El fascinante proceso de fecundación: Más allá del espermatozoide más rápido
En alguna ocasión habrás escuchado esta frase para hacerte sentir mejor: “Cuando te sientas mal, recuerda que tú fuiste el espermatozoide más rápido”. Quizá esa es una de las frases más famosas a la hora de intentar motivar a un amigo o persona cercana de su gran potencial. Usada en primera persona suele representar también el modo en que muchas personas fanfarronean acerca de su inteligencia o de su excelencia en ciertas actividades.
Sin embargo, nada más lejos de la realidad. Realmente, la idea de que es el espermatozoide más veloz aquel que consigue fecundar al óvulo y generar descendencia es únicamente un mito de la biología. Ahora se conoce, gracias al trabajo de diversos científicos, que no solo esta “carrera” es falsa, si no que el papel que juega el óvulo en todo el proceso de fecundación es mucho más activo y determinante de lo que se creía antiguamente.
La membrana pelúcida: Una barrera protectora con un rol clave
En verdad, el óvulo está rodeado de una capa exterior translúcida conocida como membrana pelúcida. Esta actúa como una barrera defensora de la célula que la protege de elementos extraños y evita que, una vez un espermatozoide la atraviesa, otros entren a posteriori. Además, cuenta con una serie de sustancias químicas en su composición que reconocen a los propios espermatozoides y los atrae. De hecho, sin esta acción atractiva, los gametos masculinos pasarían de largo sin detectar a los femeninos.
De esta forma, cuando los espermatozoides alcanzan el óvulo deben ir rompiendo y debilitando esa membrana, con el objetivo de entrar y fecundarlo. Es decir, si tenemos en cuenta que en una eyaculación se encuentran de 20 a 150 millones de espermatozoides por mililitro, podemos afirmar que los primeros millones de ellos, “los más rápidos”, serán realmente los que se sacrificarán para ir debilitando la membrana. Sin embargo, los primeros en llegar no lo conseguirán: quedarán débiles y cederán el trabajo a los siguientes.
El lugar y el momento exactos
La teoría es evidente: si todo va adecuadamente, una vez que un espermatozoide entra en contacto con un óvulo y lo penetra, este se cierra. De esta forma, el gameto femenino impide que otros espermatozoides entren en él, y asegura el desarrollo seguro del embrión. Probablemente, siguiendo este razonamiento es como se ha derivado en la creencia de que es el primero que llega el que entra y “deja al resto a las puertas”.
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Así, una vez la membrana está lo suficientemente debilitada, el espermatozoide puede entrar. Esto significa que no será el más rápido, si no aquel que se encuentre en el lugar exacto y en el momento adecuado el que contacte con la membrana, la traspase y consiga fecundarlo. La membrana pelúcida se mantiene como un elemento protector mientras el cigoto se va dividiendo. Esto ocurre durante los primeros 5 días tras la fecundación, cuando las dos células que dan inicio a la formación del embrión empiezan a dividirse y crear más. Tras este proceso, el embrión tiene sus células claramente diferenciadas y pasa a llamarse blastocisto. Es aquí cuando la membrana se degenera y desaparece, justo antes de que comience la fase de implantación.
El óvulo seleccionador: Un papel activo en la elección del material genético
No obstante, un estudio publicado por el genetista Joseph H. Nadeau podría darle aún un giro más al proceso. Y es que, este científico de la Universidad de Washington afirmó que, ya no solo no es el primer espermatozoide el que da lugar a la fecundación, si no que el óvulo ejerce un importante papel seleccionador. Es decir, el óvulo escoge o rechaza los espermatozoides que pueden entrar, una vez la membrana se ha debilitado, según la calidad del ADN que porten.
De hecho, ya en el año 2013 Matthew Gage, investigador en la Universidad East Anglia, en Inglaterra, observó este comportamiento en un experimento realizado con peces. En él, tomaba huevos de peces hembra, como salmón y trucha, y los ponía a disposición de un grupo mezcla de peces macho de ambas especies. El resultado fue que el 70% de los huevos de cada clase se fecundaron con esperma proveniente de peces de la misma especie. Esto, propuso Gage, se debe a la combinación de dos fenómenos: la atracción que sienten los espermatozoides por el óvulo de la misma especie (por la composición química de la membrana pelúcida), así como la selección que hacen los propios óvulos, permitiendo únicamente la fecundación por parte del ADN complementario.
