Анизогамия — это форма полового размножения , которая включает в себя объединение или слияние двух гамет , которые различаются по размеру и/или форме. Меньшая гамета — мужская , сперматозоид , тогда как большая гамета — женская , как правило, яйцеклетка . Анизогамия преобладает среди многоклеточных организмов. [1] Как у растений, так и у животных, разница в размере гамет является фундаментальным различием между самками и самцами . [2]
Анизогамия, скорее всего, произошла от изогамии . [3] Поскольку биологическое определение самца и самки основано на размере гамет, эволюция анизогамии рассматривается как эволюционное происхождение мужского и женского пола . [4] [5] Анизогамия является результатом как естественного отбора , так и полового отбора , [6] и привела полы к различным первичным и вторичным половым признакам [7], включая половые различия в поведении. [8]
Джефф Паркер , Робин Бейкер и Вик Смит были первыми, кто предложил математическую модель эволюции анизогамии, которая соответствовала современной эволюционной теории. [4] Их теория была широко принята, но существуют альтернативные гипотезы об эволюции анизогамии. [9] [1]
Анизогамия (противоположность изогамии ) происходит от древнегреческого отрицательного префикса a(n)- ( альфа-отрицательный падеж ), греческого прилагательного isos (означающего равный) и греческого глагола gameo (означающего иметь секс/воспроизводить), в конечном итоге означая «неравное воспроизводство», очевидно, ссылаясь на огромные различия между мужскими и женскими гаметами по размеру и способностям. [10] Первое известное использование термина анизогамия относится к 1891 году. [ необходимо разъяснение ] [11]
Анизогамия — это форма полового размножения , которая включает в себя объединение или слияние двух гамет , которые различаются по размеру и/или форме. [12] Меньшая гамета считается мужской ( сперматозоид ), тогда как большая гамета считается женской (обычно яйцеклетка , если она неподвижна ) . [13] [14]
Существует несколько типов анизогамии. Обе гаметы могут быть жгутиконосными и, следовательно, подвижными . В качестве альтернативы, как у цветковых растений , хвойных и гнетофитов , ни одна из гамет не имеет жгутиконосцев. В этих группах мужские гаметы представляют собой неподвижные клетки внутри пыльцевых зерен и доставляются в яйцеклетки с помощью пыльцевых трубок . У красной водоросли Polysiphonia неподвижные яйца оплодотворяются неподвижными сперматозоидами.
Форма анизогамии, которая встречается у животных , включая людей , — это оогамия , при которой большая неподвижная яйцеклетка (овум) оплодотворяется маленьким подвижным сперматозоидом ( сперматозоидом ). Яйцеклетка оптимизирована для долголетия, тогда как маленький сперматозоид оптимизирован для подвижности и скорости. Размер и ресурсы яйцеклетки позволяют производить феромоны , которые привлекают плавающие сперматозоиды. [15]
Анизогамия является основным элементом полового диморфизма , который помогает объяснить фенотипические различия между полами. [16] [17] Исследователи подсчитали, что более 99,99% эукариот размножаются половым путем. [18] Большинство делают это посредством мужского и женского пола, оба из которых оптимизированы для репродуктивного потенциала. Из-за их разного размера и формы гамет, как самцы, так и самки развили физиологические и поведенческие различия, которые оптимизируют плодовитость особи . [16] Поскольку большинство самок, откладывающих яйца, как правило, должны вынашивать потомство и иметь более ограниченный репродуктивный цикл, это обычно делает самок ограничивающим фактором в уровне репродуктивного успеха самцов в виде. Этот процесс также верен для самок, выбирающих самцов, и предположение, что самцы и самки выбирают разные черты у партнеров, приведет к фенотипическим различиям между полами на протяжении многих поколений. Эта гипотеза, известная как принцип Бейтмана , используется для понимания эволюционного давления, оказываемого на самцов и самок из-за анизогамии. [19] Хотя это предположение подвергается критике, оно является общепринятой моделью полового отбора внутри анизогамных видов. Отбор по различным признакам в зависимости от пола внутри одного и того же вида известен как отбор по признаку пола и объясняет различные фенотипы, обнаруженные между полами одного и того же вида. Этот отбор по признаку пола между полами с течением времени также приводит к развитию вторичных половых признаков , которые помогают самцам и самкам в репродуктивном успехе.
