As serpentes são destras ? Assimetria no tamanho da hemipenis e uso em serpentes de ligas (Thamnophis sirtalis)

Abstract

Serpentes masculinas possuem sistemas reprodutivos emparelhados (testículos, condutas eferentes, hemipenas e componentes associados dos rins), com um conjunto independente em ambos os lados do corpo. Os nossos estudos sobre as serpentes gartersnakes (Thamnophis sirtalis parietalis) revelam uma significativa assimetria morfológica neste sistema: os testes, os rins e os hemipénios do lado direito do corpo são maiores do que os do lado esquerdo. Dados de acasalamentos no campo, e em recintos exteriores, sugerem que esta assimetria tem implicações no comportamento reprodutivo e, possivelmente, no sucesso reprodutivo. Cópulas usando a hemipenis direita produziram um “tampão de acasalamento” gelatinoso maior, podendo assim retardar mais efetivamente a remarcação pela fêmea. Embora o uso geral dos dois hemipênios em acasalamentos de campo tenha sido em média próximo de 50/50, o uso de hemipenis não foi aleatório. Os machos tinham tendência a alternar o uso de hemipenis em acasalamentos sucessivos, talvez por causa do esgotamento do material do tampão. Além disso, as ligas masculinas usavam preferencialmente suas hemipenas maiores (à direita) quando acasalavam em altas temperaturas corporais, talvez por serem mais capazes de fazer ajustes posturais sutis (e assim, selecionar o melhor sistema) sob estas condições.

Even em organismos superficialmente simétricos, há quase sempre algum desvio consistente da simetria absoluta. Tais desvios ocorrem não só na anatomia, mas também no comportamento. Quando dada a oportunidade, muitos animais usam consistentemente a mão direita ou esquerda (ou pé, ou pata) em preferência ao apêndice equivalente do outro lado do corpo (Bock and Marsh, 1991). À primeira vista, o conceito de “mão” é inaplicável a animais completamente sem cal e, portanto, é difícil imaginar uma cobra destro. No entanto, as cobras (ou pelo menos, os machos) possuem um conjunto de apêndices emparelhados que podem potencialmente exibir este tipo de lateralização. Cada macho possui dois órgãos intromitentes (hemipénios), um de cada lado do corpo, sendo que apenas um deles é sempre colocado durante uma única cópula (Crews e Moore, 1986 ; Dowling e Savage, 1960 ; Murphy e Barker, 1980).

Asimetria no tamanho e uso de hemipénios em répteis squamate é particularmente interessante porque os órgãos reprodutores de cada lado do corpo do macho são totalmente separados, ao contrário de muitas outras estruturas assimétricas, como os pulmões. Ou seja, o esperma produzido no testículo direito só pode sair do corpo através da hemipenis direita (por exemplo, Dowling e Savage, 1960). Assim, qualquer desvio da simetria bilateral nas dimensões das estruturas reprodutivas masculinas pode influenciar directamente a eficácia da cópula – e, por implicação, o benefício da aptidão física susceptível de advir das inseminações com a hemipenesia esquerda versus direita. Um macho que usa preferencialmente a sua hemipenis maior, ligada ao seu testículo maior, pode assim aumentar directamente a sua representação genética na geração seguinte.

METHODS

Estudámos as serpentes vermelhas (Thamnophis sirtalis parietalis) no centro de Manitoba, Canadá (Chatfield Community Pasture ; ver Mason and Crews, 1985) durante as suas épocas de acasalamento em Maio de 1997 e Maio de 1998. As cobras nesta área acasalam imediatamente após o surgimento de grandes antros comunitários de Inverno, de modo que o cortejo e o acasalamento muitas vezes envolvem “bolas” de muitas cobras (Mason and Crews, 1985). O presente trabalho é baseado em dois conjuntos de dados: um relativo à assimetria morfológica no sistema reprodutivo, e o outro relativo ao uso relativo de hemipenes esquerdo versus direito na cópula.