Este descubrimiento tuvo una gran importancia para la comunidad científica pues, no solo daba una cierta complejidad y trasfondo a la simple ley de aleatoriedad genética de Mendel, si no que rompió con la imagen de elemento pasivo que proyectaba la figura del óvulo.
Una nueva perspectiva
Un buen ejemplo de un caso de selección “no aleatoria” por parte del óvulo, es uno de los experimentos realizados por H. Nadeau con roedores. En una primera fase, el científico agregó a las hembras de ratones un gen normal y un gen mutante, cancerígeno, dejando a todos los ratones machos con los genes normales y sanos. El resultado respondió exactamente a las leyes propuestas por Mendel: cada padre lleva dos copias de cada gen, ambos normales, y la fertilización ocurre de forma aleatoria.
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Sin embargo, en una segunda fase, fue a los ratones macho a quienes agregó un gen mutante y uno normal, manteniendo esta vez los de las hembras normales. Los resultados ahora fueron desconcertantes de acuerdo a las leyes clásicas: solo un 27% de los ratones tenían el gen mutante. Es decir, la fertilización no había ocurrido de manera completamente aleatoria, y los óvulos sanos habían rechazado a cierta parte de los espermatozoides con mutación, minimizando la posiblidad de una descendencia que porte esta mutación. Por su parte, en el primer experimento los espermatozoides no presentaron ningún tipo de actitud selectiva, y fertilizaron de igual forma a óvulos sanos y enfermos.
Por lo tanto y, en contra de la imagen popular, se confirmó que el óvulo presenta un papel tan importante durante la fecundación como el del espermatozoide.
El movimiento de los espermatozoides: Un giro inesperado
Han pasado más de 340 años desde que Antonie van Leeuwenhoek, el padre de la microbiología y a quien debemos el descubrimiento de los espermatozoides, usó uno de los primeros microscopios de la historia para descubrir aquellos “animáculos” (como él denominaba), dotados de una "cola, que, al nadar, azota con un movimiento de serpiente, como anguilas en el agua". Hasta ahora la comunidad científica había dado por sentado que así era como se desplazaban los gametos masculinos, agitando la cola hasta alcanzar su objetivo. Sin embargo, un equipo multidisciplinar de investigadores de las Universidades de Bristol y Autónoma de México han llegado a una conclusión distinta: los espermatozoides no se mueven ‘como anguilas en el agua’, sino que se desplazan siguiendo un patrón algo más complejo, con movimientos repetitivos de la cabeza, siempre hacia un mismo lado y girando sobre sí mismos, como lo harían, por ejemplo, un grupo de nutrias juguetonas nadando en un pantano.
Para estudiar el verdadero movimiento de estas células sexuales, los doctores Hermes Gadelha, del deparatmento de Matemáticas aplicadas de la Universidad de Bristol, y Gabriel Cordiki y Alberto Darszon, de la Universidad Autónoma de México, se valieron de cálculos matemáticos y un microscopio en 3D de alta definición. Luego utilizaron una cámara capaz de grabar cerca de 55.000 fotogramas por segundo y dispusieron las muestras en dispositivo piezoeléctrico para mover las muestras arriba y abajo a una velocidad increíblemente alta.
En realidad, los espermatozoides se mueven solo hacia un lado
Las conclusiones del estudio, publicadas en la revista especializadaScience Advances, desvela que la cola de los espermatozoides está, de hecho, torcida, y solo se contornea hacia uno de los lados en un movimiento dirigido por la cabeza. Un comportamiento así debería resultar en un desplazamiento en círculos. Sin embargo, todos sabemos que las células sexuales avanzan sin freno hacia delante en busca de su objetivo: un óvulo al que fecundar. ¿Cómo lo consiguen?
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"Los espermatozoides humanos se dan cuenta de que si ruedan mientras nadan, al igual que hacen las las nutrias juguetonas que hacen tirabuzones en el agua, su movimiento hacia un único lado se equilibraría, resultando de ello un desplazamiento hacia adelante", explica el Dr. Gadelha, del departamento de Ingeniería y Matemáticas de la Universidad de Bristol y experto el estudio matemático aplicado a la fertilidad.
