Samenvatting van het proefschrift met de titel: Swimming performance and morphology of pregnant fish

Een levendbarende reproductiemodus impliceert morfologische en fysiologische beperkingen, die bij vissen mede worden beïnvloed door de fysische eigenschappen van water: de hoge dichtheid bevordert een gestroomlijnde lichaamsvorm en vereist een effectief spiersysteem voor de voortstuwing van het vissenlichaam door de dichte vloeistof. Dit proefschrift heeft tot doel de relatie te onderzoeken tussen de morfologische veranderingen veroorzaakt door zwangerschap en de zwemprestaties van vissen. Ik baseerde mijn onderzoek op de levendbarende familie Poeciliidae, die een grote variatie aan maternale voorzieningen vertoont, variërend van het voeden van hun intern ontwikkelende embryo’s met voedingsstoffen die uitsluitend vóór de bevruchting in de eidooier worden opgeslagen (lecithotrofie), tot het bijna uitsluitend voeden via een placenta (placentotrofie).

Een levendbarend voortplantingsmechanisme kan het volume en de massa van de moeder tijdens de voortplantingscyclus verhogen, waardoor de kosten van voortbeweging toenemen. Placentatie is mogelijk geëvolueerd om deze kosten te verlagen, zoals wordt voorgesteld in de hypothese van voortbewegingskosten. In Hoofdstuk 2 verkenden we de morfologische aspecten van deze hypothese, die voorspelt dat vrouwelijke vissen met een placenta vooral in de vroege stadia van de zwangerschap slankere lichamen hebben dan degenen zonder een placenta, en dat het verschil in de loop van de zwangerschap afneemt.
Dit kan erop duiden dat placentotrofe vissen een minder aangetaste zwemprestatie hebben dan lecithotrofe vissen, hetgeen hun overlevingskansen zou kunnen verhogen. We testten deze hypothese door de driedimensionale vormveranderingen van het lichaam te vergelijken tussen twee nauw verwante soorten, een placentotrofe (Poeciliopsis turneri) en een lecithotrofe (Poeciliopsis gracilis). Hiervoor hebben we een niet-invasieve fotogrammetriemethode ontwikkeld en gebruikt om de driedimensionale vorm- en volumeveranderingen tijdens de zwangerschap te documenteren. Onze bevindingen ondersteunen de hypothese van de voortbewegingskosten: vrouwelijke vissen met een placenta hadden een slanker lichaam in de vroege stadia van de zwangerschap in vergelijking met de lecithotrofe vissen, en dit voordeel nam in de loop van de zwangerschap af. Bovendien nam de dikte van het lichaam sneller toe in de placentotrofe vissen dan in de lecithotrofe vissen. Dit leverde het eerste empirische bewijs voor een mogelijk adaptief morfologisch voordeel van de placenta in levendbarende vissen.

Bij zowel lecithotrofie als placentotrofie verhoogden de groeiende embryo’s het volume van de moeder en bijgevolg het lichaamsoppervlak en het oppervlak van de dwarsdoorsnede. Dit zou de hydrodynamische weerstand van het lichaam kunnen verhogen, hetgeen vermoedelijk een afname van de maximale zwemsnelheid en verhoging van de metabole kosten van voortbeweging veroorzaakt. Uiteindelijk kan dit de ‘fitness’ van de moeder verminderen doordat zij een gemakkelijker te vangen prooi is. De effecten van zwangerschap en de daaraan gerelateerde reproductieve investeringen op de hydrodynamische weerstand waren echter nog niet geëvalueerd in levendbarende vissen. In Hoofdstuk 3 onderzochten we het effect van de toename van de reproductieve investeringen (Eng: reproductive allocation increase (RAI), de toename van het lichaamsmassa dat aan reproductie gewijd is) op de hydrodynamische weerstand van zwangere vissen. We produceerden 3D-geprinte modellen van vrouwelijke vissen met verschillende RAI-niveaus van de soort P. gracilis in een rechte lichaamshouding.
Daarna maten we de weerstand en visualiseerden we de stroming om de modellen in een stroomtunnel met verschillende snelheden. We vonden inderdaad dat een hogere RAI resulteerde in een verhoogde weerstand; de weerstand nam exponentieel toe met een hogere RAI en via een machtsfunctie met een hogere snelheid. De visualisatie van de stroming rond de vis liet zien dat loslating van de stroming, een van de belangrijkste bronnen van hydrodynamische weerstand van het lichaam, plaatsvond achter de buikstreek en dat de loslating toenam met een groter abdomen.

