I serpenti sono destrimani? Asimmetria nelle dimensioni e nell’uso degli emipeni nei serpenti giarrettiera (Thamnophis sirtalis)

Abstract

I serpenti maschi possiedono sistemi riproduttivi accoppiati (testicoli, dotti efferenti, emipeni e componenti associati dei reni), con un set indipendente su entrambi i lati del corpo. I nostri studi sui serpenti giarrettiera (Thamnophis sirtalis parietalis) rivelano una significativa asimmetria morfologica in questo sistema: testicoli, reni ed emipeni sul lato destro del corpo sono più grandi di quelli a sinistra. I dati degli accoppiamenti sul campo e nei recinti all’aperto suggeriscono che questa asimmetria ha implicazioni sul comportamento riproduttivo e, forse, sul successo riproduttivo. Le copulazioni con l’emipene destro hanno prodotto un “tappo di accoppiamento” gelatinoso più grande, e possono quindi ritardare più efficacemente la rimonta della femmina. Anche se l’uso complessivo dei due emipeni negli accoppiamenti sul campo era in media vicino al 50/50, l’uso degli emipeni non era casuale. I maschi tendevano ad alternare l’uso degli emipeni negli accoppiamenti successivi, forse a causa dell’esaurimento del materiale della spina. Inoltre, i serpenti giarrettiera maschi usavano di preferenza il loro emipene più grande (destro) quando si accoppiavano ad alte temperature corporee, forse perché sono più in grado di fare sottili aggiustamenti posturali (e quindi, selezionare il sistema migliore) in queste condizioni.

Anche in organismi superficialmente simmetrici, c’è quasi sempre qualche deviazione coerente dalla simmetria assoluta. Tali deviazioni si verificano non solo nell’anatomia, ma anche nel comportamento. Quando gli viene data l’opportunità, molti animali usano costantemente la mano destra o sinistra (o il piede, o la zampa) in preferenza all’appendice equivalente sull’altro lato del loro corpo (Bock e Marsh, 1991). A prima vista, il concetto di “handedness” è inapplicabile agli animali completamente privi di arti, e quindi è difficile immaginare un serpente destro. Tuttavia, i serpenti (o almeno i serpenti maschi) possiedono una serie di appendici appaiate che potrebbero potenzialmente mostrare questo tipo di lateralizzazione. Ogni maschio possiede due organi intromittenti (emipeni), uno su entrambi i lati del corpo, solo uno dei quali è estroflesso durante una singola copulazione (Crews e Moore, 1986; Dowling e Savage, 1960; Murphy e Barker, 1980).

L’asimmetria nelle dimensioni e nell’uso degli emipeni nei rettili squamati è particolarmente interessante perché gli organi riproduttivi su entrambi i lati del corpo del maschio sono completamente separati, a differenza di molte altre strutture asimmetriche come i polmoni. Cioè, lo sperma prodotto nel testicolo destro può uscire dal corpo solo attraverso l’emipenna destra (ad esempio, Dowling e Savage, 1960). Quindi, qualsiasi deviazione dalla simmetria bilaterale nelle dimensioni delle strutture riproduttive maschili può influenzare direttamente l’efficacia della copulazione e, di conseguenza, il beneficio di fitness che può derivare dall’inseminazione con l’emipene sinistro rispetto a quello destro. Un maschio che usa preferenzialmente il suo emipene più grande, attaccato al suo testicolo più grande, potrebbe quindi aumentare direttamente la sua rappresentazione genetica nella generazione seguente.

METODI

Abbiamo studiato i serpenti giarrettiera dalla faccia rossa (Thamnophis sirtalis parietalis) nel Manitoba centrale, Canada (Chatfield Community Pasture; vedi Mason e Crews, 1985) durante la loro stagione degli amori nel maggio 1997 e maggio 1998. I serpenti in quest’area si accoppiano immediatamente dopo l’emersione dalle grandi tane comuni di svernamento, così che il corteggiamento e l’accoppiamento spesso coinvolgono “palle” di molti serpenti (Mason e Crews, 1985). Il presente lavoro si basa su due serie di dati: una riguardante l’asimmetria morfologica nel sistema riproduttivo, e l’altra riguardante l’uso relativo degli emipeni sinistri rispetto a quelli destri nella copulazione.