De la asimetría a la simetría
"El giro rápido y altamente sincronizado de los espermatozoides es en realidad una ilusión óptica como resultado de los microscopios en 2D. Cuando utilizamos estos instrumentos, los gametos parecen moverse de forma simétrica, ‘como anguilas en el agua’, tal y como los describió Leeuwenhoek en el siglo XVII- apunta el científico- Sin embargo, nuestra investigación nos muestra que han desarrollado esta técnica natatoria para compensar sus movimientos unidireccionales. “Durante mucho tiempo únicamente disponíamos de imágenes de microscopio en 2D -explica el investigador a National Geographic España-, con lo que no podíamos más que tener una fe ciega en aquello que veíamos”.
Actualmente, los dispositivos de última generación asistidos por ordenador -disponibles hoy tanto en clínicas de reproducción asistida como en el ámbito de la investigación- consiguen imágenes mucho más precisas que nos permiten esclarecer la morfología y el movimiento de organismos microscópicos.
“¿Por qué han ideado los espermatozoides esta técnica de locomoción? ¿Tiene alguna explicación evolutiva?”, preguntamos al experto. “Es como si preguntásemos: ¿podemos leer la mente de la naturaleza? -responde- Es algo difícil de responder.
Partenogénesis: La reproducción sin necesidad de espermatozoide
La gran mayoría de los animales necesitan aparearse para tener descendencia. Pero un pequeño subgrupo de animales puede tener crías sin aparearse. Este proceso, llamado partenogénesis, permite que criaturas como las serpientes de cascabel o las abejas melíferas tengan los denominados «nacimientos virginales».
Estos fenómenos pueden sorprender a quienes cuidan de los animales. Entre los ejemplos figuran un tiburón cebra llamado Leonie, que vivía con otros tiburones hembra en el Reef HQ Aquarium de Australia y que dejó atónitos a sus cuidadores en 2016 cuando eclosionaron crías vivas de tres de sus huevos.
Unos años antes, en el Zoo de Louisville, en Kentucky, una pitón reticulada llamada Thelma -que nunca había visto siquiera a una pitón macho- puso seis huevos que acabarían convirtiéndose en seis jóvenes serpientes sanas. Y en 2006, en el Zoo de Chester, en Inglaterra, un dragón de Komodo llamado Flora logró una hazaña similar, desconcertando a sus cuidadores.
Cómo funciona
La reproducción sexual consta de dos ingredientes: un óvulo y un espermatozoide. Cada uno proporciona la información genética necesaria para crear un organismo vivo. En cambio, en la partenogénesis el cuerpo halla una forma única de remplazar los genes que suele aportar el esperma.
Los ovarios producen óvulos mediante un proceso complejo llamado meiosis, en el que las células se multiplican, se reorganizan y se separan. Estos óvulos solo contienen la mitad de los cromosomas de la madre, con una copia de cada cromosoma. (Estas se denominan células haploides; las células que contienen dos copias cromosómicas se denominan células diploides.)
El proceso de la meiosis también genera un subproducto: células más pequeñas llamados corpúsculos polares, diferentes del óvulo fértil. En una versión de la partenogénesis denominada automixis, un animal puede combinar un corpúsculo polar con un óvulo para producir crías. Este proceso, que se ha documentado en tiburones, mezcla ligeramente los genes de la madre para generar crías que son similares a la madre, pero no clones exactos.
En otra forma de la partenogénesis, la apomixis, las células reproductivas se multiplican mediante la mitosis, un proceso en el que la célula se duplica para crear dos células diploides, una especie de copipega genético. Como estas células nunca se someten al proceso de mezcla de genes de la meiosis, las crías producidas de esta forma son clones de su progenitor, genéticamente idénticas. Esta forma de partenogénesis es más habitual en plantas.
En la mayoría de los organismos que se reproducen del primer modo, por automixis, las crías suelen recibir dos cromosomas X de su madre. Los dos cromosomas X, el almacén genético primario vinculado al sexo, solo producen crías hembra.
Pero en casos raros, animales como los áfidos pueden producir crías macho fértiles que son genéticamente idénticas a su madre salvo por la falta de un segundo cromosoma X. Estos machos suelen ser fértiles, pero como solo son capaces de producir esperma que contiene cromosomas X, todas sus crías serán hembras.
Criaturas grandes y pequeñas
Durante millones de años, los animales se han reproducido mediante la partenogénesis, que surgió en los organismos más pequeños y simples. En animales más avanzados, como los vertebrados, los científicos creen que la capacidad de reproducirse de forma asexual apareció como último recurso para especies que vivían en condiciones adversas. Esto podría explicar por qué la partenogénesis es posible en tantas especies desérticas e insulares.
