Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Длительное переживание сперматозоидов в половых путях самок позвоночных

ВАК РФ 03.00.08, Зоология

Автореферат диссертации по теме "Длительное переживание сперматозоидов в половых путях самок позвоночных"

Р Г Б ОД

1 7

На правах рукописи

МАКСУДОВ Георгий Юрьевич

ДЛИТЕЛЬНОЕ ПЕРЕЖИВАНИЕ СПЕРМАТОЗОИДОВ В ПОЛОВЫХ ПУТЯХ САМОК ПОЗВОНОЧНЫХ

03.00.08 - зоология 03.00.11 - эмбриология, гистология и цитология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1996

Работа выполнена на кафедре эмбриологии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова Научные руководители : доктор биологических наук, профессор Б.Н.Вепринцев доктор биологических наук, профессор В.А.Голиченков

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник pott н.н

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Долгов В.А.

Ведущее учреждение - Институт Биологии Развития им. Н.К.Кольцова РАН.

Защита диссертации состоится 7 октября 1996 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д.053.05.34. при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу, 119899, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан "_" сентября 1996 года.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

Л.И.Барсова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Настоящая работа является развитием идей Б.Н.Вепринцева об использовании явления длительного переживания сперматозоидов для сохранения генетической информации исчезающих видов. Изучение феномена переживания сперматозоидов и его значения для репродукции позвоночных позволить познать и использовать природный способ хранения генетической информации. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание первого комплексного описания явления длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок позвоночных па основе собственных и литературных данных. Эта цель включала следующие задачи :

- исследовать распространенность феномена среди позвоночных,

- выявить основные особенности явления,

- показать роль феномена в размножении позвоночных, его теоретическое и практическое значение.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Работы, обобщающие совокупные свойства этого явления для всех позвоночных, отсутствуют. Данная работа является первой комплексной сводкой в мировой литературе. У некоторых видов позвоночных способность к сохранению сперматозоидов показана впервые. Выдвинуты и обоснованы оригинальные гипотезы о механизмах явления и о его значении б размножении позвоночных. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты данного исследования - существенный вклад в познание процессов размножения у позвоночных. Предлагается оригинальная концепция о ранних этапах процесса оплодотворения, излагается большой фактический и-экспериментальный материал. Результаты работы могут быть учтены в курсах биологии развития в университетах, медицинских и сельскохозяйственных институтах, использованы при создании банков спермы, как дополнение к криоконсервации, при разработке новых методов сохранения клеточных культур и изучении старения клеток, в иммунологии оплодотворения, в терапии бесплодия, в познании ранних этапов внутреннего оплодотворения, при разведении

позвоночных, в частности редких и исчезающих видов и пород. Они используются в курсах лекций каф. эмбриологии Биологического факультета МГУ, в практике искусственного осеменения Питомника редких видов журавлей Окского биосферного заповедника, в работе лаборатории искусственного разведения животных Московского зоопарка.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты доложены на I Всесоюзном совещании по проблемам зоокультуры (Москва, 1986); Биологической межвузовской конференции молодых ученых и студентов (АлмаАта,1990); Конференциях молодых ученых МГУ (Москва, 1989,1990);Рабочих совещаниях "Консервация генетических ресурсов" (Пущино, 1988, 1990, 1993); 5 Всесоюзном совещании по рукокрылым (Пенза, 1989); 6 Конференции по сохранению биоразнообразия Смитсоньевского института (г. Фронт-Ройал, США, 1995); Семинаре Зоопарков СНГ и Балтии по искусственному осеменению птиц (Москва, 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам исследований опубликовано 14 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Работа изложена на 19_ страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, данных собственных исследований, обсуждения, выводов и списка литературы. Диссертация

иллюстрирована__рисунками и 19 таблицами. Список литературы включает 26)

публикацию, из которых 27 работ отечественных и 234 - зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Под длительным переживанием сперматозоидов, "физиологической консервацией" /Вепринцев, Ротт,1991/ мы понимаем способность эякулированных сперматозоидов длительное время пребывать без потери фертильности в половы самок, не участвуя в оплодотворении.

О существовании этого феномена известно давно. Однако принято считать, что таким свойством обладают лишь отдельные уникальные виды. Способность к сохранению сперматозоидов рассматривалась как исключение из общего правила быстрой гибели сперматозоидов в половых путях самок и в нашей стране не изучалась. Овладение способом хранения гамет, зародышей, тканей и органов при температуре тела без потери их жизнеспособности представляется перспективной и актуальной задачей. Моделирование "физиологической консервации" могло бы разрешить многие затруднения, возникающие при применении криоконсервации и заменить ее в ряде случаев. Выявление такой способности может прояснить биологию размножения ряда видов.

Феномен длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок необходимо было дифференциировать от явлений партеногенетического развития или диапаузы эмбрионов. Свидетельствами переживания сперматозоидов служили следующие показатели : а)непосредственные наблюдения над содержащимися в неволе изолированными самками, определявшие период, в течение которого они продолжали приносить потомство (откладывать оплодотворенные яйца), б)обнаружение морфологически полноценных сперматозоидов в лакунах и складках половых путей самок при микроскопическом исследовании , в)появление нескольких пометов (или оплодотворенных яиц) после единичного спаривания (осеменения) самки, г)результаты стимулирования овуляции в разное время после единичного спаривания, д)откладка оплодотворенных яиц вне периода размножения гормонально стимулированной самкой, е)асинхронность половых циклов самцов и самок, исключающая оплодотворение сразу после осеменения, ж)генетически доказанное появление в одном помете потомства от разных самцов, з)вымывание из половых путей самок подвижных сперматозоидов через разные сроки после спаривания.

