яички – это мужские половые железы, расположенные в мошонке. Органы являются парными и отвечают за синтез стероидных гормонов и выработку сперматозоидов. Заболевания яичек вызывают различные половые расстройства.

С помощью УЗИ мошонки можно выявить патологию на ранней стадии и вовремя начать лечение. Процедура безболезненна, безопасна для мужчин в любом возрасте и не требует подготовки. Проводится амбулаторно. Сделать УЗИ мошонки в Москве по разумным ценам можно в клинике «Альфа-Центр Здоровья».

Показания к обследованию

УЗИ мошонки у мужчин назначают в следующих случаях:

• Замедленное половое созревание или преждевременное взросление мальчика.
• Отклонения в результатах спермограммы.
• Снижение либидо, потенции.
• Мужское бесплодие.
• Болезненность, покраснение и отечность кожи в области мошонки.
• Видимое увеличение или уменьшение размеров яичек и придатков.
• Крипторхизм.
• Подозрение на наличие метастаз, опухолей, грыж, кист, кальцинатов во внутренних органах мошонки.
• Травмы промежности.
• Исследование регионарных лимфоузлов в комплексной диагностике рака.
• Подготовка пациента к операции на яичках, к тонкоигольной биопсии, аспирации, другим инвазивным процедурам.
• Динамическое наблюдение после хирургического лечения.
• Контроль эффективности медикаментозной терапии.

В нашей клинике в Москве УЗИ мошонки делают не только с целью диагностики уже имеющегося заболевания, но и для профилактики мужских болезней – пациенты из групп риска проходят обследование ежегодно. Цена УЗИ мошонки для диагностики и профилактики одинаковая.

Противопоказания

Ультразвуковое сканирование не имеет противопоказаний. Отсутствует лучевая нагрузка на организм, обследование могут проходить взрослые и дети с протезами, металлическими имплантатами, кардиостимуляторами и т. д.

Затруднить осмотр может психическое или неврологическое отклонение, при котором пациент не способен сохранять неподвижность и контролировать свои действия. В этом случае врач обсуждает с родственниками больного возможность применения седативных препаратов, которые включают в стоимость УЗИ яичек.

Как делают УЗИ мошонки

Ультразвуковое исследование выполняют стандартным методом: с использованием датчика и геля, улучшающего проводимость сигнала. Врач УЗИ-диагностики подробно расскажет о ходе процедуры непосредственно на приеме. Весь процесс сканирования занимает около 15-20 минут.

С целью исследования кровообращения врач может в ходе процедуры заменить датчик на аппарате и сделать УЗИ сосудов мошонки с допплерографией (УЗДГ). Динамическая двухцветная картинка позволяет оценить интенсивность кровотока и строение сосудистой сетки, что важно в диагностике большинства заболеваний. Уточнить, сколько стоит исследование с допплерографией, можно у регистраторов в нашей клинике.

После обследования врач подготовит описание УЗИ мошонки, которое входит в стоимость услуги. Для расшифровки результатов необходимо обратиться к лечащему доктору и показать ему протокол.

Что показывает УЗИ мошонки

В норме яички здорового мужчины имеют длину 30-50 мм и ширину 20-30 мм. Тело и хвост придатка на сонограмме не определяются, если в нем нет патологии. Головка визуализируется, ее диаметр не превышает 10-15 мм. При проведении обследования здорового пациента врач не обнаружит новообразований, больших скоплений жидкости. Толщина стенки мошонки – не более 8 мм. Отклонения от нормы в УЗИ яичек и прилегающих структур свидетельствуют о развитии болезни.

В описании могут содержаться следующие признаки:

• Головка придатка увеличена, просматриваются его тела и хвост. Объем жидкости между оболочками яичка превышает 2 мл. Признаки указывают на возможное развитие эпидимита.
• Объем свободной жидкости значительно превышает норму. Это характерный симптом варикоцеле и гидроцеле.
• В мошонке обнаружено объемное образование с низкой эхогенностью, нечеткой формой и разнородной структурой. Возможно, на семеннике образовался абсцесс, который требует срочного лечения.
• Контуры и форма яичек изменены. Такая картина характерна для пациентов с травмой наружных половых органов.
• Тестикула отсутствует в мошонке. Врач диагностирует крипторхизм.
• Объем свободной жидкости увеличен, на УЗИ органов мошонки определяется новообразование, выходящее за пределы внутренних структур. Это признаки злокачественной опухоли.
• Обнаружено объемное образование, сдавливающее канальцы и нарушающее нормальный отток спермы. Такие показатели на УЗИ яичек у мужчин помогают определить и устранить возможную причину бесплодия.
• Обнаружено одно или несколько жидкостных образований с четкими контурами. Это кисты, которые могут являться причиной бесплодия, увеличения мошонки.

УЗИ яичек с допплером сосудов дает информацию о скорости и объеме кровотока, форме и структуре вен и артерий. На цветном изображении лучше визуализируются участки нарушения кровоснабжения, например, при перекруте семенника. Сканирование также позволяет оценить сетку, питающую раковую опухоль, и спланировать хирургическое вмешательство. УЗИ мошонки с допплерографией всегда дополняет данные стандартного сканирования. Результаты помогают врачу лучше понять природу обнаруженных патологий.

Записаться на УЗИ яичек в Москве

Выберите удобное время для исследования и запишитесь на прием через форму обратной связи. Наши регистраторы также консультируют пациентов по телефону. Мы расскажем, сколько стоит УЗИ мошонки, запишем вас на консультацию к урологу-андрологу или другому узкому специалисту для расшифровки результатов.

Адрес клиники «Альфа-Центр Здоровья» в Москве указан в разделе «Контакты».

От чего зависит размер яиц у мужчин?

Хоть мужчины и являются представителями сильного пола, у каждого из них есть уязвимое место – половые органы и область паха. Особенно внимательно мужчине нужно относиться к состоянию полового члена и яичек, так как они отвечают за половую и репродуктивную функцию. Стоит знать, каким должен быть в норме размер яиц у мужчин, чтобы своевременно отметить любые патологические изменения.

Размер тестикул (семенники или яички мужчины) напрямую зависит от ряда факторов и причин. Бережное отношение к их внешнему состоянию и функционированию позволит предупредить любые отклонения от нормы и нарушения в организме. И хоть незначительная симметрия допустима, так как все парные органы отличаются размером и расположением, все же присматриваться периодически к размеру яиц нужно.

Содержание материала:

От чего зависит размер яиц у мужчин?

Яички мужчины – это парный орган в виде железы, который предназначается для двух жизненно важных функций – производство полового гормона тестостерона, а также созревание и сохранение сперматозоидов. В силу особенностей анатомии и строения половых органов, яички располагаются на разном уровне, имеют незначительную разницу в диаметре и длине. Это позволяет защитить их от трения, перекрута, механических воздействий.

Размер семенников напрямую зависит от ряда факторов, а именно:

• наследственность и генетическая предрасположенность, то есть размеры наружных половых органов передаются по наследству от отца сыну и т. д.;
• индивидуальные особенности организма;
• уровень полового гормона тестостерона в организме;
• протекание периода полового созревания и образ жизни мальчика в это время;
• состояние психоэмоционального фона;
• общие пропорции телосложения, рост, вес и т. п.;
• общее состояние здоровья и иммунной системы.

Как говорят врачи, самый важные период, который сказывается на развитии и размере яичек и других половых органов – это время полового созревания юноши с 9 до 18 лет. В это время подростку важно избегать вредных привычек, неправильного образа жизни, приема гормональных препаратов, травм и вредных привычек, нужно полноценно питаться и быть активным.

Какой размер считается нормой?

Определившись с тем, от чего зависит размер тестикул у мужчины, стоит рассмотреть общепринятые нормы касательно длины и диаметра яичек. Если рассматривать среднестатистического европейского мужчину, длина его яичек может составлять в норме 4-6 см, а диаметр – 2-3 см. Врачи даже называют оптимальный объем одного яичка, он составляет 13-29 см³.

Любые отклонения от нормы в пределах 1-2 см не должны быть поводом для паники и беспокойств. У мужчин крупного телосложения и высокого роста размер соответственно будет немного больше нормы. Также у всех мужчин без исключения должна присутствовать асимметрия расположения, а также . Важным показателем считается возраст мужчины и его национальность.

Мнение эксперта

Елена Дружникова

Сексолог. Эксперт по семейным отношениям. Семейный психолог.