La mayoría de los animales que procrean mediante la partenogénesis son invertebrados pequeños, como las abejas, las avispas, las hormigas y los áfidos, que pueden alternar entre la reproducción sexual y asexual.
La partenogénesis se ha observado en más de 80 especies de vertebrados, casi la mitad de las cuales son peces o lagartos. Es raro que los vertebrados complejos como los tiburones, las serpientes y los lagartos grandes recurran a la reproducción asexual, por eso Leonie y los otros animales desconcertaron a los científicos.
Como es difícil saber con qué frecuencia se da la partenogénesis en estado silvestre, muchos de los «primeros» casos de reproducción asexual se han documentado en animales en cautividad. Para los vertebrados, ya sea en el medio natural o en cautividad, estos «partos virginales» son fenómenos raros desencadenados por condiciones inusuales.
No se conoce ningún mamífero que se reproduzca de este modo porque, a diferencia de organismos más simples, los mamíferos dependen de un proceso denominado impronta genética. Como si fuera un sello molecular, la impronta etiqueta qué genes son de la madre y cuáles son del padre. En mamíferos como los humanos, esto quiere decir que determinados genes se activan o se desactivan según el progenitor contribuyente. Si solo hubiera un único progenitor, algunos genes no se activarían, lo que imposibilitaría tener crías viables.
Sin embargo, la partenogénesis se ha inducido de forma experimental en varios mamíferos, como los conejos.
Una estrategia de supervivencia en solitario
En algunos casos muy raros, las especies de animales se reproducen solo mediante partenogénesis. Una de esas especies es el lagarto Aspidoscelis uniparens, que son solo hembras.
En determinados insectos, salamandras y platelmintos, la presencia de esperma sirve para desencadenar la partenogénesis. Los espermatozoides ponen en marcha el proceso penetrando en el óvulo, pero más adelante el esperma se degenera y deja solo los cromosomas maternos. En este caso, el esperma solo desencadena el desarrollo de un óvulo, pero no realiza ninguna aportación genética.
La capacidad de reproducirse de forma asexual permite que los animales transmitan sus genes sin gastar energía en buscar pareja y también pueden sustentar a una especie en condiciones difíciles. Si un dragón de Komodo llega a una isla deshabitada, por ejemplo, la hembra puede crear una población a través de la partenogénesis.
Sin embargo, como cada individuo será genéticamente idéntico, las madres dragones de Komodo y sus hijas serían más vulnerables a las enfermedades y los cambios ambientales que un grupo genéticamente variado.
La reproducción en abejas: Un modelo social complejo
Las abejas, Apis mellifera L., son insectos sociales que viven en colonias perfectamente organizadas donde cada uno de los individuos se encarga de una función determinada de acuerdo con su desarrollo físico y edad. Cada colonia tiene una reina. La reina es la única abeja fértil de la colmena y es la encargada de poner los huevos que formarán las nuevas generaciones de abejas. Físicamente, se diferencia del resto de abejas por su abdomen más alargado.
Siendo el mismo huevo el de una obrera y una reina, éste dará una abeja reina al alimentar las obreras a la larva exclusivamente con jalea real durante todo el periodo larvario. La celda en la que se cría (realera), además, es mucho más grande que el resto y vertical, con forma de cacahuete. Unos días después, la abeja reina realiza uno o varios vuelos nupciales en los que será fecundada por varios machos (de 15 a 20 en nuestra zona), que morirán tras la cópula.
Aparte de poner huevos, la abeja reina se encarga de la cohesión de la colmena mediante la emisión de feromonas. Las abejas obreras son las otras hembras de la colmena. En la colonia, conviven distintas generaciones de abejas obreras que trabajan de manera conjunta y coordinada, y, en función de su edad y las necesidades de la colonia, realizan diferentes tareas.
Los zánganos son los machos reproductores, encargados de la fecundación de las reinas y, en algunas situaciones, colaboran en la ventilación de la colmena. Cuando la reina, al ir a depositar el huevo en la celda, detecta que ésta tiene mayor tamaño que el de una obrera, deposita en ella un huevo sin fecundar, que dará lugar a un zángano.