I nostri dati morfologici sono basati sulla dissezione di 90 serpenti giarrettiere maschi adulti che sono stati uccisi in un evento di mortalità di massa in una delle tane l’8 maggio 1997. Condizioni climatiche insolite hanno indotto i serpenti a formare un unico enorme gruppo sul pavimento della tana, e quelli sotto sono stati soffocati dalla massa di quelli che giacevano sopra di loro. Abbiamo trovato i serpenti entro poche ore dalla loro morte, abbiamo conservato le loro carcasse in un cumulo di neve durante la notte e le abbiamo sezionate il giorno dopo. Abbiamo registrato la lunghezza del muso-ventre (SVL) e la massa del corpo, e poi abbiamo aperto la cavità del corpo del serpente con un’incisione medioventrale in modo da poter misurare la lunghezza e la larghezza dei testicoli e dei reni su entrambi i lati del corpo. Una parte del rene (il segmento sessuale) è coinvolta nella produzione di secrezioni che sono mescolate con lo sperma (Devine, 1975; Saint Girons, 1957); poiché non abbiamo potuto distinguere chiaramente il segmento sessuale, abbiamo misurato l’intero rene. Gli emipeni sono stati completamente estroflessi, schiacciando la coda, e sono state registrate le lunghezze e le larghezze di questi organi copulatori. Qui di seguito, usiamo il termine “lato destro” dal punto di vista del serpente; anche se questo punto può sembrare ovvio, è facile confondersi perché i serpenti sono tipicamente posati sulle loro superfici dorsali per la dissezione; così, la destra del serpente diventa la sinistra dell’investigatore.

Per quantificare i modelli di utilizzo degli emipeni di sinistra rispetto a quelli di destra, abbiamo registrato queste informazioni da due tipi di accoppiamenti: quelli avvenuti naturalmente (nelle tane e nelle loro immediate vicinanze) e quelli in arene di accoppiamento che abbiamo allestito per controllare il numero e il tipo di maschi che si accoppiano. Per queste prove, abbiamo collocato serpenti appena catturati (1, 2, 4, o 24 maschi, più 1 femmina non accoppiata) all’interno di arene di accoppiamento in nylon (1,0 × 1,2 m) vicino al nostro sito di campo e abbiamo permesso loro di accoppiarsi. Il numero variabile di maschi per femmina è stato utilizzato in un esperimento per testare se il rapporto tra i sessi operativi ha influenzato i fattori determinanti del successo dell’accoppiamento maschile (Shine et al., 2000). Le temperature operative sono state misurate sui data-logger Hobo-temp, ad intervalli di 10 minuti durante tutto lo studio, per mezzo di termocoppie poste all’interno di serpenti morti (nel maggio 1997) o in tubi di rame cavi (nel maggio 1998) adiacenti ai recinti. Per le prove del 1998, abbiamo stimato le temperature operative dei serpenti dalle temperature del modello, più le informazioni sui tassi di riscaldamento e raffreddamento dei serpenti. Ad eccezione di un piccolo sottoinsieme di accoppiamenti ripetuti (che sono analizzati separatamente dalle altre serie di dati), nessun serpente maschio o femmina è stato rappresentato in più di un accoppiamento. Pertanto, tutti gli accoppiamenti comprendono dati statisticamente indipendenti.

RISULTATI

Asimmetria nelle dimensioni degli organi riproduttivi

Le dissezioni di 90 serpenti maschi adulti hanno rivelato differenze significative nelle dimensioni degli organi su entrambi i lati del corpo (Figura 1). Le strutture riproduttive sul lato destro erano in media significativamente più grandi di quelle sul lato sinistro. Usando i test T appaiati con 89 gradi di libertà, l’emipene del lato destro era più largo (t = 2.82, p <.006), e il testicolo destro era sia più lungo (t = 8.05, p <.0001) che più largo (t = 2.46, p <.02). La lunghezza degli emipeni (t = 1,63, p =.11) non differiva significativamente tra i due lati del corpo. L’asimmetria era presente anche nel rene (più grande a destra: lunghezza, t = 4,88, p <.0001 ; larghezza, t = 0,40, p =,69).

Asimmetria nell’uso

Abbinamenti sul campo

Nelle coppie accoppiate trovate in copulo sul campo, un numero approssimativamente uguale di maschi ha usato l’emipene destro rispetto a quello sinistro. Nel maggio 1997 abbiamo registrato 161 coppie di questo tipo, 74 delle quali (46%) hanno coinvolto l’emipene destro (contro una nullità del 50%, test binomiale, z = 0,95, p =,34). Nel maggio 1998 abbiamo registrato 44 coppie, esattamente la metà delle quali (22 coppie) ha coinvolto l’uso dell’emipene destro.

