Эволюция размеров яйцеклеток и сперматозоидов — результат конкуренции

У большинства животных яйцеклетки значительно крупнее сперматозоидов. Например, у человека объем одной яйцеклетки в 10 миллионов раз превышает объем сперматозоида.

Исследователи из Северо-Западного университета с помощью математического моделирования выяснили, что к этому любопытному различию привели конкуренция и естественный отбор.

Учёные смоделировали ранний этап эволюции, когда примитивные виды использовали внешнее оплодотворение. В модели более крупные половые клетки (гаметы) имели конкурентное преимущество, так как могли содержать больше питательных веществ для потенциальной зиготы. Однако мелкие гаметы требовали для производства меньше ресурсов, что снижало нагрузку на родительский организм.

«Организмам нужно было либо производить самые крупные гаметы с максимальным запасом веществ, либо самые мелкие, чтобы тратить минимум ресурсов. Мы считаем, что это различие в размерах почти неизбежно, исходя из правдоподобных предположений о том, как работает половое размножение и естественный отбор», — заявил старший автор исследования Дэниел Абрамс.

Исследование опубликовано 15 апреля в Journal of Theoretical Biology.

Модель команды начинается с изогамии — примитивного состояния, когда все гаметы были примерно одного размера, а чётких полов ещё не существовало. Применив простую математическую модель, учёные показали, как изогамия перешла в анизогамию — состояние, при котором гаметы стали либо очень мелкими, либо довольно крупными, что стало предпосылкой для появления сперматозоидов, яйцеклеток и биологических полов.

В модели анизогамия возникла из-за конкуренции за выживание в условиях ограниченных ресурсов. Гаметы с преимуществом в размере имели больше шансов выжить, что привело к «гонке вооружений» в пользу всё более крупных клеток. Однако организмы не могли производить много половых клеток, не потребляя всё больше ресурсов. Вместо этого они могли экономить ресурсы, производя множество мелких гамет.

«Рано в эволюции, когда появилось половое размножение, гаметы были симметричными. Но именно здесь эта симметрия нарушается. В итоге одни организмы специализируются на крупных гаметах, а другие — на мелких», — пояснил Абрамс.

Учёный отметил, что остаётся загадкой, почему некоторые изогамные виды существуют до сих пор (например, некоторые виды водорослей и грибов).

«Существовали разные теории о возникновении анизогамии, восходящие к Чарльзу Дарвину. Вопросы эволюционной биологии очень сложно проверить, потому что мы можем изучать только ныне живущие виды. Математическое моделирование может дать новое понимание», — заключил Абрамс.