Ejaculates in competition: a sperm race influenced by the seminal fluid?

RIASSUNTO Negli ultimi quaranta anni, è emerso che i sistemi di accoppiamento nel mondo animale sono di tipo promiscuo o poliandrico molto più frequentemente di quanto non si credesse, rendendo necessarie una serie di considerazioni sulle implicazioni biologiche ed evolutive derivanti in particolare dal fatto che, in molte specie, le femmine si accoppiano con più di un maschio. La selezione sessuale è quel processo evolutivo che promuove la trasmissione dei geni che avvantaggiano dal punto di vista riproduttivo l’individuo che li esprime. Un sistema di accoppiamento poliandrico, o promiscuo, implica che la selezione sessuale possa proseguire anche dopo l’accoppiamento, fino al momento della fecondazione, e in alcuni casi anche successivamente. In questo contesto, il successo di fecondazione di un maschio non corrisponde necessariamente al suo successo di accoppiamento, ma può essere influenzato dai meccanismi di selettivi post-copulatori, quali la scelta criptica femminile e la competizione spermatica. Il primo meccanismo si realizza quando una femmina è in grado di favorire, “scegliere”, l’eiaculato di un maschio rispetto a quello degli altri maschi con cui si è accoppiata, e la scelta è stata definita criptica perché avviene all’interno delle vie riproduttive femminili. La competizione spermatica è stata definita come la competizione tra gli eiaculati di due o più maschi per fecondare uno stesso gruppo di uova. Questo secondo meccanismo è stato studiato sia in specie a fecondazione interna che esterna, e spinge l’evoluzione di tutti quei tratti morfologici, comportamentali e fisiologici che possono avvantaggiare l’eiaculato di un maschio rispetto agli eiaculati rivali in un determinato contesto di competizione. La produzione di spermi e liquido seminale comporta dei costi, e i maschi possono variarne l’investimento per massimizzare il proprio successo riproduttivo a seconda del livello di competizione spermatica percepito. Gli studi sperimentali e i modelli teorici si sono da sempre concentrati su come la competizione spermatica possa modellare il numero e la qualità degli spermi prodotti. Recentemente, tuttavia, la ricerca scientifica ha mostrato come la competizione tra gli eiaculati possa coinvolgere anche il liquido seminale. Questo, infatti, spesso costituisce una parte consistente dell’intero eiaculato ed è fondamentale per il mantenimento e le prestazioni degli spermi. Inoltre, nelle specie a fecondazione interna, è stato dimostrato che può indirettamente influenzare il successo di fecondazione di un maschio spingendo ad esempio le femmine a deporre un maggior numero di uova, oppure riducendo la loro ricettività e tendenza a riaccoppiarsi per limitare la competizione con gli spermi di altri maschi. Solo negli ultimi anni è stata presa in considerazione la possibilità che il liquido seminale di un maschio potesse agire direttamente sul successo di fecondazione degli eiaculati rivali. Per esempio, uno studio comparativo ha dimostrato che nelle specie di api e formiche dove il livello di competizione è più alto, il liquido seminale di un maschio favorisce le prestazioni dei propri spermi, e in maniera minore quelle degli spermi dei maschi rivali. In altre specie di insetti, invece, il liquido seminale di un maschio aumenta allo stesso modo la performance di tutti gli spermi contemporaneamente presenti. Questi risultati indicano che quando non si realizza un meccanismo di riconoscimento self/no-self tra gli spermi e il liquido seminale, le sue proprietà potrebbero essere sfruttate anche dagli spermi degli altri maschi in competizione. Di conseguenza, se, al momento dell’accoppiamento, un individuo riesce a stimare il grado di competizione che dovrà fronteggiare, potrebbe strategicamente regolare l’investimento nell’eiaculato a seconda che si trovi in una posizione favorita o sfavorita. I modelli teorici più recenti indicano che l’investimento nell’eiaculato può essere modellato su entrambe le sue componenti, a seconda di quanto spermi e liquido seminale influenzino il successo dell’intero eiaculato in un determinato contesto di