Effect of environmental conditions on energy allocation in male parti-coloured bats Vespertilio murinus

Zmienne, często nieprzewidywalne warunki środowiskowe mogą istotnie ograniczyć zwierzętom dostęp do pokarmu lub zwiększać koszty termoregulacji ciała. Zbilansowanie wydatków energetycznych może być dużym wyzwaniem dla wielu zwierząt, szczególnie w okresach wzmożonego zapotrzebowania na energię. Zwłaszcza w czasach niedoboru pokarmu czy niekorzystnych warunków pogodowych właściwa alokacja zasobów i często kompromisy z nią związane, są kluczowe dla przeżycia i rozrodu. Strategie gospodarowania energią są zależne od wielu czynników, jak warunki środowiskowe (przewidywalność i dostępność pokarmu czy odpowiedniego schronienia), płeć, status reprodukcyjny czy dostępne mechanizmy oszczędzania energii. W trudnych warunkach środowiskowych, kiedy jest ograniczona dostępność pokarmu oraz/lub obniżona temperatura otoczenia, zwierzęta starają się oszczędzać energię. U ssaków znane są między innymi takie mechanizmy jak skrócenie dziennej aktywności, oszczędności na termoregulacji dzięki łączeniu się w grupy, czy obniżenie tempa metabolizmu, a u zwierząt heterotermicznych wykorzystanie torporu. Okres reprodukcyjny to czas wzmożonego zapotrzebowania na energię i nie wszystkie sposoby jej oszczędzania okazują się korzystne. Torpor, czyli stan kontrolowanego, krótko terminowego obniżania metabolizmu, któremu może również towarzyszyć obniżanie temperatury ciała, jest jedną z bardziej efektywnych adaptacji oszczędzania energii u ssaków. Jednak obniżany jest wtedy metabolizm całego organizmu, również spowolnione zostają tempo wzrostu młodych i produkcja mleka. Alternatywną strategią, zapewniającą oszczędność energii może być socjalność. Z jednej strony pozwala na obniżenie wydatków energetycznych na termoregulację dzięki grupowemu ogrzewaniu, z drugiej zwiększenie pozyskania pokarmu, dzięki wymianie informacji o jego dostępności. Nietoperze owadożerne są jedną z grup, którym szczególnie trudno zbilansować wysokie wydatki energetyczne. Jako małe ssaki ze względu na stosunek masy ciała do jego objętości są narażone na duże straty ciepła i tym samym energii. Dodatkowo ich pokarm jest silnie zależny od pogody oraz nieprzewidywalny w czasie i przestrzeni. Większość z ponad 1400 gatunków nietoperzy jest socjalna, jednak u zdecydowanej większości socjalność obserwuje się tylko u samic wraz z (w późniejszym czasie) młodymi osobnikami. Samce przeważnie żyją samotnie, a męskie kolonie są rzadkie i krótkotrwałe. Stąd dotychczasowe badania nad socjalnością nietoperzy ograniczały się prawie wyłącznie do kolonii rozrodczych, a socjalność była objaśniana pozytywnym wpływem na przeżywalność i wzrost młodych oraz pośrednio korzyściami samic. W strefie umiarkowanej męskie kolonie są obserwowane u gatunków żywiących się efemerycznie pojawiającymi się owadami. Samce gromadzą się w czasie spermatogenezy, czyli okresu o wzmożonym zapotrzebowaniu energetycznym. Pierwszymi osobnikami, które opuszczają kolonie są te w najlepszej kondycji i z już wyprodukowanym nasieniem. Istniejące hipotezy zakładają, że samce tworzą kolonie, aby uzyskać korzyści wynikające z transferu informacji o rozmieszczeniu pokarmu, co może zwiększyć ich sukces łowiecki. Ponadto, gromadząc się w kryjówce mogą oszczędzać też energię dzięki wzajemnemu ogrzewaniu się tj. termoregulacji socjalnej. Dotychczas nie zbadano jednak eksperymentalnie czy ograniczenia energetyczne wpływają na tempo produkcji nasienia oraz szeroko pojętą strategię alokowania zasobów energetycznych. Nie zmierzono również wielkości korzyści energetycznych wynikających ze wspólnego przebywania w kryjówce w stosunku do osobników żyjących samotnie. Dlatego celem niniejszej pracy była ocena wpływu dostępności pokarmu i temperatury otoczenia na masę ciała, intensywność wykorzystywania torporu i tempo produkcji nasienia, oraz porównanie dziennych wydatków energetycznych samców nietoperzy w okresie intensywnej spermatogenezy. Przetestowałam następujące hipotezy:

1. Ograniczenia pokarmu i niska temperatura otoczenia zwiększają częstość wykorzystania torporu u nietoperzy o niskiej kondycji ciała;
2. Ograniczenie dostępności pokarmu i niska temperatura spowalniają tempo produkcji nasienia;