Тревогу нужно быть только в том случае, если наблюдается стремительное увеличение размера одного или двух сразу яичек, болевые ощущения во время пальпации и в области мошонки во время полового акта, ощутимые уплотнения и изменение цвета тестикул.

Почему яйца могут быть разного размера?

От природы у праворукого мужчины наблюдается ситуация, когда правое яичко немного больше левого, у левши все наоборот. Но если яйца у мужчины разного размера с выраженной разницей, этому может предшествовать патологический процесс в организме. А именно:

• воспаление придатков яичек, что называется эпидидимитом;
• перекрут яичек, как врожденная или приобретенная редкая патология;
• варикоцеле, то есть водянка яичка, что сопровождается патологическим его увеличением;
• рак или злокачественное новообразование;
• воспалительный процесс внутри яичка, что называется орхитом.

Зная, на что влияет размер яиц, и с какими патологиями связано увеличение одного из них выше нормы, можно сделать вывод, что мужчине немедленно нужно обращаться к врачу при первых же тревожных симптомах.

Норма и патология: как выявить проблему

Чтобы определить, одинакового ли размера яйца у мужчин, достаточно обратиться к медицинскому справочнику, учебнику анатомии или проконсультироваться с врачом. Как уже было сказано ранее, небольшая разница в размере и расположении яичек должна присутствовать с защитной целью. Чтобы своевременно выявить любую проблему и нарушение, нужно прощупать область мошонки, осмотреть ее при помощи зеркала.

Приходилось ли Вам сталкиваться с изменением размеров яичек?

ДаНет

Поводом для тревоги и посещения клиники будут следующие показатели:

• резкое и быстрое увеличение одного или обоих яичек;
• прощупывание уплотнений в области мошонки;
• болезненные ощущения при ходьбе, пальпации, половом акте;
• изменения цвета одного или обоих яичек.

Если же размер не превышает нормы в пределах 1-2 см, не стоит зря паниковать. На размер яичек влияет непосредственно гормональная система, половая активность мужчины, его габариты тела.

Вывод

Яички – железистый парный орган половой системы мужчины, который нужен для выработки тестостерона, производства и сохранения сперматозоидов. Нормальный размер яиц для каждого мужчины – сугубо индивидуальный показатель, предначертанный генетикой. Врачи же говорят, что длина яичек должен в среднем составлять 4-6 см, а ширина – 2-3 см. Расхождение в цифрах с погрешностью +- 1-2 см считается нормой.

Рейтинг автора

4

Автор статьи

Сексолог. Эксперт по семейным отношениям. Семейный психолог.

Написано статей

32

Загрузка…

---

 

Какой нормальный размер яиц у мужчин

Пенис и мошонка – самые чувствительные части мужского организма. При гигиенических процедурах и сексуальных прелюдиях каждый мужчина уделяет большое внимание своим половым органам. Яички – железы, синтезирующие тестостерон, являющиеся источником сперматозоидов.

Даже малейшие изменения в мошонке вызывают у мужчин сильное беспокойство. Мужские яички различаются по величине, однако это различие едва заметно. Если же отмечается выраженное изменение размеров яиц, то нужно незамедлительно идти к медицинскому специалисту.

Структура  размеров мужских половых желез

Яички – пара мужских репродуктивных желез, расположенных в кожно-мышечном мешочке – мошонке.

Если яички размещаются не в мошонке, а в брюшной полости или паховом канале, то такое патологическое явление называется крипторхизм.

Железы плотные и упругие, имеют овальную форму. Между яичками проходит перегородка. Каждая железа прикреплена к семенному канатику. Яички размещаются не вертикально, а немного наклонены верхней частью вперед.

Интересно отметить, что у всех мужчин левая железа располагается чуть ниже правой. Объяснения такой анатомической особенности пока нет. Но ученые предполагают, что так яички меньше трутся друг о друга при ходьбе, поэтому уменьшается вероятность травм.

Определение здоровья яичек на ощупь

Каждый мужчина может самостоятельно проверить, здоровы ли его половые железы.

Лучше всего осуществлять проверку после принятия душа или ванны, так как распаренная горячей водой мошонка находится в максимально расслабленном состоянии.

1. Первым делом мужчине следует положить мошонку на ладонь, чтобы оценить вес яичек. Нормально, если одно яичко весит чуть больше другого. Но вес желез не должен различаться сильно, иначе можно говорить о патологии.
2. Нужно обхватить яичко так, чтобы большой палец находился с одной стороны органа, а указательный – с другой стороны. Необходимо аккуратно перекатывать яичко в пальцах, чтобы убедиться, что на нем нет бугорков и прочих странных образований. Здоровая железа гладкая, имеет идеальную овальную форму, упругая, лишенная бугров и иных выпуклостей. Аналогичная процедура проводится с другим яичком.
3. На нижнем участке мошонки следует нащупать придатки, прикрепленные к задним частям желез. Эти придатки на ощупь похожи на небольшие комочки. Они должны быть мягкими и податливыми. Твердые придатки сигнализируют о патологии.
4. На последнем этапе проверки нужно осторожно пощупать семенные канатики, отходящие вверх от придатков желез. Здоровые канатики – это гладкие и эластичные трубочки.

Если в результате проверки на яичках или канатиках обнаружились бугры, воспаления, плотные образования, то необходимо незамедлительно идти к медицинскому специалисту.

Для диагностики патологии врачи обычно назначают пациентам УЗИ половых желез.

Нормальный размер яичек у мужчин разных возрастов

Нормой считается, если яичко взрослого мужчины по величине похоже на сливу.

Чтобы узнать размер желез, нужно обратиться к урологу. Врачи определяют размер яичек у мужчин при помощи специального приспособления – орхидометра Прадера, напоминающего четки.

Мужчины впадают в панику даже при незначительном отклонении от нормы. Но не нужно беспокоиться, если железы разняться между собой не более чем на 0,7 см.

Нормальный размер яичка – величина весьма условная. У каждого мужчины индивидуальное строение половых органов, зачастую не совпадающее с принятыми нормами, но при этом не являющееся патологическим.

У медиков принято считать нормальным яйцо взрослого мужчины, в длину достигающее 4 – 6 см, в ширину – 2 – 3 см. Но если параметры чуть отклоняются от нормы, то впадать в панику не стоит. Для мужчин разного возраста составлены нормы длины и объема половых желез.

возраст, лет	длина, см	объем, см3
от 10 до 11	1 – 2	2,5 – 3,5
от 11 до 12	2 – 3	3 – 5
от 12 до 13	2 – 3	4 – 6
от 13 до 14	2,5 – 3,5	5,5 – 8,5
от 14 до 15	3,5 – 4,5	7 – 15
от 15 до 16	4 – 5	8 – 15
от 16 до 17	4 – 5	10 – 16
от 17 до 18	4,5 – 5,5	10 – 16
от 18 до конца жизни	5 – 6	10 – 20

+3,5см за 2 недели!

Для быстрого увеличения члена наши читатели советуют Крем «Stand-Up Gel». Это натуральное средство, которое помогает увеличить член на 3,5 см всего за 2 недели! В состав «Stand-Up Геля» входят только натуральные компоненты, обладающие максимальной эффективностью. Благодаря своему составу, препарат абсолютно безопасен, не имеет противопоказаний и побочных эффектов.

Анонимный отзыв… »

Причины уменьшения размера яичек

Небольшой размер мошонки – признак патологии, развивающейся в мужском организме. К уменьшению яичек приводят следующие негативные факторы:

• ухудшение здоровья матери во время внутриутробного развития эмбриона мужского пола;
• употребление женщиной сильнодействующих лекарств во время вынашивания мальчика;
• инфекционные заболевания;
• аутоиммунные патологии;
• механические повреждения яичек;
• онкология;
• воздействие радиации;
• генетические болезни, сопровождающиеся низким содержанием в организме тестостерона и половым инфантилизмом;
• крипторхизм;
• варикоцеле, гидроцеле и прочие патологии мужской репродуктивной системы;
• чрезмерное употребление анаболиков спортсменами и бодибилдерами.

Уменьшение размеров яиц сигнализирует об атрофии тканей половых желез.

В больных яичках снижается синтез тестостерона и сперматозоидов, от чего зависит сексуальная активность и гормональное состояние мужского организма. Нарушение гормонального фона негативно сказывается на здоровье, повышает вероятность возникновения онкологии половой системы.

