¿Son las serpientes diestras? Asimetría en el tamaño y uso de los hemipenes en las serpientes de garganta (Thamnophis sirtalis)

Abstract

Las serpientes macho poseen sistemas reproductivos emparejados (testículos, conductos eferentes, hemipenes y componentes asociados de los riñones), con un conjunto independiente a cada lado del cuerpo. Nuestros estudios sobre las serpientes de lengüeta (Thamnophis sirtalis parietalis) revelan una asimetría morfológica significativa en este sistema: los testículos, los riñones y los hemipenes del lado derecho del cuerpo son más grandes que los del izquierdo. Los datos de los apareamientos en el campo, y en recintos exteriores, sugieren que esta asimetría tiene implicaciones en el comportamiento reproductivo y, posiblemente, en el éxito reproductivo. Las cópulas en las que se utiliza el hemipene derecho producen un «tapón de apareamiento» gelatinoso más grande y, por lo tanto, pueden retrasar más eficazmente la reaparición de la hembra. Aunque el uso general de los dos hemipenes en los apareamientos de campo se aproximó al 50/50, el uso del hemipene no fue aleatorio. Los machos tienden a alternar el uso de los hemipenes en los apareamientos sucesivos, quizás debido al agotamiento del material de los tapones. Además, los machos de las serpientes de liga utilizaron preferentemente su hemipene más grande (el derecho) cuando se apareaban a altas temperaturas corporales, tal vez porque son más capaces de hacer sutiles ajustes posturales (y por lo tanto, seleccionar el mejor sistema) bajo estas condiciones.

Incluso en los organismos superficialmente simétricos, casi siempre hay alguna desviación consistente de la simetría absoluta. Tales desviaciones se producen no sólo en la anatomía, sino también en el comportamiento. Cuando tienen la oportunidad, muchos animales utilizan sistemáticamente su mano (o pie, o pata) derecha o izquierda con preferencia al apéndice equivalente del otro lado de su cuerpo (Bock y Marsh, 1991). A primera vista, el concepto de «lateralidad» es inaplicable a los animales sin extremidades, por lo que es difícil imaginar una serpiente diestra. Sin embargo, las serpientes (o al menos, las serpientes macho) poseen un conjunto de apéndices emparejados que podrían mostrar este tipo de lateralización. Cada macho posee dos órganos intromitentes (hemipenes), uno a cada lado del cuerpo, de los cuales sólo uno es evertido durante una sola cópula (Crews y Moore, 1986 ; Dowling y Savage, 1960 ; Murphy y Barker, 1980).

La asimetría en el tamaño y uso de los hemipenes en los reptiles escamosos es particularmente interesante porque los órganos reproductores de cada lado del cuerpo del macho están completamente separados, a diferencia de muchas otras estructuras asimétricas como los pulmones. Es decir, el esperma producido en el testículo derecho sólo puede salir del cuerpo a través del hemipene derecho (por ejemplo, Dowling y Savage, 1960). Por lo tanto, cualquier desviación de la simetría bilateral en las dimensiones de las estructuras reproductivas del macho puede influir directamente en la eficacia de la cópula y, por consiguiente, en el beneficio de la aptitud que probablemente se obtenga de las inseminaciones con el hemipene izquierdo frente al derecho. Un macho que utiliza preferentemente su hemipene más grande, unido a su testículo más grande, podría así aumentar directamente su representación genética en la siguiente generación.

METODOS

Estudiamos las serpientes de collar de cara roja (Thamnophis sirtalis parietalis) en el centro de Manitoba, Canadá (Chatfield Community Pasture; véase Mason y Crews, 1985) durante sus temporadas de apareamiento en mayo de 1997 y mayo de 1998. Las serpientes de esta zona se aparean inmediatamente después de emerger de grandes madrigueras comunales de hibernación, por lo que el cortejo y el apareamiento a menudo implican «bolas» de muchas serpientes (Mason y Crews, 1985). El presente trabajo se basa en dos conjuntos de datos: uno relativo a la asimetría morfológica en el sistema reproductivo, y el otro relativo al uso relativo de los hemipenes izquierdos frente a los derechos en la cópula.