Часть I. Обзор литературы 1.1. Рыбы

Длительное переживание сперматозоидов показано у представителей 34 видов 13 семейств 7 отрядов классов хрящевых и костистых рыб. Срок переживания сперматозоидов колеблется у разных видов от двух недель (гораихт) до двух лет (акулы).

Внутреннее оплодотворение встречается у небольшого числа видов костистых рыб, и во всех этих группах отмечено длительное переживание сперматозоидов. Наиболее изучено переживание сперматозоидов у семейств гамбузиевые РоесШйае (срок - до года) и эмбиотоковые ЕтЫоЮаёае (срок 5-6 месяцев). Особенностью многих видов рыб является переживание сперматозоидов в лакунах яичников. Активировавшиеся сперматозоиды пенетрируют стенки фолликулов и оплодотворяют созревшие ооциты / Максудов, Артюшкова, 1989/.

1.2. Амфибии

Переживание сперматозоидов отмечено у обоих видов отряда бесхвостых Апига с внутренним оплодотворением: гладконога АБсариэ ииеп (срок - 2 месяца) и новогвинейской жабы №с(орЬгупо1с!е5 ос«<1еп1аИ5 (срок - до полугода) /Меиег, 1964;Ьатои, 1959/ .

Для 19 видов 4 семейств отряда хвостатых Саис1а1а срок переживания сперматозоидов колеблется от двух недель до двух лет. У всех видов сперматозоиды переживают в сперматеке, образованной пальцеобразными выростами спинного отдела клоаки и состоящей из совокупности трубчатых желез и окружающей их соединительной ткани /Максудов,Артюшкова,1989/. Строение сперматек у разных видов сходно. У многих видов хвостатых амфибий переживание сперматозоидов, видимо, облигатно. Это подтверждают характерные черты их размножения и гистоморфологические данные.

1.3. Рептилии

Длительное переживание сперматозоидов у рептилий распространено очень широко. Имеющиеся данные охватывают представителей всех отрядов этого класса. Переживание сперматозоидов отмечено у 17 видов морских, пресноводных и сухопутных черепах. Срок переживания у них колебался от нескольких дней до четырех лет. У гаттерии Sphenodon punctatus отмечен десятимесячный промежуток между спариванием и яйцекладкой /Gabe & Saint-Girons, 1964/. Предполагаемое переживание сперматозоидов, от одного до шести месяцев, указано для 8 видов крокодилов, изолированные самки которь!х откладывали оплодотворенные яйца /Dunn, 1977; Richter,1981/.

Длительное переживание сперматозоидов отмечено у 70 видов 15 семейств отряда чешуйчатых Squamata, охватывающих весь спектр экологии рептилий. Срок переживания составляет от нескольких недель до нескольких лет. Места переживания гамет варьируют от влагалищной и матковлагалищной зон до собственно яйцевода и воронки /цит. по обзору Максудов, Артюшкова,1989/.

Максимальные сроки длительного переживания сперматозоидов у рептилий (и у позвоночных в целом) зарегистрированы у изолированных самок кошачьеглазой змеи Leptodeira annulata /Haines,1940/ -6 лет, и бородавчатой змеи Acrochordus javanicus /Magnusson, 1979/ - 7 лет. У змеи Tantilla coronata яйца функционирующего левого яичника проходят через правый яйцевод. Однако рудиментарный левый яйцевод сохранил полноцепные спермохранящие структуры, в которых переживают поступающие в них сперматозоиды /Aldridge, 1992/.

1.4. Птицы

Переживание сперматозоидов от 6 до 70-80 дней описано более чем у 70 видов 11 отрядов класса птиц. Местом переживания у всех видов являются железы матковлагалшцного (МВС) соединения, названные "спермохранящими железами" (sperm-storage glands). Их строение сходно у многих видов птиц /Максудов, Артюшкова,1989/.

Переживание сперматозоидов отмечено у видов с различными брачными отношениями. Частота спариваний за один репродуктивный цикл не влияет на наличие феномена переживания. Плодовитость самки весь сезон размножения после одного спаривания известна у индюшек, кур, предполагается для других видов /Максудов, Артюшкова,1989/. Для 20 видов сем. РаззепЛэппез показано, что одного осеменения достаточно для оплодотворения всех яиц в кладке /ВпзИе, 1992/.

1.5. Млекопитающие Собранные материалы охватывают более 30 видов зверей, представляющих 11 отрядов класса. Отряд рукокрылых рассматривается отдельно. Срок переживания колеблется от 2 суток до 2 лет. Перевязка яйцеводов через различные сроки после осеменения у свиней, овец и коров и прижизненные наблюдения на мышах показали, что истмус - основное место переживания сперматозоидов для многих видов млекопитающих /НиШег,1991, 8иагег,1991/.

У зайца-русака переживание сперматозоидов составляет 41-46 дней, гунди ^епоёасШия уаИ - 64 дня. У броненосца Оазурш поуестеСиБ возможна трехмесячная диапауза эмбрионов. Однако изолированные в неволе самки регулярно приносили потомство и через 2 года после поимки. Самки дазуирид, опоссумов, бандикутов более 2 недель сохраняют до 50 % сперматозоидов эякулята в криптах истмуса яйцевода, и оплодотворяют овулировавшие яйцеклетки переживающими сперматозоидами /Эгоггв, 1988; Taggart, 1991/. Есть данные о переживании сперматозоидов у женщин, сроком от 3-5 дней до 3-4 недель /Максудов, Артюшкова, 1989/.