Причины увеличения размера яичек

Большая мошонка – не предмет гордости, а признак серьезной патологии. Мужчинам следует знать, от чего растут яйца.

Факторами, провоцирующими увеличение половых желез, являются:

• гематомы и прочие травмы мошонки, сопровождающиеся интенсивной болью;
• абсцесс;
• сифилис;
• туберкулез;
• воспаление придатков яичек;
• опухоль;
• варикозное расширение вен семенных канатиков;
• гидроцеле;
• пахово-мошоночная грыжа.

При вышеперечисленных патологиях нарушается функционирование тканей половых желез. Раздувшиеся яички перестают вырабатывать достаточное количество спермы и половых гормонов, из-за чего происходит сбой гормонального фона.

К лечению данного патологического состояния следует приступать незамедлительно. Бывает, что больные яички увеличиваются очень сильно. В такой ситуации нужно обязательно идти к хирургу или андрологу.

Орхит или орхоэпидидимит

Орхит – воспаление железы. Орхоэпидидимит – воспаление и железы, и ее придатка.

Данные патологии обычно являются осложнением цистита, уретрита, паротита, скарлатины.

Иногда воспалительная реакция возникает в результате запущенной травмы яичка. Заболевания сопровождаются следующими симптомами:

• острой болью;
• увеличением пораженной половой железы;
• повышением температуры тела, особенно в области мошонки;
• раздражением кожи мошонки, исчезновением кожных складок.

Лечение заключается в приеме антибиотиков. Рекомендуется носить специальный бандаж, поддерживающий воспаленную мошонку.

Варикоцеле

Так называется варикозное повреждение вен яичек и семенных канатиков.

Начальная стадия болезни протекает без симптомов, затем в мошонке возникают тянущие боли, пораженная железа распухает и опускается.

Патология диагностируется преимущественно у подростков. Многие медики считают, что именно варикоцеле в большинстве случаев является фактором, провоцирующим бесплодие.

Лечение осуществляется хирургическим методом, отличается эффективностью, не только полностью устраняет патологию, но и предотвращает ее рецидив.

Гидроцеле

Так называется водянка – заболевание, при котором в оболочке половой железы скапливается жидкость.

Патология диагностируется преимущественно у новорожденных мальчиков, но может возникнуть и у взрослых мужчин в результате повреждения яйца.

Пораженная железа медленно раздувается, но болевые ощущения отсутствуют.

Если мужчина заметил, что одно из его яичек постепенно становится больше другого, то ему нужно срочно обратиться к медицинскому специалисту. Гидроцеле без труда выявляется посредством УЗИ. Терапия осуществляется хирургическим методом.

Перекрут семенного канатика

Данная проблема может возникнуть в результате травмы, крипторхизма, наследственных патологий репродуктивной системы.

Перекрут обычно происходит либо у новорожденного малыша, либо у мальчика в период полового созревания.

Патологическое явление крайне болезненное, сопровождается следующими симптомами:

• увеличением мошонки;
• интенсивной болью, распространяющейся на всю паховую область;
• кровью в испускаемой моче;
• утолщением семенного канатика;
• покраснением кожных покровов мошонки.

Диагностика патологии осуществляется посредством УЗИ. Новорожденному мальчику врач может устранить перекрут пальцами на ощупь. Взрослым парням назначается хирургическая операция.

Онкология

Рак половой железы редко удается диагностировать на ранней стадии. Основные симптомы патологии – разбухание больного яичка, болевые ощущения в мошонке.

Диагноз устанавливается посредством УЗИ, компьютерной томографии, биопсии, анализа крови на гормоны.

Лечение осуществляется исключительно хирургическим методом. Если болезнь не запущена, то прогноз положительный.

Травма яичка

Мошонка – крайне чувствительная часть мужского тела, поэтому травмы яичек сопровождаются интенсивной болью.

Мужчина может нечаянно травмировать половые железы, занимаясь спортом, катаясь на велосипеде или лошади, получив удар в пах во время драки.

При повреждении яичка отмечаются следующие симптомы:

• нестерпимая боль;
• отек мошонки;
• распухание поврежденного яичка;
• посинение кожных покровов мошонки;
• в отдельных случаях формирование гематомы на мошонке.

При сильной травме нужно незамедлительно обратиться в больницу.

Возможно, пострадавшему мужчине потребуется медицинская помощь.

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.

Размеры яичек у мужчин

Прежде чем говорить о размере яичек у мужчин, необходимо хоть немного разбираться в их строении. Что же нужно знать о тестикулах, чтобы предметно вести разговор?

Строение яичек

Во-первых, по форме они напоминают слегка сплющенный эллипсоид или сливу. Средняя длина у среднестатистического мужчины составляет от 4 см до 6 см, ширина — от 2,5 до 3,5 см, масса — около 20-25 граммов. Объем — примерно от 12 до 20 куб.см.

Формируются в брюшной полости плода и к появлению на свет опускаются в мошонку.

Для созревания и нормального функционирования сперматозоидов температура в мошонке необходима на несколько десятых градуса ниже, чем температура в брюшной полости.

У новорожденных гонады пропорционально больше, чем у взрослого.

От 15 до 30% недоношенных и около 2% доношенных детей рождается без одного яичка (монорхизм). Бывает, что происходит неопущение одного из них в мошонку при рождении (крипторхизм) из брюшного пространства, или ребенок рождается с редчайшей аномалией —их полным отсутствием (анорхизм).

Такие заболевания приводят к бесплодию, грыжи или опухоли. Чтобы такая проблема не возникла, нужно проверять новорожденных и маленьких детей на наличие обоих яичек.

Если доля активных сперматозоидов в железах составляет менее 50%, то мужчине ставят диагноз «бесплодие».

Мужское бесплодие приходится на 35% всех случаев невозможности иметь ребенка. Каждая десятая пара супругов бесплодна.

Согласно ученым, у чернокожих мужчин размер яичек в два раза больше, чем у азиатов.

Что, надо сказать, никак не влияет на рождаемость в азиатских странах. А вот у кавказских мужчин они имеют среднестатистическую европейскую величину. Так что, развеян еще один миф.

Среди мужчин гуляет байка о том, что обладатель больших «сокровищ» более популярен у женщин. Это не так. Большинство женщин предпочитают средние размеры, а не отвисшие, большие и волосатые яйца.

Некоторые психологи и сексологи считают, что обладатели больших размеров более распущены.

Однако реальных подтверждений этому не найдено.

Яички обычно располагаются на разном уровне: у правшей левое ниже правого, а у левшей — правое ниже левого. Единственное разумное объяснение этого феномена состоит в том, что при таком расположении они не подвергаются травмам и не сдавливаются при ходьбе. Других научных объяснений этому не найдено.

Раньше думали, что правое яичко отвечает за рождение девочек, а левое — мальчиков, поэтому для зачатия мальчика правое перетягивали.

Надеемся, что Вы не купитесь на такую глупость и не будете издеваться над собой. В результате таких действий можно не только мальчика не родить, а бесплодным и «безъяичным» остаться.

Изменение размера

Увеличение гонад с возрастом (адренархе) является признаком полового созревания у подростка.

Когда человек взрослеет, то температура в мошонке становится на 4 градуса ниже температуры тела.

Если температура будет выше, но это может привести к бесплодию. Даже при сидячей работе мужчине обязательно надо делать перерывы в работе и ходить для вентиляции (да-да, не смейтесь!) и уменьшения соприкосновения яиц с телом.

Если Вы вдруг заметили аномалии в строении и размере, лучше обратитесь к врачу-урологу.

При очень заметной неравномерности яичек, особенно проявившейся в последнее время, нужно как можно быстрее идти в больницу –такие признаки характерны для рака яичек.

Уменьшение может быть проявлением гипогонадизма, варикоцеле или опухоли.

Увеличение яиц у мужчин тоже не приводит ни к чему хорошему. Часто это является проявлением орхита (воспаления). Понаблюдайте за ними. Если они увеличились в размере в течение 2-3 недель, то Вам — к доктору.

Важную роль в мужском здоровье играет регулярный самоосмотр яичек.

Так что, расслабьтесь, мужчины. Среднестатистический размер Ваших «прелестей» — это, прежде всего, показатель здоровья!

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Размер яичек у мужчины, на что влияет, изменяется ли | Мужская Сила

Яички у мужчин немного асимметричны, но разница должна быть не значительная. Если есть отклонения от нормы это должно насторожить.

