Stockholms universitet logo, länk till startsida

Mysterium kring spermiers längdskillnad på väg mot lösning

Spermiers längd varierar stort mellan olika djurarter. Men varför skiljer sig storleken så kraftigt åt? I en artikel, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature Ecology and Evolution, presenterar forskare från Stockholms universitet en lösning på ett långvarigt mysterium.

Spermiecell
Spermieceller och ägg. Illustration: Oxana Rishnyak, Mostphotos

– Våra resultat visar tydligt att interaktionen mellan spermier och honor är en faktor som leder till den enorma skillnaden i spermiernas storlek hos olika djur. Ju större potential för sådan interaktion, desto snabbare utvecklas spermierna evolutionärt, säger John Fitzpatrick.  

Variationen väcker frågor

Spermier är den mest varierade celltypen av alla. Längden skiljer sig från 0,002 millimeter hos mikroskopiska vattenlevande så kallade hjuldjur och upp till hela 6 centimeter hos fruktflugor. Den stora längdskillnaden har varit i biologernas blickfång under de senaste 100 åren. Varför är de så olika trots att alla spermier har exakt samma funktion oavsett art? Att befrukta ägg och producera avkomma.

Svårtestad hypotes

För mer än 60 år sedan lade Åke Franzén, dåvarande forskare vid Uppsala universitet och senare professor vid Stockholms universitet, fram hypotesen att spermiernas längd beror på var befruktningen äger rum. Enligt hypotesen blir spermier längre om ägget befruktas inuti honan, som hos människa, än om befruktningen sker utanför kroppen, som hos fiskar. Hypotesen är svår att testa, eftersom befruktningen hos många olika arter måste undersökas.
– För att förklara skillnaderna har forskare traditionellt fokuserat på hur spermierna konkurrerar för att befrukta ägg eller på hur honor väljer vilka spermier som får befrukta deras ägg. Vi ville testa Åke Franzéns hypotes eftersom vi ser den som en pusselbit för att lösa mysteriet, säger Ariel Kahrl, forskare vid Zoologiska institutionen vid Stockholms universitet.

 

Se forskargruppens video om hur formen av befruktning påverkar spermiernas evolution (på engelska).

Möteplatsen viktig

Forskarna sammanställde data från mer än 3 200 djurarter, från koraller och insekter till däggdjur i en databas, som även innefattar människor. För att undersöka om det finns ett samband mellan spermiernas evolution och var befruktningen äger rum, klassificerade forskarna varje art utifrån var dess sperma och ägg möts vid befruktningen. De fann att spermierna var sex gånger längre hos djur där befruktningen skedde inuti honan. De spermierna ändrade också sin storlek snabbare under evolutionen jämfört med spermier hos djur där befruktningen sker utanför kroppen.
– När spermierna lämnas externt gynnas små spermier för att hanar ska kunna producera många spermier. Men när spermierna överförs till honor vid intern befruktning, kan hanarna konkurrera med större spermier och honornas kroppar tenderar att föredra ägg med större spermier, säger Rhonda Snook, professor vid Zoologiska institutionen och en av artikelförfattarna. 

Kombination av befruktningsformer

Forskarna undersökte även en tredje form av befruktning, som sker hos många ryggradslösa djur, spermcasting, där sperman släpps utanför honors kroppar och sedan upptas av honors kroppar och befruktas av dessa.
– Spermcasting är en blandning av intern och extern befruktning, vilket ger en möjlighet att se vilken del av befruktningen som påverkar spermiernas evolution, säger John Fitzpatrick, docent i zoologi vid Stockholms universitet och en av artikelförfattarna. 

Evolutionär dragkamp

Studien visade att befruktning som sker med spermcasting leder till att spermierna är små, som vid befruktning inuti honors kroppar, men att de samtidigt utvecklas snabbt evolutionärt, vilket är fallet vid intern befruktning.
– Spermcasters visar på de evolutionära krafternas dragkamp mellan den utspädning av spermier som sker när dessa lämnas externt och påverkan av den nära interaktionen mellan spermier och honors kroppar som finns under intern befruktning, samt hur denna påverkar spermierna storlek, säger John Fitzpatrick.

Människan som en ocean

Mänsklig sperma har samma storlek som djur som släpper sin sperma i vatten, vilket kan förklaras med intern befruktning.
– Hos djur med stora kroppar, som människor, släpps sperman inuti kvinnornas och honornas reproduktiva organ. Utifrån det perspektivet spelar det ingen roll ifall sperman släpps inuti en hona eller i oceanen, utan i båda fallen är spermiecellerna mindre. Det är bara när spermiecellerna är i begränsade utrymmen som spermierna blir enormt stora, säger Ariel Kahrl.


Läs mer om studien

I artikeln, Fertilization mode driven sperm length evolution across the animal tree of life, har forskare vid Stockholms universitet sammanställt den hittills största databasen över spermiernas av storlek och med denna kunnat visa att spermiernas storlek ökar och förändras snabbare när sperman lämnas i och befruktar kvinnornas kroppar. 

Här finns artikeln i Nature Ecology & Evolution