Are snakes right-handed ? Asymmetry in hemipenis size and usage in gartersnakes (Thamnophis sirtalis)

Abstract

Samci hadů mají párové rozmnožovací soustavy (varlata, vývodné cesty, hemipeny a související součásti ledvin), s nezávislou sadou na obou stranách těla. Naše studie na užovkách podplamatých (Thamnophis sirtalis parietalis) odhalily významnou morfologickou asymetrii tohoto systému : varlata, ledviny a hemipeny na pravé straně těla jsou větší než na levé. Údaje z páření v terénu a ve venkovních výbězích naznačují, že tato asymetrie má vliv na reprodukční chování a pravděpodobně i na reprodukční úspěch. Při kopulaci s použitím pravého hemipenisu vzniká větší želatinová „pářící zátka“, a samice tak může účinněji oddalovat opětovné páření. Přestože celkové využití obou hemipenů při páření v terénu bylo v průměru téměř 50/50, nebylo využití hemipenů náhodné. Samci měli tendenci střídat použití hemipenisů při po sobě jdoucích pářeních, možná z důvodu vyčerpání materiálu zátky. Také samci chrličů používali při páření při vysokých tělesných teplotách přednostně větší (pravý) hemipenis, možná proto, že jsou za těchto podmínek schopni provádět jemné posturální úpravy (a vybírat si tak lepší systém).

I u povrchově symetrických organismů téměř vždy dochází k určité konzistentní odchylce od absolutní symetrie. Takové odchylky se vyskytují nejen v anatomii, ale i v chování. Pokud k tomu má mnoho zvířat příležitost, důsledně používá pravou nebo levou ruku (nebo nohu či tlapku) přednostně před ekvivalentním údem na druhé straně těla (Bock a Marsh, 1991). Na první pohled je pojem „rukověť“ nepoužitelný u zcela bezkončetinových zvířat, a proto je obtížné si představit pravorukého hada. Nicméně hadi (nebo alespoň hadí samci) mají jednu sadu párových končetin, která by potenciálně mohla vykazovat tento druh lateralizace. Každý samec má dva nitrodřeňové orgány (hemipeny), jeden na každé straně těla, z nichž pouze jeden je během jedné kopulace everted (Crews a Moore, 1986 ; Dowling a Savage, 1960 ; Murphy a Barker, 1980).

Asymetrie ve velikosti a použití hemipenů u plazů z čeledi squamate je obzvláště zajímavá, protože reprodukční orgány na obou stranách těla samců jsou zcela oddělené, na rozdíl od mnoha jiných asymetrických struktur, jako jsou plíce. To znamená, že spermie vyprodukované v pravém varleti mohou opustit tělo pouze pravým hemipenisem (např. Dowling a Savage, 1960). Jakákoli odchylka od bilaterální symetrie v rozměrech samčích reprodukčních struktur tedy může přímo ovlivnit efektivitu kopulace – a tím i fitness výhodu, která pravděpodobně plyne z oplodnění levým a pravým hemipenisem. A male that preferently uses his larger hemipenis, attached to his larger testis, might thus directly increase his genetic representation in the following generation.

METODIKA

Studovali jsme chřástaly rudokrké (Thamnophis sirtalis parietalis) ve střední Manitobě v Kanadě (Chatfield Community Pasture ; viz Mason a Crews, 1985) během jejich pářících sezón v květnu 1997 a květnu 1998. Hadi se v této oblasti páří ihned po vylétnutí z velkých společných zimovišť, takže námluvy a páření často zahrnují „klubka“ mnoha hadů (Mason a Crews, 1985). Tento článek je založen na dvou souborech dat : jeden se týká morfologické asymetrie v reprodukčním systému a druhý relativního využití levého a pravého hemipenu při kopulaci.

