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"

Ь-ЪЧЧЪб

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 биологически* наук

Москва -1996

Работ» выполнена а» кафедре эмбриология биологического факультета Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова Научные руководители : доктор биологических наук, профессор Б.Н.Вепряицев доктор биологических наук, профессор ВА.Голнченков

Официальные оппоненты: доктор бнолоппесыя наук, ведущий научный сотрудник РотгН.Н

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

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

Защита диссертации состоите* 7окт«бр* 1996г. в_часов

на заседании специализированного 'совета Д.053.05.14, при Московской государственной университете мм. М.В.Ломоносова по адресу, 119899, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек биологического факультета МГУ ям. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослав ■_• сентября 1 »96 года.

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат биалог^ИШЙкнаух Л.И,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАВОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Настоящая работа является развитием идей Б. Н. Вепринцева об иснользовшши явления длительного переживания сперматозоидов для сохранения генетической информации исчезающих видов. Изучение феномена переживания сперматозоидов и его значения дня репродукции позвоночных позволить познать и использовать природный способ жранення генетической информации. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание первого комплексного описания явления длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок позвоночных на основе собственных и литературных данных. Эта цель включала следующие задами: • исследовать распространенность феномена среди позвоночных,

- выявить основные особенности явления,

- доказать 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 в размножении позвоночных. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ Результаты данного исследованы - 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 создания банков спермы, как дополнение к криоконсервацин, при разработке новых методов сохранения клеточных культур и изучении старения—и»™ р нцмуялппгия оплодотворения, в терапии

ЦЕНТРАЛЬНАЯ

бесплодия, в познании ; анМАОДШДО ввдрздр^зддоп Моек, сельсиохол академии

щотворения, при разведения

им. К. А* Тимирязева

Инв. К^Л-ЗШдЛ

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

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты доложены на Г Всесоюзном совещании по проблемам эоокультуры (Москва, 1986); Биологической межвузовской конференции молодых ученых и студентов (АлмаАта, 1990); Конференциях молодых ученых МГУ (Москва, 198?, 1990);Рабочих совещаниях "Консервация генетических ресурсов' (Пущино, 1988, 1990, 1993); 5 Всесоюзном совещании по рукокрылым (Пенза, 1989); 6 Конференции по сохранению биоразнообразия Смнтсоньевского института (г. Фронт-Ройал, США, 1995); Семинаре Зоопарков СНГ и Балтии по искусственному осеменению птиц (Москва, 1996).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам исследований опубликовало 14 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Работа изложена на 19Й 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 261 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 фертильносги 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 правша быстрой гибели сперматозоидов в половых путях самок и в нашей стране не изучалась. Овладение способом хранения гамет, зародышей, тканей и органов оря температуре тела без потерн их жизнеспособности представляется перспективной к актуальной задачей. Моделирование "физиологической консервации" могло бы разрешить многие затруднения, возникающие при применении криоконсервации и заменять ее в ряде случаев. Выявление такой способности может прояснить биологию размножения ряда

видов.

Феномен длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок необходимо было дифференцинровать от явлений партеиогенетического развитая или диапаузы эмбрионов. Свидетельствами переживания сперматозоидов служили следующие показатели : а)цедосредственные 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)иоявление 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)асинхрошгость половых циклов самцов и самок, исключающая оплодотворение сразу после осеменения, ж)генегически доказанное появление в одном помете потомства от разных самцов, з)вымыванне из половых путей самок подвижных сперматозоидов через разные сроки после спаривания.

Часть J. 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 пет (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 Poeciiidae (срок • до года) и эмбиотоковые Embiotocidae (срок 5-6 месяцев). Особенностью многих видов рыб является переживание сперматозоидов в лакунах яичников. Активировавшиеся сперматозоиды пенетрнруют стенки фолликулов и оплодотворяют созревшие ооциты / Максудов, Артюшкова,1989/.

