Что мы узнаем от рыбы, которая может менять пол за 10 дней

Синеголовый губан — рыба, живущая небольшими социальными группами на коралловых рифах Карибского моря. Только у самца синяя голова — признак его социального доминирования над гаремом из желто-полосатых самок.

Если этого самца удалить из группы, происходит нечто необыкновенное: самая крупная самка в группе меняет пол и становится самцом. Её поведение меняется в течение минут. За десять дней её яичники превращаются в производящие сперму семенники. За 21 день она выглядит полностью как самец.

Но как губан меняет пол и почему эволюция выбрала эту систему?

Кроме того, учитывая, что рыбы имеют общие с млекопитающими гены, определяющие пол, может ли понимание этого процесса дать новое представление о том, как работает пол у людей и других животных?

Как происходит трансформация?

Триггером для смены пола у синеголового губана и некоторых других видов является социальный фактор. Когда самец удаляется, самая крупная самка немедленно ощущает его отсутствие и в тот же день принимает полное брачное поведение самца.

Как этот социальный сигнал преобразуется в молекулярное действие, остается загадкой, но, вероятно, здесь задействован стресс. Высокий уровень гормона стресса кортизола связан с определением пола в зависимости от температуры у других рыб и рептилий. Кортизол, вероятно, изменяет репродуктивную функцию, влияя на уровень половых гормонов.

Стресс может быть унифицирующим механизмом, который направляет информацию из окружающей среды в изменение пола.

Исследование отследило изменения в активности всех примерно 20 000 генов синеголового губана во время трансформации из самки в самца.

Неудивительно, что ген, производящий женский гормон (эстроген), быстро отключается, а гены, ответственные за выработку мужских гормонов (андрогенов), включаются.

Сотни других генов, необходимых для того, чтобы быть самкой (включая гены, производящие компоненты яйцеклетки), также постепенно отключаются, в то время как гены, необходимые для самца (включая гены, производящие компоненты спермы), включаются.

Эпигенетика

Также были замечены изменения в активности важных для развития генов, чьи роли в определении пола остаются неизвестными. Это включало гены, известные как «эпигенетически» регулирующие активность других генов.

Эпигенетика относится к регуляции «над геном». Например, существует много видов рыб и рептилий, у которых пол развивающихся эмбрионов определяется факторами окружающей среды, такими как температура инкубации яиц. Пол определяется не разными генами, а влиянием среды на активность этих генов.

Похожие механизмы регулируют смену пола у взрослых рыб, поэтому это может быть важно для преобразования социального сигнала в молекулярное действие.

Удивительно, но было замечено включение некоторых мощных генов, активных в эмбрионах и стволовых клетках. Эти гены удерживают клетки в нейтральном, эмбрионоподобном состоянии, из которого они могут созревать (дифференцироваться) в любой тип ткани. Они также могут возвращать дифференцированные клетки в эмбрионоподобное состояние.

Это говорит о том, что переход от яичников к семенникам у губана включает обращение процесса клеточной дифференцировки — вопрос, о котором ученые спорят десятилетиями.

В чем преимущества?

Исследователи выявили более 500 видов рыб, которые регулярно меняют пол во взрослом состоянии.

Рыбы-клоуны начинают жизнь как самцы, затем превращаются в самок, а ко́будай делают наоборот. Некоторые виды, включая бычков, могут менять пол туда и обратно. Преобразование может быть вызвано возрастом, размером или социальным статусом.

Смена пола выгодна, когда репродуктивная ценность особи больше как у одного пола, когда она мала, и больше как у другого пола, когда она вырастает.

Если самки получают больше пользы от крупного размера, чем самцы (потому что могут откладывать больше икринок), наиболее выгодна смена пола с мужского на женский. Но если (как у губана) самцы больше выигрывают от крупного размера, потому что могут лучше защищать свои нерестовые территории и спариваться со многими самками, оптимальна смена пола с женского на мужской.

Смена пола также может быть преимуществом для популяции, восстанавливающейся после перелова, который часто нацелен на крупную рыбу и оставляет популяцию с дефицитом одного пола. Таким образом, механизм замены недостающего пола был бы полезен.

Почему люди не могут менять пол естественным путем?

Самцы и самки губана различаются по размеру, цвету, поведению, но особенно по репродуктивным органам — яичникам и семенникам.

Смена пола у губана включает полную перестройку гонады из яичника, производящего яйцеклетки, в семенник, производящий сперму.

Это отличается от других рыб, которые регулярно меняют пол, когда становятся достаточно большими. Их гонады содержат как мужские, так и женские ткани, и смена пола происходит, когда одна из них перерастает другую. Таким образом, рыбы используют всевозможные стратегии, чтобы получить максимум от пола.

В отличие от них, люди и другие млекопитающие определяют пол с помощью гена на Y-хромосоме, которая есть только у самцов. Этот ген запускает формирование семенников у эмбриона, которые высвобождают мужские гормоны и направляют мужское развитие ребенка.

Человеческая половая система не обладает и близко такой гибкостью, как у рыб или рептилий. Нет никаких доказательств того, что какие-либо факторы окружающей среды влияют на определение пола эмбрионов млекопитающих, не говоря уже о смене пола у взрослых особей.

Тем не менее, люди разделяют со всеми позвоночными (включая рыб) около 30 генов, которые контролируют дифференцировку яичников или семенников. Мутация в любом из этих генов может склонить развитие в сторону мужского или женского пола, приводя к атипичному половому развитию, но никогда — к смене пола.

Возможно, понимание эпигенетических изменений при смене пола у рыб может предложить нам ценное представление, пока мы боремся с новыми идеями о поле и гендере у человека.