竞争环境中精子合作的动力学

精子合作已在多种分类群中进化，通常被认为是对精子竞争的响应，但这种集体运动形式的好处仍不清楚。本文利用精细成像和最小数学模型研究啮齿动物鹿鼠属（$Peromyscus$）的精子聚集。我们证明，随着聚集中精子数量的增加，群体以更持久的直线性运动，但速度并未增加；然而，这种好处在较大的聚集中被抵消，因为群体几何迫使精子相互对抗。结果是聚集大小与平均速度之间呈非单调关系，理论和经验预测的最优聚集大小为6-7个精子。为了理解性选择在驱动这些精子群体动力学中的作用，我们比较了两个交配系统分化的近缘种，发现$P.\,maniculatus$（高度混交）的精子（在激烈竞争下进化）比$P.\,polionotus$（严格单配）的精子（缺乏竞争）更常形成最优大小的聚集。我们的数学与实验联合研究揭示了几何、运动和群体大小对精子速度的重要性，并表明这些物理变量如何与进化选择压力相互作用，以调节竞争环境中的合作。