У большинства видов оба пола выбирают партнеров на основе доступных фенотипов потенциальных партнеров. [19] Эти фенотипы являются видоспецифичными, что приводит к различным стратегиям успешного полового размножения. Например, крупные самцы подвергаются половому отбору у морских слонов, потому что их большой размер помогает самцу отбиваться от других самцов, но мелкие самцы подвергаются половому отбору у пауков, потому что они могут быстрее спариваться с самкой, избегая при этом полового каннибализма . [20] Однако, несмотря на большой диапазон сексуально выбранных фенотипов, большинство анизогамных видов следуют набору предсказуемых желательных черт и избирательного поведения, основанного на общих моделях репродуктивного успеха.
Для внутренних удобрений женские инвестиции высоки в воспроизводство, поскольку они обычно тратят больше энергии в течение одного репродуктивного события. Это можно увидеть уже в оогенезе , поскольку самка жертвует числом гамет ради размера гамет, чтобы лучше увеличить шансы на выживание потенциальной зиготы; процесс более энергетически требовательный, чем сперматогенез у самцов. [21] Оогенез происходит в яичнике , женском специфическом органе, который также вырабатывает гормоны для подготовки других женских специфичных органов к изменениям, необходимым в репродуктивных органах для облегчения доставки яйцеклеток во внешних удобрениях и развития зиготы во внутренних удобрениях. Полученная яйцеклетка не только большая, но иногда даже неподвижная, требующая контакта с более подвижной спермой, чтобы спровоцировать оплодотворение. [21]
Поскольку этот процесс очень энергозатратен и занимает много времени у самки, выбор партнера часто интегрирован в ее поведение. [16] Самки часто очень избирательны в выборе самцов для размножения, поскольку фенотип самца может указывать на физическое здоровье и наследственные черты самца. Самки используют выбор партнера, чтобы заставить самцов продемонстрировать свои желаемые черты самкам посредством ухаживания , и в случае успеха самец получает возможность размножаться. Это побуждает самцов и самок определенных видов вкладывать средства в ухаживающее поведение, а также в черты, которые могут продемонстрировать физическое здоровье потенциальному партнеру. Этот процесс, известный как половой отбор , [16] приводит к развитию черт, облегчающих репродуктивный успех, а не индивидуальное выживание, например, раздутый размер королевы термитов. Для самок также важно выбирать потенциальных партнеров, у которых может быть инфекция, передающаяся половым путем , поскольку болезнь может не только повредить репродуктивной способности самки, но и повредить полученному потомству. [22]
Хотя это не редкость для самцов, самки больше связаны с родительской заботой . Поскольку у самок более ограниченный репродуктивный график, чем у самцов, самка часто вкладывает больше средств в защиту потомства до половой зрелости, чем самец. Как и выбор партнера, уровень родительской заботы сильно различается между видами и часто зависит от количества потомков, произведенных за один половой акт. [23]
У многих видов, включая виды из всех основных групп позвоночных [24], самки могут использовать хранилище спермы , [25] процесс, посредством которого самка может хранить избыток спермы от партнера и оплодотворять свои яйца долгое время после репродуктивного события, если возможности спаривания уменьшаются или качество партнеров ухудшается. Имея возможность сохранять сперму от более желательных партнеров, самка получает больший контроль над собственным репродуктивным успехом, что позволяет самке быть более избирательной в отношении самцов, а также делать время оплодотворения потенциально более частым, если самцов мало. [25]