1.6. Рукокрылые

Летучие мыши - относительно изученный объект в этой области. Список сохраняющих сперматозоиды рукокрылых постоянно расширяется и включает сейчас свыше 30 видов из 3 семейств отряда: обыкновенных летучих мышей УезрегЫюшёае , бульдоговых летучих мышей Мо1о5Б1с1ае, крыланов Р1егор1сНс1ае. Срок переживания сперматозоидов у рукокрылых колеблется у тропических видов от 2 недель до 1-3

месяцев, а у зимующих видов достигает 6 месяцев. Виды умеренных широт спариваются до начала спячки и часть срока переживания совпадает с периодом активной жизни особей. В репродуктивном тракте самок рукокрылых не обнаружено специфических спермохранящих структур. Сперматозоиды рукокрылых не несут каких-либо существенных отличий от таковых у других видов млекопитающих. У разных видов рукокрылых сперматозоиды переживают в матке, истмусе или яйцеводе. Значение этого феномена у рукокрылых активно обсуждается . Долгое время его объясняли приспособленностью к паузе в жизненном цикле из-за спячки, что не объясняет переживание сперматозоидов у тропических видов. Выводы обзора:

1. Имеющиеся сведения о феномене длительного переживания сперматозоидов у позвоночных весьма обширны, но фрагментарны. Единого подхода нет, выбор объектов исследования часто случаен.

2. Количество видов позвоночных, для которых показано переживание сперматозоидов, больше, чем число видов, изучение биологии которых легло в основу существующей схемы оплодотворения.

3. Изучавшиеся виды практически не затрагивают представителей фауны бывшего СССР.

4. Общей концепции явления не создано, в частности, не разработаны вопросы выхода сперматозоидов из мест переживания; проблемы межклеточных взаимодействий переживающих сперматозоидов.

5. Биологический смысл явления не определен.

Часть II. Данные собственных исследований

Собрав обширную информацию о распространенности переживания сперматозоидов, автор сфокусировал свои исследования на выявленных при анализе литературы узловых точках. Исследования проводились как на видах с показанной

способностью самок сохранять сперматозоиды ( гуппи, иццейки, рукокрылые), так и на видах, у которых такая способность не предполагалась (журавли, мыши).

2.1. Гуппи

Цель : изучить гистоморфологические особенности этого феномена.

Через различные промежутки после родов или спаривания, самок умерщвляли и фиксировали. По стандартным гистологическим методикам изучено 17 образцов половых систем осемененных самок гуппи. В качестве контроля использовали виргинных самок.

Яичник гуппи - непарная мешковидная структура с полостью внутри, образующей многочисленные карманы и углубления. Семеприемники самок гуппи размещаются в дорсальной части стромы яичника, в области, прилегающей к антеродорсальной стенке гонады. Они состоят из слепых пальцеобразных впячиваний, направленных вперед и кверху и открывающихся в полость яичника. Эпителий семеприемников является продолжением уплощенного нереснитчатого однослойного эпителия дорсальной стороны яйцевода. Окаймляя яйцевод, затем полость яичника, он плавно переходит в эпителий спермохранящих участков. При переживании сперматозоидов ядра контактировавших с ними эпителиальных клеток смещались к базальной мембране.

Количество переживающих сперматозоидов влияло на их расположение в местах хранения и на их взаимодействие друг с другом и с эпителием яичников. Небольшое количество сперматозоидов в семеприемнике располагалось свободно в просвете спермохранящей структуры. Если сперматозоиды заполняли большую часть внутреннего пространства семеприемников, они располагались параллельно, с головками, направленными к слепому концу семеприемников. Сперматозоиды, переживавшие у самок, морфологически не отличались от сперматозоидов из семенника.

2.2. Журавли

Цель экспериментов : изучение возможности длительного переживания сперматозоидов у птиц при искусственном осеменении.

В работе журавлиного питомника ОГБЗ часто используется искусственное осеменение. Осеменение самки канадского журавля проводили ежегодно в течении 2-2,5 месяцев, продлевая репродуктивный период изъятием отложенных яиц. По разным причинам возникали перерывы в осеменении самки, которая продолжала класть яйца. Однако из таких яиц зачастую вылуплялись птенцы. Эти данные вместе с результатами сперматологических исследований на журавлях /Максудов, 1986; 1990Ь; 1991а; 1995а/ послужили отправной точкой.

Яйцеклетки птиц могут быть оплодотворены только до начала формирования третичных оболочек яйца. Этот срок для журавлей составляет 20-30 минут после овуляции /Ки55шап'85/. Зная срок формирования яйца и регистрируя момент его снесения, можно рассчитать время овуляции и момент оплодотворения яйца. При искусственном осеменении время поступления сперматозоидов известно. Сопоставление графиков осеменений и яйцекладок позволяет определить, когда в половые пути самки поступила сперма, оплодотворившая яйцо и какой промежуток времени прошел между осеменением и оплодотворением. Разрыв во времени между осеменением и оплодотворением показывает длительность периода переживания сперматозоидов. Яйцо журавлей формируется приблизительно 48 часов, овуляция и оплодотворение происходят за двое суток до кладки. Сперма от осеменения, проведенного менее чем за 48 часов до кладки, не оплодотворит яйцеклетку. Срок переживания сперматозоидов будет на 2 суток меньше интервала между последним осеменением и фертильной кладкой.

Всего от изучавшейся пары за 8 лет получено 58 яиц, из которых 14 было оплодотворено. Во всех случаях откладки оплодотворенных яиц сперматозоиды сохранялись в половых путях самки от 6-12 часов до 9 суток. Прохождение яйца по яйцеводу не уничтожало сперматозоиды, так как самка трижды откладывала

несколько яиц после одного осеменения. Оплодотворенными при этом оказывались не первые, а вторые отложенные после осеменения яйца.

