Генетика на любовта: межродовият конфликт като основа на сътрудничеството в моногамните двойки на птиците

Отношенията между партньорите, изпълнени с грижа, внимание и съпричастност, поетите наричат любов, а биолозите — межродова взаимовръзка, насочена към оцеляване и продължаване на рода. Някои видове предпочитат да действат количествено — да се размножават с колкото се може повече партньори, за да увеличат потомството, и по този начин да повишат шансовете за оцеляване на целия вид. Други създават моногамни двойки, които могат да прекратят съществуването си само след смъртта на единия от партньорите. Дълги години учените смятаха, че първият вариант е значително по-изгоден, но това не е съвсем така. Моногамните двойки обикновено отглеждат потомството си заедно, т.е. защитават го от хищници, търсят храна и учат на определени умения, докато в полигамните отношения всичко това често пада на крехките рамене на женските. Разбира се, има изключения, но днес не говорим за тях. Биолозите дълго време се интересуваха от друг интересен момент — мъжките продължават да проявяват знаци на внимание към женските, дори когато двойката им вече е формирана и съществува няколко години. Какво обуславя такова поведение, каква е ползата от него и какви са еволюционните аспекти, свързани с него? На тези въпроси ще намерим отговори в доклада на изследователската група. Нека да започнем.

Основи на изследването

С оглед на темата на изследването, няма да се фокусираме върху полигамните видове птици, а ще се съсредоточим върху пернати романтици, които се влюбват веднъж завинаги.

Като говорим за моногамия, е важно да отбележим, че съществуват няколко нейни вида в зависимост от продължителността: един сезон, няколко години и за цял живот.

Сред птиците най-разпространената форма е сезонната моногамия. Ясен пример за това са дивите гъски. Женските се грижат за гнездото и излюпването на яйцата, а мъжките охраняват територията. На втория ден след излюпването семейство се отправя към най-близкия водоем, където малките гъски учат как да търсят храна. В случай на опасност на водата, женската яростно защитава потомството, а мъжкият, явно спомняйки си за важни дела, често бяга. Не са най-идеалните отношения, каквото и да си мислим.

Семейство на диви гъски.

Ако говорим за отношения, основани на постоянство, щъркелите са най-добрите в това отношение. Те създават моногамни двойки за цял живот и дори мястото си на живеене не променят без особена необходимост. Едно гнездо на щъркелите, което може да тежи до 250 кг и да достига 1.5 м в диаметър, служи на тях много години, освен ако природни катаклизми или човешка намеса не го разрушат. В Чехия има гнездо, което е създадено още през 1864 година.

Строителните умения на щъркелите не се нуждаят от оценка, когато видите такива съоръжения.

В отличие от дивите гъски, сред щъркелите царува равенство в задълженията: и двамата партньори мътят яйца, търсят храна, учат потомството да лети и го защитават от опасности. Важна роля в отношенията на щъркелите играят различни ритуали: пеене, танци и т.н. Най-любопитното е, че тези ритуали се провеждат не само по време на формирането на двойката (на първата среща), но и през целия им съвместен живот (дори сменяйки женската по време на мътене, мъжкият изпълнява малък танц). За нас това изглежда много мило,Romantic and absolutely illogical, because from a biological point of view, there is no benefit from such behavior. After all, is it? And here we can smoothly begin to examine the study itself, which was supposed to answer this question.

Етолозите* считат, че постоянното проявление на чувствата от страна на мъжките е свързано с поддържането на репродуктивното състояние при женските.

Етология* — наука, изучаваща генетично обоснованото поведение, т.е. инстинктите.

В същото време остава неясно, защо такова поведение продължава не само през периода на първичното чифтосване, а през целия живот, тъй като мъжките е логично да вложат повече усилия и енергия в потомството, а не в демонстрацията на чувства към женската. До днешен ден много изследователи смятаха, че интензивността на проявата на привързаност към женската пряко влияе на качеството на чифтосването и следователно на потомството (т.е. на броя на отложените яйца).