1.2. Амфибии

Переживание сперматозоидов отмечено у обоих видов отряда бесхвостых Anuía с внутренним оплодотворением: гпадконога Ascapus truer) (срок - 2 месяца) и новогвинейской жабы Nectophrynoldes occidentals (срок - до полугода) /Metter.!964;Lamott,I959/.

Для 19 видов 4 семейств отряда хвостатых Caudata срок переживания сперматозоидов колеблется от двух недель до двух лет. У всех видов сперматозоиды переживают в сперыатеке, образованной пальцеобразными выростами спинного отдела клоаки н состоящей вз совокупности трубчатых желез и окружающей их соединительной ткани /МаксудовДрпошкова, 1989/. Строение сперматек у разных видов сходно. У многих вездов 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 веек отрядов этого класса. Переживание сперматозоидов отмечено у 17 видов морских, пресноводных и сухопутных черепах. Срок переживания у вих колебался от нескольких дней до четырех лет. У гатгерии Sphenodori punctatus отмечен десятимесячный промежуток между спариванием н яйцекладкой /ОаЬе & Saint-Girons, 1964/. Предполагаемое переживание сперматозоидов, от одного до шести месяцев, указано дня 8 видов крокодилов, изолированные самки которых откладывали оплодотворенные яйца /Dunn,l977; RIchter,1981/.

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

Максимальные сроки длительного переживания сперматозоидов у рептилий (и у позвоночных в целом) зарегистрированы у изолированных самок кошачьегпазой змеи Leptodeira annulata /Haines,1940/ -6 лет, и бородавчатой змеи Acrochordus javanîcus /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/AIdridge, 1992/.

J.4. Птшш

Переживание сперматозоидов от б до 70-80 дней описано более чем у 70 видов 11 отрядов класса птиц. - Местом переживания у всех видов являются железы. мзтковлагалищного (МВС) соединения, названные "спермохранящимн железами* (sperm-storage glands). Их строение сходно у многих видов птиц /Максудов, Артюшкова, 1939/.

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 иадюшек, кур, предполагается для других видов /Максудов, Артюшкова, 1989/. Дня 20 видов сем. passeriformes показано, что одного осеменения достаточно для оплодотворения всех яиц в кладке /Briakie, 1992/*

1.5. Млекопитающие Собранные материалы охватывают более 30 видов зверей, представляющих. 11 отрядов класса. Отряд рукокрылых рассматривается отдельно. Срок переживания колебнется 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 дня многих видов млекопитающих/Hunter, 1991, Suarez,199í/. .

У зайца-русака переживание сперматозоидов составляет 41-46 дней, гунди Ctenodactilus valí - 64 дня. У броненосца Dasypuí novednetus возможна трехмесячная диапауза эмбрионов. Однако изолированные в неволе самки регулярно. приносили потомство и через 2 года после поимки. Сашси даэуирид, опоссумов, бандикутов более 2 недель сохраняют до 50 % сперматозоидов эякулята в криптах истмуса яйцевода, и. оплодотворяют овулировавлше яйцеклетки переживающими сперматозоидами /Storfs,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 VespertiJionidae , бульдоговых летучих мышей Molossldae, крыланов Pteropidldae, 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. V разных видов рукокрылых сперматозоиды переживают в матке, истмусе или яйцеводе. Значение этого феномена у рукокрылых активно обсуждается Долгое время его обменяли приспособленностью к паре 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, дня 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 ке создано, в частности, не разработаны вопросы выхода сперматозоидов из мест переживания: проблемы межклеточных взаимодействий Переживающих сперматозоидов. •

Биологический смысл явления ие определен.

Чясп, П. 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, индейки, рукокрылые), так и на видах, у которых такая способность не предполагалась (журавли, мыши).

2.1. Гуппи

Цель: изучить гиетоморфологические особенности этого феномена.

