Половой диморфизм — это состояние, при котором полы одного и того же вида проявляют различные морфологические характеристики, включая характеристики, не участвующие напрямую в размножении . [1] Это состояние встречается у большинства раздельнополых видов, которые состоят из большинства животных и некоторых растений. Различия могут включать вторичные половые признаки , размер, вес, цвет, отметины или поведенческие или когнитивные черты. Репродуктивная конкуренция между самцами развила разнообразный набор сексуально диморфных признаков. Агрессивные полезные признаки, такие как «боевые» зубы и тупые головы, усиленные в качестве таранов, используются в качестве оружия в агрессивных взаимодействиях между соперниками. Пассивные проявления, такие как декоративное оперение или пение, также развились в основном посредством полового отбора. [2] Эти различия могут быть тонкими или преувеличенными и могут подвергаться половому отбору и естественному отбору . Противоположностью диморфизма является мономорфизм , когда оба биологических пола фенотипически неотличимы друг от друга. [3]
Распространенные и легко идентифицируемые типы диморфизма состоят из орнаментации и окраски, хотя не всегда очевидны. Различие в окраске полов в пределах данного вида называется половым дихроматизмом, обычно наблюдаемым у многих видов птиц и рептилий. [4] Половой отбор приводит к преувеличенным диморфным признакам, которые используются преимущественно в конкуренции за партнеров. [5] Повышение приспособленности в результате орнаментации компенсирует стоимость ее производства или поддержания, что предполагает сложные эволюционные последствия, но стоимость и эволюционные последствия различаются от вида к виду. [6]
Павлины представляют собой яркие иллюстрации этого принципа. Изысканное оперение павлинов, используемое в ухаживании, привлекает пав . На первый взгляд можно ошибочно принять павлинов и пав за совершенно разные виды из-за ярких цветов и огромного размера оперения самца; пава имеет приглушенную коричневую окраску. [7] Оперение павлина увеличивает его уязвимость для хищников, поскольку оно является помехой в полете, и в целом делает птицу заметной. [7] Подобных примеров много, например, у райских птиц [8] и фазанов аргуса . [ требуется ссылка ]
Другим примером полового дихроматизма является птенец лазоревки . Самцы хроматически более желтые, чем самки. Считается, что это достигается за счет употребления в пищу зеленых личинок чешуекрылых , которые содержат большое количество каротиноидов лютеина и зеаксантина . [ 9] Эта диета также влияет на половой диморфизм цветов в невидимом для человека ультрафиолетовом спектре. [10] [11] Следовательно, самцы птиц, хотя и кажутся желтыми для людей, на самом деле имеют фиолетовое оперение, которое видят самки. Считается, что это оперение является индикатором родительских способностей самцов. [12] Возможно, это хороший индикатор для самок, потому что он показывает, что они хорошо справляются с получением пищи, из которой получают каротиноиды. Существует положительная корреляция между хромами хвостовых и грудных перьев и состоянием тела. [13] Каротиноиды играют важную роль в иммунной функции многих животных, поэтому сигналы, зависимые от каротиноидов, могут указывать на здоровье. [14]
Лягушки представляют собой еще одну яркую иллюстрацию принципа. Существует два типа дихроматизма для видов лягушек: онтогенетический и динамический. Онтогенетические лягушки более распространены и имеют постоянные изменения цвета у самцов или самок. Ranoidea lesueuri является примером динамической лягушки с временными изменениями цвета у самцов в период размножения. [15] Hyperolius ocellatus является онтогенетической лягушкой с резкими различиями как в цвете, так и в рисунке между полами. В период половой зрелости самцы демонстрируют ярко-зеленый цвет с белыми дорсолатеральными линиями. [16] Напротив, самки имеют ржаво-красный или серебристый цвет с небольшими пятнами. Яркая окраска в популяции самцов привлекает самок и является апосематическим знаком для потенциальных хищников.
Самки часто отдают предпочтение преувеличенным вторичным половым признакам самцов при выборе партнера. [17] Гипотеза сексуального сына объясняет, что самки предпочитают более сложных самцов и отбирают самцов, которые имеют тусклую окраску, независимо от зрения вида. [18]
Подобный половой диморфизм и выбор спаривания также наблюдаются у многих видов рыб. Например, самцы гуппи имеют красочные пятна и украшения, в то время как самки, как правило, серые. Самки гуппи предпочитают ярко окрашенных самцов более тусклым самцам. [19] [ нужна страница ]
У красногубых морских собачек только у самцов развивается орган в анально-урогенитальной области, который вырабатывает антимикробные вещества. Во время родительской заботы самцы трут свои анально-урогенитальные области о внутреннюю поверхность своих гнезд, тем самым защищая икру от микробных инфекций, одной из наиболее распространенных причин смертности среди молодых рыб. [20]
Большинство цветковых растений являются гермафродитами , но примерно у 6% видов есть отдельные самцы и самки ( двудомность ). [21] Половой диморфизм распространен у двудомных растений [22] : 403 и двудомных видов. [23] : 71
Самцы и самки у видов, опыляемых насекомыми , обычно выглядят похожими друг на друга, потому что растения предоставляют награды (например, нектар ), которые побуждают опылителей посещать другие похожие цветы , завершая опыление . Орхидеи Catasetum являются одним интересным исключением из этого правила. Мужские орхидеи Catasetum яростно прикрепляют поллинии к опылителям-пчелам рода euglossine . Затем пчелы будут избегать других мужских цветов, но могут посещать женские, которые выглядят иначе, чем мужские. [24]
Различные другие исключения из двудомности, такие как Loxostylis alata , имеют визуально разные полы, что приводит к наиболее эффективному поведению опылителей, которые затем используют наиболее эффективную стратегию при посещении каждого пола цветка вместо того, чтобы, скажем, искать пыльцу в женском цветке, несущем нектар. [ необходима ссылка ]