Мужские яички это парная половая железа, которая производит сперму и гормон тестостерон. Длина 4-6 см, ширина до 3 см, главная величина это объем — до 30 см. У каждого мужчины индивидуальная форма данного органа, одно яичко, как правило, левое немного выше. Здесь происходит процесс выработки спермы и продвижения ее, с этим связана и работа генеративной и гормональной системы.

Назначение тестостерона это рост волос, увеличение либидо, развитие мускулатуры, формирование наружных, половых органов, их размера, нормальная работа семенных канатиков, придатков яичек, работа предстательной железы.

С этим связан рост, созревание, размножение. Срок созревания 75 дней и на него могут негативно влиять различные внешние факторы, такие как прием, лекарств, высокая температура и другие.

Есть мнение, что размер яичек зависит от температуры, главное, чтоб он не был больше нормы. За этим стоит следить и периодически ощупывать яички, чтобы не было патологий. Температура не должна быть повышена и нормально, когда осмотр безболезненный.

Если обнаружено сильное увеличение одного или двух яичек, появились боли при ощупывании и ходьбе, появились мелкие шарики или уплотнения повышена температура, нужно срочно обратиться к урологу.

Также может быть ненормальным явлением уменьшение размера яичек, связанное с употреблением наркотиков, повышенной дозы стероидов, различного вида нарушения и болезни.

За здоровьем необходимо следить каждому мужчине, при малейшем беспокойстве пройти обследование такое как УЗИ, КТ, онкомаркеры, общий анализ крови и вовремя начать лечение.

Понравилась статья? Поставьте палец вверх. Не забудьте подписаться, поддержите автора.

Полезные статьи канала! Уверен, Вас они заинтересуют>>>

10 удивительных фактов о яичках, которые ты не знала и стеснялась спросить

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Будем честны: порой собственная анатомия для нас — темный космос, а уж мужская, тем более та, что пониже пояса… В общем, продолжаем нашу рубрику «Взрослая почемучка» и рассказываем о них. Ну, ты поняла.

1. Яички увеличиваются в размерах. Вдвое. Происходит это во время полового акта, а после него они снова возвращаются в привычное состояние. Carpe diem, как говорится.
2. Во время произнесения клятвы римляне клали на них руку. Ты наверняка знаешь традицию клясться на Библии или перед флагом родной страны, а вот у римлян было свое представление о по-настоящему важных вещах. Произнося клятву верности, двое мужчин брались за яички друг друга, тем самым давая понять, что доверяют другу самое ценное, что у них есть. По другой версии, они клялись на яйцах короля. 
3. Обладателем самых тяжелых яичек был Уэсли Уоррен Дж. из США: его мошонка весила почти 60 кг. После комплексной операции врачам удалось избавить его от лишних тканей и уменьшить размер мошонки до нормального.
4. Слишком сильное сдавливание яичек может убить мужчину. Если сжать изо всех сил, в теле начнет вырабатываться огромное количество адреналина – и это может быть фатальным.
5. Если верить статистике, чем больше у мужчины яички, тем хуже он как отец. Исследование, проведенное филиппинскими учеными, показало, что между размером яичек, количеством тестостерона и отцовскими качествами есть связь. 
   У мужчин с большими яичками концентрация тестостерона в теле выше, и они оказались меньше вовлечены в заботу о потомстве. Нормальный, средний размер говорит о небольшом уровне тестостерона, что ученые считают признаком  того, что их обладатель будет хорошо выполнять отцовские функции.
6. Яички производят 200 000 000 сперматозоидов ежедневно. Вот это мы называем хороший КПД!
7. Самые большие и тяжелые семенники — у китов. (У них вообще всё самое большое!) Их вес может достигать 1,1 тонны, производят они порядка 4,5 литра спермы в сутки.
8. Ты наверняка уже знаешь, что яички не одинаковы по размеру, а теперь мы раскроем детали. У 65% мужчин правое яичко больше левого. Не знаем, что ты будешь делать с этой информацией.
9. В яичках самое большое разнообразие белков, чем в любом другом органе. Исследование показало, что 77% белков «хранятся» в яичках. 999 из них — уникальны. Для сравнения: в мозге всего 318 уникальных белков.
10. Рак яичек — самый распространенный вид рака у мужчин. Хорошая новость: если его вовремя обнаружить, он излечим. Врачи рекомендуют мужчинам чаще обследовать яички на предмет вздутий, уплотнений или дискомфорта.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Фото: Getty Images

Загрузка статьи…

Мужская репродуктивная система (для родителей)

Что такое репродукция?

Размножение — это процесс, с помощью которого организмы делают больше организмов похожими на самих себя. Но даже несмотря на то, что репродуктивная система важна для поддержания жизни вида, в отличие от других систем организма, не обязательно поддерживать жизнь индивидуума.

В репродуктивном процессе человека участвуют два вида половых клеток, или гамет, (GAH-meetz). Мужская гамета, или сперматозоид, и женская гамета, яйцеклетка или яйцеклетка, встречаются в репродуктивной системе самки.Когда сперматозоид оплодотворяет (встречает) яйцеклетку, эта оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой (ZYE-коза). Зигота превращается в эмбрион и превращается в плод.

И мужская репродуктивная система, и женская репродуктивная система необходимы для воспроизводства.

Люди, как и другие организмы, передают некоторые характеристики себя следующему поколению. Мы делаем это через наши гены, особые носители человеческих качеств. Гены, передаваемые родителями, делают их детей похожими на других в семье, но также и делают каждого ребенка уникальным.Эти гены происходят из мужской спермы и женской яйцеклетки.

Что такое мужская репродуктивная система?

У самца репродуктивные органы или гениталии находятся как внутри, так и снаружи таза. К мужским гениталиям относятся:

• Яички (TESS-tih-kulz)
• Система протоков, состоящая из придатка яичка и семявыносящего протока
• добавочные железы, которые включают семенные пузырьки и предстательную железу
• половой член

У парня, достигшего половой зрелости, два овальных яичка или яичка (TESS-teez) производят и хранят миллионы крошечных сперматозоидов.Яички также являются частью эндокринной системы, потому что они вырабатывают гормоны, в том числе тестостерон (tess-TOSS-tuh-rone).

Тестостерон — основная часть полового созревания у мальчиков, и по мере того, как парень проходит через период полового созревания, его яички вырабатывают его все больше и больше. Тестостерон — это гормон, от которого у мальчиков становятся более глубокие голоса, большие мышцы, а также волосы на теле и лице. Он также стимулирует выработку спермы.

Рядом с яичками находятся придатка яичка, и семявыносящий проток, по которым проходит сперма.Эпидидимис (ep-uh-DID-uh-miss) и яички свешиваются в виде мешочка за пределами таза, называемого мошонкой . Этот мешок из кожи помогает регулировать температуру яичек, которые должны быть ниже температуры тела, чтобы производить сперму. Мошонка меняет размер, чтобы поддерживать нужную температуру. Когда тело холодное, мошонка сжимается и становится более плотной, чтобы удерживать тепло тела. В тепле он становится больше и мягче, чтобы избавиться от лишнего тепла. Это происходит, когда парню даже не нужно об этом думать.Мозг и нервная система дают мошонке сигнал изменить размер.

Дополнительные железы , включая семенных пузырьков и предстательную железу , обеспечивают жидкость, которая смазывает систему протоков и питает сперму. Уретра — это канал, по которому сперма (в жидкости, называемой спермой) выходит за пределы тела через половой член. Уретра также является частью мочевыделительной системы, потому что это также канал, через который проходит моча, покидая мочевой пузырь и покидая тело.

Пенис фактически состоит из двух частей: стержня и головки . Ствол — это основная часть полового члена, а головка — это кончик (иногда называемый головкой). В конце головки есть небольшая щель или отверстие, через которое сперма и моча выходят из тела через уретру (yoo-REE-thruh). Внутренняя часть полового члена состоит из губчатой ​​ткани, которая может расширяться и сжиматься.

Все мальчики рождаются с крайней плотью , кожной складкой на конце полового члена, покрывающей головку.Некоторым мальчикам делают обрезание, что означает, что врач или священник отрезают крайнюю плоть. Обрезание обычно делают в первые несколько дней жизни мальчика. В этом нет необходимости с медицинской точки зрения, но родители, решившие сделать обрезание своим сыновьям, часто делают это на основании религиозных убеждений, соображений гигиены или культурных или социальных причин. Мальчики, которым сделали обрезание полового члена, и те, кто не сделал этого, ничем не отличаются: все пенисы работают и ощущаются одинаково, независимо от того, была ли удалена крайняя плоть.