У самцов всех видов вырабатываемые ими сперматозоиды оптимизированы для обеспечения оплодотворения женской яйцеклетки. Эти сперматозоиды создаются посредством сперматогенеза, формы гаметогенеза , которая фокусируется на развитии как можно большего количества гамет за половой акт. [21] Сперматогенез происходит в яичках , специфическом мужском органе, который также вырабатывает гормоны, запускающие развитие вторичных половых признаков. Поскольку гаметы самца энергетически дешевы и обильны при каждой эякуляции, самец может значительно увеличить свой сексуальный успех, спариваясь гораздо чаще, чем самка. [21] Сперма, в отличие от яйцеклеток, также подвижна, что позволяет сперме плыть к яйцеклетке через половые органы самки. Конкуренция сперматозоидов также является основным фактором в развитии сперматозоидов. Только один сперматозоид может оплодотворить яйцеклетку, и поскольку самки потенциально могут спариваться более чем с одним самцом до того, как произойдет оплодотворение, производство сперматозоидов, которые быстрее, обильнее и более жизнеспособны, чем те, которые производятся другими самцами, может дать самцу репродуктивное преимущество. [21]
Поскольку самки часто являются ограничивающим фактором в репродуктивном успехе вида, самки часто ожидают, что самцы будут искать и конкурировать за самку, что известно как внутривидовая конкуренция . [19] Это можно увидеть у таких организмов, как бобовые жуки, поскольку самец, который чаще ищет самок, часто более успешен в поиске партнеров и размножении. У видов, подвергающихся этой форме отбора, пригодный самец будет тот, который быстр, имеет более утонченные органы чувств и пространственное восприятие. [19]
Некоторые вторичные половые признаки предназначены не только для привлечения партнеров, но и для конкуренции с другими самцами за возможности спаривания. Некоторые структуры, такие как рога у оленей, могут обеспечивать преимущества для репродуктивного успеха самца, предоставляя оружие, чтобы помешать самцам-соперникам достичь репродуктивного успеха. [22] Однако другие структуры, такие как большие красочные хвостовые перья, обнаруженные у самцов павлинов, являются результатом фишеровского побега , а также нескольких других видоспецифичных факторов. Из-за того, что самки выбирают определенные черты у самцов, со временем эти черты преувеличиваются до такой степени, что они могут препятствовать выживанию самца. [22] Однако, поскольку эти черты в значительной степени приносят пользу половому отбору, их полезность в предоставлении большего количества возможностей для спаривания перевешивает возможность того, что эта черта может привести к сокращению его продолжительности жизни из-за хищничества или голодания. Эти желательные черты выходят за рамки физических частей тела и часто распространяются также на поведение при ухаживании и брачные подарки .
Хотя некоторые формы поведения самцов должны работать в рамках выбора самки, некоторые черты самцов работают против этого. Достаточно сильные самцы в некоторых случаях могут навязывать себя самке, заставляя ее оплодотворяться и переопределяя ее выбор. [26] Поскольку это часто может быть опасно для самки, результатом часто становится эволюционная гонка вооружений между полами.
Чарльз Дарвин писал, что анизогамия оказала влияние на эволюцию полового диморфизма . Он также утверждал, что анизогамия оказала влияние на половое поведение. [27] Анизогамия впервые стала важной темой в биологических науках, когда Чарльз Дарвин написал о половом отборе . [ необходимо разъяснение ] [28]
Математические модели, пытающиеся объяснить эволюцию анизогамии, были опубликованы еще в 1932 году, но первой моделью, соответствующей эволюционной теории, была модель, опубликованная Джеффом Паркером , Робином Бейкером и Виком Смитом в 1972 году. [4]
Хотя его эволюция не оставила никаких ископаемых записей, [3] общепринято, что анизогамия произошла от изогамии и что она развивалась независимо в нескольких группах эукариот, включая простейших, водоросли, растения и животных. [29] По мнению Джона Эйвиса, анизогамия, вероятно, возникла примерно в то же время, когда возникли половое размножение и многоклеточность , [30] более 1 миллиарда лет назад. [31] Анизогамия впервые развилась у многоклеточных гаплоидных видов после того, как установились различные типы спаривания . [32]
Три основные теории эволюции анизогамии — это конкуренция гамет, ограничение гамет и внутриклеточные конфликты, но последняя из этих трех не очень хорошо подкреплена текущими доказательствами. [33] Как конкуренция гамет, так и ограничение гамет предполагают, что анизогамия возникла в результате разрушительного отбора, действующего на предковую изогамную популяцию с внешним оплодотворением, из-за компромисса между большим числом гамет и размером гамет (что, в свою очередь, влияет на выживание зиготы), поскольку общий ресурс, который одна особь может вложить в воспроизводство, считается фиксированным. [31]