Abbiamo cercato eventuali correlati dell’uso dell’emipene destro rispetto a quello sinistro tra queste coppie, sia nell’insieme dei dati combinati che in ogni anno separatamente, ma non abbiamo trovato differenze significative tra gli accoppiamenti che utilizzano entrambi gli emipeni in termini di dimensioni del corpo (SVL, massa) del maschio o della femmina (ANOVA a un fattore, p >.50 per tutti i tratti). I nostri dati non rivelano inoltre alcuna variazione spaziale (associata all’habitat) evidente nella scelta dell’emipene: per gli accoppiamenti in cui abbiamo registrato le posizioni delle coppie, i modelli di utilizzo erano simili all’interno della tana (25 a sinistra/18 a destra) rispetto ai prati circostanti (21 a sinistra/19 a destra).

Prove in arena

Negli accoppiamenti in arena registrati nel 1997, l’emipene destro è stato usato nel 61% (52 su 85) degli accoppiamenti, una deviazione quasi significativa dall’aspettativa nulla del 50% (test binomiale, z = 1.95, p =.051). Al contrario, gli accoppiamenti nell’arena nel 1998 hanno prodotto un utilizzo quasi uguale di ogni emipene: abbiamo registrato un totale di 80 accoppiamenti utilizzando l’emipene sinistro e 79 utilizzando il destro (49,7% destro; contro un nullo del 50%, z = 0, p >.90). I 2 anni non differivano significativamente nel numero relativo di accoppiamenti con emipeni destri rispetto a quelli sinistri (X2 = 2.50, 1 df, p =.11).

Abbiamo esaminato questi dati in modo più dettagliato per cercare eventuali correlati alla scelta degli emipeni. Come per gli accoppiamenti sul campo, non abbiamo rilevato alcuna distorsione significativa nell’uso dell’emipene rispetto alle dimensioni del corpo maschile o femminile (p >.50). Tuttavia, i dati più ampi per le prove nell’arena (poiché sapevamo quando e dove la copulazione è iniziata e conclusa) ci hanno permesso di testare ulteriori variabili in questo modo. La durata della copulazione era simile negli accoppiamenti che coinvolgevano entrambi gli emipeni (media = 13,7 min, SD = 4,97 per l’emipene sinistro, contro 19,6 ± 11,1 minu per il destro, Mann-Whitney U = 24,0, z = 1,13, p =.26). La scelta dell’emipene da parte del maschio non dipendeva dal numero di altri maschi con cui era in competizione per il corteggiamento. La durata del corteggiamento prima dell’intromissione non ha influenzato la scelta dell’emipene da parte del maschio; questa durata variava tra le prove, ma non differiva significativamente tra gli accoppiamenti che coinvolgevano l’emipene sinistro rispetto a quello destro all’interno di qualsiasi prova (p >.40 in tutti i confronti).

Nonostante, l’uso dell’emipene nelle prove nell’arena non era casuale: l’ampiezza della distorsione verso “la mano destra” dipendeva dalle condizioni termiche. I maschi usavano gli emipeni di destra e di sinistra in proporzioni approssimativamente uguali quando il tempo era relativamente fresco, ma mostravano una forte inclinazione a destra in condizioni più calde (Figura 2). Questo risultato è più facilmente visibile da una regressione logistica con la temperatura ambientale (operativa) come variabile indipendente e l’uso dell’emipene destro o sinistro come variabile dipendente. Il test del rapporto di verosimiglianza per l’influenza della temperatura sulla scelta dell’emipenna ha prodotto un valore chi-quadrato di 6,92 (1 df, p =.0085). Il modello era evidente in entrambi gli anni del nostro studio.