Как работает мужская репродуктивная система?

Мужская репродуктивная система:

• производит сперму (SEE-mun)
• выпускает сперму в репродуктивную систему женщины во время полового акта
• производит половые гормоны, которые помогают мальчику развиться в половозрелого мужчину в период полового созревания

Когда рождается мальчик, у него есть все части репродуктивной системы, но только в период полового созревания он может воспроизводить потомство.Когда начинается половая зрелость, обычно в возрасте от 9 до 15 лет, возраст

гипофиз, расположенный рядом с мозгом, вырабатывает гормоны, которые стимулируют выработку тестостерона яичками. Производство тестостерона вызывает множество физических изменений.

Хотя время этих изменений у каждого парня разное, стадии полового созревания обычно следуют установленной последовательности:

• На первом этапе полового созревания у мужчин мошонка и семенники увеличиваются в размерах.
• Затем половой член становится длиннее, а семенные пузырьки и предстательная железа разрастаются.
• Волосы начинают расти в области лобка, а затем на лице и подмышках. За это время голос мальчика также становится глубже.
• У мальчиков также наблюдается скачок роста в период полового созревания, когда они достигают своего взрослого роста и веса.

Что делают сперматозоиды?

Мужчина, достигший половой зрелости, будет производить миллионы сперматозоидов каждый день. Каждый сперматозоид чрезвычайно мал: всего 1/600 дюйма (0,05 миллиметра в длину). Сперматозоиды развиваются в яичках в системе крошечных трубок, называемых семенными канальцами .При рождении эти канальцы содержат простые круглые клетки. Во время полового созревания тестостерон и другие гормоны заставляют эти клетки превращаться в сперматозоиды. Клетки делятся и изменяются, пока не получат голову и короткий хвост, как у головастиков. Голова содержит генетический материал (гены). Сперматозоиды попадают в придатки яичка, где они завершают свое развитие.

Затем сперма перемещается в семявыносящий проток , (VAS DEF-uh-runz) или семявыносящий проток. Семенные пузырьки и предстательная железа образуют беловатую жидкость, называемую семенной жидкостью, которая смешивается со спермой с образованием спермы при сексуальной стимуляции мужчины.Пенис, который обычно безвольно свисает, становится твердым, когда мужчина сексуально возбужден. Ткани полового члена наполняются кровью, и он становится жестким и эректильным (эрекция). Жесткость эрегированного полового члена облегчает введение во влагалище женщины во время секса. Когда стимулируется эрегированный половой член, мышцы вокруг репродуктивных органов сокращаются и выталкивают сперму через систему протоков и уретру. Семя выталкивается из тела мужчины через его уретру — этот процесс называется эякуляцией .Каждый раз, когда парень эякулирует, в нем может содержаться до 500 миллионов сперматозоидов.

Что такое зачатие?

Если сперма эякулирует во влагалище женщины, миллионы сперматозоидов «плывут» вверх из влагалища через шейку матки и матку, чтобы встретиться с яйцеклеткой в ​​маточной трубе. Для оплодотворения яйцеклетки требуется всего один сперматозоид.

Эта оплодотворенная яйцеклетка теперь называется зиготой и содержит 46 хромосом — половину из яйца и половину из сперматозоидов. Генетический материал мужского и женского пола объединяется, так что можно создать новую особь.Зигота снова и снова делится по мере роста в матке самки, превращаясь в течение беременности в эмбрион, плод и, наконец, новорожденного ребенка.

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 в различных средах для сперматозоидов, 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, селекционный анализ, половая коэволюция, морфология сперматозоидов

1.Предпосылки

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 последние могут, 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, и нацелены на свойства (например,г. 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, однако 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 увеличением размера яйца и плотности 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 между мужчинами и женщинами [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может воздействовать на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне возле яхт-клуба Royal Brighton, 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. 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 от самцов и разводили до низкой и высокой плотности (аликвоту оставляли 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 яиц 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, самка Galeolaria нерестит 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 неоплодотворенные. 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 размера на блок, используя тесты t . 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 модели отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили аналогичную манипуляцию сюда, 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 мл ^-1 ), чтобы найти две плотности, которые (i) накладывали ограничение на сперму без риска полной неудачи оплодотворения для яйцеклеток в класса 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 с помощью цифровой камеры, установленной 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 включает овальное ядро, среднюю часть из четырех сферических митохондрий и шапкообразную акросому, 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 с помощью цифровой камеры, установленной на составной микроскоп при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, находящихся в нормальном развитии. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами были дополнительно перепроверены 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 остаточной вариации внутри самца (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 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 максимальной вероятности. 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 средовые 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 в равной степени способствует следующему поколению) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как ожидается, что мягкий отбор будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в средах, направления изменений в средах 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 как факториальными фиксированными эффектами и с блочной и мужской идентичностью как случайными эффектами. 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 базой 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 среды оплодотворения с соответствиями. 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 не 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 выбора 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 влияют на нелинейный отбор ( × 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 совпадали у мужчин: значительная положительная корреляция ( r = 0,44) между длиной хвоста и длиной тела и значительная отрицательная ( r = -0,29) между длиной хвоста и шириной тела. 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 плотность сперматозоидов ( × ² = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их влияние не было взаимодействующим ( × 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 целевым фенотипам сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от взаимодействующих эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: × 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 условиях 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 спермия ( 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 ( × 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} : × ² = 14,06, df = 1, с. <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} : × 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} : × 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 значимой.

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 -значения 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 маленьким из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м ₂ ). Напротив, поверхность при высокой плотности представляла собой седло ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м ₁ , а длина хвоста преобладала на м ₃ , что означает, что у высокоплодородных самцов сперма была необычно больших размеров (или необычно маленьких, хотя и для меньшего прироста фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м, _и ) 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, как предполагается, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора для формирования эволюции свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйца и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы 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. Эти результаты, основанные на физических и биомеханических принципах [56,57], поэтому предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с уменьшенным сопротивлением меньшего тела и большей силой толчка более длинным хвостом. 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 половых 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 яйцеклетки при нересте, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследованных 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 спермы, 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 изменения направленности, 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 обусловлены по своей природе, более того, различиями в размере популяции, нерестовым поведением и эффектами 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 этого соотношения как 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 соревнование.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 предпочитают более мелкие сперматозоиды (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 вполне вероятно, если плавание обеспечивается средним телом), то более крупные яйца 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– 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки взаимно влияет на сперматозоиды, мы заключаем, 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 плавающих сперматозоидов

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 в различных средах для сперматозоидов, 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 яйцеклетки, 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 последние могут, 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, и нацелены на свойства (например,г. 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, однако 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 увеличением размера яйца и плотности 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 между мужчинами и женщинами [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может воздействовать на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне возле яхт-клуба Royal Brighton, 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. 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 от самцов и разводили до низкой и высокой плотности (аликвоту оставляли 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 яиц 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, самка Galeolaria нерестит 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 неоплодотворенные. 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 размера на блок, используя тесты t . 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 модели отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили аналогичную манипуляцию сюда, 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 мл ^-1 ), чтобы найти две плотности, которые (i) накладывали ограничение на сперму без риска полной неудачи оплодотворения для яйцеклеток в класса 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 с помощью цифровой камеры, установленной 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 включает овальное ядро, среднюю часть из четырех сферических митохондрий и шапкообразную акросому, 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 с помощью цифровой камеры, установленной на составной микроскоп при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, находящихся в нормальном развитии. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами были дополнительно перепроверены 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 остаточной вариации внутри самца (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 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 максимальной вероятности. 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 средовые 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 в равной степени способствует следующему поколению) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как ожидается, что мягкий отбор будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в средах, направления изменений в средах 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 как факториальными фиксированными эффектами и с блочной и мужской идентичностью как случайными эффектами. 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 базой 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 среды оплодотворения с соответствиями. 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 не 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 выбора 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 влияют на нелинейный отбор ( × 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 совпадали у мужчин: значительная положительная корреляция ( r = 0,44) между длиной хвоста и длиной тела и значительная отрицательная ( r = -0,29) между длиной хвоста и шириной тела. 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 плотность сперматозоидов ( × ² = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их влияние не было взаимодействующим ( × 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 целевым фенотипам сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от взаимодействующих эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: × 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 условиях 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 спермия ( 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 ( × 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} : × ² = 14,06, df = 1, с. <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} : × 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} : × 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 значимой.