Nuestros datos morfológicos se basan en la disección de 90 machos adultos de serpiente de collar que murieron en un evento de mortalidad masiva en una de las guaridas el 8 de mayo de 1997. Unas condiciones meteorológicas inusuales indujeron a las serpientes a formar un único y enorme grupo en el suelo de la madriguera, y las que estaban debajo fueron asfixiadas por la masa de las que estaban encima. Encontramos las serpientes a las pocas horas de su muerte, almacenamos sus cadáveres en un montón de nieve durante la noche y los diseccionamos al día siguiente. Registramos la longitud del hocico (SVL) y la masa corporal, y luego abrimos la cavidad corporal de la serpiente con una incisión media ventral para poder medir la longitud y la anchura de los testículos y los riñones a ambos lados del cuerpo. Una parte del riñón (el segmento sexual) participa en la producción de secreciones que se mezclan con los espermatozoides (Devine, 1975 ; Saint Girons, 1957) ; como no podíamos distinguir claramente el segmento sexual, medimos todo el riñón. Los hemipenes se evertieron completamente apretando la cola, y se registraron las longitudes y anchuras de estos órganos copulatorios. A continuación, utilizamos el término «lado derecho» desde la perspectiva de la serpiente ; aunque este punto puede parecer obvio, es fácil confundirse porque las serpientes suelen colocarse sobre su superficie dorsal para la disección ; así, la derecha de la serpiente se convierte en la izquierda del investigador.

Para cuantificar los patrones de uso de los hemipenes izquierdos frente a los derechos, registramos esta información a partir de dos tipos de apareamientos ; los que se produjeron de forma natural (en las madrigueras y sus inmediaciones) y los que se produjeron en arenas de apareamiento que establecimos para controlar el número y los tipos de machos apareados. Para estas pruebas, colocamos serpientes recién capturadas (1, 2, 4 o 24 machos, más 1 hembra sin aparear) dentro de arenas de apareamiento de nylon (1,0 × 1,2 m) cerca de nuestro sitio de campo y les permitimos aparearse. El número variable de machos por hembra se utilizó en un experimento para comprobar si la proporción operativa de sexos influía en los determinantes del éxito del apareamiento de los machos (Shine et al., 2000). Las temperaturas operativas se midieron en los registradores de datos Hobo-temp, a intervalos de 10 minutos a lo largo del estudio, mediante termopares colocados dentro de serpientes muertas (en mayo de 1997) o en tubos de cobre huecos (en mayo de 1998) adyacentes a los recintos. Para los ensayos de 1998, estimamos las temperaturas operativas de las serpientes a partir de las temperaturas del modelo, además de la información sobre las tasas de calentamiento y enfriamiento de las serpientes. A excepción de un pequeño subgrupo de apareamientos repetidos (que se analizan por separado de los demás conjuntos de datos), ninguna serpiente macho o hembra individual estuvo representada en más de un apareamiento. Así, todos los apareamientos comprenden datos estadísticamente independientes.

RESULTADOS

Asimetría en el tamaño de los órganos reproductores

Las disecciones de 90 serpientes macho adultas revelaron diferencias de tamaño significativas entre los órganos de ambos lados del cuerpo (Figura 1). Las estructuras reproductivas del lado derecho eran en promedio significativamente mayores que las del izquierdo. Utilizando pruebas t pareadas con 89 grados de libertad, el hemipene del lado derecho era más ancho (t = 2,82, p <.006), y el testículo del lado derecho era tanto más largo (t = 8,05, p <.0001) como más ancho (t = 2,46, p <.02). Las longitudes de los hemipenes (t = 1,63, p =.11) no difirieron significativamente entre los dos lados del cuerpo. La asimetría también estuvo presente en el riñón (mayor a la derecha: longitud, t = 4,88, p <.0001 ; anchura, t = 0,40, p =.69).

Asimetría en el uso

En los apareamientos en el campo

En las parejas apareadas encontradas en cópulo en el campo, aproximadamente el mismo número de machos utilizó su hemipene derecho que el izquierdo. En mayo de 1997 registramos 161 parejas de este tipo, 74 de las cuales (46%) utilizaron el hemipene derecho (frente a un nulo de 50%, prueba binomial, z = 0,95, p =,34). En mayo de 1998 registramos 44 parejas, de las cuales exactamente la mitad (22 parejas) utilizaron el hemipene derecho.