Некоторые растения, такие как некоторые виды герани, имеют то, что равносильно серийному половому диморфизму. Цветы таких видов могут, например, представлять свои пыльники при раскрытии, затем сбрасывать истощенные пыльники через день или два и, возможно, также менять свой цвет, пока созревает пестик ; специализированные опылители очень склонны концентрироваться на точном внешнем виде цветов, которые они обслуживают, что экономит их время и усилия и соответственно служит интересам растения. Некоторые такие растения идут еще дальше и меняют свой внешний вид после оплодотворения, тем самым отпугивая дальнейших визитов опылителей. Это выгодно обеим сторонам, поскольку позволяет избежать повреждения развивающихся плодов и траты усилий опылителя на невыгодные визиты. По сути, стратегия гарантирует, что опылители могут ожидать вознаграждения каждый раз, когда они посещают цветок с соответствующей рекламой. [ необходима цитата ]
Самки водного растения Vallisneria americana имеют плавающие цветки, прикрепленные к длинному цветоносу , которые оплодотворяются, если они контактируют с одним из тысяч свободно плавающих цветков, выпущенных самцом. [25] [ необходим лучший источник ] Половой диморфизм чаще всего связан с ветроопылением у растений из-за отбора на эффективное рассеивание пыльцы у самцов по сравнению с захватом пыльцы у самок, например, Leucadendron rubrum . [26]
Половой диморфизм у растений также может зависеть от репродуктивного развития. Это можно увидеть в Cannabis sativa , типе конопли, у которой более высокие показатели фотосинтеза у самцов во время роста, но более высокие показатели у самок, когда растения становятся половозрелыми. [27]
Каждый существующий вид сосудистых растений, размножающийся половым путем, имеет чередование поколений; растения, которые мы видим вокруг нас, как правило, являются диплоидными спорофитами , но их потомство не является семенами, которые люди обычно распознают как новое поколение. Семя на самом деле является потомством гаплоидного поколения микрогаметофитов ( пыльца ) и мегагаметофитов ( зародышевые мешки в семяпочках ). Соответственно, каждое пыльцевое зерно может рассматриваться как мужское растение само по себе; оно производит сперматозоид и резко отличается от женского растения, мегагаметофита, который производит женскую гамету. [ необходима цитата ]
Насекомые демонстрируют широкий спектр полового диморфизма между таксонами, включая размер, орнаментацию и окраску. [28] Смещенный в сторону самок половой диморфизм размеров, наблюдаемый во многих таксонах, развился, несмотря на интенсивную конкуренцию между самцами за самок. [29] Например, у Osmia rufa самка крупнее/шире самцов, самцы имеют размер 8–10 мм, а самки — 10–12 мм. [30] У каркасной императорской самки самки также крупнее самцов. [31] Причина полового диморфизма заключается в массе запаса, при котором самки потребляют больше пыльцы, чем самцы. [32]
У некоторых видов есть доказательства мужского диморфизма, но, по-видимому, это связано с различиями ролей. Это видно на примере вида пчел Macrotera portalis, у которого есть морфа с маленькой головой, способная летать, и морфа с большой головой, неспособная летать, для самцов. [33] Anthidium manicatum также демонстрирует половой диморфизм, смещенный в сторону самцов. Отбор на больший размер у самцов, а не самок у этого вида мог быть результатом их агрессивного территориального поведения и последующего дифференциального успеха в спаривании. [34] Другим примером является Lasioglossum hemichalceum , который является видом пчел-потомков, который демонстрирует резкие физические диморфизмы между потомством самцов. [35] Не все диморфизмы должны иметь резкие различия между полами. Andrena agilissima — это шахтерская пчела, у которой у самок голова лишь немного больше, чем у самцов. [36]
Вооружение приводит к повышению приспособленности за счет повышения успеха в конкуренции между самцами у многих видов насекомых. [37] Рога жука Onthophagus taurus представляют собой увеличенные наросты на голове или груди, выраженные только у самцов. Copris ochus также имеет выраженный половой и мужской диморфизм в рогах головы. [38] Еще один жук с выраженным половым диморфизмом, связанным с рогами, — Allomyrina dichotoma, также известный как японский жук-носорог . [39] Эти структуры впечатляют из-за преувеличенных размеров. [40] Существует прямая корреляция между длиной рогов самцов и размером тела, а также более высоким доступом к партнерам и приспособленностью. [40] У других видов жуков и самцы, и самки могут иметь украшения, такие как рога. [38] Как правило, половой диморфизм размеров насекомых (SSD) внутри вида увеличивается с размером тела. [41]
Половой диморфизм среди насекомых также проявляется в виде дихроматизма. У бабочек родов Bicyclus и Junonia диморфные узоры крыльев развились из-за ограниченной полом экспрессии, которая опосредует внутрилокусный половой конфликт и приводит к повышению приспособленности у самцов. [42] Половая дихроматичность Bicyclus anynana отражается отбором самок на основе дорсальных УФ-отражающих глазных пятен. [43] Обыкновенная сера также демонстрирует половой дихроматизм; у самцов желтые и радужные крылья, в то время как крылья у самок белые и нерадужные. [44] Естественно отобранное отклонение в защитной окраске самок проявляется у подражательных бабочек. [45]
Во многих группах паукообразных наблюдается половой диморфизм [46] , но наиболее широко он изучен у пауков. Например, у паука-кругопряда Zygiella x-notata взрослые самки имеют больший размер тела, чем взрослые самцы [47] . Диморфизм размеров показывает корреляцию с половым каннибализмом [48] , который ярко выражен у пауков (он также встречается у насекомых, таких как богомолы ). У паука-волка Tigrosa helluo , имеющего диморфный размер , самки, ограниченные в еде, чаще занимаются каннибализмом [49] . Следовательно, существует высокий риск низкой приспособленности самцов из-за прекопулятивного каннибализма, что привело к выбору самцами более крупных самок по двум причинам: более высокая плодовитость и более низкие показатели каннибализма [49] . Кроме того, плодовитость самок положительно коррелирует с размером тела самок, и выбирается большой размер тела самок, что наблюдается в семействе Araneidae . Все виды Argiope , включая Argiope bruennichi , используют этот метод. Некоторые самцы развили украшения [ неопределенные ] , включая связывание самки шелком, пропорционально более длинные ноги, изменение паутины самки, спаривание во время кормления самки или предоставление брачного подарка в ответ на сексуальный каннибализм. [49] Размер тела самца не подвергается отбору из-за каннибализма у всех видов пауков, таких как Nephila pilipes , но более заметно отбирается у менее диморфных видов пауков, которые часто отбирают самцов большего размера. [50] У вида Maratus volans самцы известны своим характерным красочным веером, который привлекает самок во время спаривания. [51]