2.3. Индейки

Цель: изучить особенности переживания сперматозоидов и строение спермохранящих желез индеек с помощью прижизненной дифференциальной интерфереционной контрастной (ДИК) микроскопии.

Индейки сохраняют сперматозоиды в спермохранящих железах матко-влагалищного соединения яйцевода (МВС). Птиц усыпляли и препарировали репродуктивный тракт. Содержащий спермохранящие железы сегмент МВС помещали на предметное стекло в каплю буферного раствора. Спермохранящие железы представляют собой тонкие, извитые и ветвящиеся структуры, в разных направлениях пронизывающие складки слизистой оболочки МВС и образованные ее трубчатыми впячиваниями. Поверхностный эпителий МВС в основном реснитчатый, реснички его синхронных колебательных движений не совершали. Отверстия спермохранящих желез появлялись в конце складок слизистой оболочки МВС.

Ветвление спермохранящих структур затрудняло определение их длины. Внутренний диаметр железы составлял 15-25 мкм., а наружный - колебался от 100 до 150 мкм. Эпителий спермохранящих желез составляли столбчатые нереснитчатые клетки с базальными ядрами. К внешней поверхности базальной мембраны эпителия спермохранящих желез прилегали волокна соединительной ткани, не контактировавшие с эпителиальными клетками. Вблизи спермохранящих желез фибробласты наблюдались редко. В окружающей рыхлой соединительной ткани легко различимы лимфоциты, капилляры, вневаскулярные эритроциты.

Сперматозоиды размещались по всей длине спермохранящих желез, концентрируясь в их дистальной трети. В дистальном конце спермохранящих желез сперматозоиды располагались в линию, с параллельными головками, ориентированными к слепозамкнутому концу желез. Не наблюдали взаимодействий сперматозоидов с

эпителием спермохранящих желез. Большинство сперматозоидов в спермохранящих железах индеек не организованы в пучки и не агглютинируют головками. Изредка наблюдали слабые колебательные движения отдельных сперматозоидов, ограничивавшиеся дистальной третью спермохранящих желез. Морфологических разлйчий между эякулированными и переживающими сперматозоидами индюков не обнаружено.

2.4. Мыши лабораторные

Целями экспериментов были: исследование длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок лабораторных мышей и создание экспериментальной модели феномена.

На первом этапе ссаживали самца и самок одной линии, либо разных линий с одинаковой окраской. Самок с вагинальными пробками отсаживали и содержали до родов. На втором этапе у родившей самки изымали потомство, во избежание лактационной паузы, тормозящей послеродовой эструс, и подсаживали эту самку к вазэктомированному самцу, отличавшемуся окраской шерсти. На третьем этапе самок после спаривания с вазэктомированными самцами просматривали на наличие пробок и исследовали различными методами. Использовано свыше 200 самок и 30 самцов разных линий.

Для сбора данных о переживании сперматозоидов использовали ряд методик: а) самок с вагинальными пробками после спаривания с вазэктомированным самцом содержали изолированно до предполагаемых родов; б) макроморфологическую оценку состояния репродуктивных трактов всех самок, использовавшихся на второй и третьей стадиях экспериментов; в) гистоморфологические исследования маток у части мышей, спаренных с вазэктомированными самцами. Самок забивали на 7-10 день после спаривания и исследовали препараты репродуктивных трактов, в поисках гамет и имплантировавшиеся зародыши на 9-14 стадиях развития; г) вымывание содержимого яйцеводов. Через 24-48 часов после обнаружения вагинальной пробки от

вазэктомированного самца яйцеводы самок промывали с целью обнаружения зародышей . Предполагалось, что это позволит выявить зародыши, которые могли бы абортироваться на ранних, доимплантационных стадиях развития, и позволит наблюдать сперматозоиды.

Получено два помета, где зародыши были оплодотворены переживающими сперматозоидами. Зафиксированы дробящиеся яйцеклетки после промывания яйцевода самки на третьем этапе опытов. Микроскопические исследования препаратов маток мышей сперматозоидов либо зародышей не обнаружели. Возможно, это было вызвано тем, что под микроскопом изучали только матки мышей, а не истмус, где, по новейшим данным /Suarez,1991/, переживают сперматозоиды у мышей.

2.5. Рукокрылые

С целью изучить особенности длительного переживания сперматозоидов и выявить соотношения функциональных состояний репродуктивной системы самок и переживающих сперматозоидов были проведены гистоморфологические исследования /Максудов с соавт., 1990b,di.

Животных отлавливали осенью, зимой и весной в местах зимовок в Европейской части СССР, Азербайджане и Туркмении. Всего изучена 31 самка и 5 самцов 7 видов : бурый ушан Plecotus auritus, северный кожанок Eptesicus nilssonii, усатая ночница Myotis myctacinus, водяная ночница Myotis daubentoni, нетопырь-карлик Vespertilio pipistrellus, нетопырь Куля Pipis trellus kuhli, малый подковонос Rhinolophus hipposideros. Использовались также особи, содержавшиеся К.К. Панютиным на Звенигородской биостанции МГУ.

У всех самок в половых путях обнаружены переживающие сперматозоиды. Больше всего их отмечено у самок нетопыря Куля , матки которых были заполнены спермой от влагалища до истмуса. Вероятно, эти самки спаривались незадолго до отлова. У них же наблюдали ориентацию сперматозоидов головками на миометрий и многочисленные межклеточные взаимодействия головок сперматозоидов с эпителиальными клетками. У

других видов сперматозоидов в половых путях самок было меньше. Они образовывали группы по нескольку десятков или сотен штук в просвете матки, ее железах, истмусе, яйцеводе, частью контактируя с эпителием, частью располагаясь свободно в просвете. Агтлютинаты головок сперматозоидов здесь были редки, чаще гаметы соприкасались хвостами. Окрашивание сперматозоидов подтвердило их морфологическую целостность. Спермохранящие железы матки, представляли собой впячивания эпителия эндометрия в подстилающую его соединительную ткань. Эпителий спермохранящих желез составляли столбчатые нереснитчатые клетки с базальными ядрами. Сперматозоиды в железе располагались пучками, с головками, направленными к ее слепозамкнутой стенке.