Buscamos cualquier correlación del uso del hemipene derecho frente al izquierdo entre estas parejas, tanto en el conjunto de datos combinados como en cada año por separado, pero no encontramos diferencias significativas entre los apareamientos que utilizaban cualquiera de los hemipenes en términos de tamaño corporal (SVLs, masas) del macho o de la hembra (ANOVAs de un factor, p >.50 para todos los rasgos). Nuestros datos tampoco revelan ninguna variación espacial obvia (asociada al hábitat) en la elección de los hemipenes: para los apareamientos en los que registramos las ubicaciones de las parejas, los patrones de uso fueron similares dentro de la guarida (25 a la izquierda/18 a la derecha) frente a los prados circundantes (21 a la izquierda/19 a la derecha).

Pruebas en la arena

En los apareamientos en la arena registrados en 1997, el hemipene derecho se utilizó en el 61% (52 de 85) de los apareamientos, una desviación casi significativa de la expectativa nula del 50% (prueba binomial, z = 1,95, p =.051). Por el contrario, los apareamientos en la arena en 1998 produjeron un uso casi igual de cada hemipene: registramos un total de 80 apareamientos utilizando el hemipene izquierdo y 79 utilizando el derecho (49,7% derecho; frente a una nula de 50%, z = 0, p >.90). Los dos años no difirieron significativamente en el número relativo de apareamientos utilizando los hemipenes derechos frente a los izquierdos (X2 = 2,50, 1 df, p =.11).

Examinamos estos datos con más detalle para buscar cualquier correlación con la elección del hemipene. Al igual que en los apareamientos de campo, no detectamos sesgos significativos en el uso del hemipene con respecto a los tamaños corporales de los machos o las hembras (p >.50). Sin embargo, los datos más amplios de las pruebas en la arena (ya que sabíamos cuándo y dónde se iniciaba y concluía la cópula) nos permitieron comprobar variables adicionales de esta manera. La duración de la cópula fue similar en los apareamientos con cualquiera de los dos hemipenes (media = 13,7 min, SD = 4,97 para el hemipene izquierdo, frente a 19,6 ± 11,1 minu para el derecho, U de Mann-Whitney = 24,0, z = 1,13, p =,26). La elección del hemipene por parte del macho no dependió del número de otros machos con los que competía por el cortejo. La duración del cortejo antes de la intromisión no afectó a la elección del hemipene por parte del macho; esta duración varió entre los ensayos, pero no difirió significativamente entre los apareamientos que implicaban el hemipene izquierdo frente al derecho dentro de cualquier ensayo (p >.40 en todas las comparaciones).

Sin embargo, el uso del hemipene en los ensayos de la arena no fue aleatorio: la magnitud del sesgo hacia la «derecha» dependió de las condiciones térmicas. Los machos utilizaron sus hemipenes izquierdos y derechos en proporciones aproximadamente iguales cuando el clima era relativamente fresco, pero mostraron un fuerte sesgo hacia la derecha en condiciones más cálidas (Figura 2). Este resultado se aprecia más fácilmente a partir de una regresión logística con la temperatura ambiental (operativa) como variable independiente y el uso del hemipene derecho frente al izquierdo como variable dependiente. La prueba de razón de verosimilitud para la influencia de la temperatura en la elección del hemipene arrojó un valor de chi-cuadrado de 6,92 (1 df, p = 0,0085). El patrón fue aparente en ambos años de nuestro estudio.

La elección del uso del hemipene puede depender también del historial de apareamiento previo del macho. En una serie de ensayos, permitimos que los machos se aparearan repetidamente con una serie de hembras, de modo que pudiéramos registrar qué hemipene se utilizó en los apareamientos sucesivos. Los machos en estos ensayos mostraron una fuerte tendencia a alternar el uso del hemipene cuando se aparearon más de una vez en un mismo día (alternaron en 7 de 8 casos; contra un nulo de 50/50, X2 = 4,50, 1 df, p <.05). Sin embargo, en los apareamientos sucesivos que estuvieron separados por > 12 h (es decir, en días sucesivos), se utilizó el mismo hemipene en dos de los cuatro casos. Así, los machos pueden alternar el uso del hemipene principalmente cuando se aparean en rápida sucesión. También extrajimos tapones de apareamiento (Devine, 1975) de estas hembras después de cada apareamiento, para poder comparar los tamaños (masas) de los tapones producidos por cada hemipene. Los tapones del hemipene derecho fueron significativamente mayores (media = 0,08 g, SD = 0,03, n = 14) que los del izquierdo (media = 0,06 g, SD = 0,03, n = 11; F1,23 = 4,62, p <.05). Sin embargo, los tapones de apareamiento de los apareamientos de campo no difirieron significativamente en masa dependiendo de qué hemipene se utilizó (F1,41 = 1,22, p =.28).