Лучеперые рыбы — древний и разнообразный класс с самой широкой степенью полового диморфизма среди всех классов животных. Фейрберн отмечает, что «самки, как правило, крупнее самцов, но самцы часто крупнее у видов с боями самцов между самцами или отцовской заботой самцов... [размеры варьируются] от карликовых самцов до самцов, которые более чем в 12 раз тяжелее самок». [52] [ нужна страница ]
Бывают случаи, когда самцы значительно крупнее самок. Примером является Lamprologus callipterus , тип цихлид. У этой рыбы самцы характеризуются тем, что они в 60 раз крупнее самок. Считается, что увеличенный размер самца выгоден, потому что самцы собирают и защищают пустые раковины улиток, в каждой из которых размножается самка. [53] Самцы должны быть крупнее и сильнее, чтобы собирать самые большие раковины. Размер тела самки должен оставаться небольшим, потому что для того, чтобы размножаться, она должна откладывать яйца внутри пустых раковин. Если она вырастет слишком большой, она не поместится в раковинах и не сможет размножаться. Небольшой размер тела самки также, вероятно, выгоден для ее шансов найти незанятую раковину. Более крупные раковины, хотя и предпочтительны для самок, часто ограничены в доступности. [54] Следовательно, самка ограничена ростом размера раковины и может фактически менять скорость своего роста в зависимости от доступности размера раковины. [55] Другими словами, способность самца собирать большие ракушки зависит от его размера. Чем крупнее самец, тем крупнее ракушки, которые он может собрать. Это позволяет самкам быть крупнее в его гнезде для высиживания потомства, что делает разницу между размерами полов менее существенной. Конкуренция между самцами у этого вида рыб также отбирает у самцов больший размер. Самцы ведут агрессивную конкуренцию за территорию и доступ к более крупным ракушкам. Крупные самцы выигрывают драки и крадут ракушки у конкурентов. Другим примером является дракончик , у которого самцы значительно крупнее самок и обладают более длинными плавниками.
Половой диморфизм также встречается у гермафродитных рыб. Эти виды известны как последовательные гермафродиты . У рыб репродуктивные истории часто включают смену пола с самки на самца, где существует сильная связь между ростом, полом особи и системой спаривания, в которой она действует. [56] В протогинических системах спаривания, где самцы доминируют в спаривании со многими самками, размер играет значительную роль в репродуктивном успехе самцов. [57] Самцы имеют тенденцию быть крупнее самок сопоставимого возраста, но неясно, связано ли увеличение размера со скачком роста во время полового перехода или с историей более быстрого роста у особей, меняющих пол. [58] Более крупные самцы способны подавлять рост самок и контролировать ресурсы окружающей среды. [ необходима цитата ]
Социальная организация играет большую роль в смене пола рыбой. Часто можно увидеть, что рыба меняет пол, когда в социальной иерархии отсутствует доминирующий самец. Самки, которые меняют пол, часто достигают и сохраняют первоначальное преимущество в размере в раннем возрасте. В любом случае самки, которые меняют пол на самцов, крупнее и часто оказываются хорошим примером диморфизма.
В других случаях с рыбами самцы будут проходить через заметные изменения в размере тела, а самки будут проходить через морфологические изменения, которые можно увидеть только внутри тела. Например, у нерки самцы развивают больший размер тела в зрелом возрасте, включая увеличение глубины тела, высоты горба и длины морды. Самки испытывают незначительные изменения в длине морды, но наиболее заметное различие - это огромное увеличение размера гонад , которые составляют около 25% массы тела. [59]
Половой отбор наблюдался для женской орнаментации у Gobiusculus flavescens , известных как двухпятнистые бычки. [60] Традиционные гипотезы предполагают, что конкуренция между самцами движет отбором. Однако отбор по орнаментации в пределах этого вида предполагает, что яркие черты самок могут быть отобраны либо через конкуренцию между самками, либо через выбор самцом партнера. [60] Поскольку орнаментация на основе каротиноидов предполагает качество партнера, самки двухпятнистых гуппи, у которых во время сезона размножения появляются красочные оранжевые животы, считаются благоприятными для самцов. [61] Самцы вкладывают большие средства в потомство во время инкубации, что приводит к половому предпочтению у красочных самок из-за более высокого качества яиц. [61]
У амфибий и рептилий степень полового диморфизма сильно различается среди таксономических групп . Половой диморфизм у амфибий и рептилий может быть отражен в любом из следующих признаков: анатомия; относительная длина хвоста; относительный размер головы; общий размер, как у многих видов гадюк и ящериц ; окраска, как у многих амфибий , змей и ящериц, а также у некоторых черепах ; украшение, как у многих тритонов и ящериц; наличие специфического поведения, связанного с полом, характерно для многих ящериц; и вокальные качества, которые часто наблюдаются у лягушек . [ необходима ссылка ]
Ящерицы -анолисы демонстрируют выраженный диморфизм размеров, при этом самцы обычно значительно крупнее самок. Например, средний размер самца Anolis sagrei составлял 53,4 мм, а самки — 40 мм. [62] Различные размеры головы у анолисов объясняются различиями в эстрогеновом пути. [63] Половой диморфизм у ящериц обычно приписывается эффектам полового отбора, но другие механизмы, включая экологическую дивергенцию и отбор по плодовитости, дают альтернативные объяснения. [64] Развитие цветового диморфизма у ящериц вызвано гормональными изменениями в начале половой зрелости, как это наблюдается у Psamodromus algirus , Sceloporus gadoviae и S. undulates erythrocheilus . [64] Половой диморфизм по размеру также наблюдается у таких видов лягушек, как P. bibroni i .