Провели гистоморфологические исследования переживания сперматозоидов в семенниках и эпидидимисах самцов ушана, северного кожанка и усатой ночницы . Сперматозоиды в канальцах семенников концентрировались в центре просвета, однако наблюдались и контакты гамет с эпителием семенников. Различий в морфологии сперматозоидов, переживавших у самцов и у самок, не выявлено.

Часть III. Обсуждение.

3.1. Морфология длительного переживания сперматозоидов.

В пределах одной систематической группы переживающие сперматозоиды обнаруживались в различных отделах полового тракта самок. У представителей разных таксонов позвоночных сперматозоиды могут переживать в аналогичных участках половых путей. Для костистых рыб характерно переживание сперматозоидов в яичниках, для хрящевых рыб - в яйцеводе. Сперматозоиды хвостатых амфибий переживают в сперматеках клоак самок. Сперматозоиды черепах - строго в железах дистального отдела яйцевода, в месте его перехода в матку. Спермохранящие структуры у рептилий отряда Чешуйчатые отмечены во влагалище, матке и яйцеводе. Спермохранящие железы птиц сконцентрированы в области матковлагалищного соединения. Для большинства млекопитающих основным местом переживания был

истмус, а у рукокрылых - матка, истмус и яйцевод. Возможно, что длительное переживание сперматозоидов - функция репродуктивного тракта самок позвоночных в целом.

Сперматозоиды изучавшихся видов переживают в структурах, которые можно определить как крипты эпителия внутренней поверхности различных отделов половых путей. Эти крипты проявляют секреторную активность, и их часто обозначают как "спермохранящие железы" (sperm-storage glands), не описывая их секретов. Эти "железы" у разных видов имеют приблизительно сходное строение и размеры.

Целостность сперматозоидов внутри мест хранения определялась у гуппи,индеек, рукокрылых /Максудов, 1990b, d; Максудов,неопубл./. Сперматозоиды в спермохранящих структурах не имели морфологических различий и окрашивались так же, как сперматозоиды мазка эякулята. Сходные результаты получены для саламандры Desmognatus fuscus , украшенной черепахи Chrysemys picta, подвязковой змеи Thamnophis sirtalis /Максудов, Артюшкова, 1989;Gist, Jones, 1989/.

Число спермохранящих структур и количество сперматозоидов в них у ряда видов подсчитаны. Общая сумма переживающих сперматозоидов ("спермохранящая емкость" самки) была на несколько порядков меньше числа сперматозоидов в эякуляте. Ни в одной группе позвоночных не обнаружено морфологических различий между сперматозоидами в эпидидимисе, в эякуляте и в местах переживания.

3.2. Поступление сперматозоидов в места переживания.

Заполнение спермохранящих структур происходит, вероятно, благодаря проникновению в них активно движущихся сперматозоидов. Это подтверждает

ъ

высокая скорость заполнения - в пределах минуты после спаривания у тритона, через 2 часа у анолиса и кур, 6-8 часов у овец /цит по обзору Максудов, Артюшкова, 1989/.

Наиболее реальным можно считать предположение о поступлении сперматозоидов при их движении против тока жидкости, создаваемого колебаниями ресничек выстилающего эпителия спермохранящих структур. Однако у ряда видов не

удалось обнаружить ресничек в спермохранящих структурах, либо реснички располагаются только у входа в железу. Возможно, что основным способом передвижения сперматозоидов по яйцеводу является "проползание" (crawling) по апикальному краю эпителия, а не свободное движение гамет в просвете. Гипотезы о вдавливании сперматозоидов в спермохранящие железы проходящим по яйцеводу яйцом, или о заполнении спермохранящих структур гаметами посредством сокращений мускулатуры яйцевода, не объясняют избирательного проникновения только подвижных гамет.

3.3. Межклеточные взаимодействия при переживании сперматозоидов.

Переживающие сперматозоиды взаимодействуют как друг с другом, так и эпителием семяприемников. В семеприемниках ряда видов сперматозоиды могут агглютинировать головками /Максудов, Артюшкова,1989/. Однако наблюдения с использованием прижизненной ДИК-микроскопии не выявили агглютинатов сперматозоидов в спермохранящих железах индеек. Не отмечено взаимодействий между сперматозоидами у амфибий /Trauth,1983/, у черепах /Jist, Jones, 1989/, у ряда видов рукокрылых они нерегулярны /Максудов, 1990е/.

Взаимодействия между переживающими сперматозоидами и эпителием мест хранения отмечены во всех классах позвоночных /Максудов, Артюшкова,1989; Максудов, 1990d/. По различным причинам они не всегда обнаруживаются при гистологических исследованиях. Электронномикроскопические исследования показали, что целостность клеточных мембран сперматозоидов и эпителия при любом типе взаимодействий не нарушается. Появление сперматозоидов внутри эпителиальной клетки - это либо фагоцитоз гамет, либо артефакт. Вероятно, роль межклеточных взаимодействий "сперматозоид-эпителий" заключается в поддержании обмена гамет, либо в защите от механических повреждений. Такие взаимодействия могут быть также важным компонентом капацитации сперматозоидов перед оплодотворением.