La reina, una vez fecundada, comienza con la puesta de los huevos pasados unos días. Éstos son blancos, cilíndricos y alargados, de una longitud entre 1.3 a 1.8 mm. La fase de huevo tiene una duración de tres días. A medida que se desarrolla el embrión en su interior, el huevo se va inclinando, hasta quedar tumbado en el suelo de la celda. La pequeña larva recién nacida está enroscada como un arco que, al crecer, va aumentando su curvatura cada vez más. Presenta un color blanquecino, sin ojos ni antenas.
Tras el nacimiento, estas larvas sufren mudas consecutivas que contribuyen a su crecimiento. La duración del estadio larvario es distinta en las diferentes castas, siendo inferior en la abeja reina que en las abejas obreras y los zánganos. Durante esta etapa, son alimentadas por las abejas nodrizas (abejas jóvenes), que les darán jalea real los tres primeros días de vida y posteriormente pan de abeja (mezcla de polen y miel) hasta que pasen al estado de pupa. Esto no es válido para aquellas destinadas a ser reinas, que continuarán alimentándose de jalea real.
En el último estadio larvario, las obreras adultas operculan la celda con una capa de cera, y la larva construye un capullo (pupario) de seda en el que ocurrirá la metamorfosis hasta la formación del adulto. La metamorfosis comienza por un estrechamiento de los anillos que se convertirán en la región cefálica y torácica, y sigue con la diferenciación de las tres partes del insecto (cabeza, tórax y abdomen) y la de sus extremidades torácicas (patas y, finalmente, alas). Los ojos compuestos son la primera estructura que empieza a tomar color, cambiando de blanco a violeta. Poco después, el resto del cuerpo comienza a tomar la coloración de la abeja adulta.
Una vez el adulto se ha formado, emergen de la celdilla rompiendo el opérculo con las mandíbulas.
Tareas de las abejas obreras según su edad
En la colonia, conviven distintas generaciones de abejas obreras que trabajan de manera conjunta y coordinada, y, en función de su edad y las necesidades de la colonia, realizan diferentes tareas.
| Días | Tareas |
|---|---|
| Del 2º al 12º | Limpiar celdas y calentar a la cría. Alimentar a las larvas (se les llama abejas nodrizas). Producción de jalea real. |
| Del 12º al 16º | Producción de cera y construcción de panales. En caso de ser necesario, están capacitadas para la crianza de una nueva reina mediante construcción de la celda real. |
| Del 17º al 21º | Defensa de la entrada de la colmena. |
| Del 22º al 42º | Recolección de néctar, polen, propóleos y agua en el campo. |
La reproducción en peces: Un mundo de diversidad
La mayoría de los peces óseos son ovíparos, con fecundación externa (ovulíparos). Los huevos son expulsados al exterior y posteriormente fecundados. El número de huevos varía entre especies. Desde unos pocos de gran tamaño, depositados sobre el sustrato y con desarrollo directo, como en los chafarrocas (Lepadogaster candolii); hasta millones de huevos liberados en la columna de agua, como es el caso de los peces mula (Mola mola), donde una vez eclosionados pasan por diferentes estados larvarios antes de llegar a adultos. El más fácil de ver, por la abundancia de esta especie, es el de la castañuela Chromis chromis.
Tiene lugar a principios del verano, momento en que los machos bajan al fondo y limpian una pequeña superficie rocosa. Sobre ella intentan convencer a las hembras, mediante danzas nupciales, de que depositen allí sus huevos. Los machos de los caballitos y los peces pipa incuban la puesta en una bolsa.
El dimorfismo sexual puede ser permanente (por ejemplo la coloración y tamaño en los lábridos) o tener lugar sólo durante el periodo de reproducción. Los machos de Tripterygion delaisi cambian de color durante el periodo de reproducción.
La mayor variedad de tipos de reproducción se da en los elasmobranquios. Durante la cópula, en muchas especies, el macho muerde una de las aletas pectorales de la hembra, para fijarse a ella, facilitando de esta manera la introducción del pterigopodio. En este grupo puede haber oviparismo, como es el caso de la pintarroja (Scyliorhinus canicula). La hembra deposita un huevo por oviducto en cada puesta. La mielga (Squalus acanthias) presenta ovoviviparismo o viviparismo aplacentario. La gestación dura unos 22 meses, al final de la cual "pare" unas 10 crías de unos 25 cm. de longitud.
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