Самцы расписных драконовых ящериц, Ctenophorus pictus , ярко выделяются своей окраской во время размножения, но с возрастом цвет самцов ухудшается . Окраска самцов, по-видимому, отражает врожденную антиоксидантную способность, которая защищает от окислительного повреждения ДНК . [65] Окраска самцов во время размножения, вероятно, является для самок индикатором базового уровня окислительного повреждения ДНК (значительный компонент старения) у потенциальных партнеров. [65]
Были предложены возможные механизмы для объяснения макроэволюции полового диморфизма размеров у птиц. К ним относятся половой отбор, отбор по плодовитости у самок, нишевая дивергенция между полами и аллометрия, но их относительная важность до сих пор не полностью понята. [66] [67] Половой диморфизм у птиц может проявляться в различиях в размерах или оперении между полами. Половой диморфизм размеров варьируется среди таксонов, при этом самцы обычно крупнее, хотя это не всегда так, например, хищные птицы , колибри и некоторые виды нелетающих птиц. [68] [69] Диморфизм оперения в форме орнаментации или окраски также варьируется, хотя самцы, как правило, более орнаментированы или ярко окрашены. [70] Такие различия были приписаны неравному репродуктивному вкладу полов. [71] Это различие приводит к более сильному выбору самок, поскольку у них больше риска при производстве потомства. У некоторых видов вклад самца в воспроизводство заканчивается на момент спаривания, в то время как у других видов самец становится главным (или единственным) опекуном. Полиморфизм оперения развился, чтобы отразить эти различия и другие показатели репродуктивной пригодности, такие как состояние тела [72] или выживание. [73] Фенотип самца посылает сигналы самкам, которые затем выбирают «самого приспособленного» доступного самца.
Половой диморфизм является продуктом как генетических, так и экологических факторов. Примером полового полиморфизма , определяемого условиями окружающей среды, является красноспинный расписной малюр . Самцов красноспинного расписного малюра можно разделить на три категории в течение сезона размножения : черные производители, коричневые производители и коричневые вспомогательные особи. [72] Эти различия возникают в ответ на состояние тела птицы: если они здоровы, они будут производить больше андрогенов, таким образом становясь черными производителями, в то время как менее здоровые птицы производят меньше андрогенов и становятся коричневыми вспомогательными особями. [72] Таким образом, репродуктивный успех самца определяется его успехом в течение каждого года, когда он не размножается, в результате чего репродуктивный успех меняется в зависимости от условий окружающей среды каждого года.
Миграционные модели и поведение также влияют на половой диморфизм. Этот аспект также восходит к диморфизму размеров у видов. Было показано, что более крупные самцы лучше справляются с трудностями миграции и, таким образом, более успешны в размножении по достижении места размножения. [74] При рассмотрении этого с эволюционной точки зрения, во внимание принимаются многие теории и объяснения. Если это является результатом для каждого сезона миграции и размножения, ожидаемым результатом должен быть сдвиг в сторону большей популяции самцов посредством полового отбора. Половой отбор силен, когда также вводится фактор отбора окружающей среды. Отбор окружающей среды может поддерживать меньший размер птенцов, если эти птенцы родились в области, которая позволила им вырасти до большего размера, даже если в нормальных условиях они не смогли бы достичь этого оптимального размера для миграции. Когда окружающая среда дает преимущества и недостатки такого рода, сила отбора ослабевает, и силам окружающей среды придается больший морфологический вес. Половой диморфизм также может привести к изменению сроков миграции, что приводит к различиям в успешности спаривания в популяции птиц. [75] Когда диморфизм производит такую большую вариацию между полами и между представителями полов, могут иметь место множественные эволюционные эффекты. Такое время может даже привести к явлению видообразования, если вариация станет сильно радикальной и благоприятной для двух различных результатов. Половой диморфизм поддерживается противодействующим давлением естественного отбора и полового отбора. Например, половой диморфизм в окраске увеличивает уязвимость видов птиц к хищничеству европейских перепелятников в Дании. [76] Предположительно, усиление полового диморфизма означает, что самцы становятся ярче и заметнее, что приводит к увеличению хищничества. [76] Более того, производство более преувеличенных украшений у самцов может происходить за счет подавленной иммунной функции. [72] Пока репродуктивные преимущества признака из-за полового отбора больше, чем издержки, налагаемые естественным отбором, признак будет распространяться по всей популяции. Репродуктивные преимущества возникают в форме большего количества потомства, в то время как естественный отбор налагает издержки в форме снижения выживаемости. Это означает, что даже если признак заставляет самцов умирать раньше, признак все равно полезен, пока самцы с признаком производят больше потомства, чем самцы без признака. Этот баланс поддерживает диморфизм в этих видах и гарантирует, что следующее поколение успешных самцов также будет демонстрировать эти признаки, привлекательные для самок.
