Gegenseitige Hilfe unter den Samenzellen basiert auf Familienzugehörigkeit • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Genetik, Molekularbiologie

Gegenseitige Hilfe unter Samenzellen basiert auf Vetternwirtschaft

Hamster Sperma-Gruppierung Peromyscus maniculatus. Fotos aus dem Artikel in der DiskussionNatur

Spermatozoen können zu kleinen dichten Herden kombiniert werden, wodurch sie einzelne Konkurrenten überholen können. Dies ist ein Beispiel für gegenseitige Hilfe mit Elementen des Altruismus, denn aus der ganzen Herde wird schließlich nur eine Samenzelle in der Lage sein, ein Ei zu befruchten. Wie sich herausstellte, die amerikanischen Hamster Peromyscus maniculatusin denen sich Weibchen mit mehreren Männchen in einer Reihe paaren, können Spermien Verwandte von Fremden unterscheiden und werden hauptsächlich mit "ihren" kombiniert. In einer eng verwandten monogamen Art P. polionotus Den Spermatozoen fehlt eine solche Selektivität, was mit den Voraussagen der Selektionstheorie übereinstimmt.

Polyandrie – Paarung von Weibchen mit vielen Männchen – führt zu intensiver Konkurrenz zwischen Spermien für das Recht, ein Ei zu befruchten. Dieser Wettbewerb kann aus zwei Blickwinkeln betrachtet werden: einzelne Spermatozoen (mit einem einzigen Chromosomensatz) und ganze Männchen (mit einem Doppelsatz). Das evolutionäre Wettrüsten (evolutionäres Wettrüsten), das durch Spermakriege ausgelöst wird, führt zur Entwicklung spezifischer Anpassungen auf beiden Ebenen.In der Regel sind Männchen der durch Spermienkriege gekennzeichneten Arten leicht durch große Hoden zu identifizieren. Je mehr sie Sperma produzieren, desto höher sind ihre Chancen, Nachkommen zu hinterlassen (ein typisches Beispiel sind Schimpansen). Spermien ihrerseits produzieren auch spezifische Anpassungen, um in einem verzweifelten Rennen zu gewinnen, in dem die gewinnenden Gene eine Chance auf Unsterblichkeit bekommen. Eine dieser Vorrichtungen ist die Fähigkeit der Samenzellen, sich in Gruppen zu vereinigen, wobei sie "Kopf an Kopf" oder "Kopf an Schwanz" zusammenkleben (siehe die Figur). Die Idee ist, dass solche Gruppen sich schneller im weiblichen Genitaltrakt bewegen und einzelne Konkurrenten überholen.

In der Zusammenarbeit von Spermien gibt es ein Element von Altruismus, denn aufgrund der gesamten Gruppe kann nur eine Samenzelle ihre Gene auf die nächsten Generationen übertragen, und alle anderen opfern sich selbst, um ihr zu helfen. Aber sie wissen wahrscheinlich nicht im Voraus, wer genau Glück haben wird, und die einzelnen Spermien sind immer noch weniger erfolgreich als jedes Mitglied der Gruppe.

Im Fall von Polyandrie ist es jedoch vorteilhaft, nicht jedem Spermatozoiden zu helfen, sondern nur einem Verwandten, dh dem Spermatozoiden desselben Mannes.Eine männliche Samenzelle hat durchschnittlich 50% identische Gene, daher ist jede Samenzelle nach der Hamilton-Regel (siehe: Evolution der Kooperation und Altruismus) profitabel, einen Teil ihrer eigenen Erfolgschancen für Verwandte zu opfern, wenn ihr Gesamtgewinn mehr als verdoppelt ist Verlust Es ist eine ganz andere Sache, wenn es um das Sperma anderer Leute geht: ihnen zu ihrem Nachteil zu helfen, ist völlig unrentabel.

Daher sagt die Theorie voraus, dass bei Spezies, die durch Polyandrie gekennzeichnet sind, die Selektion die Fähigkeit der Spermatozoen unterstützen kann, Verwandte von Fremden zu unterscheiden und nur mit "ihren eigenen" zu kooperieren.