DISCUSIÓN

Se sabe desde hace mucho tiempo que la anatomía interna de las serpientes muestra una asimetría considerable, y esto es cierto para la posición (anterior-posterior), así como para el tamaño de muchos órganos internos como los testículos y los riñones (por ejemplo, Bergmann, 1951, 1958 a, b ; Wallach, 1991). Nuestros datos muestran que esta asimetría se extiende también al hemipene, al menos en Thamnophis sirtalis parietalis, y que puede estar asociada a una elección no aleatoria del uso del hemipene en esta especie.

Los trabajos anteriores sobre estos temas han sido limitados (especialmente para los apareamientos de campo), pero los resultados son consistentes con nuestro estudio. Por ejemplo, el uso general de los dos hemipenes en los apareamientos de campo se aproximó al 50/50, como se informó en un estudio anterior de la misma especie (Blanchard y Blanchard, 1941); esta puede ser la regla general entre los escamosos (Crews, 1978; Secor, 1987; Tokarz y Slowinski, 1990; Zweifel, 1980, 1997). Sin embargo, a pesar de la igualdad en el uso de los hemipenes, está claro que la selección por parte del macho de su hemipene izquierdo frente al derecho para la cópula no es aleatoria. Autores anteriores han especulado que las serpientes macho simplemente utilizan el hemipene más cercano a la cloaca de la hembra (por ejemplo, Murphy y Barker, 1980; Secor, 1987). Esto puede ser a menudo cierto, pero otros factores también juegan un papel.

La influencia más directa en el uso del hemipene es el historial de apareamiento previo del macho. Nuestro estudio sugiere que los machos alternan el uso de sus dos hemipenes en algunas circunstancias pero no en otras, dependiendo del intervalo de tiempo desde la cópula anterior. La tendencia de los machos a alternar el uso de los dos hemipenes, al menos cuando hay varios apareamientos en rápida sucesión, se ha registrado en otras especies de escamosos (por ejemplo, Olsson y Madsen, 1998; Tokarz y Slowinski, 1990; Zweifel, 1981, 1987). La ventaja selectiva final de esta alternancia puede implicar el agotamiento del esperma para muchas especies (Tokarz y Slowinski, 1990 ; Zweifel, 1981, 1987), pero este argumento no puede aplicarse a las serpientes de agua. Los machos de Thamnophis sirtalis parietalis producen su esperma varios meses antes del apareamiento, y sus testículos están inactivos durante la temporada de apareamiento (por ejemplo, Crews y Moore, 1986). Sin embargo, las serpientes de liga también transfieren secreciones renales (para formar el tapón de apareamiento) cuando copulan (Devine, 1975). Por lo tanto, hay una sustancia distinta a los espermatozoides que podría ser potencialmente difícil de generar con suficiente rapidez para dos apareamientos en rápida sucesión. En consonancia con esta hipótesis, los datos de nuestros ensayos de apareamientos repetidos (véase más arriba) sugieren que la masa del tapón de apareamiento puede ser menor en las segundas cópulas que en las primeras. La masa del tapón disminuyó de la primera a la segunda cópula en nueve machos, permaneció igual en dos, y no aumentó en ninguno (usando la prueba binomial, p =.03). De forma similar, el número de espermatozoides transferidos por cópula cayó rápidamente en otra especie de escamoso (una lagartija anolina) cuando se forzó a los machos a usar el mismo hemipene para múltiples apareamientos en rápida sucesión (Tokarz y Slowinski, 1990).