competizione. Prima di questo progetto, le prove sperimentali a supporto delle predizioni derivate dai modelli sono state poche e i risultati contrastanti, probabilmente perché sia la ricerca teorica che quella sperimentale si sono prevalentemente concentrate su specie a fecondazione interna, dove è difficile separare il contributo di spermi e liquido seminale e distinguere tra gli eiaculati in competizione. Nel mio progetto ho usato quindi come modello due specie di pesci Teleostei che presentano fecondazione esterna, il go, Zosterisessor ophiocephalus e il ghiozzo nero, Gobius niger, che hanno un sistema di accoppiamento simile e livelli di competizione spermatica confrontabili. In entrambe le specie i maschi adottano tattiche riproduttive alternative, con i maschi dominanti, territoriali, che scavano un nido all’interno del quale la femmina depone le uova, e i maschi opportunisti, sneaker, che cercano di sfruttare gli accoppiamenti dei maschi territoriali. I maschi sneaker, che si confrontano con un più alto rischio di competizione dovendo sempre competere almeno con l’eiaculato del maschio territoriale, producono un maggior numero di spermi e meno liquido seminale rispetto ai maschi territoriali. Nel go, le prestazioni degli spermi non differiscono tra le due tattiche, mentre nel ghiozzo nero gli spermi dei maschi sneaker sono più veloci, longevi e presentano un maggior contenuto in ATP. Le due specie costituiscono un buon modello anche perché il liquido seminale ha una diversa possibilità di entrare in gioco nella competizione tra gli eiaculati a causa di alcune differenze legate alle modalità di accoppiamento. Infatti, nel go, i maschi sneaker riescono ad entrare nel nido e a rilasciare il proprio eiaculato vicino a quello del maschio territoriale e alle uova e, di conseguenza, in questa specie il liquido seminale potrebbe avere un ruolo nell’influenzare la competizione tra gli eiaculati. Nel ghiozzo nero, invece, i maschi sneaker sono spesso costretti a rilasciare il proprio eiaculato all’ingresso del nido, e di conseguenza il poco liquido seminale prodotto va verosimilmente incontro ad una rapida diluizione, e il grado di interazione tra spermi e liquido seminale di maschi aventi tattiche opposte è di conseguenza minore rispetto a quanto non accada nel go. Dato questo scenario, il mio progetto di dottorato ha voluto i) verificare, nelle due specie, quando e come il liquido seminale influenzi la competizione tra eiaculati, incrociando spermi e liquido seminale di maschi aventi la stessa o la tattica opposta e misurando le prestazioni degli spermi come velocità, vitalità e tramite test di fecondazione in vitro; ii) approfondire i meccanismi prossimi di interazione tra spermi e liquido seminale nel go, dove il liquido potrebbe effettivamente pesare sulle prestazioni degli eiaculati di maschi aventi tattiche opposte; e iii) controllare, nel ghiozzo nero, se i parametri considerati per misurare le prestazioni di un eiaculato sono indicativi del suo reale successo di competizione, andando quindi a misurare il successo di fecondazione dei maschi territoriali sul campo, tramite nidi artificiali ed analisi di paternità. Nel go, questa distribuzione della paternità nei nidi naturali è già stata valutata in un precedente studio. Nel go, è stato dimostrato un effetto tattica-dipendente del liquido seminale. Gli spermi dei maschi sneaker sono più veloci e mostrano un maggior successo di fecondazione quando è presente il liquido seminale di un maschio territoriale, mentre gli spermi dei maschi territoriali mostrano prestazioni inferiori, per gli stessi parametri, in presenza del liquido di un maschio sneaker, sempre rispetto ai valori misurati con il proprio liquido seminale. Un appropriato esperimento di controllo ha escluso che questi risultati siano dovuti ad un meccanismo di riconoscimento self/no-self tra spermi e liquido seminale. L’indagine dei meccanismi prossimi alla base dell’interazione tra spermi e liquido seminale ha evidenziato che l’eiaculato differisce tra maschi aventi tattiche opposte sia nella composizione del liquido seminale, per quanto riguarda il contenuto e il profilo proteico (differenze qualitative