A seleção sexual pós-populatória influencia a evolução do baculum em primatas e carnívoros

Introdução

A morfologia dos órgãos intromitentes masculinos é argumentada como estando sujeita a uma evolução divergente mais rápida do que qualquer outra forma no reino animal . O baculum, ou osso do pênis, não se altera nesta tendência e tem sido descrito como “o mais diverso de todos os ossos” (, p. 1), variando dramaticamente em comprimento, largura e forma através dos mamíferos.

O baculum não está uniformemente presente através dos mamíferos. Pensava-se que só existia em oito das ordens de mamíferos: Afrosoricida, Carnivora, Chiroptera, Dermoptera, Erinaceomorpha, Primatas, Rodentia e Soricomorpha. No entanto, descobriu-se recentemente que um Lagomorph, o pika americano (Ochonta princeps), também tem um pequeno baculum . Esta descoberta sugere que a presença de baculum pode ser mais prevalente entre os mamíferos do que historicamente se supõe. Certas ordens têm uma mistura de presença e ausência de baculum entre espécies; estas são a Carnivora, Chiroptera, Primatas e Rodentia. Nos primatas, por exemplo, humanos, tarsiers e vários Platyrrhines não possuem um baculo. A Lagomorfia pode estar dividida de forma semelhante. Além de documentar a presença e ausência do baculo através das ordens mamíferas, a história evolutiva do baculo não havia sido estudada até recentemente, deixando muitas perguntas sem resposta.

Morfologia genital (e portanto bacular) é sugerido ser sujeito a seleção sexual. Os poucos testes empíricos realizados até à data podem sustentar esta hipótese. Stockley et al. descobriram que a largura do baculum em ratos domésticos polígamos (Mus domesticus) foi um preditor significativo do sucesso reprodutivo masculino. Simmons & Firman foram capazes de manipular experimentalmente a largura do baculum alterando o nível de pressão de seleção sexual em populações de camundongos. Após 27 gerações, populações com níveis artificialmente elevados de pressão de seleção sexual pós-populatória tinham bacula significativamente mais espessa do que populações nas quais a monogamia era aplicada e, portanto, a pressão de seleção sexual estava ausente. Estes estudos indicam que a seleção intra-sexual, em particular a pressão de seleção sexual pós-populatória, pode estar impulsionando a evolução bacular. Se este for o caso, a bacula de populações sob altos níveis de pressão de seleção intra-sexual, como aquelas com sistemas poligâmicos (multi-masculino, multi-feminino) ou de acasalamento sazonal, deve estar sujeita a forças evolutivas mais fortes.

Sistemas de acasalamento diferentes geram variação nos níveis de pressão de seleção sexual pós-populatória e, portanto, variabilidade morfológica; por exemplo, espécies com altos níveis de competição espermática tendem a ter grandes testículos em relação à sua massa corporal. A massa residual dos testículos é assim considerada como uma medida confiável do sistema de acasalamento de uma população e, portanto, do grau de pressão de seleção sexual. Orr & Brennan descobriu que a massa relativa dos testículos era um preditor significativo da presença de baculo em Chiroptera, Eulipotyphla, Primatas e Rodentia. Entretanto, o mesmo estudo não encontrou relação entre a presença ou largura do baculo e o sistema de acasalamento, indicando que uma terceira variável pode estar em jogo. Ramm testou a relação entre a massa dos testículos e o comprimento do baculo em quatro ordens, primeiro estabelecendo o nível de dependência filogenética entre as espécies e depois conduzindo regressões devidamente corrigidas. Uma relação positiva entre a massa dos testes e o comprimento do baculo foi observada em Rodentia e Carnivora, mas o mesmo teste não encontrou relação em Primatas ou Chiroptera.

A função adaptativa do baculo, sob altos níveis de seleção intra-sexual, ainda está por ser estabelecida. Uma estratégia potencial pela qual um macho poderia aumentar seu sucesso reprodutivo, superando os machos rivais, é através do prolongamento da intromissão e conseqüentemente retardando o acasalamento de uma fêmea com outro macho. A hipótese de intromissão prolongada argumenta que o baculo ajuda a facilitar esta duração prolongada da intromissão ao apoiar o pénis .

Neste contexto, o mecanismo proximal do baculo é agir como uma barra de apoio, fortalecendo o pénis e protegendo a uretra durante a intromissão prolongada . Um estudo recente com três espécies diferentes de morcegos descobriu que o baculo formou uma unidade funcional com os corpos cavernosos, que protegeu a ponta da glande e a haste do pênis quando erecto. Os autores postulam que o baculo também ajuda a limitar a constrição da uretra distal e a abertura uretral no pênis erecto durante a intromissão, facilitando o fluxo do esperma. Em muitas espécies de primatas em que o baculum é alongado, a extremidade distal do osso projeta-se ligeiramente da uretra enquanto o pênis está erecto . Isto poderia colocar o baculo em contacto com o colo do útero da fêmea durante a intromissão, facilitando a transferência do sémen para o canal cervical .