Naše morfologická data jsou založena na pitvě 90 dospělých samců garter, kteří byli zabiti při hromadném úhynu v jedné z nor 8. května 1997. Neobvyklé povětrnostní podmínky způsobily, že hadi vytvořili na podlaze doupěte jednu obrovskou skupinu a ti, kteří leželi pod ní, byli udušeni masou těch, kteří leželi nad nimi. Hady jsme našli během několika hodin po jejich smrti, jejich mrtvoly jsme přes noc uložili do sněhové závěje a druhý den jsme je pitvali. Zaznamenali jsme délku čenichového otvoru (SVL) a tělesnou hmotnost a poté jsme otevřeli tělní dutinu hada středním řezem, abychom mohli změřit délku a šířku varlat a ledvin na obou stranách těla. Část ledvin (pohlavní segment) se podílí na produkci sekretu, který se mísí se spermiemi (Devine, 1975 ; Saint Girons, 1957) ; protože jsme nemohli jasně rozlišit pohlavní segment, měřili jsme celé ledviny. Stisknutím ocasu byly hemipeny zcela evertovány a byly zaznamenány délky a šířky těchto kopulačních orgánů. Níže používáme termín „pravá strana“ z pohledu hada ; ačkoli se tento bod může zdát zřejmý, snadno dojde k záměně, protože hadi jsou při pitvě obvykle pokládáni na hřbetní povrch ; pravá strana hada se tak stává levou stranou badatele.

Pro kvantifikaci vzorců používání levého a pravého hemipenu jsme tyto informace zaznamenávali ze dvou typů páření ; z těch, ke kterým docházelo přirozeně (v norách a jejich bezprostředním okolí), a z těch v pářících arénách, které jsme zřídili pro kontrolu počtu a typu pářících se samců. Při těchto pokusech jsme čerstvě odchycené hady (1, 2, 4 nebo 24 samců a 1 nespárovanou samici) umístili do nylonových pářících arén (1,0 × 1,2 m) poblíž našeho terénu a nechali je pářit. Různý počet samců na jednu samici byl použit v experimentu, jehož cílem bylo ověřit, zda provozní poměr pohlaví ovlivňuje determinanty úspěšnosti páření samců (Shine et al., 2000). Operační teploty byly měřeny na datalogerech Hobo-temp v desetiminutových intervalech po celou dobu studie pomocí termočlánků umístěných uvnitř mrtvých hadů (v květnu 1997) nebo v dutých měděných trubkách (v květnu 1998) přiléhajících k výběhům. Při pokusech v roce 1998 jsme odhadovali operativní teploty hadů na základě modelových teplot a informací o rychlosti zahřívání a ochlazování hadů. S výjimkou malé podskupiny opakovaných páření (která jsou analyzována odděleně od ostatních souborů dat) nebyl žádný jednotlivý hadí samec nebo samice zastoupen ve více než jednom páření. Všechna páření tak zahrnují statisticky nezávislá data.

VÝSLEDKY

Asymetrie ve velikosti reprodukčních orgánů

Při pitvách 90 dospělých hadích samců byly zjištěny významné rozdíly ve velikosti orgánů na obou stranách těla (obr. 1). Reprodukční struktury na pravé straně byly v průměru výrazně větší než ty na levé straně. Pomocí párových t-testů s 89 stupni volnosti byl hemipenis na pravé straně širší (t = 2,82, p <,006) a varle na pravé straně bylo delší (t = 8,05, p <,0001) i širší (t = 2,46, p <,02). Délky polovin varlat (t = 1,63, p =,11) se mezi oběma stranami těla významně nelišily. Asymetrie byla přítomna také u ledvin (větší na pravé straně : délka, t = 4,88, p <,0001 ; šířka, t = 0,40, p =,69).

Asymetrie v užívání

Páření v terénu

U spárovaných párů nalezených v kopulaci v terénu používal přibližně stejný počet samců pravý versus levý hemipenis. V květnu 1997 jsme zaznamenali 161 takových párů, z nichž 74 (46 %) využívalo pravý hemipenis (oproti nulové hodnotě 50 %, binomický test, z = 0,95, p =,34). V květnu 1998 jsme zaznamenali 44 párů, z nichž přesně polovina (22 párů) využívala pravý hemipenis.