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 -значения 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 маленьким из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м ₂ ). Напротив, поверхность при высокой плотности представляла собой седло ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м ₁ , а длина хвоста преобладала на м ₃ , что означает, что у высокоплодородных самцов сперма была необычно больших размеров (или необычно маленьких, хотя и для меньшего прироста фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м, _и ) 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, как предполагается, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора для формирования эволюции свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйца и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы 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. Эти результаты, основанные на физических и биомеханических принципах [56,57], поэтому предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с уменьшенным сопротивлением меньшего тела и большей силой толчка более длинным хвостом. 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 половых 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 яйцеклетки при нересте, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследованных 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 спермы, 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 изменения направленности, 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 обусловлены по своей природе, более того, различиями в размере популяции, нерестовым поведением и эффектами 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 этого соотношения как 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 соревнование.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 предпочитают более мелкие сперматозоиды (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 вполне вероятно, если плавание обеспечивается средним телом), то более крупные яйца 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– 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки взаимно влияет на сперматозоиды, мы заключаем, 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 плавающих сперматозоидов

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 в различных средах для сперматозоидов, 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 яйцеклетки, 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 последние могут, 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, и нацелены на свойства (например,г. 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, однако 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 увеличением размера яйца и плотности 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 между мужчинами и женщинами [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может воздействовать на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне возле яхт-клуба Royal Brighton, 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. 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 от самцов и разводили до низкой и высокой плотности (аликвоту оставляли 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 яиц 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, самка Galeolaria нерестит 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 неоплодотворенные. 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 размера на блок, используя тесты t . 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 модели отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили аналогичную манипуляцию сюда, 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 мл ^-1 ), чтобы найти две плотности, которые (i) накладывали ограничение на сперму без риска полной неудачи оплодотворения для яйцеклеток в класса 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 с помощью цифровой камеры, установленной 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 включает овальное ядро, среднюю часть из четырех сферических митохондрий и шапкообразную акросому, 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 с помощью цифровой камеры, установленной на составной микроскоп при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, находящихся в нормальном развитии. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами были дополнительно перепроверены 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 остаточной вариации внутри самца (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 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 максимальной вероятности. 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 средовые 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 в равной степени способствует следующему поколению) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как ожидается, что мягкий отбор будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в средах, направления изменений в средах 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 как факториальными фиксированными эффектами и с блочной и мужской идентичностью как случайными эффектами. 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 базой 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 среды оплодотворения с соответствиями. 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 не 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 выбора 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 влияют на нелинейный отбор ( × 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 совпадали у мужчин: значительная положительная корреляция ( r = 0,44) между длиной хвоста и длиной тела и значительная отрицательная ( r = -0,29) между длиной хвоста и шириной тела. 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 плотность сперматозоидов ( × ² = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их влияние не было взаимодействующим ( × 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 целевым фенотипам сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от взаимодействующих эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: × 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 условиях 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 спермия ( 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 ( × 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} : × ² = 14,06, df = 1, с. <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} : × 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} : × 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 значимой.

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 -значения 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 маленьким из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м ₂ ). Напротив, поверхность при высокой плотности представляла собой седло ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м ₁ , а длина хвоста преобладала на м ₃ , что означает, что у высокоплодородных самцов сперма была необычно больших размеров (или необычно маленьких, хотя и для меньшего прироста фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м, _и ) 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, как предполагается, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора для формирования эволюции свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйца и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы 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. Эти результаты, основанные на физических и биомеханических принципах [56,57], поэтому предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с уменьшенным сопротивлением меньшего тела и большей силой толчка более длинным хвостом. 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 половых 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 яйцеклетки при нересте, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследованных 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 спермы, 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 изменения направленности, 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 обусловлены по своей природе, более того, различиями в размере популяции, нерестовым поведением и эффектами 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 этого соотношения как 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 соревнование.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 предпочитают более мелкие сперматозоиды (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 вполне вероятно, если плавание обеспечивается средним телом), то более крупные яйца 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– 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки взаимно влияет на сперматозоиды, мы заключаем, 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 плавающих сперматозоидов

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 в различных средах для сперматозоидов, 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 яйцеклетки, 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 последние могут, 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, и нацелены на свойства (например,г. 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, однако 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 увеличением размера яйца и плотности 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 между мужчинами и женщинами [37,38]. Следовательно, отбор потенциально может воздействовать на гаметы любого пола через их влияние на фертильность. От индивидуумов, использованных в нашем исследовании, отобрали пробы в приливной зоне возле яхт-клуба Royal Brighton, 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. 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 от самцов и разводили до низкой и высокой плотности (аликвоту оставляли 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 яиц 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, самка Galeolaria нерестит 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 неоплодотворенные. 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 размера на блок, используя тесты t . 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 модели отбора по морфологии сперматозоидов у другого вида Galeolaria [40], мы включили аналогичную манипуляцию сюда, 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 мл ^-1 ), чтобы найти две плотности, которые (i) накладывали ограничение на сперму без риска полной неудачи оплодотворения для яйцеклеток в класса 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 с помощью цифровой камеры, установленной 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 включает овальное ядро, среднюю часть из четырех сферических митохондрий и шапкообразную акросому, 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 с помощью цифровой камеры, установленной на составной микроскоп при 100-кратном увеличении, и оценили фертильность как долю эмбрионов, находящихся в нормальном развитии. Подсчет проводился вслепую и повторялся двумя наблюдателями. Первоначальная повторяемость подсчетов была высокой (дающая внутриклассовая корреляция 0,86), но испытания с несопоставимыми подсчетами были дополнительно перепроверены 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 остаточной вариации внутри самца (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 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 максимальной вероятности. 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 средовые 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 в равной степени способствует следующему поколению) заключается в эволюционных последствиях, поскольку жесткий отбор должен вести популяции к единственному фенотипическому оптимуму, тогда как ожидается, что мягкий отбор будет способствовать локальным оптимумам [52].На практике наше преобразование просто изменяло масштаб градиентов в соответствии с [31]; их знаки и относительные величины в средах, направления изменений в средах 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 как факториальными фиксированными эффектами и с блочной и мужской идентичностью как случайными эффектами. 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 базой 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 среды оплодотворения с соответствиями. 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 не 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 выбора 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 влияют на нелинейный отбор ( × 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 совпадали у мужчин: значительная положительная корреляция ( r = 0,44) между длиной хвоста и длиной тела и значительная отрицательная ( r = -0,29) между длиной хвоста и шириной тела. 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 плотность сперматозоидов ( × ² = 94,79, df = 1, p <0,01; дополнительный электронный материал, рисунок S2), но их влияние не было взаимодействующим ( × 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 целевым фенотипам сперматозоидов с помощью этого компонента пригодности (дополнительный электронный материал, рисунок S2). Различия в фертильности у самцов зависели от взаимодействующих эффектов размера яйцеклетки и плотности сперматозоидов (видно по значительной потере приспособленности, когда их эффекты были смоделированы как независимые: × 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 условиях 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 спермия ( 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 ( × 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} : × ² = 14,06, df = 1, с. <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} : × 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} : × 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 значимой.

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 -значения 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 маленьким из-за высокой нагрузки. шириной кузова на м ₂ ). Напротив, поверхность при высокой плотности представляла собой седло ( b ). Здесь каждый размер тела положительно повлиял на м ₁ , а длина хвоста преобладала на м ₃ , что означает, что у высокоплодородных самцов сперма была необычно больших размеров (или необычно маленьких, хотя и для меньшего прироста фертильности) и хвосты средней длины.

Плотность сперматозоидов опосредует нелинейный отбор по морфологии сперматозоидов. Каждая ось ( м, _и ) 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, как предполагается, ограничивает размер сперматозоидов [18]. Эти проблемы создают возможности для альтернативного давления отбора для формирования эволюции свободно плавающих сперматозоидов. Здесь мы показываем, что размер яйца и размер эякулята независимо опосредуют отбор по морфологии свободно плавающей спермы 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. Эти результаты, основанные на физических и биомеханических принципах [56,57], поэтому предсказывают, что эволюционное увеличение размера яйцеклетки будет стимулировать эволюцию более гидродинамической морфологии сперматозоидов с уменьшенным сопротивлением меньшего тела и большей силой толчка более длинным хвостом. 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 половых 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 яйцеклетки при нересте, контролирует выбор самками сперматозоидов определенного вида через влияние на их поведение при плавании [28,64], хотя этот феномен отсутствует у исследованных 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 спермы, 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 изменения направленности, 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 обусловлены по своей природе, более того, различиями в размере популяции, нерестовым поведением и эффектами 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 этого соотношения как 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 соревнование.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 предпочитают более мелкие сперматозоиды (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 вполне вероятно, если плавание обеспечивается средним телом), то более крупные яйца 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– 21]. Теперь, показывая, что размер яйцеклетки взаимно влияет на сперматозоиды, мы заключаем, 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.