Avidência para a hipótese de intromissão prolongada provou até agora ser controversa. Estudos iniciais descobriram que a intromissão prolongada estava correlacionada com a bacula alongada em primatas e carnívoros; entretanto, estes estudos não levaram em conta a não independência estatística dos dados que surgem devido a uma história evolutiva compartilhada entre as espécies. Um estudo posterior, corrigido para levar em conta a filogenia, testou uma correlação entre a intromissão prolongada e o comprimento do baculo nos carnívoros norte-americanos, mas não encontrou suporte para a hipótese. No entanto, os dados para testar esta hipótese só estavam disponíveis para 18 espécies, das quais apenas duas foram caracterizadas como tendo curta duração de intromissão. Dixson et al. argumentam que esta amostra não é suficientemente representativa para refutar decisivamente a hipótese de intromissão prolongada, e realizaram sua própria análise filogenética corrigida em uma amostra de 57 espécies de mamíferos. Desta vez, foi encontrada uma correlação significativa entre as duas variáveis. Embora ambos os estudos tenham sido corrigidos para filogenia, se o grau de dependência filogenética não for estabelecido antes de uma análise ser ajustada, a correção para filogenia pode produzir resultados enganosos ou incorretos, uma vez que o nível de relação entre as espécies varia ao longo de uma filogenia. As análises da cadeia de Markov Bayesian Monte Carlo (MCMC) permitem incorporar as filogenias das espécies em uma análise, ao invés de simplesmente corrigir a filogenia, podendo assim produzir resultados mais confiáveis .

Em um novo estudo, Schultz et al. usaram os métodos filogenéticos anteriores de mapeamento estocástico para modelar a presença e ausência do baculo em 954 espécies de mamíferos, e argumentam que o baculo independentemente evoluiu um mínimo de nove vezes em mamíferos. Entretanto, esta amostra é improvável que reflita o curso da evolução em toda a classe de mamíferos, particularmente porque a ausência do baculo foi observada apenas em 103 espécies.

Aqui, usamos métodos filogenéticos comparativos dentro de uma estrutura MCMC Bayesiana para examinar a história evolutiva do baculo e investigar a hipótese de que níveis aumentados de seleção intra-sexual afetam a evolução do baculo. Nós primeiro reconstruímos a trajetória evolutiva do baculo em toda a classe de mamíferos e examinamos a taxa de evolução do baculo na ordem dos primatas. Em seguida, testamos a relação entre o comprimento do baculum e a massa dos testículos, tanto nos primatas como nos carnívoros. Em seguida, testamos a evolução correlacionada entre a presença do baculo e a duração da intromissão nos primatas, antes de realizar testes t filogenéticos para estabelecer se os primatas e carnívoros com durações de intromissão prolongadas têm bacula mais longa do que aqueles com durações de intromissão curtas. Finalmente, usamos os mesmos testes para examinar se o aumento dos níveis de pressão de seleção sexual pós-populatória causado por (i) sistemas de acasalamento poligâmicos e (ii) padrões sazonais de reprodução levaram a um aumento no comprimento do baculo nos primatas. Primatas e carnívoros são grupos particularmente gratificantes para estudar, porque existe uma mistura de presença e ausência de baculum dentro de cada ordem. Isto significa que as diferenças entre aqueles com e sem bacula podem ser rastreadas ao nível da espécie, e não entre ordens. Além disso, como estas ordens são discutivelmente mais estudadas do que outros grupos de mamíferos, há mais dados disponíveis.

Se o baculo facilita a intromissão prolongada e aumenta a proximidade ao colo do útero a fim de reduzir o nível de competição espermática e aumentar o sucesso reprodutivo, então várias previsões podem ser feitas e testadas. Seria de esperar que houvesse uma relação entre o comprimento do baculum e a massa dos testículos, que pode ser usada como um proxy para o nível de pressão de seleção sexual pós-populatória em uma população. Seria de esperar que a duração da intrromissão se correlacionasse com a presença do baculo ao longo do curso da evolução. Espécies com durações de intromissão prolongadas devem ter bacula alongada. Finalmente, grupos em que a pressão de seleção sexual pós-populatória é maior, como aqueles em que o acasalamento é polígamo ou ocorre sazonalmente, deveriam ter bacula mais longa que grupos com níveis mais baixos de pressão de seleção sexual pós-populatória.