Um diese Vorhersage zu testen, untersuchten Wissenschaftler der Harvard University (USA) das Verhalten von Spermien aus zwei eng verwandten Arten amerikanischer Hamster der Gattung Peromyscus, die in Amerika "Hirschmäuse" genannt werden (siehe dazu im Anhang: Die Entwicklung der Schutzfärbung bei Mäusen wurde auf molekularer Ebene untersucht, "Elements", 02.09.2009). Für eine der Arten (P. maniculatus) Polyandrie ist charakteristisch, und manchmal dauert es weniger als eine Minute zwischen der Paarung eines Weibchens mit zwei verschiedenen Männchen. Weibchen der zweiten Art (P. polionotus) keuscher und bevorzugen stabile Familienbande. In Übereinstimmung damit, die Hoden bei Männern P. maniculatus dreimal größer als das P. polionotus.

Zunächst waren die Forscher davon überzeugt, dass die Spermatozoen bei beiden Spezies dazu neigen, Gruppen zu bilden. Diese Gruppen, wie durch Experimente gezeigt in vitro (in vitro), schwimme mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 127 Mikrometern pro Sekunde und überhole sicher einzelne Individuen, deren Durchschnittsgeschwindigkeit nur 110 μm / s beträgt.

Danach wurden Experimente zur Selektivität von Assoziationen durchgeführt. Spermatozoen verschiedener Individuen wurden mit zwei verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen (rot und grün) gefärbt und anschließend auf ihr Verhalten in künstlichem Medium überwacht. Als Kontrolle wurden bei diesen Versuchen die Spermatozoen eines Männchens verwendet, von denen die Hälfte rot und halb grün gefärbt war. Der Prozentsatz an monochromen Spermatozoen in jeder Gruppe wurde gezählt.

Es stellte sich heraus, dass wenn zwei Arten von Spermatozoen gemischt werden, sie überwiegend artgleiche Gruppen bilden, dh sie werden entsprechend ihrer Art kombiniert. Daher ist die Fähigkeit zwischen "ihren" und "Alien" von Sperma zu unterscheiden, verfügbar.Im zweiten Experiment mischten sich Spermien von zwei verschiedenen Männchen P. maniculatus. Sie bildeten auch monochromatische Gruppen nach dem Verwandtschafts-Prinzip. Aber als die Experimentatoren das Sperma von zwei Männern eines monogamen Typs vermischten P. polionotus für die Spermienkriege nicht relevant sind, begannen Spermien gemischte rot-grüne Gruppen zu bilden. Die Experimente bestätigten also die theoretischen Erwartungen voll und ganz: Bei den Spezies mit Polyandrie unterscheiden sich die Spermatozoen verschiedener Männchen und werden nur mit "ihren" kombiniert, und bei den monogamen Arten haben die Spermatozoen keine solche Selektivität.

Im abschließenden Experiment erstellten die Autoren lesbare Spermatozoen P. maniculatus anspruchsvollere Aufgabe durch Mischen der Spermien von zwei Geschwistern. Solche Keimzellen haben durchschnittlich 25% identische Gene. Spermium hat diesen Test erfolgreich bestanden und bildet hauptsächlich "ihre" Gruppen. Also, die Fähigkeit von Sperma P. maniculatus zur Unterscheidung von "ihrer" und "Alien" ist sehr perfekt.

Diese Studie ist ein schönes Beispiel für die Wirksamkeit moderner evolutionärer Modelle. Alles wurde bis Julius Caesar gemacht: "vorhergesagt – geprüft – bestätigt".

Der molekulare Mechanismus, durch den Spermien Verwandte von Fremden unterscheiden, ist unbekannt. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass es ungefähr genauso ist wie bei der Kommunikation zwischen erwachsenen Säugetieren, und dass Proteine ​​des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) und spezialisierte Geruchsrezeptoren daran beteiligt sind (siehe: Speziation ist eine persönliche Angelegenheit von jedem, "Elemente") 15. Februar 2006). Es ist bekannt, dass sowohl MHC-Proteine ​​als auch Geruchsrezeptoren von Spermatozoen produziert werden und auf ihrer Oberfläche vorhanden sind. Zuvor wurde eine interessante Hypothese aufgestellt, nach der diese Moleküle den Spermatozoen helfen, eine Eizelle zu finden, wenn die Kreuzung nicht eng verwandt ist (Ziegler et al., 2002, PDF, 380 Kb). Es ist bedauerlich, dass die Autoren dieser Veröffentlichung nicht Beachtung geschenkt haben (und daher keine plausible Hypothese über den molekularen Erkennungsmechanismus liefern konnten).