Такие различия в форме и репродуктивных ролях часто вызывают различия в поведении. Как уже говорилось ранее, самцы и самки часто играют разные роли в размножении. Ухаживание и брачное поведение самцов и самок в значительной степени регулируются гормонами на протяжении всей жизни птицы. [77] Активационные гормоны появляются во время полового созревания и взрослой жизни и служат для «активации» определенных видов поведения, когда это необходимо, например, территориальности в период размножения. [77] Организационные гормоны появляются только в критический период на ранней стадии развития, либо непосредственно перед вылуплением, либо сразу после него у большинства птиц, и определяют модели поведения на всю оставшуюся жизнь птицы. [77] Такие поведенческие различия могут вызывать непропорциональную чувствительность к антропогенному давлению. [78] Самки лугового чекана в Швейцарии размножаются на интенсивно управляемых лугах. [78] Более ранний сбор травы в период размножения приводит к большему количеству смертей самок. [78] Популяции многих птиц часто имеют перекос в сторону самцов, и когда половые различия в поведении увеличивают это соотношение, популяции сокращаются более быстрыми темпами. [78] Кроме того, не все признаки мужского диморфизма обусловлены гормонами, такими как тестостерон, вместо этого они являются естественной частью развития, например оперение. [79] Кроме того, сильное гормональное влияние на фенотипические различия предполагает, что генетический механизм и генетическая основа этих половых признаков диморфизма могут включать факторы транскрипции или кофакторы, а не регуляторные последовательности. [80]
Половой диморфизм также может влиять на различия в родительских инвестициях во времена нехватки пищи. Например, у голубоногой олуши самки птенцов растут быстрее самцов, в результате чего родители-олуши производят меньший пол, самцов, во времена нехватки пищи. Это затем приводит к максимизации репродуктивного успеха родительской жизни. [81] У черноголовых веретенников Limosa limosa limosa самки также являются более крупным полом, и темпы роста самок птенцов более восприимчивы к ограниченным условиям окружающей среды. [82]
Половой диморфизм может также проявляться только во время брачного сезона; некоторые виды птиц демонстрируют диморфные черты только в сезонных вариациях. Самцы этих видов линяют, приобретая менее яркий или менее преувеличенный цвет во время сезона размножения. [80] Это происходит потому, что вид больше сосредоточен на выживании, чем на воспроизводстве, что приводит к переходу в менее богато украшенное состояние. [ сомнительно – обсудить ]
Следовательно, половой диморфизм имеет важные последствия для сохранения. Однако половой диморфизм встречается не только у птиц и, таким образом, важен для сохранения многих животных. Такие различия в форме и поведении могут привести к половой сегрегации , определяемой как половые различия в использовании пространства и ресурсов. [83] Большинство исследований половой сегрегации было проведено на копытных, [83] но такие исследования распространяются на летучих мышей , [84] кенгуру , [85] и птиц. [86] Планы сохранения, специфичные для пола, были даже предложены для видов с выраженной половой сегрегацией. [84]
Термин сесквиморфизм (латинская приставка к числительному sesqui - означает один и один-полтора, то есть нечто среднее между mono - (один) и di - (два)) был предложен для видов птиц, у которых «оба пола имеют в основном одинаковый рисунок оперения, хотя самка четко различима по причине ее более бледной или размытой окраски». [87] : 14 Примерами служат капский воробей ( Passer melanurus ), [87] : 67 рыжий воробей (подвид P. motinensis motinensis ), [87] : 80 и саксауловый воробей ( P. ammodendri ). [87] : 245
Изучение окаменелостей нептичьих динозавров в поисках полового диморфизма требует предоставления полных и сочлененных скелетных и тканевых останков. Как наземные организмы, туши динозавров подвержены экологическому и географическому влиянию, которое неизбежно составляет степень сохранности. Наличие хорошо сохранившихся останков не является вероятным результатом как следствие разложения и окаменения . Некоторые палеонтологи искали половой диморфизм среди динозавров, используя статистику и сравнение с экологически или филогенетически связанными современными животными.
Апатозавр и Диплодок
У самок апатозавра и диплодока были соединенные между собой хвостовые позвонки , что позволяло им держать хвосты поднятыми для облегчения спаривания. Обнаружение того, что это слияние произошло только у 50% скелетов апатозавра и диплодока и у 25% скелетов камаразавра, показало, что это половой диморфный признак.
Тероподы
Была выдвинута гипотеза, что самцы тероподов обладали втягивающимся пенисом, особенностью, схожей с таковой у современных крокодилов . Скелеты крокодилов были исследованы, чтобы определить, есть ли скелетный компонент, который является отличительным для обоих полов, чтобы помочь получить представление о физических различиях между самцами и самками теропод. Результаты показали, что хвостовые шевроны самцов крокодилов, используемые для закрепления мышц пениса, были значительно больше, чем у самок. Эти результаты были подвергнуты критике, но они остаются предметом споров между сторонниками и противниками. [ необходима цитата ]
Орнитоподы
Исследования полового диморфизма у гадрозавров в основном были сосредоточены на отличительных черепных гребнях , которые, вероятно, выполняли функцию в половой демонстрации. Биометрическое исследование 36 черепов показало, что половой диморфизм был продемонстрирован в гребне 3 видов гадрозавридов. Гребни можно было классифицировать как полные (самцы) или узкие (самки) и, возможно, давали некоторое преимущество в внутриполовой конкуренции за спаривание.
