Эволюция сперматозоидов началась еще до появления многоклеточных животных

Эволюционную родословную сперматозоида можно проследить вплоть до одноклеточного организма, который был общим предком всех ныне живущих животных.

Почти все животные размножаются, имея в своем жизненном цикле одноклеточную стадию, которая представлена двумя типами половых клеток, или гамет. Яйцеклетки — это крупные клетки, содержащие генетический материал и запас питательных веществ для раннего развития эмбриона. Сперматозоиды же выполняют иную задачу: они должны покинуть организм одного родителя, найти яйцеклетку и слиться с ней, чтобы образовать зиготу.

«Сперматозоид несет в себе механизм, позволяющий жизни передаваться из поколения в поколение. В нем сохранились следы более чем 700 миллионов лет эволюции, и, вероятно, его история тесно связана с самим происхождением животных. Мы хотели восстановить эту долгую эволюционную историю, чтобы понять, откуда взялся сперматозоид», — говорит эволюционный биолог Артур Матт из Кембриджского университета.

Матт и его коллеги использовали данные из открытых научных баз, содержащих информацию о белках, из которых состоит сперматозоид у 32 видов животных, включая человека. Эти данные сопоставили с геномами 62 организмов, включая некоторые родственные животным группы одноклеточных, что позволило им проследить разнообразие сперматозоидов в разных эволюционных линиях.

Результаты исследования опубликованы в виде препринта на bioRxiv. Они показали, что основу генома так называемого «последнего универсального общего сперматозоида» составляют около 300 семейств генов, образующих его базовый «инструментарий».

«Мы увидели, что многие ключевые компоненты аппарата сперматозоида сформировались еще до появления многоклеточных животных, задолго до возникновения самих сперматозоидов в их современном понимании», — отмечает Матт.

Это говорит о том, что базовый механизм сперматозоида — «жгутик, приводящий в движение одну-единственную клетку», — эволюционировал еще до возникновения многоклеточной животной жизни.

Из этого следует, что наши далекие предки когда-то были одиночными клетками, плававшими в океане, и аппарат сперматозоида впервые сформировался у такого плавающего одноклеточного организма задолго до появления животных.

«Когда животные развили многоклеточность и клеточную специализацию, они не изобретали сперматозоид с нуля — они повторно использовали "конструкцию" плавающих предков в качестве основы для него. Другими словами, сперматозоид — это не какая-то новация многоклеточной жизни; он построен на основе одноклеточного "дизайна", перепрофилированного под задачи размножения», — подчеркивает исследователь.

Выяснилось также, что эволюционные новшества, приведшие к огромному разнообразию современных сперматозоидов, в основном затрагивали головку клетки, а хвост почти не изменился со времени общего предка.

Существует множество стратегий оплодотворения: некоторые сперматозоиды встречаются с яйцеклеткой внутри тела, а другие плавают в открытой воде, констатирует руководившая исследованием Адрия Лебёф из Кембриджского университета. «Найти яйцеклетку в таких разных условиях — это разные задачи, требующие разного молекулярного оснащения. Но где бы это ни происходило, все равно нужно плыть, поэтому хвост довольно консервативен», — объясняет она.

«Это прекрасный пример того, как эволюция работает, перестраивая уже существующее, а не изобретая механизмы с нуля», — резюмирует профессор Дженни Грейвс из Университета Ла Троба в Австралии.