Мъжки от един от видовете райски птици танцува пред женската. Както виждаме, мъжкият изглежда много по-ярък от женската.

Тази теория се потвърдена от наблюдения. Женската, чиито партньор е неподправен красавец и първият летящ на селото, влага повече усилия в потомството, отколкото ако мъжкият е нито риба, нито месо. Звучи забавно и смешно, но ритуалите, които мъжките провеждат пред женските, са насочени не само към демонстрацията на красота, но и на сила. Оказа се, че яркото оперение, красивото пеене и други прояви на внимание от страна на мъжките са просто когнитивни сигнали, които женската декодира в информация за мъжкия.

Учените от университетите в Северна Каролина и Чикаго, чиято работа разглеждаме днес, смятат, че подобно поведение на мъжките е насочено към оптимизиране на поведението на женските по отношение на процеса на износване на потомството.

Моделът, предложен от учените, е основан на многобройни експерименти, които показаха, че усилването на сигналите от мъжките увеличава приноса на женските в процеса на размножаване. Съществува предположение, че източник на подобни стимулиращи ефекти са перцептивните отговори, възникващи в резултат на свойствата на околната среда, сигналите и нервната система като цяло. В момента са известни около 100 примера на подобни "отклонения" от обикновените сетивни системи (слух, зрение и обоняние).

Когато мъжкият многократно демонстрира своите предимства пред другите мъжки, това може положително да повлияе на самия него (женската със сигурност ще го избере). Но за женската това може да е минус, тъй като това ще намали бъдещата репродуктивна реализиране. С други думи, имаме ситуация "надвишаване на очакванията". Мъжкият, който е значително по-добър от другите мъжки и постоянно проявява знаци на интерес към женската, ще получи желаното — спарването и продължаването на рода, а точното своя. Женската, която очаква подобно поведение от другите мъжки, но не го получава, може да се окаже в немилост. Подобен случай учените наричат между полов сблъсък: показването на мъжките на себе си красиви нараства в популацията, а при женските се увеличава съпротивата на тази тактика.

Този конфликт беше моделиран с прилагане на изчислителен подход (нейронни мрежи). В получените модели, сигнализаторът (източник на сигнала — мъжки) използва перцептивното възприятие на приемника (приемник на сигнала — женски), което стимулира самите сигнали в ущърб на възприятието. В определен момент настъпва изменение в възприятието на сигналите в популацията на женските (своеобразна мутация), от което силата на сигналите на източника (мъжкия) значително ще намалее. Постепенното нарастване на такива изменения ще доведе до факта, че този или онзи тип сигнал ще бъде абсолютно неефективен. С течение на такива изменения, някои сигнали изчезват, губейки силата си, но се появяват нови и процесът започва отново.

Тази доста сложна система е сравнително проста в практиката. Представете си, че се появява мъжки с ярко перо (едно единствено), той се отличава на фона на другите и женските предпочитат именно него. След това се появява мъжки с две ярки перушки, след това с три и т.н. Но силата на подобен сигнал, поради нарастването и разпространението му, започва пропорционално да намалява. И тук изведнъж се появява мъжки, който умееше красиво да пее и да строи гнезда. В резултат красивото оперение като сигнал престава да бъде ефективно и започва да деградира.

Все пак винаги има изключение от правилата — някои междуполови конфликти могат да прераснат в пълноценна и доста ефективна междуполова сътрудничество.

Схемата на възникване на междуполовия конфликт и междуполовото сътрудничество.

Същността е, че мъжки с по-изразен сигнал принуждава женски да слагат не три яйца, а четири. За мъжкия това е добре — ще има повече потомство с неговия генофонд. За женската — не много, защото ще трябва да положи повече усилия, за да оцелее всичкото потомство и да достигне самостоятелна възраст. Следователно, женските започват да се развиват паралелно с мъжките, за да бъдат по-устойчиви на техните сигнали. В резултат може да има два пътя: конфликт или сътрудничество.