La scelta dell’uso dell’emipenna può anche dipendere dalla storia di accoppiamento precedente di un maschio. In una serie di prove, abbiamo permesso ai maschi di accoppiarsi ripetutamente con una serie di femmine, in modo da poter registrare quale emipene veniva usato negli accoppiamenti successivi. I maschi in queste prove hanno mostrato una forte tendenza ad alternare l’uso dell’emipene quando si sono accoppiati più di una volta in un solo giorno (alternato in 7 casi su 8; contro un nullo di 50/50, X2 = 4.50, 1 df, p <.05). Tuttavia, in accoppiamenti successivi che erano separati da > 12 h (cioè, in giorni successivi), lo stesso emipene è stato utilizzato in due casi su quattro. Così, i maschi possono alternare l’uso di emipeni principalmente quando si accoppiano in rapida successione. Abbiamo anche rimosso le spine di accoppiamento (Devine, 1975) da queste femmine dopo ogni accoppiamento, in modo da poter confrontare le dimensioni (massa) delle spine prodotte da ogni emipene. Le spine dall’emipene destro erano in media significativamente più grandi (media = 0,08 g, SD = 0,03, n = 14) di quelle dalla sinistra (media = 0,06 g, SD = 0,03, n = 11; F1,23 = 4,62, p <.05). Tuttavia, le spine di accoppiamento da accoppiamenti sul campo non differivano significativamente in massa a seconda di quale emipene veniva usato (F1,41 = 1,22, p =.28).

DISCUSSIONE

È noto da molto tempo che l’anatomia interna dei serpenti mostra una notevole asimmetria, e questo è vero per la posizione (anteriore-posteriore) così come per le dimensioni di molti organi interni come i testicoli e i reni (ad esempio, Bergmann, 1951, 1958 a, b; Wallach, 1991). I nostri dati mostrano che questa asimmetria si estende anche all’emipene, almeno in Thamnophis sirtalis parietalis, e che può essere associata alla scelta non casuale dell’uso dell’emipene in questa specie.

I lavori precedenti su questi argomenti sono stati limitati (specialmente per gli accoppiamenti sul campo), ma i risultati sono coerenti con il nostro studio. Per esempio, l’uso complessivo dei due emipeni negli accoppiamenti sul campo si avvicinava al 50/50, come riportato in uno studio precedente della stessa specie (Blanchard e Blanchard, 1941); questa può essere la regola generale tra gli squamati (Crews, 1978; Secor, 1987; Tokarz e Slowinski, 1990; Zweifel, 1980, 1997). Nonostante l’uso uniforme degli emipeni, tuttavia, è chiaro che la selezione da parte del maschio del suo emipene sinistro rispetto a quello destro per la copulazione non è casuale. Autori precedenti hanno ipotizzato che i serpenti maschi utilizzino semplicemente l’emipene più vicino alla cloaca della femmina (ad esempio, Murphy e Barker, 1980; Secor, 1987). Questo può essere spesso vero, ma anche altri fattori giocano un ruolo.

L’influenza più diretta sull’uso dell’emipene è la storia di accoppiamento precedente del maschio. Il nostro studio suggerisce che i maschi alternano l’uso dei loro due emipeni in alcune circostanze ma non in altre, a seconda dell’intervallo di tempo dalla precedente copulazione. Una tendenza dei maschi ad alternare l’uso dei due emipeni, almeno quando sono disponibili più accoppiamenti in rapida successione, è stata riportata in altre specie di squamati (ad esempio, Olsson e Madsen, 1998; Tokarz e Slowinski, 1990; Zweifel, 1981, 1987). Il vantaggio selettivo finale per questa alternanza può comportare l’esaurimento dello sperma per molte specie (Tokarz e Slowinski, 1990; Zweifel, 1981, 1987), ma questo argomento non può essere applicato alle giarrettiere. I maschi di Thamnophis sirtalis parietalis producono il loro sperma diversi mesi prima dell’accoppiamento, e i loro testicoli sono inattivi durante la stagione degli amori (ad esempio, Crews e Moore, 1986). Tuttavia, i serpenti giarrettiera trasferiscono anche le secrezioni renali (per formare il tappo di accoppiamento) quando copulano (Devine, 1975). Quindi, c’è una sostanza diversa dagli spermatozoi che potrebbe essere potenzialmente difficile da generare abbastanza rapidamente per due accoppiamenti in rapida successione. In linea con questa ipotesi, i dati delle nostre prove di accoppiamento ripetuto (vedi sopra) suggeriscono che la massa della spina d’accoppiamento può essere inferiore dalle seconde copulazioni che dalle prime copulazioni. La massa della spina è diminuita dal primo al secondo accoppiamento in nove maschi, è rimasta la stessa in due, e non è aumentata in nessuno (usando il test binomiale, p =.03). Analogamente, il numero di spermatozoi trasferiti per copulazione è diminuito rapidamente in un’altra specie di squamati (una lucertola anolina) quando i maschi sono stati costretti a utilizzare lo stesso emipene per più accoppiamenti in rapida successione (Tokarz e Slowinski, 1990).