Сколько у меня? Часто задаваемые вопросы о сексуальных клетках

Эта статья также доступна на следующих языках: português, español, Deutsch, français

Люди занимаются сексом для удовольствия, воспроизводства или и того, и другого.Беременность наступает, когда яйцеклетка и сперма успешно встречаются во время полового акта или экстракорпорального оплодотворения. Но давайте перейдем к основам — что именно яйцеклетки и сперма? Как они выглядят и сколько их у всех?

Первое, что нужно знать: яйцеклетка и сперматозоид — это гамет .

Половые клетки 101

Гамета — это половая клетка, которая содержит половину генетического материала ( гаплоид ) как нормальная клетка тела. Таким образом, у людей, вместо 23 пар хромосом, гамета содержит только 23 единичных непарных хромосом.Корни вашей ДНК!

У человека есть только 1 из 2 гамет:

яйцеклетка (яйцеклетка) — женская половая клетка

или

сперма — зрелая мужская половая клетка

одиночная гамета генетически уникальна, потому что хромосомы смешиваются и распределяются по-новому каждый раз, когда образуется гамета. Этот процесс называется мейозом .

Эти гаметы содержат уникальную копию половины генов исходного источника.Когда происходит оплодотворение, яйцеклетка сливается и объединяет генетический материал со спермой, чтобы создать полный набор хромосомной ДНК с 23 парами хромосом. Это план совершенно нового уникального человека.

Итак, откуда берутся яйцеклетки и сперма и как они развиваются?

Сколько у меня яиц?

Яйцеклетки являются одними из самых крупных клеток в организме — каждое яйцо имеет размер 0,1 мм, что кажется довольно маленьким, но на самом деле его можно увидеть невооруженным глазом (1).

Вы рождены со всеми яйцеклетками, которые высвободятся в течение вашей репродуктивной жизни, в среднем около 590 000 неактивных яиц (2).

Эти незрелые репродуктивные клетки называются ооцитами и образуются в ваших яичниках , когда вы плода в утробе (2-4). Созревание яиц происходит в период полового созревания, когда у вас начинается менструальный цикл. В этот момент ваши яичники могут развиваться и выпускать зрелую яйцеклетку, яйцеклетку , каждый месяц в процессе, называемом овуляцией. Каждая выпущенная яйцеклетка может оплодотворяться спермой в маточной трубе . Если он не оплодотворяется в течение 24 часов после выхода из яичника, он теряет жизнеспособность и теряет во время менструации.

Загрузите Clue, чтобы отслеживать свои месячные.

4,8

более 2M + рейтинги

Качество яйца

Количество яйцеклеток начинает уменьшаться, как только они создаются — пока вы еще находитесь в утробе матери (1,4).

Хотя вы родились с примерно 590 000 яйцеклеток, это даже меньше, чем у плода в возрасте 18–22 недель в матке вашей матери — около 600 000 яиц (2).

Множество различных исследований выявили различные диапазоны популяции яиц на протяжении жизни человека, от пары миллионов яиц, присутствующих при рождении, до нескольких десятков тысяч (2).По этой причине мы выделяем лишь приблизительное среднее количество яиц, доступное на основе данных различных исследований и исследователей — все люди будут разными.

Куда пропадают все эти яйца?

Каждое яйцо в яичниках заключено в фолликул яичника, который представляет собой мешочек клеток, окружающих каждое яйцо. Эти клетки фолликула помогают подготовить яйцеклетку к овуляции и зачатию, реагируя на гормоны и производя их. К моменту начала менструации количество фолликулов в среднем составит около 200000 (1,2).

Только около 500 фолликулов высвободят яйцеклетку в течение вашей репродуктивной жизни (1).

Каждый месяц одно счастливое яйцо полностью развивается и отправляется на возможное оплодотворение, но другие, не выбранные для овуляции, подвергаются запрограммированной гибели клеток (фолликулярная атрезия) и реабсорбируются — от 400 до 500 яйцеклеток с истекшим сроком годности. в месяц (1).

Сперматозоиды

В отличие от яйцеклетки, сперматозоиды являются одними из самых маленьких клеток мужского тела.Сперма тщательно и непрерывно создается для оплодотворения яйцеклетки (3).

Одиночный сперматозоид выглядит как головастик и состоит из головы, шеи, средней части и хвоста и имеет длину от 40 до 250 мкм — эта единица измерения — микрометры, также известные как сверхмалые (1).

В начале полового созревания незрелые репродуктивные клетки, называемые сперматогониями , проходят процесс сперматогенеза , где они начинают быстро размножаться и продолжают делиться и делиться, в конечном итоге развивая зрелые сперматозоиды, сперматозоидов (3).

Процесс созревания сперматозоидов происходит в длинных плотных трубках в семенниках, называемых семенными канальцами .

В среднем только несколько из миллиардов сперматозоидов, выделяемых в течение репродуктивной жизни мужского пола, будут иметь шанс оплодотворить яйцеклетку (3). Жесткая конкуренция.

Как долго живут сперматозоиды?

Начиная с периода полового созревания, сперма постоянно вырабатывается в семенниках с очень высокой скоростью — до 1000 сперматозоидов в секунду (1) — это много спермы!

Но этот процесс не мгновенный.Чтобы новые сперматозоиды стали полностью подвижными и созрели в семенниках, требуется несколько недель (1,3).

После образования сперматозоидов они перемещаются из семенных пузырьков в придаток яичка , длинную, плотно свернутую спиралью трубку, которая находится сверху и сбоку от яичек. Сперма хранится в придатке яичка и продолжает созревать, приобретает способность плавать и ждать здесь до эякуляции (1).

После эякуляции сперма может оплодотворять яйцеклетку до пяти дней , хотя шансы на беременность от «старых» сперматозоидов гораздо меньше (7).Другое исследование показало, что живые, движущиеся сперматозоиды через пять дней в слизи шейки матки человека хранятся в лаборатории (8).

Эти исследования показывают, что после эякуляции сперматозоиды могут сохраняться и функционировать в репродуктивных путях до пяти дней. Они не проживут так долго на твоих простынях.

Сколько сперматозоидов в одном эякуляте?

В отличие от яйцеклеток, сперма постоянно вырабатывается на протяжении всей репродуктивной жизни человека. Количество сперматозоидов в одном эякуляте колеблется от 40 до 500 миллионов — в среднем около 182 миллионов (1).На каждую овулирующую яйцеклетку производится около 1 миллиарда сперматозоидов (1).

Качество спермы

Однако большинство эякулированных сперматозоидов либо мертвы, либо неспособны к оплодотворению (1).

По данным ВОЗ, 90% объема спермы состоит из выделений дополнительных половых органов (предстательной железы, семенных пузырьков и бульбоуретральных желез) — большая часть спермы не является сперматозоидом (9). Жидкость из дополнительных половых органов, из которых состоит большая часть спермы, называется семенной плазмой , которая является щелочной, густой и богатой сахарной фруктозой в качестве питательного вещества для сперматозоидов (1).

Исследования показывают, что с возрастом ухудшается качество спермы. Качество спермы включает ее подвижность (способность достигать яйцеклетки), структуру и объем спермы (10). Количество и концентрация сперматозоидов в эякуляте варьируется индивидуально, у некоторых людей количество сперматозоидов низкое или отсутствует (1). Что касается возраста и эффективности, Американское общество фертильности рекомендует возрастное ограничение в 50 лет для доноров спермы (11).

Яичники, семенники и за их пределами

Некоторые люди рождаются с неоднозначными репродуктивными органами и / или половыми характеристиками как мужского, так и женского тела.Это обычно известно как интерсекс . Не было задокументированных случаев, когда у одного человека были бы функциональные яичники и яички.

Фертильность для всех полов — это сочетание многих факторов, включая возраст, диету, генетику, употребление психоактивных веществ, уровень стресса, болезни и факторы окружающей среды (1).

