Effects of 17α-ethinyl estradiol on the mating system of the sand goby (Pomatoschistus minutus)

In aquatic environments, endocrine disrupting chemicals (EDCs) that interfere with the endocrinology of males and females form a threat to the maintenance of populations. EDCs are a diverse group of natural and manmade chemicals that already at very low concentrations (at nanogram levels) can have severe effects on reproduction by individuals, e.g. complete sex reversal, feminisation of males, impaired reproduction even resulting in near extinction of populations. With regard to fish, despite the extensive literature on physiological effects of EDCs, very little is known about potential population-level effects. In this thesis, I examined how 17α-ethinyl estradiol (EE2), a synthetic estrogen used in oral contraceptive pills, affects the reproductive behaviour of a marine fish, the sand goby (Pomatoschistus minutus). The aims were fourfold. First, I investigated how exposure to EE2 affects courtship and parental care of sand goby males. Secondly, I looked at effects on the mating system and sexual selection. In the third study, I observed the effects of exposure in a social context where exposed males had to compete with non-exposed males for resources and mates. Finally, I studied the effects of exposure on male-male competition and male aggressive behaviour. This work revealed that EE2 exposure impairs the ability of males to acquire and defend a nest, as well as diminishes the attractiveness of males to females by decreasing their courtship and aggressive behaviour. These effects are harmful for a male whose reproductive success is determined by the ability to compete for limited resources and to attract mates. Furthermore, this thesis showed that selection on male size was relaxed after EE2 exposure and male size had a smaller effect on mating success. These effects can be of a profound nature as they interfere with sexual selection, and may in the long run lead to the loss of traits maintained through sexual selection. The thesis shows that an exposure to environmentally relevant levels of EE2 clearly reduces the chances of individuals to reproduce successfully. Furthermore, it strongly suggests that several types of biomarkers should be used to detect and assess the effects of EDC exposure because severe behavioural effects can sometimes be seen before effects are detectable at the molecular or morphometric level. Behavioural assays should be considered an important complementary tool for the standard ecotoxicological assays because observed behavioural changes have direct and negative effects on fitness, while the connection between changes in molecular expression and fitness may be less obvious.

Hormonitoimintoja häiritsevät kemikaalit (endocrine disrupting chemicals, EDC) ovat huolestuttavasti lisääntyneet vesiympäristössä. Ne ovat laaja ryhmä luontaisia tai ihmisen valmistamia yhdisteitä, jotka vaikuttavat eliöihin jo hyvin pieninä pitoisuuksina (ng/L). EDC-yhdisteiden on todettu häiritsevän alkionkehitystä, feminisoivan koiraita, muuttavan yksilöiden lisääntymiskäyttäytymistä ja pahimmillaan aiheuttavan täydellistä katoa eläinpopulaatioissa. Yhdisteiden fysiologisia vaikutuksia on tutkittu laajalti niin akvaattisilla kuin terrestisilläkin lajeilla, mutta populaatiotason vaikutuksia tunnetaan vielä heikosti. Väitöskirjatyöni tavoitteena oli selvittää miten 17α-etinyyliestradioli (EE2), e-pillereissä käytettävä synteettinen estrogeeni, vaikuttaa hietatokon (Pomatoschistus minutus) lisääntymiskäyttäytymiseen. Tutkimus koostuu neljästä osatyöstä, joista ensimmäisessä tutkin miten EE2 vaikuttaa hietatokkokoiraiden kosinta- ja poikastenhoitokäyttäytymiseen. Toisessa työssä selvitin yhdisteen vaikutuksia lisääntymisjärjestelmään ja seksuaalivalintaan. Kolmannessa työssä tutkin altistuksen vaikutuksia sosiaalisessa kontekstissa: altistetut koiraat kilpailivat ei-altistettujen koiraiden kanssa pesäpaikoista ja parittelukumppaneista. Neljännessä työssä selvitin, miten EE2-altistus vaikuttaa koiraiden aggressiivisuuteen ja niiden keskinäiseen kilpailuun. Väitöskirjatyöni osoitti, että EE2-altistus heikentää hietatokkokoiraiden kykyä kilpailla ja puolustaa pesäpaikkojaan sekä heikentää niiden houkuttelevuutta naaraiden keskuudessa. Altistetut koiraat kosivat naaraita vähemmän ja käyttäytyivät vähemmän aggressiivisesti. Tutkimuksessa havaitut käyttäytymismuutokset ovat erityisen vahingollisia koiraille, koska niiden lisääntymismenestys riippuu kyvystä kilpailla rajallisista pesäpaikoista sekä houkutella naaraita pesäänsä. Työssäni kävi myös ilmi, että EE2-altistus vähensi koiraan kokoon kohdistuvaa valintaa ja täten koiraan lisääntymismenestys ei ollutkaan enää niinkään sen koosta riippuvainen. Havaitut vaikutukset ovat erityisen merkityksellisiä, koska ne liittyvät suoraan seksuaalivalintaan ja sen määräämän parinvalinnan suuntaan. Seksuaalivalinnassa tapahtuvista muutoksista voi seurata sen ylläpitämien ominaisuuksien ja käyttäytymismuotojen heikentyminen ja lopulta katoaminen. Väitöskirjatyöni osoitti, että altistuminen vesiympäristöstä mitatuille EE2-pitoisuuksille heikentää merkittävästi yksilön mahdollisuuksia menestyksekkääseen lisääntymiseen. Tulokset havainnollistivat myös, että selvitettäessä EDC-yhdisteiden vaikutuksia tulisi tutkimuksissa käyttää useita altistumisen biologisia vasteindikaattoreita (biomarkkereita), koska vakavia lisääntymiskäyttäytymisen muutoksia voi ilmetä jopa ennen kuin altistumisen vaikutukset ovat mitattavissa molekyylitasolla ja/tai morfologisina muutoksina. Tässä työssä havaituilla käyttäytymismuutoksilla on suoria negatiivisia vaikutuksia yksilön lisääntymismenestykseen, kun taas molekyylitason biomarkkereilla suora populaatiotason yhteys on usein vaikea osoittaa. Käyttäytymistestit ovat siten tärkeä täydentävä työkalu yleisesti käytössä oleviin ekotoksikologisiin testeihin.