Цератопсы
По словам Скотта Д. Сэмпсона, если бы цератопсиды демонстрировали половой диморфизм, современные экологические аналоги предполагают, что он был бы обнаружен в демонстрационных структурах, таких как рога и оборки. У цератопсид не известно убедительных доказательств полового диморфизма в размере тела или сигналах спаривания, хотя есть доказательства того, что более примитивный цератопсид Protoceratops andrewsi обладал полами, которые можно было различить на основе размера оборки и носового выступа. Это согласуется с другими известными группами четвероногих , где животные среднего размера, как правило, демонстрируют заметно больший половой диморфизм, чем более крупные. Однако было высказано предположение, что эти различия можно лучше объяснить внутривидовыми и онтогенетическими изменениями, а не половым диморфизмом. [88] Кроме того, многие сексуально диморфные черты, которые могли существовать у цератопсид, включают вариации мягких тканей, такие как окраска или подвес , которые вряд ли сохранились в ископаемой летописи.
Стегозавры
Исследование образцов Hesperosaurus mjosi , проведенное в 2015 году , обнаружило доказательства полового диморфизма в форме дермальных пластин. Были описаны две морфы пластин: одна была короткой, широкой и овальной формы, другая — более высокой и узкой. [89] [90]
У значительной части видов млекопитающих самцы крупнее самок. И гены , и гормоны влияют на формирование многих мозгов животных до « рождения » (или вылупления ), а также на поведение взрослых особей. Гормоны существенно влияют на формирование человеческого мозга, а также на развитие мозга в период полового созревания. Обзор 2004 года в Nature Reviews Neuroscience отметил, что «поскольку легче манипулировать уровнями гормонов, чем экспрессией генов половых хромосом, эффекты гормонов были изучены гораздо более подробно и гораздо лучше поняты, чем прямое действие генов половых хромосом в мозге». В нем сделан вывод, что, хотя «дифференцирующие эффекты гонадных выделений, по-видимому, являются доминирующими», существующий объем исследований «поддерживает идею о том, что половые различия в нейронной экспрессии генов X и Y значительно способствуют половым различиям в функциях мозга и болезнях». [91]
Морские млекопитающие демонстрируют некоторые из самых больших различий в половых размерах млекопитающих из-за полового отбора и факторов окружающей среды, таких как место размножения. [92] Система спаривания ластоногих варьируется от полигамии до серийной моногамии . Ластоногие известны ранним дифференциальным ростом и материнским вкладом, поскольку единственными питательными веществами для новорожденных детенышей является молоко, которое дает мать. [93] Например, самцы значительно крупнее (примерно на 10% тяжелее и на 2% длиннее), чем самки при рождении у детенышей морского льва. [94] Модель дифференциального вклада может принципиально меняться до и после рождения. [95] Mirounga leonina , южный морской слон , является одним из самых диморфных млекопитающих. [96]
По словам Кларка Спенсера Ларсена, современный Homo sapiens демонстрирует ряд выражений полового диморфизма, при этом средняя масса тела между полами различается примерно на 15%. [97] В научной литературе широко обсуждаются потенциальные эволюционные преимущества, связанные с сексуальной конкуренцией (как внутриполовой, так и межполовой), а также краткосрочными и долгосрочными сексуальными стратегиями. [98] По словам Дейли и Уилсона, «у людей полы различаются больше, чем у моногамных млекопитающих, но гораздо меньше, чем у чрезвычайно полигамных млекопитающих». [99]
Средний уровень основного обмена веществ примерно на 6 процентов выше у юношей-подростков, чем у девушек, и увеличивается примерно на 10 процентов после полового созревания. Женщины, как правило, преобразуют больше пищи в жир , в то время как мужчины преобразуют больше в мышцы и расходуемые запасы циркулирующей энергии. По словам Тима Хьюитта, директора по исследованиям в отделе спортивной медицины в Медицинском центре Векснера при Университете штата Огайо , у женщин в среднем 50–60% силы верхней части тела мужчин и 80–90% силы нижней части тела мужчин относительно размера тела, но женщины обладают более высокой выносливостью , чем мужчины. [100]
Разница в силе относительно массы тела менее выражена у тренированных людей. В олимпийской тяжелой атлетике мужские рекорды варьируются от 5,5× массы тела в самой низкой весовой категории до 4,2× в самой высокой весовой категории, в то время как женские рекорды варьируются от 4,4× до 3,8×, разница с поправкой на вес составляет всего 10–20%, а абсолютная разница составляет около 30% (т. е. 492 кг против 348 кг для неограниченных весовых категорий; см. Олимпийские рекорды по тяжелой атлетике ). Исследование, проведенное путем анализа ежегодных мировых рейтингов с 1980 по 1996 год, показало, что время бега у мужчин в среднем на 10% быстрее, чем у женщин. [101]
В раннем подростковом возрасте женщины в среднем выше мужчин (так как женщины, как правило, раньше достигают половой зрелости ), но мужчины в среднем превосходят их по росту в позднем подростковом возрасте и во взрослом возрасте. В Соединенных Штатах взрослые мужчины в среднем на 9% выше [102] и на 16,5% тяжелее [103], чем взрослые женщины.