В случай на сътрудничество самките еволюират по такъв начин, че да слагат 3 яйца, подобно на периода преди появата на по-силен сигнал от мъжките, но продължават да реагират на тези сигнали. Ето ти и женските хитрости в света на природата. По този начин се формира не просто двойка, а двойка, подкрепяща се на оптимално ниво за продължаване на рода от гледна точка на взаимодействието сигнал-отговор.

Мъжките обаче не могат да еволюират обратно, грубо казано. Нарутиният им сигнал към самките дава резултат под формата на кладка от три яйца, т.е. не каквото се очакваше. Въпреки това намаляването на сигнала до предишното ниво също ще е неефективно, тъй като ще доведе до намаляване на броя на яйцата в кладката до две. Получава се замкнат кръг – мъжките не могат да намалят силата на сигнала и не могат да я увеличат, защото при първия случай самките ще дадат по-малко потомство, а при втория – няма да реагират.

Естествено, нито мъжките, нито самките нямат никакъв злонамерен умисъл или желание да поробват другия. Целият този процес протича на генетично ниво и е насочен изключително в полза на потомството на конкретната двойка и благосъстоянието на вида като цяло.

Резултати от изследването

Използвайки математическо моделиране, учените оцениха условията, при които може да възникне междуполово сътрудничество. Количествената характеристика с средно значение zf описва основния принос на самката в нейното потомство. Първоначално на средното значение е разрешено да се развива до оптималното си значение zopt, което зависи от две променливи: ползата от вложението (броя на оцелелите потомци) и цената на вложението за самките (cf). Последната променлива се оценява след размножаване, като се предполага, че част от самките оцеляват и могат следващата година отново да произведат потомство, което води до увеличаване на броя на поколенията.

В настоящото изследване ще бъдат често използвани няколко термина, които е добре да бъдат малко пояснени:

• сигнали — проявление на внимание от страна на мъжките към партньорките-самки (пеене, танци и други ритуали), имащи място в формираните двойки;
• вклад / инвестиции — отговор на самките на тези сигнали, проявяващи се под формата на по-голям брой яйца в кладката, повече време за грижа за бъдещото потомство и т.н.;
• респондент — самка, реагираща на сигналите на мъжкия;
• разходи — стойността на приноса на женските към потомството (време в гнездото, време за търсене на храна, здравословно състояние поради по-голямото/по-малкото количество яйца в кладката и т.н.).

Новите сигнали на мъжките и реакциите на женските към тях бяха моделирани чрез свободно рекомбиниращи диалелни одно-локусни модификатори, събирайки количествени и популационни генетични подходи. В локуса*, който контролира отговора на женската (A), първоначално се наблюдава висока честота на алела-респондент* (A2), съответстваща на съществувалото преди perceptual восприятие

Локус* — местоположението на конкретен ген на генетичната карта на хромозома.

Алели* — различни форми на един и същи ген, разположени в еднакви локуси на хомоложни хромозоми. Алелите определят пътя на развитие на конкретен признак.

Ген-респондент* (Rsp) — ген, функционално свързан с фактора на нарушение на сегрегацията (ген SD), активният алел на който (Rsp+) е способен да потиска експресията на SD.

Локусът на сигнала (B) първоначално е фиксиран за алела без сигнал (B1). След това се въвежда алел B2, който предизвиква появата на сигнали от страна на мъжките.

Проявяването на сигналите за мъжките също има своя цена (sm), но увеличава приносът на партньорката (A2) с величина α. Например, α може да бъде изразено като допълнително яйце в кладката. При това увеличаването на приноса на женската може да се прояви още и под формата на положителните ефекти, които тя оказва върху своето потомство.

Следователно, двойката, в която мъжкият носи алела на сигнализатора и женската носи алела на респондента (т.е. двойки A2B2), има допълнителен принос от страна на женската и следователно по-висока плодовитост в сравнение с другите 3 комбинации.

Варианти на комбинации между мъжки и женски относно отношенията между сигналите и отговорите на тях.