Più sorprendentemente, l’uso dell’emipene era fortemente associato all’ambiente termico, suggerendo che i serpenti maschi regolano facoltativamente il loro uso di emipeni in relazione alle influenze termiche. Noi interpretiamo questo modello nel senso che i serpenti preferiscono usare l’emipene più grande (lato destro) se sono in grado di farlo senza compromettere le opportunità di accoppiamento. Le alte temperature corporee migliorano l’abilità locomotoria in questa specie (Heckrotte, 1967) e plausibilmente migliorano anche la capacità del maschio di fare sottili aggiustamenti della postura (come lo spostamento della base della coda da un lato all’altro della femmina), senza perdere la sua posizione nella competizione con altri maschi.

I serpenti giarrettiera maschi che usano il loro emipene destro in tali circostanze possono essere avvantaggiati perché l’emipene è più ampio ed è collegato a una fonte più grande di sperma (il testicolo) e di secrezioni accessorie (il rene). Tuttavia, i benefici sono probabilmente modesti, soprattutto in relazione alla penalità di fitness associata alla rinuncia a una posizione favorevole riallineando il corpo durante il corteggiamento. Quindi, i maschi usano spesso il loro emipene sinistro, soprattutto quando sono relativamente freddi (e quindi meno in grado di effettuare complesse manovre di accoppiamento), o quando hanno recentemente espulso sperma e materiale della spina dal sistema copulatorio di destra.

Anche se la nostra serie di dati è la più ampia disponibile sulle asimmetrie nella struttura e nella funzione del sistema riproduttivo maschile negli squamati, molti enigmi rimangono, e alcuni dei nostri risultati non erano coerenti tra i campioni. Per esempio, la massa della spina era più alta dagli accoppiamenti emipeni destri nelle arene ma non nel campo. Non sappiamo perché questa differenza esiste. Una possibilità è che un piccolo numero di maschi ottenga un’alta percentuale di accoppiamenti in condizioni di campo; se così fosse, molti dei nostri maschi accoppiati sul campo potrebbero aver già usato lo stesso emipene in un accoppiamento precedente. Quindi, questi maschi potrebbero produrre una spina d’accoppiamento più piccola la seconda volta. Se i maschi tendono ad usare l’emipene destro per il loro primo accoppiamento, questa tendenza diminuirebbe qualsiasi differenza apparente nelle masse delle spine da accoppiamenti che si basano su emipeni destri rispetto a quelli sinistri. Tuttavia, questa possibilità è del tutto speculativa.

Più importante, anche le nostre deduzioni sui benefici di fitness degli accoppiamenti che utilizzano il sistema destro o sinistro rimangono speculative. Non abbiamo prove dirette che dimostrino che un emipene più grande (e il testicolo associato, il rene e la spina d’accoppiamento) sia effettivamente un dispositivo copulativo più efficace di un’unità più piccola. I modelli non casuali nell’uso dell’emipene suggeriscono che l’asimmetria non è banale, tuttavia, e ulteriori lavori per chiarire queste questioni sarebbero di grande interesse. In effetti, il legame potenzialmente diretto tra l’handedness e il successo riproduttivo in questo sistema (un legame che è molto più debole con la maggior parte degli altri esempi di lateralizzazione nell’uso) suggerisce che questo fenomeno può offrire un sistema modello prezioso con cui indagare le conseguenze di fitness delle deviazioni dalla simmetria bilaterale.

Ringraziamo R. Nesbitt, A. Cuddy, A. e G. Johnson per l’assistenza, e D. Roberts per il supporto logistico. Thomas Madsen e David O’Connor hanno fornito commenti sul manoscritto. Il sostegno finanziario è stato fornito dall’Australian Research Council (a R.S.), e da un National Science Foundation National Young Investigator Award (IBN-9357245), e la Fondazione Whitehall (W95-04) a R.T.M. La ricerca è stata condotta sotto l’autorità della Oregon State University Institutional Animal Care and Use Committee Protocol no. LAR-1848B. Tutte le ricerche sono state condotte in accordo con l’U.S. Public Health Service “Policy on Humane Care and Use of Laboratory Animals” e il National Institutes of Health “Guide to the Care and Use of Laboratory Animals.”