У мужчин обычно более крупные трахеи и разветвленные бронхи , с примерно на 30 процентов большим объемом легких на единицу массы тела . В среднем у мужчин более крупные сердца , на 10 процентов большее количество эритроцитов , более высокий гемоглобин , следовательно, большая способность переносить кислород. У них также более высокие циркулирующие факторы свертывания ( витамин К , протромбин и тромбоциты ) . Эти различия приводят к более быстрому заживлению ран и более низкой чувствительности к нервной боли после травмы. [104] У мужчин вызывающее боль повреждение периферического нерва происходит через микроглию , тогда как у женщин это происходит через Т-клетки (за исключением беременных женщин, которые следуют мужскому образцу). [105]
У самок обычно больше белых кровяных клеток (хранящихся и циркулирующих), а также больше гранулоцитов и В- и Т- лимфоцитов . Кроме того, они вырабатывают больше антител с большей скоростью, чем самцы, поэтому у них развивается меньше инфекционных заболеваний и они умирают в течение более коротких периодов. [104] Этологи утверждают, что самки, взаимодействуя с другими самками и многочисленным потомством в социальных группах, испытали такие черты как селективное преимущество. [106] [107] [108] [109] [110] [ чрезмерное цитирование ] Самки имеют более высокую чувствительность к боли из-за вышеупомянутых различий нервов, которые усиливают чувствительность, и поэтому самкам требуются более высокие уровни обезболивающих препаратов после травмы. [105] Гормональные изменения у самок влияют на болевую чувствительность, и беременные женщины имеют такую же чувствительность, как и самцы. Острая переносимость боли также более постоянна в течение жизни у самок, чем у самцов, несмотря на эти гормональные изменения. [111] Несмотря на различия в физических ощущениях, оба пола имеют схожую психологическую толерантность к боли (или способность справляться с ней и игнорировать ее). [112]
В человеческом мозге наблюдалось различие между полами в транскрипции пары генов PCDH11X /Y, уникальной для Homo sapiens . [113] Половая дифференциация в человеческом мозге из недифференцированного состояния запускается тестостероном из яичек плода. Тестостерон преобразуется в эстроген в мозге под действием фермента ароматазы. Тестостерон действует на многие области мозга, включая SDN -POA , создавая маскулинизированный паттерн мозга. [114] Мозг беременных женщин, вынашивающих мужские плоды, может быть защищен от маскулинизирующего воздействия андрогена под действием глобулина, связывающего половые гормоны . [115]
Связь между половыми различиями в мозге и поведением человека является предметом споров в психологии и обществе в целом. [116] [117] Многие женщины, как правило, имеют более высокое соотношение серого вещества в левом полушарии мозга по сравнению с мужчинами. [118] [119] Мужчины в среднем имеют больший мозг, чем женщины; однако, если скорректировать общий объем мозга, различия в сером веществе между полами практически отсутствуют. Таким образом, процент серого вещества, по-видимому, больше связан с размером мозга, чем с полом. [120] [121] Различия в физиологии мозга между полами не обязательно связаны с различиями в интеллекте. Хайер и др. обнаружили в исследовании 2004 года, что «мужчины и женщины, по-видимому, достигают схожих результатов IQ с различными областями мозга, что предполагает, что не существует единой базовой нейроанатомической структуры для общего интеллекта и что различные типы конструкции мозга могут демонстрировать эквивалентную интеллектуальную производительность». [122] (Более подробную информацию по этой теме см. в статье «Пол и интеллект» .) Строгий графо-теоретический анализ связей человеческого мозга показал [123] , что по многочисленным графо-теоретическим параметрам (например, минимальной ширине двудольного деления, числу ребер, свойству графа-расширителя , минимальному покрытию вершин ) структурный коннектом женщин значительно «лучше» связан, чем коннектом мужчин. Было показано [124] , что графо-теоретико-различия обусловлены полом, а не различиями в объеме мозга, путем анализа данных 36 женщин и 36 мужчин, где объем мозга каждого мужчины в группе был меньше, чем объем мозга каждой женщины в группе.
Половой диморфизм также был описан на уровне генов и было показано, что он простирается от половых хромосом. В целом, было обнаружено, что около 6500 генов имеют половую дифференциальную экспрессию по крайней мере в одной ткани. Многие из этих генов не связаны напрямую с репродукцией, а скорее связаны с более общими биологическими особенностями. Кроме того, было показано, что гены с половой специфичностью экспрессии подвергаются пониженной эффективности отбора, что приводит к более высоким популяционным частотам вредных мутаций и способствует распространенности нескольких заболеваний человека. [125] [126]
Половой диморфизм в иммунной функции является распространенной моделью у позвоночных, а также у ряда беспозвоночных. Чаще всего самки более «иммунокомпетентны», чем самцы. Эта черта не является постоянной среди всех животных, но различается в зависимости от таксономии, при этом наиболее смещенная в сторону самок иммунная система обнаружена у насекомых. [127] У млекопитающих это приводит к более частым и тяжелым инфекциям у самцов и более высоким показателям аутоиммунных заболеваний у самок. Одной из потенциальных причин могут быть различия в экспрессии генов иммунных клеток между полами. [128] Другое объяснение заключается в том, что эндокринологические различия между полами влияют на иммунную систему — например, тестостерон действует как иммунодепрессант. [129]
Фенотипические различия между полами очевидны даже в культивируемых клетках тканей. [130] Например, женские стволовые клетки, полученные из мышц, имеют лучшую эффективность регенерации мышц, чем мужские. [131] Имеются сообщения о нескольких метаболических различиях между мужскими и женскими клетками [132], и они также по-разному реагируют на стресс . [133]
Теоретически, более крупные самки выигрывают в конкуренции за самок, особенно у полигамных видов. Более крупные самки дают преимущество в плодовитости, поскольку физиологические требования к размножению у самок ограничены. Следовательно, существует теоретическое ожидание, что самки, как правило, крупнее у моногамных видов. Самки крупнее у многих видов насекомых , многих пауков , многих рыб , многих рептилий, сов , хищных птиц и некоторых млекопитающих, таких как пятнистая гиена , и усатых китов, таких как синий кит . Например, у некоторых видов самки ведут малоподвижный образ жизни, и поэтому самцы должны их искать. Фриц Фоллрат и Джефф Паркер утверждают, что эта разница в поведении приводит к радикально различному давлению отбора на два пола, очевидно, благоприятствуя более мелким самцам. [134] Случаи, когда самец крупнее самки, также были изучены [134] и требуют альтернативных объяснений.