Os nossos dados morfológicos são baseados na dissecação de 90 serpentes de ligas masculinas adultas que foram mortas num evento de mortalidade em massa numa das covas em 8 de Maio de 1997. Condições climáticas incomuns induziram as serpentes a formar um único grupo enorme no chão da cova, e as que se encontravam por baixo foram sufocadas pela massa das que se encontravam por cima delas. Encontrámos as cobras poucas horas após a sua morte, guardámos as suas carcaças num monte de neve durante a noite, e dissecámo-las no dia seguinte. Registramos o comprimento do snout-vent (SVL) e a massa corporal, e então abrimos a cavidade corporal da serpente com uma incisão no meio do corpo para que pudéssemos medir o comprimento e largura dos testículos e rins de cada lado do corpo. Parte do rim (o segmento sexual) está envolvido na produção de secreções que se misturam com o esperma (Devine, 1975; Saint Girons, 1957); como não podíamos distinguir claramente o segmento sexual, medimos o rim inteiro. Os hemipénios foram totalmente perpassados pelo aperto da cauda e foram registados os comprimentos e larguras destes órgãos copulatórios. Abaixo, usamos o termo “lado direito” da perspectiva da serpente; embora este ponto possa parecer óbvio, é fácil ficar confuso porque as serpentes são tipicamente colocadas na sua superfície dorsal para dissecação; assim, a direita da serpente torna-se a esquerda do investigador.

Para quantificar os padrões de uso dos hemipénios esquerdo versus direito, registamos esta informação a partir de dois tipos de acasalamentos; os que ocorreram naturalmente (nas covas e nas suas imediações) e os das arenas de acasalamento que estabelecemos para controlar os números e tipos de machos acasalados. Para estas provas, colocamos cobras recém capturadas (1, 2, 4, ou 24 machos, mais 1 fêmea não matizada) dentro de arenas de acasalamento de nylon (1,0 × 1,2 m) perto do nosso local de acasalamento e permitimos que acasalassem. Os números variáveis de machos por fêmea foram usados em um experimento para testar se a proporção de sexo operacional influenciou os determinantes do sucesso do acasalamento dos machos (Shine et al., 2000). As temperaturas operacionais foram medidas em registradores de dados Hobo-temperatura, em intervalos de 10 minutos ao longo do estudo, por meio de termopares colocados dentro de cobras mortas (em maio de 1997) ou em tubos de cobre ocos (em maio de 1998) adjacentes aos recintos. Para os ensaios de 1998, estimamos as temperaturas operacionais das serpentes a partir das temperaturas modelo, além de informações sobre as taxas de aquecimento e resfriamento das serpentes. Exceto para um pequeno subconjunto de acasalamentos repetidos (que são analisados separadamente dos outros conjuntos de dados), nenhuma cobra individual masculina ou feminina foi representada em mais de um acasalamento. Assim, todos os acasalamentos compreendem dados estatisticamente independentes.

RESULTADOS

Asimetria no tamanho dos órgãos reprodutivos

Dissecções de 90 cobras machos adultos revelaram diferenças significativas de tamanho entre órgãos de ambos os lados do corpo (Figura 1). As estruturas reprodutivas do lado direito foram em média significativamente maiores do que as do lado esquerdo. Usando testes t pareados com 89 graus de liberdade, a hemipenis do lado direito era mais larga (t = 2.82, p <.006), e o testículo do lado direito era mais longo (t = 8.05, p <.0001) e mais largo (t = 2.46, p <.02). O comprimento do Hemipenis (t = 1,63, p =,11) não diferiu significativamente entre os dois lados do corpo. A assimetria também estava presente no rim (maior à direita: comprimento, t = 4,88, p <,0001 ; largura, t = 0,40, p =,69).

Asimetria em uso

Acasamentos de campo

Em pares cruzados encontrados em copulo no campo, um número aproximadamente igual de homens usou sua hemipenesia direita versus esquerda. Em maio de 1997 registramos 161 pares, 74 dos quais (46%) envolveram a hemipenis direita (contra um nulo de 50%, teste binomial, z = 0,95, p =,34). Em maio de 1998 registramos 44 pares, dos quais exatamente metade (22 pares) envolveu o uso da hemipenis direita.