Через различные промежутки после радов или спаривания, самок умерщвляли и фиксировали. По стандартным гистологическим методикам изучено 17 образцов поповых систем осемененных самок гуппи. В качестве контроля использовали варгинных 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 впячнваний, направленных вперед и кверху и открывающихся в полость яичника. Эпителий семеприемников является продолжением ушгощенного нереснитчатого однослойного эпителия дорсальной стороны яйцевода. Окаймляя яйцевод, затем полость яичника, он плавно переходит в эпителий спермохраняпшх участков. При переживании сперматозоидов ядра контактировавших с ними эпителиальных клеток смещались к базальной мембране.

Количество переживающих сперматозоидов влияло аа их расположение в местах хранения и на их взаимодействие друг с другом н с эпителием яичников. Небольшое количество сперматозоидов в семеприемнике располагалось свободно в просвете спермохраняпей структуры. Бели 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

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

В работе журавлиного питомника ОГБЗ часто используется искусственно« 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 такйк яиц зачастую вылуплялись птенцы. Эти данные вместе с результатами сперматодогических * исследований * на журавлях /Максудов, 1986; 1990b; 1991 а; 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 /Russman'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 суток1 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 ие 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 .

Цепь; изучить особенности переживания сперматозоидов и строение спермохракящих желез индеек с помощью прижизненной дифференциальной интерферециониой контрастной (ДИК) микроскопии. . . ,

Индейки сохраняют сперматозоиды в спермохрашшшх железах ыатко-влагалищного соединения яйцевода (МВС). Птиц усыпляла и препарировали репродуктивный тракт. Содержащий спермохранящиа железы сегмент МВС помешали 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 впячнваниями. Поверхностный эпителий МВС в основном реснитчатый, реснички его синхронных колебательных движений не совершали. Отверстия спермохраняпгох желез появлялись в конце складок слизистой оболочки МВС.

Ветвление спермохракящнх структур затрудняло определенно 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 базальнымн ядрами. К внешней поверхности базаггьной 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, вневаекулярные эритроциты.

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

эпителием спермохрапяптх желез. Большинство сперматозоидов в спермохранящих-железах иидеек не организованы в пучки и не агглютинируют головками. Изредка наблюдали слабые колебательные движения отдельных сперматозоидов, ограничивавшиеся дистальной' третью спермохраиящих желез. Морфологических различий между эякулированными и переживающими сперматозоидами индюков не обнаружено. • ■, ■

' **2.4: Мыши лабораторные Целями экспериментов ' были:- исследование длительного переживания сперматозоидов в половых 1: путях самок' лабораторных мышей и создание экспериментальной модели феномена,' • '"г-. #■

На первом этапе ссаживали самца И-самок одной линии, либо разных линий с одинаковой окраской. Самок с вагинальными пробками отсаживали н содержали до родов. На втором этапе у родившей самки изымали потомство, во 'избежание: лактационной паузы, тормозящей послеродовой э струе, и подсаживали эту самку к вазэктомированному самцу, отличавшемуся окраской шерсти. На третьем этапе самок после спаривания с вазэктомированнымя самцами просматривали иа наличие пробок и исследовали различными методами. Использовано свыше 200 самок к 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 иа второй и третьей стадиях экспериментов; в) гкегоморфологические исследования маток у части мышей, спаренных с вазэктомврованными самцами. Самок забивали на 7-10 день после спаривания в исследовали препараты репродуктивных трактов, в поисках гамет и имплантировав цртеся зародыши иа 9-14 стадиях развития; г) вымывание содержимого яйцеводов. Через 24-48 часов после обнаружения вагинальной пробки от--

в азэктомиро ванного самца яйцеводы самок промывали с целью обнаружения зародышей . Предполагалось, что это позволит выявить зародыши, которые могаи бы абортироваться на ранних, доим плантационных 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 яе обкаружелн. Возможно, это было вызвано тем, что под микроскопом изучали только матки мышей, а не исгмус, где, по новейшим данным /Suarez,1991/, переживают сперматозоиды у мышей.

. 2.5. Рукокрылые

С цепью изучить особенности длительного переживания сперматозоидов и выявить соотношения функциональных состояний репродуктивной системы самок и переживающих сперматозоидов были проведены гистоморфологические исследования /Максудовссоавт.,1990Ь,<1/. ....