Числото на потомството, оцеляло за размножаване в следващата година, зависи от зависимост от плътността* вътре в излюпването и зависимост от плътността след излюпване.

Зависимост от плътността* — процеси, зависещи от плътността, се случват, когато темповете на растеж на популацията се регулират от плътността на тази популация.

Още една група променливи е свързана със смъртността на женските и мъжките след раждането на потомството. Тези променливи се определят от приноса към потомството (см — принос на мъжките, cf — принос на женските), разходите за сигнали за мъжките (sm) и неселективната смъртност (дм — мъжки и df — женски).

Вдовици, вдовци, непълнолетни и всякакви предишно единични индивиди се обединяват, за да образуват нови двойки, и годишният цикъл завършва. В изследваната модел акцентът е поставен на генетичната моногамия, поради което всички видове полови отбори (т.е. конкуренция между индивидите за партньор) са изключени от изчисленията.

Взаимовръзката между еволюцията на сигналите, респондентите и приноса.

Моделирането показа, че устойчив баланс се постига, когато мъжките подават сигнали, а женските им отговарят. В състояние на равновесие целият принос към потомството се възстановява до нивото, което е било преди появата на допълнителни мъжки сигнали.

На графика А по-горе е показан пример за еволюционна динамика, където приносът на женските към потомството се връща на оптимално ниво, което е резултат от еволюцията на количествения признак на приноса (пунктирната зелена линия е реалният принос, а непрекъснатата зелена линия е приносът, който не беше реализиран поради липса на отговор от женските на допълнителните мъжки сигнали). На графика В е показан алтернативен пример, когато междуполовият конфликт води до загуба на респондента.

А на графика С са подчертавани два параметъра, които влияят на такъв резултат: увеличаването на приноса, предизвикано от допълнителни сигнали (α), и разходите на женските за този принос (cf). В червената област на графиката сигналите никога не се увеличават, тъй като разходите им надвишават ползата. В жълтата и черната области честотата на сигналите нараства, което води до увеличаване на разходните инвестиции от страна на женските. В жълтата област отговорът на това е чрез намаляване на количествения инвестиционен признак, което води до постоянна фиксация на алелите както за сигналите, така и за респондентите. В черната област, където реагиращите женски имат повече индуцирани инвестиции, отговарящият алел бързо се губи, следван от сигналите, както в традиционните модели на междуполов конфликт (графика В).

Вертикалната граница между червената и жълтата области представлява точка, в която мъжките получават допълнителен принос в потомството, като женските уравновесяват разходите си за проявление на сигнали. Хоризонталната граница, която отделя жълтата и черната области от червената, възниква по аналогичен начин, но по-малко очевидна причина. Когато разходите на женските за приноса са ниски,cf) оптималната стойност на приноса (zopt) ще бъде относително висока и следователно, приносът на женските ще бъде значително по-голям в началните условия. Последствието от това е, че сигналите дават на мъжкото пропорционално по-малка полза от приноса, който то предизвиква, което отново се компенсира от разходите му.

Пространството на параметрите, в което сигналите и отговорите са фиксирани (жълто), варира в зависимост от силата на селекцията и генетичната дисперсия на алела на респондента. Например, когато началната честота на алела на респондента е 0.9 вместо 0.99, показана на изображение №2, въвеждането на сигнали води до по-ефективна селекция по отношение на респондентите (первоначалната генетична дисперсия е по-висока) и черната област се разширява наляво.

Сигналите на мъжкото могат да се появят, дори ако те са свързани с разходи, които намаляват приноса на мъжкото в текущия котило (параметризирано sfec), като по този начин пряко влияят на фитнеса* както на мъжкото, така и на женското, а не намаляват вероятността за оцеляване на мъжкото.

Фитнес* е способността за размножаване на индивидите с определен генотип.

Отношението на разходите за плодовитост и сигнали (вляво) и отношението на разходите за жизнеспособност и сигнали.