Procuramos qualquer correlação entre o uso da hemipenis direita e o uso da hemipenis esquerda entre esses pares, tanto no conjunto de dados combinados quanto em cada ano separadamente, mas não encontramos diferenças significativas entre os acasalamentos usando hemipenis em termos de tamanhos corporais (SVLs, massas) do masculino ou feminino (ANOVAs de um fator, p >,50 para todos os traços). Nossos dados também não revelam nenhuma variação espacial óbvia (associada ao habitat) na escolha da hemipenis: para acasalamentos onde registramos a localização dos pares, os padrões de uso foram similares dentro da toca (25 esquerda/18 direita) versus nos prados ao redor (21 esquerda/19 direita).

Arena trials

Nos acasalamentos de arena registrados em 1997, a hemipenis direita foi utilizada em 61% (52 de 85) dos acasalamentos, um desvio quase significativo da expectativa nula de 50% (teste binomial, z = 1,95, p =,051). Em contraste, os acasalamentos de arena em 1998 produziram um uso quase igual de cada hemipênese: registramos um total de 80 acasalamentos usando a hemipênese esquerda e 79 usando a direita (49,7% direita; contra um nulo de 50%, z = 0, p >,90). Os 2 anos não diferiram significativamente em número relativo de acasalamentos usando hemipênios direito versus esquerdo (X2 = 2,50, 1 df, p =,11).

Examinamos estes dados com mais detalhes para procurar qualquer correlato de escolha de hemipênios. Quanto aos acasalamentos de campo, não detectamos nenhum viés significativo no uso de hemipênios em relação ao tamanho do corpo masculino ou feminino (p >.50). No entanto, os dados mais extensos para os ensaios de arena (uma vez que sabíamos quando e onde a cópula começava e terminava) permitiram-nos testar variáveis adicionais desta forma. A duração da cópula foi semelhante nos acasalamentos envolvendo hemipenis (média = 13,7 min, DP = 4,97 para a hemipenis esquerda, contra 19,6 ± 11,1 minu para a direita, Mann-Whitney U = 24,0, z = 1,13, p =,26). A escolha de hemipenis do macho não dependeu do número de outros machos com os quais ele competia pelo cortejo. A duração do cortejo antes da intromissão não afetou a escolha de hemipenis do macho; esta duração variou entre os julgamentos, mas não diferiu significativamente entre os acasalamentos envolvendo a hemipenis esquerda versus direita dentro de qualquer julgamento (p >.40 em todas as comparações).

Não obstante, o uso de hemipenis nos julgamentos de arena não foi aleatório: a magnitude do viés para a “destra” dependia das condições térmicas. Os homens usaram seus hemipênios esquerdo e direito em proporções aproximadamente iguais quando o tempo estava relativamente frio, mas mostraram um forte viés para a direita sob condições mais quentes (Figura 2). Este resultado é mais facilmente visto a partir de uma regressão logística com a temperatura ambiente (operacional) como variável independente e o uso de hemipenis direita versus esquerda como variável dependente. O teste da razão de probabilidade logarítmica da influência da temperatura na escolha da hemipenis produziu um valor qui-quadrado de 6,92 (1 df, p =.0085). O padrão foi aparente nos dois anos do nosso estudo.

A escolha do uso de hemipenis também pode depender do histórico anterior de acasalamento do macho. Em um conjunto de testes, permitimos que os machos acasalassem repetidamente com uma série de fêmeas, para que pudéssemos registrar qual hemipeno foi usado em acasalamentos sucessivos. Os machos nestes ensaios mostraram uma forte tendência a alternar o uso de hemipenis quando acasalaram mais de uma vez num único dia (alternado em 7 dos 8 casos; contra um nulo de 50/50, X2 = 4.50, 1 df, p <.05). Entretanto, em acasalamentos sucessivos que foram separados por > 12 h (ou seja, em dias sucessivos), a mesma hemipenis foi utilizada em dois de quatro casos. Assim, os machos podem alternar o uso da hemipenis principalmente quando acasalam em sucessão rápida. Também removemos tampões de acasalamento (Devine, 1975) destas fêmeas após cada acasalamento, para que pudéssemos comparar os tamanhos (massas) de tampões produzidos a partir de cada hemipeno. Os tampões da hemipena direita foram em média significativamente maiores (média = 0,08 g, SD = 0,03, n = 14) que os da esquerda (média = 0,06 g, SD = 0,03, n = 11 ; F1,23 = 4,62, p <,05). Entretanto, os tampões de acasalamento dos acasalamentos de campo não diferiram significativamente em massa dependendo de qual hemipenis foi usada (F1,41 = 1,22, p =.28).