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 Myolis myctacinus, водяная ночница Myotis daubentoitf, нетопырь-карлик Vespertilio pipislrellus, нетопырь Куля Pipistrellus kuhli, малый подковонос Rüiiolophus hipposideros. Использовались также особи, содержавшиеся К.К. Панютиным на Звенигородской биостанции МГУ.

У всех самок & поповых путях обнаружены переживающие сперматозоиды. Больше . всего т 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 н многочисленные межклеточные взаимодействия головок сперматозоидов с эпителиальными клеткама. 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 просвет«. Агглзотинаты головок сперматозоидов здесь были редки, чаще гаметы соприкасались хвостами. Окрашивание сперматозоидов подтвердило их морфологическую целостность. Спермояранящие железы матки, представляли собой впячиаання эпителия эндометрия в подстилающую его соединительную ткань. Эпителий спермохраняши* желез составляли столбчатые переснитчатые клетки с базальными ядрами. Сперматозоиды в железе располагались пучками, с головками, направленными к ее спепоаамкнутой стенке. * . - ■ . ■

Провели гистоморфологические исследования переживания сперматозоидов в семенниках и эпидидимисал 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 н 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 путев. Для костисты* рыб характерно переживание сперматозоидов в яичниках, для Хрящевых рыб - в яйцеводе. Сперматозоиды хвостатых амфибий ■ переживают в сперматеках клоак самок. Сперматозоиды черепах - строго в железах днстального отдела яйцевода, в месте его перехода в матку. Спермохранящае структуры у рептилий отряда Чешуйчатые отмечены во влагалище, матке н 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 пх секретов. . Эти "железы" у разных видов имеют приблизительно сходно» строение и размеры.

. Целостность сперматозоидов внутри мест хранения определялась у гуппи,индеек, рукокрылых /Максудов, I990b,d: Максудов^еопублЛ Сперматозоиды в спермохранящих структурах ие 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^рпошкова, J 989;Gist Jones, 1989/.

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

3.2. Поступление сперматозоидов в места переживания.

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

ь

высокая скорость заполнения • в пределах минуты после спаривания у тритона, через 2 часа у анояиса и кур, 6-8 часов у овец /цит по обзору Максудов, Арпошкова,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 па яйцеводу яйцом, или о заполнении спермохранящих структур гаметами посредством сокращений мускулатуры яйцевода, не объясняют избирательного проникновения только подвижных гамет.

33. Межклеточные взаимодействия при переживании сперматозоидов.

Переживающие сперматозоиды взаимодействуют как друг с другом, так И эпителием семяприемников. В семеприемннках 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,I983/, у черепах /list, Jones, J 959/, у рада ввдов рукокрылых они нерегулярны /Максудов, 1990е/.

Взаимодействия между переживающими сперматозоидами н эпителием мест хранения отмечены во всех классах позвоночных /Максудов, - Артюшкова,19В9; Максудов, 1990(1/. 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-этггезшй" заключается в поддержании обмена гамет, либо в защите от механических повреждений. Такие взаимодействия могут быть также важный компонентом капацитании 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 спермохрашпцих 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 гликопитического 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 сперматекн 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 н эдщцидимисах ночниц содержание ионов цинка было в 2-3 раза выше, чем в соответствующих тканях других млекопитающих /цит. но обзору Максудов, Арпошкова, 1989/.

Показано, что градиент температуры между ампулой и истмусому нешаривавшихся свиней составлял 0,430", а у спаривавшихся свиней - 0,69С° /Hunter &

N«¿01,1986/. 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 спермохраиящих структур змей, кур и несущихся уток наблюдалась высокая концентрация кислой фосфатазы, у рукокрылых найдены щелочная фосфатаза и сорбитолдегидрогеназ а. 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 спермохраиящих 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 ш спермохраиящих структур обусловлены действием содержимого

периооцитного пространства фолликула (фолликулярной жидкостью). Эти вещества опережают продвижение яйцеклетки do 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.