И у людей с яичками, и у людей с яичниками много сперматозоидов и яйцеклеток, но лишь небольшое количество этих клеток когда-либо используется для формирования другого человека.

Статья была первоначально опубликована 14 ноября 2017 года.

BBC — Земля — ​​самые большие и самые маленькие половые клетки на планете

Сперма — самая маленькая клетка в биологии человека, но также одна из самых сложных. Между тем, яйцо — самая большая клетка и такая же сложная. Если заглянуть в мир природы, то разнообразие этих половых клеток, или гамет, действительно поразительно.

У большинства видов есть две гаметы, которые мы называем мужской и женской.

«Гаметы выполняют две основные задачи: нести ресурсы для выращивания потомства и находить гаметы одного и того же вида и сливаться с ними. Быть хорошими в обоих случаях — непростая задача, потому что эти две работы создают противоположные движущие силы по размеру — числовой компромисс », — объясняет Мэтью Гейдж из Университета Восточной Англии, Великобритания.

«Оптимальным вариантом является производство гамет, которые увеличивают выживаемость потомства, и поэтому эволюция создает большие питательные гаметы, которые мы называем яйцами, производимыми самками.

Другой оптимум — производство гамет, которые максимизируют слияние, и поэтому эволюция создает миллионы гамет, которые мы называем спермой, производятся самцами ».

Почему сперматозоиды бывают разных форм и размеров — обширная область исследований.

Можно было бы ожидать, что самые маленькие организмы будут иметь мельчайшие мужские половые клетки, но это не всегда так. На самом деле, самая длинная из известных сперматозоидов принадлежит мухе.

Плодовая мушка Drosophila bifurca производит сперматозоиды, похожие на клубок. нить.Когда ученые развернули клетку и измерили ее от конца до конца, они обнаружили, что она была почти 6 см в длину. Это в 20 раз длиннее, чем все тело самца.

В исследовании, опубликованном в 2016 году, исследователи утверждали, что эти «гигантские сперматозоиды» являются клеточным эквивалентом хвоста павлина. То есть они эволюционировали, потому что самки предпочитали длинную сперму.

Очевидно, что больше — не всегда лучше. На другом конце шкалы самый короткий из известных сперматозоидов принадлежит паразитоидной осе под названием Cotesia congregata .Длина сперматозоидов составляет менее 7 микрометров (0,0007 см).

По словам Ронды Снук из Университета Шеффилда, Великобритания, существует несколько возможных объяснений крайних вариаций размера сперматозоидов.

Исследование Снука показало, что естественный отбор отфильтровывает все, кроме наиболее удачных форм и размеров сперматозоидов. Может показаться странным, что можно отдавать предпочтение как длинным, так и коротким сперматозоидам, но все это вопрос конкуренции и выбора.

Когда самки спариваются с несколькими самцами, сперматозоиды должны соревноваться, потому что только наиболее приспособленные могут победить своих соперников, чтобы оплодотворить яйцеклетку.Это давление привело к бесчисленным адаптациям, включая гигантские хвосты в сперме плодовой мушки. Другие примеры сверхконкурентной спермы включают сперму мокриц, которые образуют «поезда», которые работают совместно, и семенную жидкость некоторых мух и жуков, которая отравляет конкурирующую сперму.

Самки некоторых видов могут выбирать, какой спермой оплодотворять их яйцеклетки.

Одна из наиболее распространенных тактик, используемых самцами, — это «брачная пробка», которая предотвращает попадание других самцов в репродуктивный тракт самки.Пробки для спаривания используют пауки, шмели, белки и даже некоторые приматы.

Но в игре воспроизводства каждый мужчина должен либо играть ради численного преимущества, производя много мелких сперматозоидов, либо вкладывать весь свой потенциал в небольшое количество более сильных сперматозоидов. Наилучший выбор зависит от нескольких факторов, в том числе от того, как далеко должна проплыть сперма, и сколько энергии осталось у самца после привлечения партнера танцами, песнями или (в случае мандриллов) его ярко окрашенной задницей.

Более того, исследование 2015 года показало, что более крупные млекопитающие производят сперму меньшего размера, потому что репродуктивный тракт самок больше. Это имеет смысл, если подумать: если поле больше, вам, вероятно, понадобится больше игроков.

Вдобавок ко всему существует возможность загадочного выбора самок: самки некоторых видов могут выбирать, какой сперматозоид оплодотворяет их яйцеклетки. Внезапно удивительное разнообразие сперматозоидов в природе уже не кажется таким удивительным.

«Мы мало знаем о том, является ли основным фактором изменения морфологии сперматозоидов является конкуренция сперматозоидов или загадочный выбор самки», — говорит Снук.«Но, как и большинство научных вопросов, наиболее вероятно, что это будет комбинация этих факторов отбора».

Женские половые клетки не менее сложны.

Самое большое яйцо, производимое живым животным, принадлежит страусу. Оно в 20 раз тяжелее куриного яйца, его высота составляет примерно 15 см, а ширина — 13 см. Напротив, самое маленькое птичье яйцо — это яйцо крошечной пчелиной колибри: его размеры меньше 7 мм, то есть размером с горошину.

Мы немного непоследовательны в том, как мы используем слово «яйцо».

Тим Биркхед из Университета Шеффилда в Великобритании является автором книги Самая совершенная вещь: внутри (и снаружи) птицы яйцо .Он говорит, что у птиц размер яйца примерно пропорционален размеру тела, но с некоторыми заметными исключениями, которые не позволяют сделать все слишком легко.

«Ворон ( Corvus corax ) и обыкновенная кайра ( Uria aalge ) похожи по размеру тела и весят около 1 кг», — говорит он. «Тем не менее, одно яйцо ворона весит всего 3% от веса тела самки, тогда как яйцо кайры весит около 12% от веса самки».

Биркхед говорит, что одним из ключевых факторов при определении размеров яиц является то, как развивается молодь вида.«Виды, дающие скороспелые — хорошо развитые к моменту вылупления — цыплята, как правило, дают относительно большие яйца, как в случае с воронами и кайрами», — говорит он.

Это особенно сбивает с толку, потому что мы немного непоследовательны в том, как мы используем слово «яйцо».

Это становится очевидным, если вы попытаетесь сравнить человеческое яйцо диаметром 0,12 мм с куриным яйцом длиной 55 мм. Дело в том, что куриное яйцо — это не только яйцеклетка: там много чего еще.

Если вы хотите увидеть самые маленькие яйцеклетки в мире, вам потребуется значительное увеличение

В то время как человеческие самки развивают свое потомство внутри матки, виды, откладывающие яйца, такие как куры, должны обеспечивать своих детенышей достаточно необходимыми продуктами. развиваются вне тела матери. Для этого они создают структуру — несколько сбивающую с толку также называемую яйцом — которая сочетает в себе пищу, воду и защиту от элементов. Так поступает большая часть животного мира, включая птиц, насекомых и рыб.

Вы можете точно определить часть куриного яйца, которая развивается в эмбрион, но это невозможно без связанных питательных веществ и скорлупы. Согласно этому аргументу, страусиное яйцо по-прежнему остается самой большой яйцеклеткой на Земле.

Согласно Биркхеду, снова существует эволюционный компромисс, определяющий размер яйца. В некоторых случаях меньшее количество яиц большего размера может быть лучшим способом действий, в то время как другие виды играют в игру с числами.

Ясно одно: если вы хотите увидеть самые маленькие яйцеклетки в мире, вам потребуется значительное увеличение.

Согласно обзору 1994 года, проведенному энтомологами из Университета Флориды, паразиты, откладывающие яйца в других крошечных животных, обычно имеют самые маленькие яйца.

Возможно, неудивительно, что данные о таких микроскопических яйцах найти сложно. Согласно обзору 1994 года, крошечная муха-паразитоид под названием Clemelis pullata имеет самые маленькие из известных яиц. Они измеряют 0,027 мм на 0,02 мм.

Однако до сих пор никто не изучал половые клетки миниатюрных паразитических ос, известных как сказочные мухи.Эти крохотные насекомые — одни из самых маленьких в мире, их длина зачастую составляет всего от 0,5 до 1 мм.

В целом яйца у них довольно маленькие.

Присоединяйтесь к более чем шести миллионам поклонников BBC Earth, поставив нам лайк на Facebook или подписавшись на нас в Twitter и Instagram.

Если вам понравилась эта история, подпишитесь на рассылку новостей BBC Earth по электронной почте.

.