3. Życie w grupie pozwala na ograniczenie kosztów utrzymania wysokiej temperatury ciała, potrzebnej do zachowania wysokiego tempa procesu spermatogenezy. Aby zrealizować powyższe cele przeprowadziłam serię eksperymentów laboratoryjnych, w których okresowo przetrzymywałam grupy odłowionych w naturze samów z gatunku mroczak posrebrzany (Vespertilio murinus). W pierwszym eksperymencie manipulowałam ilością pokarmu, dając połowie osobników pokarm (mączniki) ad libitum, a drugiej go limitując. W kolejnym badaniu testowałam wpływ temperatury otoczenia i przetrzymywałam samce w 10 lub 25 ⁰C. Przez cały czas trwania tych badań monitorowałam masę i temperaturę ciała oraz zmiany w tempie produkcji nasiennia. W trzecim eksperymencie trzymałam nietoperze w grupie lub pojedynczo i mierzyłam ich dzienne wydatki energetyczne, oraz temperaturę ciała. Wszystkie badania prowadziłam w okresie produkcji i dojrzewania nasienia u tego gatunku. Niezależnie od ilości przyjmowanego pokarmu nietoperze wykazały podobny schemat wykorzystania torporu, istotnie ograniczając wchodzenie w ten stan w czasie intensywnej spermatogenezy. U zwierząt karmionych ad libitum, pomimo obfitości otrzymywanego pokarmu masa ciała zaczęła się zwiększać dopiero, gdy nasienie było już przynajmniej częściowo przetransportowane do najądrzy. U osobników otrzymujących ograniczoną ilość pokarmu kosztem utrzymywania wysokiej temperatury ciała i masy ciała było ponad dwutygodniowe opóźnienie w tempie produkcji nasienia. Wyniki tej pracy sugerują, że zasoby energetyczne w pierwszej kolejności były inwestowane w termoregulację, która pozwala na utrzymanie warunków odpowiednich dla spermatogenezy. Dopiero nadwyżki energii były przeznaczane na samą produkcję nasienia. Wpływ ograniczonych zasobów pokarmowych widoczny był w negatywnej zależności między masą ciała oraz czasem przebywania w torporze a tempem produkcji nasienia. Zatem tempo dojrzewania płciowego zależy od masy ciała, co jest wynikiem połączonego efektu dostępności pokarmu i kosztów termoregulacji. (publikacja

W trakcie długotrwałej ekspozycji na niską temperaturę, która wymaga wysokich nakładów energii na termoregulację, nietoperze zintensyfikowały wykorzystanie torporu. Była to strategia, która pozwoliła na oszczędzenie energii i zapobiegła utracie masy ciała, jednak skutkowała mniejszą inwestycją w reprodukcję oraz znacznym opóźnieniem produkcji i gromadzenia nasienia. Pomimo trudnych warunków zewnętrznych ten proces nie został całkowicie wstrzymany, a jedynie istotnie spowolniony. Cięższe osobniki mogły pozwolić sobie na trochę intensywniejszą termoregulację i tym samym przyspieszyć dojrzewanie nasienia. Unikanie torporu i utrzymanie wysokiej temperatury ciała były najistotniejsze na wczesnym etapie procesu produkcji nasienia, który w naturze pokrywa się okresem, gdy obserwuje się męskie kolonie u mroczaków posrebrzanych. (publikacja 2) Samce przebywające zarówno w grupie jak i samotnie utrzymywały tempo metabolizmu i temperaturę ciała na tym samym wysokim poziomie i przez tak samo długi czas. Jednak osobniki samotne ponosiły znacznie większe sumaryczne dzienne wydatki energetyczne. Będąc w grupie nietoperze mogły korzystać z termoregulacji socjalnej, która bezpośrednio wpływa na mniejsze straty ciepła i/lub, pośrednio, podnosi temperaturę kryjówki, co wynika z obecności wielu termoregulujących ciał w małej przestrzeni. Nietoperze w grupie w mniejszym stopniu wykorzystywały torpor (metabolizm nie był tak bardzo obniżany jak u samotnych, oraz te stany trwały krócej), co, jak pokazał wcześniejszy eksperyment, sprzyja podtrzymaniu procesu spermatogenezy na wysokim poziomie. Dodatkowo zaoszczędzona dzięki termoregulacji socjalnej energia mogła być inwestowana bezpośrednio w produkcję nasienia. Życie socjalne może się zatem znacznie przyczynić do zbilansowania budżetów energetycznych i tym samym pomóc buforować niekorzystne warunki temperaturowe lub niedobory pokarmu. (publikacja 3) Zakończenie produkcji i dojrzewania nasienia w odpowiednim czasie i synchronizacja z gotowością rozrodczą samic powinny znajdować się pod silną presją selekcyjną, zwłaszcza u promiskuitycznych gatunków, jak mroczak posrebrzany. Samce narażone na niskie temperatury otoczenia lub niedobór pokarmu mogą przez duże opóźnienia w dojrzewaniu nie być gotowe przed rozpoczęciem sezonu rozrodczego, co miałoby poważne konsekwencje dla ich przyszłego sukcesu reprodukcyjnego. Tworzenie nawet