Pátrali jsme po jakýchkoli korelacích využití pravého a levého hemipenisu mezi těmito páry, a to jak v kombinovaném souboru dat, tak v každém roce zvlášť, ale nezjistili jsme žádné významné rozdíly mezi pářeními využívajícími oba hemipeny z hlediska tělesných rozměrů (SVL, hmotnosti) samce nebo samice (jednofaktorová ANOVA, p >,50 pro všechny znaky). Naše data také neodhalují žádné zjevné prostorové (s biotopem související) rozdíly ve volbě hemipenisů : u páření, u kterých jsme zaznamenali umístění párů, byly vzorce použití podobné uvnitř doupěte (25 vlevo/18 vpravo) oproti okolním loukám (21 vlevo/19 vpravo).

Pokusy v aréně

V páření v aréně zaznamenaném v roce 1997 byl pravý hemipenis použit v 61 % (52 z 85) páření, což je téměř významná odchylka od nulového očekávání 50 % (binomický test, z = 1,95, p =,051). Naproti tomu při páření v aréně v roce 1998 došlo k téměř stejnému využití obou hemipenisů : celkem jsme zaznamenali 80 páření s použitím levého hemipenisu a 79 s použitím pravého (49,7 % pravého ; oproti nulovému odhadu 50 %, z = 0, p >,90). Oba roky se významně nelišily v relativním počtu páření s použitím pravého a levého hemipenisu (X2 = 2,50, 1 df, p =,11).

Tato data jsme podrobněji zkoumali, abychom hledali případné koreláty volby hemipenisu. Stejně jako u páření v terénu jsme nezjistili žádné významné odchylky v používání hemipenisů s ohledem na velikost těla samců nebo samic (p >.50). Rozsáhlejší údaje z pokusů v aréně (protože jsme věděli, kdy a kde kopulace začala a skončila) nám však umožnily tímto způsobem testovat další proměnné. Doba trvání kopulace byla podobná u páření zahrnujícího oba hemipenisy (průměr = 13,7 min, SD = 4,97 pro levý hemipenis oproti 19,6 ± 11,1 minu pro pravý, Mann-Whitney U = 24,0, z = 1,13, p =,26). Volba hemipenisu samcem nezávisela na počtu ostatních samců, s nimiž soupeřil o námluvy. Délka namlouvání před intromisí neměla vliv na volbu hemipenisu samcem ; tato délka se lišila mezi pokusy, ale významně se nelišila mezi pářením s levým a pravým hemipenisem v rámci žádného pokusu (p >,40 ve všech srovnáních).

Přesto nebylo použití hemipenisu v pokusech v aréně náhodné : velikost vychýlení směrem k „pravorukosti“ závisela na tepelných podmínkách. Samci používali levý a pravý hemipenus v přibližně stejném poměru, když bylo relativně chladno, ale v teplejších podmínkách vykazovali silnou tendenci k pravému hemipenusu (obr. 2). Tento výsledek je nejlépe patrný z logistické regrese s okolní (operativní) teplotou jako nezávislou proměnnou a používáním pravého a levého hemipenisu jako závislou proměnnou. Test poměru logaritmických pravděpodobností pro vliv teploty na volbu hemipenisu poskytl hodnotu chí-kvadrátu 6,92 (1 df, p =,0085). Tento vzorec byl patrný v rámci obou let naší studie.

