Волшебная эволюция

Зерновка четырехпятнистая (небольшой черный жук длиной всего в пару миллиметров) считается сельскохозяйственным вредителем во всем мире, поскольку она поедает бобовые культуры. У этого вида не бывает длительных брачных союзов, построенных на верности, и любой самец, спарившись с самкой, знает, что она вскоре спарится с кем-то другим. Ему самому это невыгодно, поскольку он не может быть уверен, что самка произведет на свет именно его потомство. Его сперматозоиды вынуждены конкурировать за отцовство со сперматозоидами другого самца, и нет никакой гарантии, что выиграет именно он. Чтобы увеличить свои шансы на успех, самец зерновки обычно старается продлить процесс спаривания и таким образом сделать как можно больше «ставок» в этой своеобразной лотерее. К тому же он пытается не допустить того, чтобы самка сразу после него спарилась с кем-то еще, а если ему удастся ей помешать, то ни с кем соревноваться и вовсе не придется, и тогда он станет отцом всего приплода. Самка же, напротив, заинтересована в том, чтобы побыстрее найти нового партнера, у которого, возможно, будет лучше генофонд. В случае зерновок ни о какой конструктивной коммуникации во имя мирного разрешения конфликта между противоположными полами говорить не приходится. Самец зерновок пускается во все тяжкие, используя шипы.
Твердые шипы самца выдвигаются наружу во время полового акта и прокалывают самку изнутри. Исследователям удалось задокументировать процесс благодаря следующей уловке: во время спаривания жуков опустили в жидкий азот, они замерзли, так и не разлепившись. Затем с помощью микроскопа ученые сделали подробные снимки: не остается и тени сомнения, что самка от многочисленных шипов получила серьезные увечья.
Разумеется, самка предпочла бы обойтись без подобного насилия. Во время спаривания она сильно колотит самца задними ногами, чтобы он поскорее закончил свое дело. Краджингтон и Сайва-Джоти наблюдали также, что, не имея возможности защищаться при помощи задних ног, самки вынуждены дольше терпеть принуждение со стороны самца и, как следствие, получают больше ранений. Этот эксперимент кажется чудовищным, хотя его объект — всего лишь маленький жучок, которого любой бы мог прихлопнуть не моргнув, но работа исследователей доказала, насколько критично для самки иметь эффективную стратегию самообороны.
Страх перед потенциальной конкуренцией и потерей отцовства приводит к формированию многих диковинных привычек и шаблонов поведения как у крупных животных, так и у мелких. Нередко самцы насекомых прибегают к жестоким формам отношений при спаривании и калечат самок. Некоторые виды клопов (например, лигей пятнистый) в процессе спаривания удерживают самок более суток. Постельный клоп — приверженец травматичного осеменения: он пронзает тело самки, и она вынуждена после этого жить с открытой раной.
Самцы лесной завирушки сильно клюют своих самок очень острым клювом. Самцы айдахского суслика после спаривания загоняют самку в нору и перекрывают выход, чтобы она не могла сбежать на «свидание» с другим.
Обыкновенная подвязочная змея — небольшая полосатая змея, обитающая в Северной и Центральной Америке. Готовая к спариванию самка выделяет феромоны (химические вещества, передающие определенный сигнал), которые привлекают самцов. Если на месте «свидания» оказывается сразу много самцов, они собираются в большие «брачные клубки», при этом каждый самец пытается добраться до самки, находящейся в самом центре этого клубка. Закончивший спаривание счастливец заполняет половое отверстие самки желеобразным веществом, которое затвердевает и не позволяет самке спариваться в течение последующих семидесяти двух часов. Это своего рода пояс верности, и самка оказывает самцу сопротивление, но, судя по всему, это не причиняет ей большого вреда.
Однако избежать конкуренции сперматозоидов самцам удается далеко не всегда. Если гонка неизбежна, самцу остается приложить максимум усилий, чтобы в этой гонке победить. А победить можно только за счет самых эффективных сперматозоидов. Я занималась изучением эволюции спермы птиц на протяжении четырех лет, и в итоге это исследование вылилось в кандидатскую диссертацию.