Первая формальная математическая теория, предложенная для объяснения эволюции анизогамии, основывалась на ограничении гамет: [34] эта модель предполагала, что естественный отбор приведет к размерам гамет, которые приведут к наибольшему числу успешных оплодотворений в популяции. [34] [35] [36] Если предположить, что для выживания образовавшейся зиготы необходимо определенное количество ресурсов, предоставляемых гаметами, и что существует компромисс между размером и количеством гамет, то было показано, что этот оптимум будет таким, при котором производятся как маленькие (мужские), так и большие (женские) гаметы. Однако эти ранние модели предполагают, что естественный отбор действует в основном на уровне популяции, что сегодня известно как очень проблематичное предположение. [37]
Первой математической моделью, объясняющей эволюцию анизогамии посредством отбора на индивидуальном уровне, и получившей широкое признание, была теория конкуренции гамет или сперматозоидов. [38] [39] [40] Здесь отбор происходит на индивидуальном уровне: те особи, которые производят больше (но меньших) гамет, также получают большую долю оплодотворений просто потому, что они производят большее количество гамет, которые «ищут» гамет большего типа. Однако, поскольку зиготы, образованные из более крупных гамет, имеют лучшие перспективы выживания, этот процесс может снова привести к расхождению размеров гамет на большие и маленькие (женские и мужские) гаметы. Конечный результат заключается в том, что, по-видимому, многочисленные мелкие гаметы конкурируют за большие гаметы, которым поручено обеспечить максимальные ресурсы для потомства.
Некоторые недавние теоретические работы поставили под сомнение теорию конкуренции гамет, показав, что ограничение гамет само по себе может привести к расхождению размеров гамет даже при отборе на индивидуальном уровне. [41] [42] [43] Хотя это возможно, также было показано, что конкуренция гамет и ограничение гамет являются концами континуума селективных давлений, и они могут действовать по отдельности или вместе в зависимости от условий. [44] Эти селекционные давления также действуют в том же направлении (увеличивая количество гамет за счет размера) и на том же уровне (индивидуальный отбор). Теория также предполагает, что ограничение гамет могло быть доминирующей силой отбора для эволюционного происхождения полов только при довольно ограниченных обстоятельствах, и присутствие в среднем только одного конкурента может сделать «эгоистичную» эволюционную силу конкуренции гамет сильнее, чем «кооперативную» силу ограничения гамет, даже если ограничение гамет очень острое (приближающееся к 100% неоплодотворенных яиц). [45]
Затем существует относительно надежная теоретическая база для понимания этого фундаментального перехода от изогамии к анизогамии в эволюции воспроизводства, который, как предсказывают, связан с переходом к многоклеточности. Фактически, Ханшен и др. (2018) демонстрируют, что анизогамия произошла от изогамных многоклеточных предков и что анизогамия впоследствии будет способствовать вторичному половому диморфизму. [32] Существуют некоторые сравнительные эмпирические доказательства теорий конкуренции гамет, [33] [46] [47], хотя трудно использовать эти доказательства, чтобы полностью разделить теории конкуренции и ограничения, поскольку их проверяемые предсказания схожи. [31] Также утверждалось, что некоторые из организмов, используемых в таких сравнительных исследованиях, не очень хорошо соответствуют теоретическим предположениям. [48]
Ценной модельной системой для изучения эволюции анизогамии являются водоросли вольвоксин, группа хлорофитов которых является совершенно уникальной, поскольку ее существующие виды демонстрируют разнообразие систем спаривания ( изогамия и анизогамия) в дополнение к своим крайностям как в одноклеточности , так и в многоклеточности с разнообразием форм у видов промежуточных диапазонов размеров. [49] Морские водоросли были тщательно изучены для понимания траекторий таких разнообразных репродуктивных систем, [50] эволюции пола и типов спаривания, [51], а также адаптивности и стабильности анизогамии. [52] [50] [32]