В аспекта на плодовитостта, когато сигналите на мъжкото са фиксирани (жълта област), всички мъжки внасят по-малко в потомството, отколкото преди проявлението на сигналите. В такъв случай приносът на женските ще бъде по-голям, отколкото е бил преди проявлението на сигналите на мъжките.

По-голямото участие на женските индивиди, когато разходите на мъжките се регулират от плодовитостта (а не жизнеспособността), увеличава средния брой на потомството на двойка, но не компенсира напълно. С времето по-голямото участие на женските води до увеличаване на средния брой на потомството, достигнало оперение, но намалява средния показател за жизнеспособност на самките. Това води до създаването на нов баланс между тези две сили, където средният брой на потомството е по-нисък, отколкото при нормална жизнеспособност или в начални условия (преди появата на сигналите).

От математическа гледна точка това изглежда по следния начин: ако сигналите на мъжките увеличават плодовитостта с 1% (но не увеличават жизнеспособността), то разходите на женските за потомство се увеличават с 1.3%, но в същото време тяхната смъртност също се увеличава с 0.5%, а числеността на потомството на двойка намалява с 0.16%.

Ако обаче средното ниво на участието на женските първоначално е по-ниско от оптималното (например, заради въздействието на околната среда), то при появата на стимулиращи разходи сигналите образуват балансирана система, т.е. междуполово сътрудничество. В такава ситуация сигналите на мъжките не само увеличават участието на женските в потомството, но и тяхната приспособеност.

Подобно поведение на мъжките и женските индивиди най-често възниква поради външни промени (климат, среда на живот, количество налична храна и т.н.). Заради това учените предполагат, че формирането на моногамия при някои съвременни видове, докато техните предци са били полигамни, е обусловено от миграцията и съответно смяната на околната среда.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с доклад на учените и допълнителни материали към него.

Епилог

Това изследване демонстрира взаимовръзката между полигамията и моногамията от еволюционна гледна точка. В птичия свят мъжките винаги се стремят да надминат един друг, за да привлекат вниманието на женските: с ярки пера, красиви танци или дори демонстрация на умения в строителството. Такова поведение е продиктувано от конкуренцията между мъжките, което е присъщо за полигамените видове. От гледна точка на женските, всички тези сигнали им дават възможност да оценят качествата на мъжкия, които техните общи потомци ще наследят. Въпреки това, с течение на времето мъжките започват да еволюират по такъв начин, че техните сигнали да бъдат по-ярки от тези на съперниците. Женските, от своя страна, еволюират, за да противодействат на такива сигнали. В крайна сметка, винаги трябва да има баланс. Ако разходите на женските за потомството не са пропорционални на ползата, то увеличаването на разходите няма смисъл. По-добре е да направят гнездо с три яйца и да оцелеят в процеса на мътене и отглеждане на потомството, отколкото да снесат пет и да загинат, опитвайки се да ги защитят.

Такъв междусексуален конфликт на интереси би могъл да доведе до катастрофално намаляване на популацията, но еволюцията пое по по-разумен път — по пътя на кооперацията. В моногамните двойки мъжките продължават да се проявяват в цялата си прелест, а женските отговарят с оптимален принос за потомството.

Интересно е, че светът на дивите животни не е обременен от морални принципи, закони и норми, а всички действия са обусловени от еволюцията, генетиката и стремежа към размножаване.

Може би за романтиците такова научно обяснение на крилатата любов изглежда прекалено прозаично, но учените мислят различно. Защото какво може да бъде по-прекрасно от това да еволюираш по такъв начин, че между самката и самца да има баланс и истинско партньорство, което взима под внимание интересите на двете страни и е насочено към доброто на бъдещите поколения.

Петъчен офф-топ:

Офф-топ 2.0:

Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂

Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: Всичко за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да делим сървъра правилно? (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB от $199 в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това Как да изградим инфраструктура от корпоративен клас с прилагане на сървъри Dell R730xd Е5-2650 v4 на стойност 9000 евро за копейки?

Източник: habr.com