Volba použití hemipenisů může záviset také na předchozí historii páření samce. V jedné sadě pokusů jsme nechali samce opakovaně pářit se sérií samic, abychom mohli zaznamenat, který hemipenis byl použit při následném páření. Samci v těchto pokusech vykazovali silnou tendenci střídat použití hemipenisů, když se pářili více než jednou během jednoho dne (střídali se v 7 z 8 případů ; oproti nulovému výsledku 50/50, X2 = 4,50, 1 df, p <,05). Avšak při po sobě jdoucích pářeních, která od sebe dělilo > 12 h (tj. v po sobě jdoucích dnech), byl ve dvou ze čtyř případů použit stejný hemipenis. Samci tedy mohou střídat použití hemipenisů především při páření v rychlém sledu za sebou. Těmto samicím jsme také po každém páření odebrali pářící zátky (Devine, 1975), abychom mohli porovnat velikost (hmotnost) zátek produkovaných z jednotlivých hemipenisů. Zátky z pravého hemipenu byly v průměru výrazně větší (průměr = 0,08 g, SD = 0,03, n = 14) než zátky z levého hemipenu (průměr = 0,06 g, SD = 0,03, n = 11 ; F1,23 = 4,62, p <,05). Pářící se zátky z polních páření se však hmotnostně významně nelišily v závislosti na tom, který hemipenis byl použit (F1,41 = 1,22, p =,28).

DISKUSE

Je již dlouho známo, že vnitřní anatomie hadů vykazuje značnou asymetrii, což platí jak pro polohu (přední-zadní), tak pro velikost mnoha vnitřních orgánů, např. varlat a ledvin (např, Bergmann, 1951, 1958 a, b ; Wallach, 1991). Naše data ukazují, že tato asymetrie se rozšiřuje i na hemipenis, přinejmenším u Thamnophis sirtalis parietalis, a že může být spojena s nenáhodným výběrem použití hemipenisu u tohoto druhu.

Předchozí práce na tato témata byly omezené (zejména pro terénní páření), ale výsledky jsou v souladu s naší studií. Například celkové využití obou hemipenů při páření v terénu bylo přibližně 50/50, jak bylo uvedeno v dřívější studii téhož druhu (Blanchard a Blanchard, 1941); to může být obecné pravidlo mezi chobotnatci (Crews, 1978 ; Secor, 1987 ; Tokarz a Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1980, 1997). Navzdory celkově stejnému využívání hemipenů je však zřejmé, že samcův výběr levého a pravého hemipenisu ke kopulaci není náhodný. Předchozí autoři se domnívali, že hadí samci jednoduše používají ten hemipenis, který je nejblíže kloace samice (např. Murphy a Barker, 1980 ; Secor, 1987). To může být často pravda, ale roli hrají i další faktory.

Nejpřímočařejší vliv na použití hemipenisu má předchozí páření samce. Naše studie naznačuje, že samci střídavě používají oba své hemipeny za určitých okolností, ale ne za jiných, v závislosti na časovém intervalu od předchozí kopulace. Tendence samců střídavě používat oba hemipeny, přinejmenším pokud je k dispozici více páření v rychlém sledu, byla zaznamenána i u jiných druhů dřepčíků (např. Olsson a Madsen, 1998 ; Tokarz a Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1981, 1987). Konečná selekční výhoda tohoto střídání může u mnoha druhů zahrnovat vyčerpání spermií (Tokarz a Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1981, 1987), ale tento argument nelze aplikovat na chrliče. Samci Thamnophis sirtalis parietalis produkují sperma několik měsíců před pářením a jejich varlata jsou v období páření neaktivní (např. Crews a Moore, 1986). Při kopulaci si však chrliče předávají i ledvinový sekret (pro vytvoření pářící zátky) (Devine, 1975). Existuje tedy jiná látka než spermie, kterou by potenciálně mohlo být obtížné vytvořit dostatečně rychle pro dvě páření v rychlém sledu. V souladu s touto hypotézou údaje z našich pokusů s opakovaným pářením (viz výše) naznačují, že hmotnost pářící zátky z druhé kopulace může být nižší než z první kopulace. Hmotnost zátky se od prvního do druhého páření snížila u devíti samců, u dvou zůstala stejná a u žádného se nezvýšila (pomocí binomického testu, p =,03). Podobně rychle klesl počet spermií přenesených na jednu kopulaci u jiného druhu chobotnatců (ještěrka anolina), když byli samci nuceni používat stejný hemipenis při více pářeních v rychlém sledu za sebou (Tokarz a Slowinski, 1990).