Más sorprendentemente, el uso del hemipene estaba fuertemente asociado con el ambiente térmico, sugiriendo que las serpientes macho ajustan facultativamente su uso de los hemipenes en relación con las influencias térmicas. Interpretamos este patrón en el sentido de que las serpientes prefieren utilizar el hemipene más grande (del lado derecho) si pueden hacerlo sin comprometer las oportunidades de apareamiento. Las altas temperaturas corporales mejoran la capacidad locomotora bruta en esta especie (Heckrotte, 1967) y es plausible que también mejoren la capacidad del macho para realizar sutiles ajustes de postura (como cambiar la base de su cola de un lado a otro de la hembra), sin perder su posición en la competencia con otros machos.

Los machos de la serpiente de liga que utilizan su hemipene derecho bajo tales circunstancias pueden ser aventajados porque el hemipene es más ancho y está conectado a una fuente más grande de esperma (el testículo) y secreciones accesorias (el riñón). Sin embargo, es probable que los beneficios sean modestos, especialmente en relación con la penalización de la aptitud física asociada con la renuncia a una posición favorable al realinear el cuerpo durante el cortejo. Por lo tanto, los machos a menudo utilizan su hemipene izquierdo, especialmente cuando están relativamente fríos (y por lo tanto menos capaces de llevar a cabo complejas maniobras de apareamiento), o cuando han gastado recientemente semen y material de tapón del sistema copulatorio del lado derecho.

Aunque nuestro conjunto de datos es el más extenso disponible sobre las asimetrías en la estructura y la función del sistema reproductivo masculino en los escamosos, muchos enigmas permanecen, y algunos de nuestros resultados fueron inconsistentes entre las muestras. Por ejemplo, la masa del tapón fue mayor en los apareamientos con hemipene derecho en las arenas pero no en el campo. No sabemos a qué se debe esta diferencia. Una posibilidad es que un pequeño número de machos obtenga una alta proporción de apareamientos en condiciones de campo; si es así, muchos de nuestros machos apareados en el campo pueden haber utilizado ya el mismo hemipene en un apareamiento anterior. Por lo tanto, es probable que estos machos produzcan un tapón de apareamiento más pequeño la segunda vez. Si los machos tienden a utilizar el hemipene derecho en su primer apareamiento, esta tendencia disminuiría cualquier diferencia aparente en las masas de los tapones de los apareamientos que dependen de los hemipenes derechos frente a los izquierdos. Sin embargo, esta posibilidad es totalmente especulativa.

Más importante aún, nuestras inferencias sobre los beneficios de fitness de los apareamientos que utilizan el sistema derecho o el izquierdo también siguen siendo especulativas. No tenemos pruebas directas que demuestren que un hemipene más grande (y el testículo, riñón y tapón de apareamiento asociados) sea realmente un dispositivo copulatorio más eficaz que una unidad más pequeña. Sin embargo, los patrones no aleatorios en el uso del hemipene sugieren que la asimetría no es trivial, y sería muy interesante seguir trabajando para aclarar estas cuestiones. De hecho, el vínculo potencialmente directo entre la lateralidad y el éxito reproductivo en este sistema (un vínculo que es mucho más débil con la mayoría de los otros ejemplos de lateralización en el uso) sugiere que este fenómeno puede ofrecer un valioso sistema modelo con el que investigar las consecuencias de fitness de las desviaciones de la simetría bilateral.

Damos las gracias a R. Nesbitt, A. Cuddy, A. y G. Johnson por su asistencia, y a D. Roberts por el apoyo logístico. Thomas Madsen y David O’Connor proporcionaron comentarios sobre el manuscrito. El apoyo financiero fue proporcionado por el Consejo Australiano de Investigación (a R.S.), y por un Premio Nacional para Jóvenes Investigadores de la Fundación Nacional de Ciencias (IBN-9357245), y la Fundación Whitehall (W95-04) a R.T.M. La investigación se llevó a cabo bajo la autoridad del Protocolo del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad Estatal de Oregón no. LAR-1848B. Toda la investigación se llevó a cabo de acuerdo con la «Política sobre el cuidado y el uso humanitario de los animales de laboratorio» del Servicio de Salud Pública de los Estados Unidos y la «Guía para el cuidado y el uso de los animales de laboratorio» de los Institutos Nacionales de la Salud.

Sociedad Internacional de Ecología del Comportamiento.