Material e métodos

Reestruturações de estado ancestral, testes de evolução correlacionada, testes de relações de traços e testes filogenéticos t foram todos conduzidos usando BayesTraits (v. 2) . Os dados de traços foram compilados a partir da literatura (material eletrônico suplementar).

Uma superfilogenia de 5020 mamíferos existentes foi utilizada para reconstruir os estados ancestrais da presença do baculum através da ordem dos mamíferos . Todas as análises das ordens de primatas e carnívoros foram realizadas em uma distribuição posterior de 10 000 filogenias moleculares inferidas usando os métodos Bayesianos MCMC . Cronogramas foram utilizados em todas as reconstruções de estados ancestrais e testes de evolução correlacionados, enquanto filogramas foram utilizados em testes de relações de traços e testes filogenéticos t.

Um método MCMC de salto reversível com hiperprior exponencial variando entre 0 e 0,07 foi utilizado para estimar estados ancestrais discretos . Cada cadeia foi executada para 5 milhões de iterações com um burn-in de 50 000 iterações; este foi o caso de todas as análises além do modelo de taxas variáveis. Estávamos interessados em inferir sete nós-chave através da filogenia dos mamíferos, bem como o estado ancestral da presença do baculum tanto para as ordens de primatas como de carnívoros (material eletrônico suplementar, figura S1). Os nós foram construídos usando o procedimento ‘add MRCA’ em BayesTraits .

Um modelo de taxas variáveis foi usado para reconstruir o curso da evolução do comprimento do baculo através da ordem dos primatas (seguindo Venditti et al. ). O modelo permite que a taxa de evolução varie ao longo de uma filogenia ao longo do tempo, identificando quando e onde as taxas evolutivas diferiram sem conhecimento prévio. Ramos esticados da árvore filogenética indicam que um traço evoluiu rapidamente e ramos comprimidos indicam taxas lentas de mudança de traço. O modelo foi executado para 10 milhões de iterações, com um burn-in de 100 000 iterações.

Comprimento do báculo e massa dos testículos foram testados para uma relação usando uma regressão múltipla entre o comprimento do báculo, massa dos testículos e massa corporal masculina adulta. O modelo foi executado três vezes e a cadeia com a probabilidade marginal média logarítmica foi escolhida; esta abordagem também foi utilizada na realização de testes de evolução e hipóteses correlacionadas. A proporção do parâmetro de inclinação (β) que cruzou zero foi utilizada para estabelecer os valores de p (seguindo o método de Organ et al. para os testes t filogenéticos).

Para testar a evolução correlacionada entre a presença do baculo e a duração da intromissão, comparamos a probabilidade marginal logarítmica de modelos independentes (traços constrangidos a evoluir separadamente) e dependentes. Foi utilizado um hiperprior exponencial com um intervalo de 0-0,05. Os dois modelos foram comparados usando fatores log naturais Bayes (BFs), calculados como duas vezes a diferença na probabilidade marginal logarítmica entre os modelos . Os BFs foram interpretados seguindo Kass et al. : 0-2, suporte mínimo; 2-6, suporte positivo; 6-10, suporte forte; mais de 10, suporte muito forte. A literatura recente tem destacado várias questões com o uso da média harmônica como medida para estimar a probabilidade marginal logarítmica de um modelo e os méritos relativos do método de amostragem de pedra de degrau, que é argumentado como sendo mais preciso . Por isso, utilizamos o método de amostragem de pedra de degrau para estimar a verosimilhança marginal logarítmica. Foram utilizadas cem pedras por 10 000 iterações da cadeia de Markov. Após Xie et al. , uma distribuição beta (α, 1.0) foi empregada e α foi fixada em 0.3. Foram usadas pedras de degrau desta forma para todos os testes de relações de traços, evolução correlacionada e testes t filogenéticos.

Testes t filogenéticos do MMCMC foram usados para testar hipóteses contabilizando a não-independência estatística dos dados, devido à história evolutiva compartilhada (seguindo Organ et al. ).

Resultados

Uma análise multiestática em BayesTraits (n = 1818) indica que o mamífero ancestral não possuía baculo (ausência de baculo, probabilidade média = 0,98). Reconstruções do estado ancestral em seis nós (tabela 1; material eletrônico suplementar, figura S1) sugerem que o baculo evoluiu pela primeira vez após a divisão dos mamíferos não placentários e placentários (ausência do baculo, probabilidade média = 0,93), mas antes que o ancestral comum mais recente (MRCA) de primatas e carnívoros evoluiu (presença do baculo, probabilidade média = 0,99). Os primatas ancestrais e carnívoros tinham ambos um baculo (presença de baculo, probabilidade média = 1,00 e 1,00, respectivamente).