Ještě překvapivější je, že používání hemipenisu silně souviselo s okolním tepelným prostředím, což naznačuje, že hadí samci fakultativně upravují používání hemipenisu v závislosti na tepelných vlivech. Tento vzorec interpretujeme tak, že hadi raději používají větší (pravostranný) hemipenis, pokud jsou toho schopni, aniž by ohrozili možnosti páření. Vysoká tělesná teplota zvyšuje u tohoto druhu hrubou lokomoční schopnost (Heckrotte, 1967) a pravděpodobně také zlepšuje schopnost samce provádět jemné úpravy postoje (např. posunout základnu ocasu z jedné strany samice na druhou), aniž by ztratil pozici v konkurenci s ostatními samci.

Samci chrličů, kteří za takových okolností používají pravý hemipenis, mohou být zvýhodněni, protože hemipenis je širší a je spojen s větším zdrojem spermatu (varlata) a přídatných sekretů (ledviny). Výhody jsou však pravděpodobně skromné, zejména ve vztahu ke ztrátě kondice spojené se vzdáním se výhodné pozice při změně polohy těla během námluv. Proto samci často používají levý hemipenis, zejména když jsou relativně chladní (a tudíž méně schopní provádět složité pářící manévry), nebo když nedávno vyčerpali sperma a zátkový materiál z kopulačního systému na pravé straně.

Přestože je náš soubor dat o asymetriích ve struktuře a funkci samčího reprodukčního systému u chobotnatců nejrozsáhlejší dostupný, zůstává mnoho hádanek a některé naše výsledky byly mezi vzorky nekonzistentní. Například hmotnost zátky byla vyšší u páření s pravým hemipenisem v arénách, ale ne v terénu. Nevíme, proč tento rozdíl existuje. Jednou z možností je, že malý počet samců získává vysoký podíl páření v polních podmínkách ; pokud tomu tak je, mnoho z našich samců pářených v terénu již mohlo použít stejný hemipenis při předchozím páření. Tito samci by tedy pravděpodobně podruhé produkovali menší pářící zátku. Pokud mají samci tendenci používat při prvním páření pravý hemipenis, snížil by se takový trend zjevný rozdíl v hmotnosti zátek z páření, která se opírala o pravý a levý hemipenis. Tato možnost je však zcela spekulativní.

Důležitější je, že naše závěry o fitness výhodách páření s použitím pravého nebo levého hemipenisu zůstávají rovněž spekulativní. Nemáme žádné přímé důkazy o tom, že větší hemipenis (a s ním spojené varle, ledvina a pářící zátka) je skutečně účinnějším kopulačním zařízením než menší jednotka. Nenáhodné vzorce v používání hemipenisu však naznačují, že asymetrie není triviální, a další práce na objasnění těchto otázek by byla velmi zajímavá. Potenciálně přímá souvislost mezi handicapem a reprodukčním úspěchem v tomto systému (souvislost, která je u většiny ostatních příkladů lateralizace v užívání mnohem slabší) totiž naznačuje, že tento jev může nabídnout cenný modelový systém, s jehož pomocí lze zkoumat fitness důsledky odchylek od bilaterální symetrie.

Děkujeme R. Nesbittovi, A. Cuddyové, A. a G. Johnsonovým za pomoc a D. Robertsovi za logistickou podporu. Thomas Madsen a David O’Connor poskytli připomínky k rukopisu. Finanční podporu poskytla Australian Research Council (R. S.) a National Science Foundation National Young Investigator Award (IBN-9357245) a Whitehall Foundation (W95-04) R. T. M. Výzkum byl prováděn na základě protokolu Institutional Animal Care and Use Committee č. 1 Oregon State University. LAR-1848B. Veškerý výzkum byl prováděn v souladu s dokumentem U.S. Public Health Service „Policy on Humane Care and Use of Laboratory Animals“ a National Institutes of Health „Guide to the Care and Use of Laboratory Animals.“

.