 
Маленькие птички постоянно изменяют своим партнерам. Именно поэтому в их среде столь высока конкуренция сперматозоидов и так важно качество спермы. Разумеется, некоторые виды, такие как оляпка, более или менее моногамны, другие же, например деревенская американская ласточка, в значительной степени склонны к неверности. Но только лучшие самцы способны оплодотворить яйцеклетки и передать свои гены следующему поколению. Это означает, что эволюция, в ходе которой появляются оптимальные по своим характеристикам сперматозоиды, идет очень быстро. Значение имеет их скорость (быстрые сперматозоиды, как правило, успевают оплодотворить больше яйцеклеток) и длина, о чем свидетельствуют результаты исследований. Виды, существующие в условиях острой конкуренции, отличаются длинными сперматозоидами, тогда как склонные к моногамии виды — более короткими.
Безусловно, дело не только в длине. У птиц сперматозоиды отличаются винтообразным строением, они похожи на маленькие ледобуры с длинным хвостиком. У таких видов, как зяблик и варакушка, головка сперматозоидов имеет ярко выраженную винтообразную форму, с очерченной спиралевидной «насечкой», в то время как у других, например у оляпки, спермии прямые, без «насечки», почти как гвоздь. Биологи уже более столетия назад знали о существовании вариаций винтообразных сперматозоидов, однако они не понимали, что скрывается за этим разнообразием. Мне захотелось это выяснить.
Четыре года исследований подвели меня к выводу о том, что винтообразные сперматозоиды быстрее передвигаются. Крошечным спермиям непросто добраться до цели, ведь они плавают в довольно плотной жидкости. Поэтому эффективнее прокладывать себе дорогу подобно винту, вкручивающемуся в стену. Чем выше обороты, тем стремительнее продвигаешься вперед. Скорее всего, именно этим можно объяснить форму сперматозоидов у некоторых птиц: винтообразная «насечка» позволяет им быстрее пробираться через жидкую среду в организме самки и таким образом обходить конкурентов.
Но если иметь винтообразное строение так выгодно, почему тогда у птиц существуют и прямые сперматозоиды? И почему у людей мужские половые клетки округлые? Мне удалось выяснить, что у тех видов птиц, которые отличаются винтообразными спермиями, также имеется множество ненормальных клеток, так или иначе поврежденных. Создается впечатление, что винтообразные сперматозоиды более подвержены разрушению, и птицам приходится «выбирать» между шустрыми, но хрупкими «винтами» и медленными, но прочными «гвоздями». Отчего же разные виды пошли по различным путям развития? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Лично я предполагаю, что причина кроется в физиологии самок. Возможно, у самок некоторых видов половая среда более густая, и в таком случае самцам выгоднее иметь быстрые винтообразные спермии. Но нам практически ничего не известно о среде в половых органах самок птиц, так что все сказанное выше — чистая спекуляция, и необходимы дальнейшие исследования.
Неверность — это скорее правило, чем исключение. Крайне затруднительно объяснить причину измен у одних видов, но и сложно понять, почему другие виды склонны к моногамии. Что способствует верности выбранному партнеру? Судя по всему, один фактор играет ведущую роль — это забота о потомстве. У лебедей-кликунов (они более или менее склонны к сексуальной моногамии) в высиживании яиц и кормлении птенцов активно участвует отец, и родители рассчитывают на помощь друг друга. Если самец заподозрит измену и усомнится в собственном отцовстве, он, вероятно, будет с меньшим рвением ухаживать за птенцами, а значит, самке выгоднее быть ему верной.
Даже когда у самки появляется альтернативный вариант, с ним возникает и риск ухода партнера. Как следствие, самка делает выбор в пользу верности. Ведь если отец не будет участвовать в воспитании потомства, ей придется справляться со всем самой и, возможно, у нее не хватит сил, чтобы вырастить всех. Это довольно мрачная перспектива для самки лебедя. Для других видов конфликты, связанные с признанием потомства, могут привести к еще более тяжелым последствиям.