A trajetória evolutiva do comprimento do baculo foi visualizada usando o modelo de taxas variáveis, que estica ou encolhe os ramos de uma árvore filogenética de acordo com diferentes taxas de evolução do traço (figura 1; material eletrônico suplementar, figuras S2-S4). Os primatas apresentam variações acentuadas no comprimento do tronco, o que se reflecte na sua história evolutiva. Muito pouca mudança ocorreu nas platirinas e tarsiers, que tendem a ter bacula pequena ou ausente, indicando que o baculum do primata ancestral era bastante pequeno. Pelo contrário, as estrias-espelhos e catarros sofreram alterações evolutivas relativamente rápidas, e geralmente têm bacula mais longa do que as platirritinas e os tarsiers. Os macacos representam um grupo interessante, pois sofreram altas taxas de mudança, mas têm uma bacula muito pequena ou ausente. Isto sugere que após a divisão das linhagens platyrrhine e catarrhine, o baculum da catarrhine ancestral passou por uma alta taxa de evolução e tornou-se muito mais longo. Quando os macacos se separaram subsequentemente dos macacos do Velho Mundo, esta tendência inverteu-se e o baculum do macaco sofreu mais altas taxas de evolução, desta vez reduzindo em comprimento. (Veja material eletrônico suplementar para árvores de taxas variáveis retratando a evolução do comprimento do carnívoro baculum e a evolução da massa de primatas e carnívoros testículos, figuras S2-S4.)

Comprimento do bálsamo não poderia ser previsto a partir da massa dos testículos em ambos os primatas (n = 46, p = 0,139, R2 = 0.03) ou carnívoros (n= 32, p= 0,231, R2= 0,37) (material eletrônico suplementar, tabela S2).

Encontramos evidências positivas para a evolução correlacionada entre a presença de baculum e a duração da intromissão em primatas (n = 299, log BF = 4,78; tabela 2). Reconstruções do estado ancestral e taxas de modelos indicam que a presença do baculo e durações curtas de intromissão (probabilidade média = 0,73) precederam uma mudança para intromissão prolongada (figura 2). Após a evolução das durações de intromissão longas, o baculo foi raramente perdido. No entanto, o baculum era frequentemente perdido se a duração da intromissão permanecesse curta. As durações de intromissão longas raramente se tornaram curtas novamente quando um baculo estava presente. Em contraste, quando um baculo estava ausente, a duração da intromissão alternava frequentemente entre longo e curto.

A hipótese de que a selecção sexual pós-populatória influencia o comprimento do baculum foi testada através de uma série de testes t filogenéticos (tabela 3). De acordo com nossas previsões, encontramos que espécies tanto na ordem dos primatas quanto na ordem dos carnívoros em que a intrromissão é prolongada têm bacula significativamente mais longa do que espécies em que a intrromissão é curta (n = 53, p = 0,000 e n = 41, p = 0,018, respectivamente). Primatas em sistemas de acasalamento poligâmicos foram encontrados com bacula significativamente mais longa do que aqueles em outros sistemas de acasalamento (n = 65, p = 0,032). Finalmente, primatas reprodutores sazonais têm bacula significativamente mais longa que os primatas que não se reproduzem sazonalmente (n = 63, p = 0,045).

Discussão

Os nossos resultados revelaram a trajectória evolutiva do baculum através da classe dos mamíferos, mostrando que o baculum evoluiu pela primeira vez depois que mamíferos placentários e não placentários se separaram há cerca de 145 milhões de anos (Ma), mas antes do MRCA de primatas e carnívoros evoluiu em torno de 95 Ma . Mostramos pela primeira vez que tanto o primata ancestral quanto o carnívoro ancestral tinham um baculo, um resultado com implicações importantes na forma como o baculo deve ser estudado dentro destas ordens. As análises devem concentrar-se em examinar porque o baculum foi retido em certas espécies e perdido em outras, não porque o baculum poderia ter evoluído; ele já estava presente em seus ancestrais.