niewielkich kolonii w wymagającym okresie reprodukcyjnym może przyczynić się do istotnych oszczędności energetycznych. Wspomaga też utrzymanie odpowiednio wysokiego tempa metabolizmu, co sprzyja inwestycji w produkcję nasienia. W moich publikacjach wykazałam, że ograniczenia energetyczne w istotny sposób wpływają na tempo produkcji nasienia, co potencjalnie może mieć negatywny wpływ na sukces rozrodczy samców. Stwierdzono również, że przebywanie w grupie istotnie obniża koszty energetyczne ponoszone przez samce w okresie spermatogenezy. Uzyskane dane wskazują, że mechanizm sprzyjający ewolucji socjalności oparty jest na minimalizowaniu negatywnych skutków ograniczeń energetycznych.

Variable, often unpredictable environmental conditions can significantly limit the animals' access to food or substantially increase their costs of thermoregulation. Balancing energy budget can be challenging, especially in times of increased energy demands due to reproduction, food shortage or unfavorable weather conditions. Optimizing the energy investment spent on different life histories is crucial for survival and reproduction. Energy management strategies depend on many factors, including environmental conditions (food predictability and availability or proper shelters), gender, reproductive status and available energy saving mechanisms. In difficult environmental conditions, when the availability of food is limited and / or the ambient temperature is low, animals try to save energy. In mammals, there are known such mechanisms as daily activity shortening, social thermoregulation by aggregating, lowering the metabolic rate, or, in heterothermic species, torpor use. The reproductive period is a time of increased energy demand, but not all energy saving mechanisms turn out to be beneficial then. Torpor, a state of controlled, short-term metabolic depression, which may also be accompanied by the drop in body temperature, is one of the most effective energy-saving adaptations in mammals. However, the metabolism of the whole organism is inhibited then, including the processes related to reproduction (pregnancy and lactation in females). Social life may thus serve as an alternative energy saving strategy. On the one hand, it enables to reduce energy expenditure on thermoregulation due to group heating, and on the other, to increase the foraging success, thanks to information transfer about food distribution. Balancing energy budget is particularly challenging for insectivorous bats. As small mammals, due to high surface to volume ratio, they are exposed to large heat and energy losses. Additionally, their food is highly weather dependent and unpredictable in time and space. Majority of more than 1,400 bats species worldwide are social, however in the temperate zone colonies consist predominantly of females and (later) juveniles. The males mostly live alone, and the male colonies are rare and short-lived. Hence, the studies on the bats’ social behaviours have been limited almost exclusively to breeding colonies, and the sociability was explained by a positive impact on the survival and growth of young and, indirectly, by the benefits for females. Male colonies in the temperate zone are observed in species feeding on ephemeral insects. Males gather during spermatogenesis, which is highly energy demanding period. The first individuals to leave the colonies are those in the best condition and with sperm already produced. Existing hypotheses suggest that males form colonies due to benefits from information transfer about food distribution, which may increase their foraging success. Moreover, while living in aggregations they can also save energy thank to social thermoregulation. However, the effect of energy limitations on sperm production rate and resources allocation strategies during reproduction in male bats have not been studied experimentally yet. Nor has it been quantified how much energy these animals may benefit from grouping. Therefore, the aim of this study was to assess the effect of food availability and environmental temperature on body mass, torpor use intensity and sperm production rate of male bats during the period of intense spermatogenesis, as well as to compare the daily energy expenditures of individuals staying in group and solitary. I tested the following hypotheses:

1. Food restrictions and low ambient temperature increase the frequency of torpor use in bats with low body condition.
2. Limited food availability and low ambient temperature slow down the sperm production rate.
3. Living in a group enables male bats to reduce the costs of high body temperature maintenance, which is needed to maintain a high rate of spermatogenesis. In order to achieve the above goals, I conducted a series of laboratory experiments in which I periodically kept groups of wild-caught Vespertilio murinus males and exposed them to various conditions. In the first experiment, I manipulated the food amount. Half of individuals was given the food (mealworms) ad libitum, and the other half was under limited diet. In the next study, I tested the effect of the ambient temperature and kept males at 10 or 25 ⁰C. Throughout these studies, I monitored body mass and body temperature as well as changes in sperm production rate. In the third experiment I kept bats in groups or individually and measured their daily energy expenditure and body temperature. I conducted all three research during the production and maturation of sperm in this species. Regardless of the food amount consumed, bats showed a similar pattern of torpor use, significantly limiting entering this state during intense spermatogenesis. In ad libitum fed animals, despite the abundance of food received, body mass did not start to increase until the sperm was at least partially transported to the cauda epididymis. The cost of a high body temperature and body mass maintenance for individuals provided with limited food amount was the delay of more than two weeks in sperm production. Results of this study suggest that in male bats energy resources are first invested in thermoregulation, which affects the maintenance of conditions suitable for spermatogenesis. Only the surplus energy is allocated to the production of sperm itself. The effect of limited food resources was visible in the negative relationship between body mass and the time spent in the torpor and the sperm production rate. Thus, the rate of sexual maturation depends on body mass, which is the result of the combined effect of food availability and thermoregulation costs. (publication 1) During prolonged exposure to low temperature, which requires high energy expenditure for thermoregulation, bats intensified the torpor use. This was a strategy that saved energy and prevented body mass loss, but resulted in lower investment in reproduction and a significant delay in sperm production. Despite difficult external conditions, this process was not completely stopped, but only significantly slowed down. The effect of low temperature was partially buffered by higher body mass of the bats. Heavier individuals could afford a bit more intense thermoregulation, and thus speed up sperm production. Avoiding torpor and a high body temperature maintenance were most important early in the sperm production process, which naturally coincides with the period when male colonies are observed in this species. (publication

Both in the group and solitary, males maintained their metabolic rate and body temperature at the same high level for the same long time. However, while solitary individuals incurred much higher total daily energy expenditures. Being in the group, bats could benefit from social thermoregulation, which directly influences lower heat losses and/ or, indirectly, increases the temperature of the roost, which results from the presence of many bodies thermoregulating in a small space. Bats in the group used torpor to a smaller extent (bouts were shorter and shallower), which, as shown in the previous experiment, helps to maintain the spermatogenesis process at a high level. Additionally, the energy saved thanks to social thermoregulation could be invested directly into reproductive tissues. Social life can therefore significantly contribute to balancing energy budgets and thus help to buffer unfavorable temperature conditions or food shortages. (publication 3, not published yet) Completion of sperm production and maturation in a timely manner and synchronization with female reproductive readiness should be under strong selection pressure, especially in promiscuous species such as Vespertilio murinus. Males exposed to low environmental temperatures or food shortages may, due to long maturation delays, not be ready to mating season onset, with serious consequences for their future reproductive success. Living even in small colonies during the challenging reproductive period can contribute to significant energy savings. It also supports the maintenance of sufficiently high metabolic rate, which promotes investment in reproduction. In my studies, I have shown that energy restrictions significantly affect the sperm production rate, which, potentially, can negatively affect the reproductive success of males. It was also found that staying in the group significantly reduces the energy costs incurred by males during the spermatogenesis period. The obtained data indicate that the mechanism driving the evolution of sociality might be based on minimizing the negative effects of energy limitations.