3.7.0 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 простаглацдина F2a ' резко увеличивала количество сперматозоидов в пространстве клоаки зеленоватого тритона /Hardy & Dent, 1987/.

3.8. Иммунные процессы при переживаний 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 н 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 спермиацня 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 спермохранящид структур самок и эпидидимиса самцов для дефектных сперматозоидов; е) отсутствие морфологических различий между эпидидималъными, 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, 1991 а, 1995Ь/, что биологический смысл и

ъ

значение явления длительного переживания сперматозоидов в половых путях самок заключается в синхронизации встречи гамет в оптимальные дня 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 соподчиненвость, 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 рпгнька 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 п редкопуляционвого 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 слерматофоры.. Ее длительность колеблется от нескольких секунд (птицы) до нескольких суток (рептилии) . Результатом копуляции, кроме введена* спермы в половые пути самки, является сосредоточение всех синхронизирующих процессов в организме самки и изменение ее физиологического состояния. ■ 1

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 капашпировавших сперматозоидов н овулировавшей фертильной яйцеклетки при оптимальных для сингамии условиях.

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

"Стратегия размножения" вида направлена на достижение максимального успеха его воспроизводства. Следовательно, при недоста точном развития 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 н 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 популхшш от самки в отсутствие самцов ; г) поддерживается существование видов н популяций с нарушенным сотношеннем 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 сезон размножения; 6) 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 н 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 : обяигатное (при асинхронных половых циклах), и факультативное (сперматозоида 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 д лительного 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-физиологнческом, этолого-морфологическом, предкопулящтонном, копулятивном, организмшном, уровне репродуктивного тракта, клеточном), которые отражают ступень организации живого, на котором происходит синхронизация. Эти взаимосвязанные в равноправные "уровни* составляют единое целое - стратегию размножения вида.

6. Биологический смысл явления заключается г в оптимизации внутреннего оплодотворения путем синхронизации на клеточном уровне встречи сперматозоидов н 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 canadicnsis, Plecotus auritus, Eptesicus, nilssoníi, Myotis royctacinus, Myotis daubentoni, Vespertilio pipistreljus, Pipis trellus kuhli, Rhinolophus hipposideros).

8. Для гуппи, индеек ».рукокрылых показана связь типа. межклеточных взаимодействий "сперматозоид-сперматозоид" • : и "сперматозоид-эпителий* с количеством сперматозоидов, находящихся в спермохранищих 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, сперматозоида располагаются параллельно друг другу, с головками, направленными к' слепому концу семеприемников и часто взаимодействуют С клетками эпителия спермохранящнх 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 криокоисервации спермы журавлей//Тез. IBcec. сов. по зоокультуре, М.,1986,4.II, с. 58.

2. Максудов Г.Ю., В.А, Артюшкова, Е.В.Трошко. Опенка качества семеня животных // Пушено, ОНТИ НЦБИ, 1988,43 с.

3. Максудов Г.Ю., В.А. Артюшкова." Физиологическая консервация спермы позвоночных Н Пущнно ОНТИ НЦБИ , 1989а, 72 с.

4. Максудов Г.Ю. Уровни синхронизации встречи гамет у позвоночных // Сб. трудов молодых ученых МГУ,1989bi 4.1,с, 171-175.

5. Максудов Г.Ю. Внутреннее оплодотворение и феномен ншерности // Тезисы биологической межвузовской конференции молодик ученых н студентов, КазГУ им. С.М. Кнрова,Алм а-Ата, 1990а, с. 13.

6. Максудов Г.Ю., В.Г. Панченко. Опыт криоконсервации спермы журавлей II 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 н 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 я поповых путях самок четырех видов ночнид //Тез. 5 Всес. Сов. но 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, 199 lb, т.2,с.57-64.

12. Panchenko V.G., Maksudov G.Yu. Some data on obtalningsemen in cranes and possibilities of its cryoconsefvation // Crane research and protection in Europe, 1995a, pp 370-371, Ed, H. Prange; Martln-Luther-Univereitat 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.