Não encontramos relação entre o comprimento do baculum e a massa dos testículos em primatas ou carnívoros, apoiando achados anteriores em primatas, mas não em carnívoros . Esta discrepância é provavelmente explicada pelo uso de uma estrutura filogenética Bayesiana para nossas análises; nosso achado sugere que qualquer relação observada entre o comprimento do baculum e a massa dos testículos poderia ter evoluído por acaso. Embora estes resultados não sustentem a hipótese de que o comprimento do baculum é sexualmente selecionado, eles não a refutam. É possível que aspectos da morfologia do baculo, como largura ou forma, sejam mais propensos a variar com a massa dos testículos. Por exemplo, a largura do eixo do baculo é um preditor significativo do número de descendentes de ratos da casa do macho. De fato, Orr & Brennan descobriu que a massa dos testículos previa a largura do baculo em quatro ordens de mamíferos; entretanto, quando esta relação foi testada usando um modelo filogenético, a largura do baculo não era mais um preditor significativo. É possível que estes resultados tivessem permanecido significativos se a relação tivesse sido examinada ao nível da ordem, uma vez que a função bacular pode variar de ordem para ordem. Nossos resultados servem para destacar a importância do uso de métodos filogenéticos completos ao examinar a evolução do traço.

Este estudo foi o primeiro a demonstrar que a presença do baculo se correlacionou com a duração da intrromissão ao longo do curso da evolução do primata. O resultado destaca a inter-relação entre fenótipos morfológicos e comportamentais ao longo do tempo evolutivo. O baculo apoia e protege fisicamente o pénis do homem e ajuda a transferência do sémen para o colo do útero da mulher. No entanto, também desempenha um papel importante na facilitação da intromissão prolongada, que por sua vez pode ser um comportamento sexualmente seleccionado, destinado a aumentar o sucesso reprodutivo ao atrasar o acasalamento das fêmeas .

Os nossos resultados confirmam que a hipótese de intromissão prolongada permanece robusta quando analisada dentro de um quadro filogenético rigoroso. Os testes filogenéticos t mostram que o baculum é significativamente mais longo tanto nas espécies de primatas como de carnívoros, nas quais a intromissão é prolongada. Isto sugere que o alongamento do baculum ao longo da evolução dos mamíferos foi provavelmente impulsionado pela sua utilidade na intromissão prolongada. Dois outros testes t filogenéticos mostraram que primatas em sistemas de acasalamento poligâmicos e primatas reprodutores sazonais tinham bacula significativamente mais longa do que os primatas em outros sistemas de acasalamento e aqueles sem um padrão de acasalamento sazonal, destacando a importância da seleção sexual pós-populatório como um condutor da evolução bacular.

O achado do teste de evolução correlacionada, juntamente com os resultados dos testes t filogenéticos, permite-nos começar a juntar as funções proximais e finais do baculo. Os sistemas de acasalamento poligâmico e as épocas limitadas de reprodução criam altos níveis de competição sexual pós-populatória. Neste ambiente, prolongar a intromissão pode atrasar o acasalamento de uma fêmea, aumentando assim as hipóteses de um macho a fertilizar com sucesso em condições competitivas. Assegurar que a uretra seja sem restrições e que haja a menor distância possível para os espermatozóides viajarem é uma forma de aumentar a quantidade de espermatozóides transportados para o canal cervical. O baculum serve como uma estrutura de apoio durante a intromissão prolongada, tanto protegendo a uretra como impedindo a sua contração .

Estes resultados não se aplicam necessariamente a outras ordens dentro da classe dos mamíferos, mas destacam linhas de consulta potencialmente gratificantes. É também importante notar que, mesmo dentro das ordens de primatas e carnívoros, outros fatores podem influenciar se um baculo é retido ou não e como sua morfologia evolui. Estudos de evolução bacular tendem a focar o porquê da sua presença em certas espécies, ou porque pode ter aumentado em comprimento ou largura; factores que impulsionam a redução ou desaparecimento do bacula têm sido largamente ignorados.

Estudos ingénuos começam a separar o mecanismo proximal do baculo, assim como alguns dos factores que impulsionam a sua evolução em diferentes ordens de mamíferos . Comparando estas descobertas entre ordens e examinando o baculo através de uma estrutura filogenética, podemos começar a construir um quadro mais abrangente das funções proximais e finais do baculo, e como ele evoluiu nas espécies existentes e seus ancestrais.

A acessibilidade aos dados

Dados estão disponíveis no Dryad Digital Repository .

A contribuição dos autores

M.B. e C.O. desenharam a pesquisa; M.B. e C.O. fizeram a pesquisa; M.B. e C.O. analisaram os dados; M.B. e C.O. redigiram o manuscrito. Todos os autores deram aprovação final para publicação.

Interesses concorrentes

Não temos interesses concorrentes.

Funding

M.B. é suportado por um NERC Doctoral Training Studentship, e C.O. é suportado por uma Leverhulme Early Career Fellowship.

Footnotes

Electronic supplementary material is available online at http://dx.doi.org/10.6084/m9.figshare.c.3583481.