e quantitative), sia nelle prestazioni degli spermi misurate in termini di tasso di consumo dell’ossigeno, un parametro metabolico importante ma raramente considerato. Inoltre, nonostante le analisi sulla funzionalità del liquido seminale siano solo preliminari, hanno già dimostrato come sia determinante la presenza della frazione non proteica (<3kDa) per la velocità degli spermi, nonostante anche la frazione proteica (>3kDa) contribuisca, seppur in maniera minore. In questa specie, le prove di fecondazione in vitro rispecchiano i risultati emersi dai dati di velocità degli spermi, che di conseguenza risulta un buon indicatore della competitività dell’eiaculato. Considerando quanto emerso da uno studio precedente sulla distribuzione della paternità nei nidi naturali, sembra che il successo di fecondazione dei maschi territoriali sia determinato in ultimo dall’efficacia della difesa del nido, e cioè da quanto riescono a tenere a distanza i maschi sneaker durante l’accoppiamento. Infatti, il loro tasso di paternità correla positivamente con le loro dimensioni corporee. Nel ghiozzo nero, dove un maschio sneaker rilascia il proprio eiaculato a distanza rispetto a quello del maschio territoriale, non emerge nessun effetto tattica-dipendente del liquido seminale. Nonostante il proprio liquido seminale migliori le prestazioni degli spermi nei maschi territoriali, gli spermi dei maschi sneaker rimangono ancora significativamente più veloci e vitali. Le prove di fecondazione in vitro non rispecchiano i dati emersi, e non emerge alcuna differenza significativa nel successo di fecondazione delle due tattiche, anche se questo potrebbe esser dovuto alla scarsa numerosità dei dati. Tuttavia, in questa specie gli spermi dei maschi territoriali presentano un moto significativamente più lineare rispetto ai maschi sneaker e quindi è possibile che il loro nuoto sia in realtà più efficace, e possano percorrere la stessa distanza nello stesso tempo, nonostante gli spermi degli sneaker siano più veloci. L’analisi della distribuzione della paternità su campo suggerisce che anche nel ghiozzo nero sia la distanza a cui gli sneaker rilasciano il proprio eiaculato a determinare il risultato della competizione tra gli eiaculati. Infatti, i primi risultati mostrano che il successo di fecondazione del maschio territoriale è minore in corrispondenza dell’entrata principale del nido, dove è più probabile che i maschi sneaker riescano ad avvicinarsi e fecondare parte delle uova. Il successo di fecondazione del maschio territoriale all’interno di un nido è comunque basso (<50%) se confrontato con quello del go (>70%) o di altre specie di pesci aventi un sistema di accoppiamento simile. Inoltre in due nidi, alcune uova sono risultate fecondate da maschi territoriali che difendevano nidi vicini. Apparentemente quindi i territoriali parassiterebbero occasionalmente i nidi di altri maschi aventi la stessa tattica. Se il risultato venisse confermato, la posizione dei maschi territoriali nella competizione tra eiaculati potrebbe non apparire più come il ruolo favorito, considerando che i maschi sneaker visitano sistematicamente più di un nido. In entrambe le specie, il contesto spaziale in cui si realizza la competizione risulta decisivo. Il grado di interazione tra gli eiaculati di maschi aventi tattica opposta determina la possibilità che il liquido seminale possa esser sfruttato nell’ambito della competizione. Ne risulta che, nel go, dove il livello di interazione è alto, si crei l’opportunità per un maschio di sfruttare il liquido di un maschio avente tattica opposta, mentre nel ghiozzo nero, dove l’interazione è minima, i maschi siano costretti ad investire nel numero e qualità degli spermi prodotti o nella difesa del nido, a seconda della tattica. Il mio progetto di dottorato dimostra che il liquido seminale può effettivamente influenzare la competizione tra gli eiaculati a seconda del contesto, e che uno dei principali fattori da tenere in considerazione è il grado di interazione tra eiaculati rivali. L’approccio multidisciplinare adottato ha permesso di fare luce anche sui meccanismi prossimi di interazione tra spermi e liquido seminale.