DISCUSSÃO

Sabe-se há muito tempo que a anatomia interna das serpentes apresenta considerável assimetria, e isto é verdade tanto para a posição (anterior-posterior) quanto para o tamanho de muitos órgãos internos como os testículos e rins (por exemplo, Bergmann, 1951, 1958 a, b ; Wallach, 1991). Nossos dados mostram que esta assimetria se estende também à hemipenis, pelo menos em Thamnophis sirtalis parietalis, e que ela pode estar associada com a escolha de uso de hemipenis não-randomização nesta espécie.

O trabalho anterior sobre estes tópicos tem sido limitado (especialmente para acasalamentos de campo), mas os resultados são consistentes com nosso estudo. Por exemplo, o uso geral dos dois hemipénios em acasalamentos de campo aproximou-se de 50/50, como relatado num estudo anterior da mesma espécie (Blanchard e Blanchard, 1941); esta pode ser a regra geral entre os squamates (Crews, 1978 ; Secor, 1987 ; Tokarz e Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1980, 1997). No entanto, apesar do uso globalmente igual dos hemipênios, é claro que a seleção do macho de sua hemipenis esquerda versus direita para a cópula não é aleatória. Autores anteriores especularam que as cobras masculinas simplesmente usam a hemipenia mais próxima da cloaca feminina (por exemplo, Murphy e Barker, 1980 ; Secor, 1987). Isto pode ser frequentemente verdade, mas outros factores também desempenham um papel.

A influência mais directa no uso da hemipenis é a história anterior do acasalamento do macho. Nosso estudo sugere que os machos alternam entre o uso de seus dois hemipênios em algumas circunstâncias, mas não em outras, dependendo do intervalo de tempo desde a cópula anterior. Uma tendência para os machos alternarem o uso dos dois hemipênios, pelo menos quando múltiplos acasalamentos estão disponíveis em sucessão rápida, tem sido relatada em outras espécies de squamate (por exemplo, Olsson e Madsen, 1998 ; Tokarz e Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1981, 1987). A vantagem selectiva final para esta alternância pode envolver o esgotamento do esperma para muitas espécies (Tokarz e Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1981, 1987), mas este argumento não pode ser aplicado às serpentes de ligas. Os machos Thamnophis sirtalis parietalis produzem o seu esperma vários meses antes do acasalamento e os seus testículos estão inactivos durante a época de acasalamento (por exemplo, Crews e Moore, 1986). No entanto, as ligas também transferem secreções renais (para formar o tampão de acasalamento) quando copulam (Devine, 1975). Assim, existe uma substância diferente dos espermatozóides que pode ser potencialmente difícil de gerar rapidamente para dois acasalamentos em sucessão rápida. De acordo com esta hipótese, os dados dos nossos ensaios de acasalamento repetidos (ver acima) sugerem que a massa do tampão de acasalamento pode ser menor a partir da segunda cópula do que a partir da primeira cópula. A massa do tampão diminuiu da primeira para a segunda cópula em nove machos, permaneceu a mesma em dois, e não aumentou em nenhum (usando o teste binomial, p =.03). Da mesma forma, o número de espermatozóides transferidos por cópula caiu rapidamente em outra espécie de squamate (um lagarto anolin) quando os machos foram forçados a usar a mesma hemipenis para múltiplos acasalamentos em sucessão rápida (Tokarz e Slowinski, 1990).

