Эти процессы, известные под общим названием посткопулятивный половой отбор, приводят к множеству быстрых, скоординированных эволюционных изменений эякулята и характеристик женского репродуктивного тракта. Эти изменения были предсказаны как важная часть видообразования, процесса, в результате которого возникают новые биологические виды.
До сих пор черты и процессы, влияющие на успех оплодотворения, были плохо изучены из-за проблем, связанных с наблюдением за тем, что сперма делает в теле женщины, и с распознаванием сперматозоидов у разных мужчин. Практически ничего не известно о том, что определяет судьбу сперматозоидов при гибридных вязках, при которых может наблюдаться эволюционное несоответствие между признаками эякулята и женских репродуктивных путей.
Профессор Джон Белот преодолел эти проблемы путем генетической инженерии близкородственных видов плодовых мух с разными цветами светящейся в темноте спермы. Работая в тесном сотрудничестве со Скоттом Питником, Молли Манье и другими коллегами из лаборатории Питника SU, он может наблюдать взаимодействие эякулята и самки и конкуренцию сперматозоидов при гибридных вязках.
«Как возникают новые виды — один из самых важных вопросов, стоящих перед биологами, и нам еще предстоит многому научиться», — говорит Питник, профессор кафедры биологии Университета искусств и наук, добавляя, что механизмы, поддерживающие генетические границу между видами трудно определить. "Эта статья [в Current Biology], пожалуй, самая важная в моей карьере. Шесть лет на создание."
Белоте, также профессор кафедры биологии, говорит, что исследования полового отбора касались в основном прекопулятивного, а не посткопулятивного отбора. Это несоответствие отчасти связано с вышеупомянутыми трудностями изучения взаимодействия эякулята с эякулятом и эякулята с женщиной.
"Сосредоточившись на фенотипической дивергенции [i.е., генетический состав и влияние окружающей среды] между сестринскими видами при посткопулятивном половом отборе мы можем предсказать закономерности репродуктивной изоляции и причинные механизмы, лежащие в основе такой изоляции », — говорит он.
Помимо Белота и Питника, соавтором статьи является Уильям Т. Стармер, профессор биологии SU; Манье, бывший научный сотрудник SU, доцент кафедры биологии Университета Джорджа Вашингтона; Стефан Лупольд, доцент-исследователь SU; Кирстин С. Бербен, лаборант SU; Оути Ала-Хонкола, бывший научный сотрудник SU, биолог из Университета Ювяскюля (Финляндия); и Уильям Ф. Коллинз ’12, бывший студент Питника, кандидат в магистратуру Школы перспективных международных исследований Джонса Хопкинса.
Изучение полового отбора можно проследить до знаменитой книги Чарльза Дарвина «Происхождение человека и отбор в отношении пола» (1871). С тех пор на эту тему написано много. Что относительно легко увидеть, что делают самцы для доминирования — представьте себе морских слонов, резающих друг другу шеи, или снежных баранов, таранящих рога, — и то, что самки ищут в некоторых женихах, например, радужное оперение павлина-самца. проливает свет на прекопулятивный половой отбор.
Для сравнения: изучение того, что происходит после спаривания (i.е., посткопулятивный половой отбор) не началось до 1970-х годов. Кроме того, существуют неотъемлемые исследовательские проблемы.
«Трудно наблюдать конкуренцию между эякулятами и женской дискриминацией среди сперматозоидов, учитывая, что это происходит внутри женщины и может включать сложные биохимические, физиологические и морфологические взаимодействия», — говорит Питник. "Хотя у нас есть мощные инструменты для определения отцовства и для количественной оценки результатов конкуренции сперматозоидов и загадочного женского выбора, с тем же успехом это может быть 1871 год с точки зрения понимания особенностей и процессов посткопулятивного полового отбора."
В состав исследовательской группы входят (слева направо) Молли Манье, Стефан Лупольд, Скотт Питник и Джон Белоте.
В состав исследовательской группы входят (слева направо) Молли Манье, Стефан Лупольд, Скотт Питник и Джон Белоте.
Питник и Белот взялись за решение этой проблемы, генетически изменив мух, так что их головки сперматозоидов становятся флуоресцентными, красными или зелеными. Этот подход позволил им непосредственно наблюдать конкуренцию сперматозоидов внутри женщины, а также роль поведения женщины в судьбе сперматозоидов, например, когда она выбрасывает сперму, насильно выталкивая ее из своего репродуктивного тракта.
Центральное место в их исследованиях занимали два родственных вида плодовых мух, Drosophila simulans и D. mauritiana, которые произошли от общего предка более 260 000 лет назад — «мгновение ока» с точки зрения эволюции, говорит Питник. Работа с двумя тесно связанными мухами помогла ему и его команде лучше понять, как работает не только конкуренция сперматозоидов, но и быстро развиваются основные механизмы и процессы.
В результате Питник и Белот лучше понимают, что происходит, когда самка спаривается дважды (i.е., один раз с самцом своего вида и один раз с представителем родственного вида.Затем они могут оценить предсказуемость результатов, основываясь на знаниях о несовместимости эякулята и женщины.
«Вывод из нашего исследования состоит в том, что посткопуляционный половой отбор может быстро вызвать критическую несовместимость между эякулятами и женскими репродуктивными путями, которые ограничивают поток генов между изолированными популяциями или видами», — говорит Питник. "Поскольку распущенность самок и, как следствие, посткопулятивный половой отбор настолько распространены, он, вероятно, будет широко распространенным двигателем видообразования."