Auf dem Weg dorthin wirft diese Studie eine interessante Frage auf: Warum haben monogame Arten generell Spermien, die sich Gruppen anschließen, wenn sie nicht mit Fremden konkurrieren müssen? Natürlich kann dies einfach durch die Tatsache erklärt werden, dass monogame Hamster diese Eigenschaft von nicht-monogamen Vorfahren geerbt haben, und die Fähigkeit der Spermatozoen, sich von anderen zu unterscheiden, hat bereits zu einer Atrophie geführt, und die Gruppierung ist noch nicht abgeschlossen.Aber es gibt eine andere mögliche Erklärung, die funktionieren würde, wenn das Zeichen "Fähigkeit, sich in Gruppen zu vereinigen" durch den haploiden Genotyp des Spermatozoiden selbst und nicht durch den diploiden Genotyp des Männchens bestimmt wird. Leider wissen wir immer noch nicht, ob das so ist. Aber wenn das so ist, dann liegt die Lösung des Problems in der Konkurrenz zwischen den Spermien desselben Mannes. Eine solche Konkurrenz kann die Evolution anführen, weil die Spermien nicht identische Genome haben.

Als Ergebnis erhalten wir eine interessante Nicht-Standardaufgabe für die Genetik. Wenn in der monogamen Population ein mutiertes Männchen vorkommt, in dem die Hälfte der Spermatozoen ein neues Merkmal "die Fähigkeit, sich zu Gruppen zu vereinigen" aufweist, und wenn die Spermiengruppe immer Einzeltiere überholt, dann erben alle Kinder dieses Männchens diese Mutation (aber nicht die Hälfte). Fall einer anderen Mutation). Wenn zwei heterozygote Träger dieser Mutation gekreuzt werden, wird die Hälfte der Kinder homozygot sein (in einer normalen Situation würde es nur ein Viertel der Homozygoten geben). Aufgrund dieser ungewöhnlichen Eigenschaften wird eine neue Mutation wahrscheinlich bald ein konkurrierendes Allel aus der Population verdrängen, das den Samenzellen keine Gelegenheit gibt, Gruppen zu bilden.Dadurch wird ein neues Erbmerkmal in der Population festgelegt, das von der Gesamtpopulation oder von einzelnen Männchen absolut nicht benötigt wird, weil ihr relativer Reproduktionserfolg nicht von diesem Merkmal abhängt (in unserem Modell verlassen Männchen mit diesem Merkmal und ohne es im Durchschnitt die gleiche Anzahl an Nachkommen) . In diesem Fall wird die Auswahl nur im Interesse des egoistischen Spermatozoons funktionieren.

Quelle: Heidi S. Fischer, Hopi E. Hoekstra. Konkurrenz treibt Kooperation zwischen Spermienpaaren von Hirschmäusen // Natur. Voraus Online-Veröffentlichung 20. Januar 2010.

Siehe auch Polyandrie und Sperma Kriege:
1) M. L. Butowskaja. Geheimnisse des Bodens. Mann und Frau im Spiegel der Evolution.
2) R. Baker. Spermkriege, PDF, 2.8 Mb (populärwissenschaftliches Buch über die evolutionären Konsequenzen von Spermienkriegen beim Menschen).
3) Die Ausschweifung der Mütter ist für den Nachwuchs "Elemente", 09.11.2006.
4) Familienbeziehungen sind der Schlüssel zum Verständnis der menschlichen Evolution, "Elements", 09.10.2009.
5) Warum schreien Primatenfrauen beim Sex ?, "Elements", 07.07.2008.

Alexander Markow


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