По нашим наблюдениям, изложенным в части II, тип межклеточных взаимодействий при переживании сперматозоидов у гуппи, индеек и рукокрылых зависит от количества гамет в спермохранящих структурах. Ранее не учитывали влияние заполненности спермохранящих структур сперматозоидами на характер межклеточных взаимодействий. ■

3.4. Регуляция обменных процессов у переживающих сперматозоидов.

Данные об интенсивности метаболизма переживающих сперматозоидов весьма фрагментарны. При введении меченой тритием глюкозы самке нетопыря-карлика через час она обнаруживалась в переживающих сперматозоидах /Racey,1975/. Степень гликолитического метаболизма переживающих сперматозоидов эмбиотоковых и гуппи сравнима с таковой у сперматозоидов млекопитающих и значительно выше, чем у лососевых рыб/Gardiner, 1978а/.

Повышение осмотичности среды . тормозило двигательную активность сперматозоидов, взятых из сперматеки зеленоватого тритона . Содержание ионов Na+ и К+ в жидкости сперматеки этого тритона оказалось ■ близким к таковому в семявыносящем протоке /Hardy & Dent,1986b/. Созревание ооцитов морских окуней сопровождалось изменением рН овариальной жидкости с 6,5 до 7,0, что, видимо, активировало хранящиеся в яичниках сперматозоиды /Сорокин, 1958/.

Ионы цинка, возможно, являются естественным метаболическим ингибитором переживающих сперматозоидов. Цинк обратимо тормозит обмен, подвижность и капацитацию сперматозоидов разных видов. Содержание ионов цинка в МВС индюшек выше, чем в других областях яйцевода. В матках и эпидидимисах ночниц содержание ионов цинка было в 2-3 раза выше, чем в соответствующих тканях других млекопитающих /цит. по обзору Максудов, Артюшкова,1989/.

Показано, что градиент температуры между ампулой и истмусому «вспаривавшихся свиней составлял 0,43С°, а у спаривавшихся свиней - 0,69С° /Hunter &

№ско1,1986/. Этот температурный градиент может вызывать снижение метаболизма и способствовать длительному переживанию сперматозоидов.

3.5. Возможные субстраты репарационного метаболизма.

Доступными для сперматозоидов будут вещества, заполняющие полости мест переживания. Мукополисахариды обнаружены в сперматеке ребристого тритона, железах МВС кур, матке рукокрылых. Гликоген в спермохранящих железах отмечен у амфибий, змей, кур, рукокрылых. Выявлены некоторые ферменты углеводного обмена. В клетках спермохранящих структур змей, кур и несущихся уток наблюдалась высокая концентрация кислой фосфатазы, у рукокрылых найдены щелочная фосфатаза и сорбитолдегидрогеназа. Глицерол-1-фосфат дегидрогеназа выявлена в сперматозоидах японского перепела. Капельные жиры в эпителии спермохранящих желез отмечены у змей, перепелок, уток, индюшек, кур, нетопыря-карлика /цит. по обзору Максудов, Артюшкова, 1988/.

Субстратов, специфически обеспечивающих переживание сперматозоидов, не обнаружено ни в одном классе позвоночных.

3.6. Выход сперматозоидов из мест переживания.

Выход сперматозоидов может быть обусловлен либо пассивным изгнанием гамет с последующей их активацией в яйцеводе, либо реактивацией сперматозоидов в местах хранения и выходом за счет их движения. Пассивное изгнание предполагается при : а) растяжении стенок яйцевода при прохождении яйца, б) при колебании уровней половых гормонов, приводящему к сокращению мускулатуры яйцевода и выдавливанию гамет, в) вынос секретами спермохранящих желез, г) высвобождение при распаде клеток спермохранящего эпителия. Все эти предположения не позволяют объяснить "порционность" выхода сперматозоидов и ряд других фактов /Максудов, Артюшкова, 1989/, оставляя вопрос открытым.

Согласно нашей гипотезе /Максудов, 19916/, реактивация и выход сперматозоидов из спермохранящих структур обусловлены действием содержимого

периооцитного пространства фолликула (фолликулярной жидкостью). Эти вещества опережают продвижение яйцеклетки по яйцеводу, так как изливаются в него с момента появления первичного разрыва в стенке фолликула, задолго до выхода яйцеклетки. Предположение о реактивации переживающих сперматозоидов прямым действием активатора изнутри яйцевода позволяет объяснить "порционность" выхода и ответить на большинство вопросов, связанных с выходом переживающих сперматозоидов.

3.7. О роли гормонов в переживании сперматозоидов. Сведения о влиянии гормонов на переживание сперматозоидов касаются их влияния на выход гамет из мест переживания и регуляции деятельности секреторных клеток семяприемников у амфибий, некоторых рептилий и птиц. Вводя гонадотропины самкам хвостатых амфибий, удавалось добиться откладки ими оплодотворенных яиц вне сезона размножения, то есть стимулировалась как овуляция, так и выход сперматозоидов /Joly & Boisseau, 1973/. Инъекция простагландина F2a резко увеличивала количество сперматозоидов в пространстве клоаки зеленоватого тритона /Hardy & Dent, 1987/.

3.8. Иммунные процессы при переживании сперматозоидов Сперматозоиды являются чужеродными белковыми образованиями для организма самки. Подавление фагоцитоза является важным условием успешного переживания сперматозоидов. Ни в наших экспериментах, ни в доступной нам литературе каких-либо специфических факторов, связанных с длительным переживанием и подавляющих фагоцитоз хранящихся сперматозоидов, не обнаружено.

