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小小果蝇精子居然有5.8厘米长!你这是要上天?
2017-11-28 11:36 未知 经济贸易促进会

原题目:小小果蝇,精子竟然有5.8厘米长?你这是要上天?? 作者:Lucorta92 编辑:Calo

原标题:小小果蝇,精子居然有5.8厘米长?你这是要上天??

作者:Lucorta92

编辑:Calo

每个在看这篇文章的人都曾是一场战争的成功者。那一天,精子亿舸争流奔向一颗卵子——只有一个既强壮又幸运的精子终极敲开了卵细胞羞涩的大门,联合成受精卵,成为最初的某人。


一大堆小精子争着钻进卵子中的图景相信大家都并不生疏。图片来源:Porrit, Jonathan 1991

而由于在多数物种中,两性个体都可以跟多个异性进行交配,生殖战争的战火也从交配前的如何让对象选择我蔓延到了交配后的如何战胜隔壁老王的壮大生殖能力。在这样的情形下,雄性们经常会产出数量巨大而生产本钱相对较低的精子,以期在是卵子受精这件事件上增加自己的竞争力,尽可能产生更多来自自己的后代。

伟大精子悖论

然而,并不是所有物种都是同样的策略,果蝇(Drosophila)就是一个例外。它们的精子非常长,二裂果蝇(D. bifurca)的精子甚至长达5.8厘米,到达它们身材长度的20倍!这可不是什么耍帅无需代价的特点——在果蝇中,精子的长度与雄性发生及被射出精子数量都浮现强烈的负相关,拥有宏大精子的雄性二裂果蝇,生产的精子数目只有雌性生产的卵子数量的区区几倍。实践上说,费力量生产这么长精子将下降雄性果蝇的生殖竞争力才对。这样的巨大精子悖论也因此成为一个难以说明的现象。


二裂果蝇的单个精子。图片来源:参考文献[1]

不外近日,来自纽约雪城大学(Syracuse University)的斯科特·皮特尼克(Scott Pitnick)和同事对果蝇中的这一悖论提出了一种可能的解释。相关成果发表在《天然》杂志上[1]。

所有的优秀科学家实质上都是教条损坏者。他们的视线永远都盯在那些与现行理论不一致的现象上。 皮特尼克对科学人说,多数性选择理论的构建都基于统一种遍在的模式——雄性产生大批的、低投入的精子,而雌性产生少量的、高投入的卵子。但依照这样的基本理论,‘巨大精子’基本就不应该呈现。但这些现象涌现了,而我们的基础理论也是对的话,我们就需要找出让演化青睐这些‘例外’的前提。


为精子演化问题着迷的斯科特·皮特尼克,在本人右臂上纹了一个巨大的精子纹身。图片来源:Scott Pitnick

从发现二裂果蝇的巨大精子时起,皮特尼克一直致力于为这个现象找出公道的解释。这一次,这位手臂上也纹着巨大精子的生物学教学和他的同事们通过对黑腹果蝇的性别特异性性状进行数量遗传分析及对不同果蝇的比较分析,发现了果蝇演化出长精子的可能原因。

在挺久之前,我们就知道是雌性的性选择推动了精子的进化——换句话说,一些物种的精子之所以变得很长,是因为雌性进化出了对长精子的‘偏爱’。但是这样的结论无法让人满足的,因为我们不知道为什么雌性会有这样的偏爱。皮特尼克对科学人说。


不同物种中,受性选择的雄性性状-雄性体长的异速成长系数比较。这个系数能从侧面反映出雄性发展出特定性状——好比公牛的角、蜥蜴下颚垂皮等——所消耗的能量。每个物种红色的区域反应了那些受性选择的雄性特征的代表区域。图片来源:参考文献[1]

一个可能的线索可能就藏在雌性果蝇贮存精子的纳精囊(seminal receptacle,SR)上。这是一种可以长期保存精子的器官,雌性可以决议何时从中掏出精子完成受精。皮特尼克猜想,越大的精子越可能在受精囊中占得住位置,预防别的精子把自己挤走,甚至可能把较小的精子挤出去,让自己更有机遇被保存下来。

实在,在大部分体内受精的物种中,雌性都有长期贮存精子的器官,哺乳类是为数不多的例外之一。只有一些雌性蝙蝠具备让精子活气维持数月的才能。皮特尼克告知科学人,储精器官最大的好处在于,雌性可以借助它节制何时何地产出后辈——它把授精和受精的两个阶段分隔开来了。她们还能够选择是否保留不同雄性的精子,再通过各种手腕掌握产下其中谁的后世。


雌性二裂果蝇近8厘米长的纳精囊。图片起源:Scott Pitnick

研究者发现:雌性果蝇的纳精囊的长度与精子的长度在演化上存在一个显著的正相关性,也就是说随着纳精囊的进化变长,精子也逐渐变长,反之亦然。两者可能是彼此增进,协同进化的关系。

这对果蝇有啥利益?

另一项很有趣的结果在于,纳精囊的长度与雌性进行交配的频率是负相关的,也就是说有了越多的精子贮备储藏,蕴藏时,雌性就越不会去进行新的交配运动。在这种趋势下,巨大精子既能凭借体型优势去排斥那些个头小的对手,又可能通过尽可能多地占处所而减少外来竞争。这样一来,巨大精子对雄性来说就成了值得的投资。

预警:下图是果蝇的大头照~


果蝇也就两三毫米长,却生出了体长20倍的精子……英雄父亲!

可这样的投资并不是谁都能做的。皮特尼克和同事针对不同营养状况的雄性果蝇进行了精子的对照,发现它们产出的精子大小是非常相似的。但是,弱小的雄性固然可以产生同样大小的精子,但是它们的精子数量却要少于强健的雄性。显然,在巨大精子的好处蝇所共知的条件下,本身的营养状况永远仍是拉开差距的中心因素。于是对于雌性果蝇来说,有资本去生产更多巨大精子的雄性个体,也更可能是一个健康优质的好爸爸。于是,雌性对长精子的偏好将使自己的后代受益。

这些结果共同提出了一个解释:果蝇的巨大精子,是在精子长度、雌性纳精囊特征及果蝇交配系统这三者的相互关系的驱使下,产生协同进化的结果。

不过,皮特尼克也表现:因为这项实验非常有挑衅性,工作量也很大。我们只在黑腹果蝇这一个物种中进行了对纳精囊与精子长度关联的试验,希望能有更多的果蝇物种完成相似的研究,来进一步印证我们的猜想。而他们团队目前正利用24种果蝇的基因组数据来进行比较剖析,来找到影响这些雌雄性征的要害基因。

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