Одним из примеров такого типа полового диморфизма размеров является летучая мышь Myotis nigricans (черная нетопырь), у которой самки значительно крупнее самцов по массе тела, размеру черепа и длине предплечья. [135] Взаимодействие между полами и энергией, необходимой для производства жизнеспособного потомства, делает благоприятным для самок быть крупнее у этого вида. Самки несут энергетические затраты на производство яиц, которые намного больше, чем затраты на производство спермы самцами. Гипотеза преимущества плодовитости утверждает, что более крупная самка способна производить больше потомства и создавать для него более благоприятные условия для обеспечения его выживания; это справедливо для большинства пойманного скота. Более крупная самка может обеспечивать родительскую заботу в течение более длительного времени, пока потомство созревает. Периоды беременности и лактации у M. nigricans довольно продолжительны , самки выкармливают свое потомство, пока оно не достигнет почти взрослого размера. [136] Они не смогли бы летать и ловить добычу, если бы не компенсировали дополнительную массу потомства в это время. Меньший размер самца может быть адаптацией для повышения маневренности и ловкости, что позволяет самцам лучше конкурировать с самками за еду и другие ресурсы.
Некоторые виды удильщиков также демонстрируют экстремальный половой диморфизм. Самки более типичны по внешнему виду для других рыб, тогда как самцы представляют собой крошечные рудиментарные существа с чахлой пищеварительной системой. Самец должен найти самку и слиться с ней: затем он живет паразитически, становясь немногим больше, чем тело, производящее сперму, в том, что составляет фактически гермафродитный составной организм. Похожая ситуация наблюдается у водяного клопа Зевса Phoreticovelia disparata , у которого на спине у самки есть железистая область, которая может служить для кормления самца, который цепляется за нее (хотя самцы могут выживать вдали от самок, они, как правило, не являются свободноживущими). [137] Это доведено до логической крайности у ракообразных Rhizocephala , таких как Sacculina , у которых самец впрыскивает себя в тело самки и становится не более, чем клетками, производящими сперму, до такой степени, что надотряд раньше ошибочно принимали за гермафродитов. [138]
Некоторые виды растений также демонстрируют диморфизм, при котором самки значительно крупнее самцов, например, мох Dicranum [139] и печеночник Sphaerocarpos . [140] Имеются некоторые свидетельства того, что в этих родах диморфизм может быть связан с половой хромосомой, [140] [141] или с химической сигнализацией от самок. [142]
Другой сложный пример полового диморфизма — Vespula squamosa , южный желтожакет. У этого вида ос самки-рабочие самые маленькие, самцы-рабочие немного крупнее, а самки-королевы значительно крупнее своих самцов-рабочих и самцов-сородичей. [ необходима цитата ]
В 1871 году Чарльз Дарвин выдвинул теорию полового отбора , которая связывала половой диморфизм с половым отбором . [144]
Первым шагом к половому диморфизму является дифференциация размеров сперматозоидов и яйцеклеток ( анизогамия ). [145] [146] [147] [148] : 917 Анизогамия и обычно большое количество мелких мужских гамет по сравнению с более крупными женскими гаметами обычно обусловлены развитием сильной конкуренции сперматозоидов , [149] [150] поскольку мелкие сперматозоиды позволяют организмам производить большое количество сперматозоидов и делают самцов (или мужскую функцию гермафродитов [151] ) более избыточными.
Водоросли Volvocine были полезны для понимания эволюции полового диморфизма [152] , а такие виды, как жук C. maculatus , у которого самки крупнее самцов, используются для изучения его основных генетических механизмов. [153]
У многих немоногамных видов выгода для репродуктивной пригодности самца от спаривания с несколькими самками велика, тогда как выгода для репродуктивной пригодности самки от спаривания с несколькими самцами мала или отсутствует вовсе. [154] У этих видов существует давление отбора на любые признаки, позволяющие самцу иметь больше спариваний. Поэтому самец может иметь признаки, отличные от признаков самки.
Эти черты могут быть теми, которые позволяют ему сражаться с другими самцами за контроль над территорией или гаремом , например, большой размер или оружие; [155] или это могут быть черты, которые самки по какой-либо причине предпочитают в партнерах. [156] Конкуренция между самцами не ставит глубоких теоретических вопросов [157], но выбор партнера ставит.
Самки могут выбирать самцов, которые кажутся сильными и здоровыми, и, таким образом, вероятно, обладают «хорошими аллелями » и дают здоровое потомство. [158] Однако у некоторых видов самки, по-видимому, выбирают самцов с чертами, которые не улучшают показатели выживаемости потомства, и даже с чертами, которые снижают их (что потенциально приводит к таким чертам, как павлиний хвост). [157] Две гипотезы для объяснения этого факта — гипотеза сексуального сына и принцип гандикапа .
Гипотеза сексуального сына утверждает, что самки могут изначально выбирать признак, потому что он улучшает выживаемость их потомства, но как только это предпочтение становится широко распространенным, самки должны продолжать выбирать признак, даже если он становится вредным. У тех, кто этого не делает, будут сыновья, которые будут непривлекательны для большинства самок (поскольку предпочтение широко распространено) и поэтому получат мало спариваний. [159]
Принцип гандикапа гласит, что самец, который выживает, несмотря на наличие какого-либо гандикапа, таким образом доказывает, что остальные его гены являются «хорошими аллелями». Если самцы с «плохими аллелями» не смогли пережить гандикап, самки могут эволюционировать, чтобы выбирать самцов с таким гандикапом; эта черта действует как трудно подделываемый сигнал приспособленности. [160]