3.9. Черты сходства в переживании сперматозоидов у обоих полов. Изложенный выше материал позволяет выделить некоторые общие черты в переживании сперматозоидов, сохраняющихся в половых путях самок и самцов. К ним можно отнести : а) межклеточные взаимодействия "сперматозоид-эпителий" у самок и "сперматоцит-клетка Сетроли" у самцов; б) выход переживающих сперматозоидов при вакуолизации эпителия и спермиация у самцов; в) высокую осмотичность

внутренних сред мест переживания у самок и эпидидимиса у самцов ; г) сходство реактивации сперматозоидов при выходе в полость яйцевода и активации сперматозоидов при попадании в секреты придаточных половых желез самцов при эякуляции; д) барьерная функция спермохранящих структур самок и эпидидимиса самцов для дефектных сперматозоидов; е) отсутствие морфологических различий между эпидидимальными, эякулированными и переживающими сперматозоидами.

3.10. Значение длительного переживания сперматозоидов.

Обычное объяснение сводится к перечислению репродуктивных и экологических преимуществ, вытекающих из такой способности самок, без объяснения биологической сущности этого явления. Такой подход нам кажется недостаточным, поскольку эти преимущества являются лишь следствиями проявления феномена переживания.

Мы полагаем, /Максудов, 1989Ь, 1991а, 1995Ь/, что биологический смысл и значение явления длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок заключается в синхронизации встречи гамет в оптимальные для оплодотворения сроки в наиболее благоприятном для сингамии месте репродуктивного тракта.

Оплодотворение - сложный многоступенчатый процесс, одной из определяющих фаз которого является встреча полноценных фертильных сперматозоидов и яйцеклеток в соответствующем участке половых путей самки. Рассматривая с этой точки зрения весь комплекс связанных с размножением явлений, мы выделили ряд "уровней", на которых осуществляется синхронизация встречи гамет. Термин "уровень" предполагает не иерархическую их соподчиненпость, а показывает ступень организации живого, на которой в конкретном случае осуществляется синхронизация встречи гамет. Предлагаемая схема - это горизонтальная структура со взаимосвязанными, взаимозависимыми, равноправными уровнями, составляющими единое целое : "стратегию размножения вида".

Первая группа уровней - докопуляционные. Экологический уровень .реализуется через регулярные изменения биотических и абиотических факторов среды (фотопериод,

температура, кормовая база). Он влияет на функционирование половых циклов, стимулирует спермато- и оогнез, вызывает связанные с размножением миграции, пробуждает от спячки. Этолого-морфологический уровень .реализуется через оптическую, акустическую, химическую (феромоны) репродуктивную сигнализацию. Это различные формы группового брачного поведения ;линька и иные морфолого-аттрактивные новообразования; защита территории; вокализация; запаховые метки и реакции и т.п. В результате распознаются особи противоположного пола своего вида, определятся их готовность к размножению и формируются пары. Уровень предкопуляционного возбуждения .включает различные типы контактных взаимодействий между партнерами внутри пары перед копуляцией, чем достигается максимальная синхронность в состоянии репродуктивных систем партнеров.

Копулятивный уровень. Копуляция, возможна прямая, либо опосредованная, через сперматофоры. Ее длительность колеблется от нескольких секунд (птицы) до нескольких суток (рептилии) . Результатом копуляции, кроме введения спермы в половые пути самки, является сосредоточение всех синхронизирующих процессов в организме самки и изменение ее физиологического состояния.

Последняя группа уровней - посткопуляционные. Организменный уровень .воздействует на все системы организма осемененной самки и координирует их деятельность с изменениями, происходящими в репродуктивном тракте самки. Уровень репродуктивного тракта.включает изменения, происходящие в половых путях самки после осеменения. К ним относятся процессы, обеспечивающие оптимальные условия для сохранения и перемещения гамет, развития зиготы.

Клеточный уровень синхронизации реализуется через сохранение полноценных сперматозоидов в половых путях самки (длительное переживание сперматозоидов). Благодаря запасу сперматозоидов, в любой момент обеспечивается синхронное появление в месте оплодотворения полноценных капацитировавших сперматозоидов и овулировавшей фертильной яйцеклетки при оптимальных для сингамии условиях.

Таким образом, данный уровень непосредственно осуществляет согласование встречи мужских и женских гамет

"Стратегия размножения" вида направлена на достижение максимального успеха его воспроизводства. Следовательно, при недоста точном развитии какого-либо уровня возможна компенсация процессами, действующими на других уровнях. Соответственно, степень проявления феномена длительного переживания сперматозоидов у конкретных видов зависит от наличия и развития у него иных способов синхронизации встречи гамет /Максудов, 1989Ь/. Предлагаемая гипотеза позволяет сопоставлять факторы, наиболее важные для поддержания численности вида и обосновывает теоретическую базу для направленного влияния на изменение численности вида и для прогнозирования особенностей размножения видов.

Кратко изложим преимущества, получаемые видами, самки которых сохраняют сперматозоиды. Общеэкологические преимущества : а) повышается

приспособленность видов и популяций к неблагоприятным условиям жизни и к катастрофическим воздействиям; б) возможно восстановление популяции или образование новой популяции от самки в отсутствие самцов ; г) поддерживается существование видов и популяций с нарушенным сотношением полов и с асинхронными половыми циклами самцов и самок; д) обеспечивается оплодотворение в сильноразреженных популяциях, и в случаях, когда встреча самцов и самок в репродуктивный период маловероятна.

Репродуктивные преимущества: а) продлевается сезоп размножения; б) возможно оплодотворение в отсутствие самца; в) происходит селекция сперматозоидов на жизнеспособность и их конкуренция от разных самцов; г) яйца, оплодотворенные "переживающими" сперматозоидами, откладываются раньше и лучше используют теплый сезон.

