Monthly Archives: March 2019

Evolution of infection-induced host sterility

Harmful effects of parasitism include reduction of host reproductive abilities and increased host mortality. Whereas the former effect is commonly caused by sexually transmitted infections, increased mortality is typically due to other infection types. The initial models of the evolution of sterility virulence predicted development of fully sterilizing parasites, that is, infertility of the infected hosts. However, empirical observations agree with this prediction only partially. Therefore, the current effort is to reveal and understand mechanisms that prevent evolution of full sterilization and allow for evolution of only partial sterilization. This question I address also in my research. The actual study of this topic is the following one:

Janouskova, E., Berec, L. (2020) Fecundity-longevity trade-off, vertical transmission and evolution of virulence in sterilizing pathogens. American Naturalist 195: 95-106.

Sexually transmitted diseases

Sexually transmitted diseases are not just a matter of humans, but at a much larger scale also a matter of animals. By definition, pathogens responsible for these diseases are transmitted through the sexual intercourse, in contrast to the other pathogens that are transmitted by another medium (air, water, soil) or other contact than the sexual one. Sexually transmitted diseases have a number of features that distinguish them from the other infections. If they are harmful, then they often reduce reproductive abilities of their hosts (are sterilizing) rather than increasing their mortality. Sexual transmission is also often accompanied by vertical transmission (transmission of pathogens from mother to child during pregnancy), which is usually not the case of the other diseases. A very nice introductory article about ecology and evolution of sexually transmitted diseases is Antonovics et al. (2011).

A special type of contact defining transmission of sexually transmitted diseases, that is, sexual intercourse, determines the transmission rate, i.e. the number of healthy individuals that get infected per unit time. In animals is dynamics of sexual contacts determined by dynamics of mating. Probably in most animals the aim of mating is an offspring production, and mating dynamics thus determines reproduction dynamics. In other words, the processes of host reproduction and transmission of sexually transmitted pathogens are related by mating dynamics, as opposed to other infections where these two processes are not correlated (with the exception of vertical transmission where reproduction directly determines vertical transmission). The critical element for modelling dynamics of sexually transmitted diseases is thus a submodel of mating dynamics, which depends on a specific mating system and includes elements such as encounter rate between males and females, sexual selection or an ability to mate repeatedly (with the same or other partner). Some basic models of mating dynamics can be found in Berec (2018) or Caswell & Weeks (1986).

Two characteristics, that were, based mostly on mathematical modelling, long considered typical for sexually transmitted pathogens, are an ability of such pathogens to fully sterilize their hosts (if able to sterilize) and pathogen adaptation to become cryptic (so that infection cannot be seen on the host). Since not always these two predicted characteristics agree with actual observations, we use mathematical models to look for mechanisms that lead to only partial sterilization and crypticity.

Evolution of Allee effects

Allee efekt nastává, klesá-li s klesající velikostí či hustotou populace zdatnost jedinců. S každým Allee efektem je tedy spojen určitý dědičný znak ovlivňující zdatnost a tedy podléhající přirozenému výběru. U Allee efektu, který vzniká díky klesající šanci nalézt si partnera při klesajících populačních hustotách, takovým znakem může být rychlost hledání partnera či doba, po kterou si může samice po pohlavním styku uchovat spermie.

Protože přítomnost Allee efektu snižuje zdatnost jedince, dalo by se očekávat, že se u těchto jedinců budou znaky vyvíjet tak, aby se zdatnost zvyšovala. Allee efekt by se tak měl zeslabovat nebo případně úplně vymizet. Může se zdát, že tomu tak je, neboť například adaptací pro snazší nalezení partnera pozorujeme mnoho, ať už jde o pohlavní či agregační feromony, ptačí zpěv, kvákání žab, schopnost se efektivně pohybovat, či schopnost proklamovat svou kvalitu skrze čestné signály. Na druhou stranu je Allee efekt, který vzniká díky klesající šanci nalézt si partnera při klesajících populačních hustotách, nejpozorovanějším typem Allee efektu. Musí tedy existovat nějaké evoluční tlaky, které “udržují Allee efekt při životě”.

Odpovědí zde mohou být časté kompromisy v životních strategiích, například pozorování, že rychlejší pohyb může vést ke snížení reprodukce či zvýšení mortality, jak ukazujeme v práci Berec et al. (2018a) a také v článku Berec et al. (2018b). Může ale také docházet k tomu, že znaky, které jsou výhodné při nízkých hustotách, nemusí být výhodné při hustotách vysokých. Při vysokých hustotách tak vlastně může docházet k zesílení Allee efektu, i když toto zesílení se navenek nijak moc neprojeví, neboť při vysokých hustotách jsou Allee efekty víceméně latentní. Projeví se však výrazně, dojde-li k relativně náhlému poklesu populační hustoty, například vlivem katastrofy či působení člověka. A zdá se, že tohle opravdu funguje, neboť velké množství pozorovaných silných Allee efektů nastává u populací redukovaných vlivem člověka, jak demonstrujeme v článku Gascoigne et al. (2009).