In de analyse van al deze metingen, of ze nu morfologisch, biomechanisch of fysiologisch zijn, dient rekening te worden gehouden met het effect van de parameters op de zwemprestaties en het het genereren van vruchtbare nakomelingen, hetgeen uiteindelijk is waarop de natuurlijke selectie werkt. In Hoofdstuk 4 hebben we het effect van zwangerschap op de ontsnappingsrespons geanalyseerd, de belangrijkste verdediging van veel taxa tegen aanvallen van roofdieren. We hebben de ontsnappingsrespons van zwangere vissen van de soort P. gracilis vóór en vlak na de bevalling uitgelokt en gefilmd met drie orthogonaal opgestelde hogesnelheidscamera’s. Op dezelfde dagen hebben we de ontsnappingsreacties van maagdelijke vissen gefilmd. We verwachtten dat zwangerschap en het stadium van de zwangerschap een significant effect zouden hebben, zoals het geval is bij andere vissoorten, en we veronderstelden dat de maagden weinig of geen reproductieve investeringen hebben en daarom zouden hun morfologie en fysiologie niet beïnvloed worden door een reproductieve last. In tegenstelling tot onze voorspellingen, vonden we dat het stadium van zwangerschap en de reproductieve fase (maagd versus zwanger) geen significant effect had op de ontsnappingsreactie van P. gracilis, althans voor de relatief kleine broedgroottes (gemiddelde RAI: 13,5%) die optraden tijdens de experimenten. De afwezigheid van significante verschillen kan samenhangen met de geringe veranderingen in lichaamsvorm van P. gracilis tijdens de zwangerschap, welke gedeeltelijk zouden kunnen worden veroorzaakt door superfetatie (het vermogen van vrouwen om tegelijkertijd meerdere broedsels te dragen op verschillende niveaus van embryonale ontwikkeling). Bovendien vonden we een onverwacht hoge reproductieve investering (Eng: reproductive allocation, RA) bij maagdelijke vrouwen, wat een van de redenen kan zijn voor de afwezigheid van detecteerbare verschillen tussen zwangere en maagdelijke vissen. Dit suggereert dat de voortbewegingskosten die worden veroorzaakt door het dragen van de onbevruchte dooiereieren ook van invloed kunnen zijn op de voortbewegingsprestaties van de maagden. Deze bevindingen kunnen van invloed zijn op de hypothese van de voortbewegingskosten en de evolutie van de placenta, omdat ze suggereren dat: (i) voor een lecithotrofe soort met superfetatie, en daarmee kleinere veranderingen in RA dan voor een soort met een placenta (Hoofdstuk 2), de toename in voortbewegingskosten kleiner kan zijn dan voor een soort met een placenta, en (ii) dat de placenta zelfs vóór de bevruchting de voortbewegingskosten van vrouwelijke vissen zou kunnen verlagen, omdat ze slechts in zeer geringe mate voedingsstoffen hoeven op te slaan voor de embryonale ontwikkeling, waarmee ze een slankere lichaamsvorm kunnen aanhouden dan maagden zonder placenta. De afwezigheid van significante verschillen in de ontsnappingsrespons zou verder (tenminste gedeeltelijk) kunnen zijn veroorzaakt door de grote variatie in de ontsnappingsreacties, vermoedelijk als gevolg van een suboptimale stimulus.

Spieren leveren het mechanische vermogen dat nodig is voor de ontsnappingsreacties en ander zwemgedrag. Tijdens de zwangerschap kan de mobilisatie van energie van spieren voor voortplantingsweefsel en de extensie van de buik een negatief effect hebben op de samentrekkende eigenschappen van de spieren en hun vermogensleverantie, zoals is aangetoond voor zwangere vrouwen van andere taxa. Toch is er geen informatie beschikbaar voor levendbarende vissen over de mogelijke morfologische en fysiologische aanpassingen aan hun wijze van voortplanten. In Hoofdstuk 5 beschreven we voor de eerste keer de spiermorfologie en de expressie van genen die belangrijke componenten aanleveren voor spierfunctie van zwangere vissen. Voor zwangere en maagdelijke vrouwen van P. gracilis kleurden we met specifieke histologische methoden transversale secties van het abdominale gebied en met real-time kwantitatieve PCR bepaalden we de
transcriptieniveaus van genen die in het bijzonder tot expressie worden gebracht in spieren in de staartwortel. Wij verwachtten dat zwangerschap veranderingen zou veroorzaken in de spiermorfologie en genexpressie. We vonden daarentegen geen significante verschillen tussen zwangere en maagdelijke vrouwen. De onverwacht hoge reproductieve investeringen door de maagden vermindert echter het morfologische verschil met de zwangere vissen, hetgeen kan resulteren in een vergelijkbare productie van hydrodynamische weerstand (Hoofdstuk 3), en in het algemeen, vergelijkbare eisen aan de locomotie (Hoofdstuk 4).
Dit kan tevens resulteren in een vergelijkbare spierarchitectuur om aan die eisen te voldoen (Hoofdstuk 5). Een ander onverwacht resultaat was de ontdekking van een nieuwe extra zone van rode en roze spiervezels die aanwezig is in het buikgebied van maagden en zwangere vissen. Mannelijke vissen beschikken echter ook over dit tweede gebied (hoewel het relatief kleiner is) hetgeen het idee weerspreekt dat dit gebied is geëvolueerd om het zwemmen van vrouwtjes tijdens de zwangerschap te vergemakkelijken.

Ons onderzoek toont aan dat zwangerschap veranderingen in de lichaamsvorm van vrouwelijke vissen veroorzaakt en dat die veranderingen mogelijk verband houden met de reproductieve strategie van de soort. We hebben aangetoond in welke mate de investeringen in voortplantingsweefsels de hydrodynamische weerstand tijdens het ‘uitglijden’ van de vis beïnvloedt, en we verwachten dat de gevonden RAI- en de snelheidheidsafhankelijke schaling van de hydrodynamische weerstand ook indicatief kan zijn voor undulerend zwemmen. Bovendien suggereren onze bevindingen dat de geringere morfologische veranderingen die optreden bij lecithotrofe soorten met superfetatie resulteren in kleinere of geen significante effecten op de spiermorfologie en de ontsnappingsreactie. Onze biomechanische benadering is essentieel voor het begrijpen van de evolutie van complexe eigenschappen zoals placentatie. Ter verificatie van de morfologische en prestatievoordelen die het gevolg zijn van verschillende reproductieve eigenschappen en welke kunnen resulteren in een hogere ‘fitness’ is het echter noodzakelijk om vergelijkingen met meerdere soorten uit te voeren, met verschillende oorsprongen van de reproductieve eigenschappen.