ВЫВОДЫ

1. Как показали собственные исследования и анализ литературы, длительное переживание сперматозоидов распространено среди позвоночных шире, чем принято считать и, скорее, является правилом различной степени выраженности, нежели исключением.

2. Длительное переживание сперматозоидов - пример многократного естественного увеличения продолжительности жизни узкоспециализированных клеток при физиологических условиях. Возможны две разновидности переживания : облигатное (при асинхронных половых циклах), и факультативное (сперматозоиды сохраняются в половых путях самки вне зависимости от синхронности половых процессов).

3. Способность сохранять сперматозоиды дает видам репродуктивные и экологические преимущества, в частности, позволяет осуществить оплодотворение в отсутствие самца. .

4. Общепринятая схема внутреннего оплодотворения нуждается в

коррекции с учетом возможности длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок.

5. Предложена оригинальная гипотеза многоуровневой синхронизации встречи гамет, согласно которой встреча сперматозоидов и яйцеклеток координируется на различных "уровнях" (эколого-физиологическом, этолого-морфологическом, предкопуляционном, копулятивном, организменном, уровне репродуктивного тракта, клеточном), которые отражают ступень организации живого, на котором происходит синхронизация. Эти взаимосвязанные и равноправные "уровни" составляют единое целое - стратегию размножения вида.

6. Биологический смысл явления заключается в оптимизации внутреннего оплодотворения путем синхронизации на клеточном уровне встречи сперматозоидов и яйцеклетки в оптимальные для оплодотворения сроки. Длительное переживание сперматозоидов является элементом единой стратегии размножения.

7. Показано переживание сперматозоидов у ряда видов фауны России и бывшего СССР. (Grus canadiensis, Plecotus auritus, Eptesicus nilssonii, Myotis myctacinus, Myotis daubentoni, Vespertilio pipistrellus, Pipistrellus kuhli, Rhinolophus hipposideros).

8. Для гуппи, индеек и рукокрылых показана связь типа межклеточных взаимодействий "сперматозоид-сперматозоид" и "сперматозоид-эпителий" с количеством сперматозоидов, находящихся в спермохранящих структурах самок. Если в семеприемнике находится небольшое количество сперматозоидов, они располагаются свободно в просвете спермохранящей структуры. В случае, когда сперматозоиды заполняют большую часть внутреннего пространства семеприемников, сперматозоиды располагаются параллельно друг другу, с головками, направленными к слепому концу семеприемников и часто взаимодействуют с клетками эпителия спермохранящих структур.

9. Подтверждены литературные данные об ограниченном проявлении феномена переживания сперматозоидов у мышей и сложности его экспериментального получения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Максудов Г.Ю., В.Г. Панченко, Е.В. Зудов. К возможности криоконсервации спермы журавлей // Тез. I Всес. сов. по зоокультуре , М.,1986, 4.II, с. 58.

2. Максудов Г.Ю., В.А. Артюшкова, Е.В.Трошко. Оценка качества семени животных // Пущино , ОНТИ НЦБИ , 1988, 43 с.

3. Максудов Г.Ю., В.А. Артюшкова. Физиологическая консервация спермы позвоночных // Пущино ОНТИ НЦБИ ,1989а , 72 с.

4. Максудов Г.Ю. Уровни синхронизации встречи гамет у позвоночных ¡I Сб. трудов молодых ученых МГУ, 1989b, Ч.1,с. 171-175.

5. Максудов ГЛО. Внутреннее оплодотворение и феномен химерности // Тезисы биологической межвузовской конференции молодых ученых и студентов, КазГУ им. С.М.Кирова,Алма-Ата, 1990а, с. 13.

6. Максудов Г.Ю., В.Г. Панченко. Опыт криоконсервации спермы журавлей // Криобиология, 1990b, N 1, с. 44-47

7. Максудов Г.Ю., К.К. Панютин, Ю.К. Доронин , Н.С. Карчевская. Длительное переживание сперматозоидов в эпидидимисах самцов Vespertilio nilssonii и Plecotus auritus // Тез. 5 Всес. Сов. по рукокрылым, Пенза , 1990с, с. 111 - 113.

8. Максудов Г.Ю., Панютин К.К. О возможном значении переживания спермы у рукокрылых //Тез. 5 Всес. Сов. по рукокрылым,Пенза, 1990d, с. 113 - 116.

9. Максудов Г.Ю., К.К. Панютин, М.Ю. Цеханская, Ю.К. Доронин. Длительное переживание спермиев в половых путях самок четырех видов ночниц //Тез. 5 Всес. Сов. по рукокрылым, Пенза, 1990с, с. 117-119.

10. Максудов Г.Ю., Т.А. Маркина, В.Г. Панченко. Переживание спермы у самки канадского журавля// Орнитология, 1991а,Т. 25, с. 198 - 200.

11. Максудов Г.Ю. Длительное переживание спермиев и его роль в оплодотворении у позвоночных //Биол. науки, 1991b, т.2,с.57-64.

12. Panchenko V.G., Maksudov G.Yu. Some data on obtainingsemen in cranes and possibilities of its cryoconservation // Crane research and protection in Europe, 1995a, pp 370-371, Ed. H. Prange ; Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg

13. Maksudov G.Yu. Practical and theoretical significance of the fenomenon of sperm storage // The Sixth Annual Workshop on Conservation and Biodiversity, Conservation Research Center, Front Royal, Virginia, 1995b, p. 39

14. Максудов Г.Ю. Криоконсервация спермы диких видов сем. полорогие (Bovidae)// Сборник науч. трудов Московского зоопарка, 1995с, с. 248-258.