Mais surpreendentemente, o uso de hemipenis foi fortemente associado com o ambiente térmico ambiente, sugerindo que as cobras machos ajustaram facultativamente o uso de hemipenis em relação às influências térmicas. Interpretamos este padrão para significar que as serpentes preferem usar a hemipenis maior (lado direito) se forem capazes de o fazer sem comprometer as oportunidades de acasalamento. Temperaturas corporais elevadas aumentam a capacidade locomotora bruta nesta espécie (Heckrotte, 1967) e plausivelmente também melhoram a capacidade do macho de fazer ajustes de postura subtis (como mudar a sua base caudal de um lado da fêmea para o outro), sem perder a sua posição em competição com outros machos.

As ligas macho que usam a hemipenis direita em tais circunstâncias podem ser favorecidas porque a hemipenis é mais larga e está ligada a uma fonte maior de esperma (o testículo) e secreções acessórias (o rim). No entanto, os benefícios são provavelmente modestos, especialmente em relação à pena de aptidão física associada à renúncia a uma posição favorável, realinhando o corpo durante o cortejo. Assim, os machos usam frequentemente a hemipenis esquerda, especialmente quando estão relativamente frios (e portanto menos capazes de realizar manobras complexas de acasalamento), ou quando gastaram recentemente sêmen e material de encaixe do sistema copulatório do lado direito.

Embora nosso conjunto de dados seja o mais extenso disponível sobre assimetrias na estrutura e função do sistema reprodutivo masculino em escamosas, muitos enigmas permanecem, e alguns de nossos resultados foram inconsistentes entre as amostras. Por exemplo, a massa do plugue foi maior nos acasalamentos de hemáceas direitas nas arenas, mas não no campo. Não sabemos porque existe esta diferença. Uma possibilidade é que um pequeno número de machos obtenha uma alta proporção de acasalamentos em condições de campo; se assim for, muitos dos nossos machos de campo podem já ter usado a mesma hemipenis em um acasalamento anterior. Assim, é provável que esses machos produzam um tampão de acasalamento menor na segunda vez. Se os machos tendem a usar a hemipenis direita para seu primeiro acasalamento, tal tendência diminuiria qualquer diferença aparente nas massas de tampão dos acasalamentos que dependessem de hemipenis direita versus hemipenis esquerda. Contudo, esta possibilidade é inteiramente especulativa.

Mais importante ainda, as nossas inferências sobre os benefícios da aptidão física dos acasalamentos usando o sistema da direita ou da esquerda também permanecem especulativas. Não temos evidências diretas para mostrar que uma hemipenis maior (e testículos, rins e plug de acasalamento associados) é na verdade um dispositivo copulatório mais eficaz do que uma unidade menor. Os padrões não-randomiais no uso da hemipenesia sugerem que a assimetria não é trivial, no entanto, e um trabalho adicional para esclarecer estas questões seria de grande interesse. De fato, a ligação potencialmente direta entre a mão e o sucesso reprodutivo neste sistema (uma ligação muito mais fraca com a maioria dos outros exemplos de lateralização no uso) sugere que este fenômeno pode oferecer um valioso modelo de sistema com o qual investigar as conseqüências dos desvios da simetria bilateral.

Agradecemos a R. Nesbitt, A. Cuddy, A. e G. Johnson pela assistência, e a D. Roberts pelo apoio logístico. Thomas Madsen e David O’Connor forneceram comentários sobre o manuscrito. O apoio financeiro foi fornecido pelo Conselho Australiano de Investigação (à R.S.), e por um Prémio Nacional de Jovens Investigadores da Fundação Nacional de Ciência (IBN-9357245), e pela Fundação Whitehall (W95-04) à R.T.M. A investigação foi conduzida sob a autoridade do Comité de Cuidados e Uso Institucional de Animais da Universidade do Estado do Oregon Protocolo nº. LAR-1848B. Todas as pesquisas foram conduzidas de acordo com a “Política sobre Cuidados Humanos e Uso de Animais de Laboratório” do Serviço de Saúde Pública dos EUA e o “Guia para Cuidados e Uso de Animais de Laboratório” dos Institutos Nacionais de Saúde”