11.2: Reproducción Sexual

Habilidades para Desarrollar

• Explicar que la meiosis y la reproducción sexual son rasgos evolucionados
• Identificar la variación entre las crías como una ventaja evolutiva potencial para la reproducción sexual
• Describir los tres tipos de ciclo de vida diferentes entre los organismos multicelulares sexuales y sus puntos en común

La reproducción sexual fue una innovación evolutiva temprana después de la aparición de células eucariotas. Parece haber tenido mucho éxito porque la mayoría de los eucariotas son capaces de reproducirse sexualmente, y en muchos animales, es el único modo de reproducción. Y sin embargo, los científicos reconocen algunas desventajas reales para la reproducción sexual. En la superficie, la creación de crías que son clones genéticos del progenitor parece ser un mejor sistema. Si el organismo progenitor está ocupando exitosamente un hábitat, la descendencia con los mismos rasgos tendría un éxito similar. También existe el beneficio obvio para un organismo que puede producir descendencia siempre que las circunstancias sean favorables por gemación asexual, fragmentación o huevos asexuales. Estos métodos de reproducción no requieren de otro organismo del sexo opuesto. En efecto, algunos organismos que llevan un estilo de vida solitario han conservado la capacidad de reproducirse asexualmente. Además, en poblaciones asexuales, cada individuo es capaz de reproducirse. En poblaciones sexuales, los machos no están produciendo la descendencia ellos mismos, por lo que en teoría una población asexual podría crecer el doble de rápido.

Sin embargo, los organismos multicelulares que dependen exclusivamente de la reproducción asexual son extremadamente raros. ¿Por qué es tan común la sexualidad (y la meiosis)? Esta es una de las preguntas importantes sin respuesta en biología y ha sido el foco de mucha investigación a partir de la segunda mitad del siglo XX. Existen varias explicaciones posibles, una de las cuales es que la variación que crea la reproducción sexual entre las crías es muy importante para la supervivencia y reproducción de la población. Así, en promedio, una población que se reproduce sexualmente dejará más descendientes que una población que se reproduce asexualmente de otra manera similar. La única fuente de variación en los organismos asexuales es la mutación. Esta es la última fuente de variación en los organismos sexuales, pero además, esas diferentes mutaciones se redistribuyen continuamente de una generación a la siguiente cuando diferentes padres combinan sus genomas únicos y los genes se mezclan en diferentes combinaciones mediante cruces durante la profase I y al azar surtido en la metafase I.

Conexión de la evolución: La hipótesis de la reina roja

No se pone en duda que la reproducción sexual proporciona ventajas evolutivas a los organismos que emplean este mecanismo para producir descendencia. Pero, ¿por qué, incluso ante condiciones bastante estables, persiste la reproducción sexual cuando es más difícil y costosa para los organismos individuales? La variación es el resultado de la reproducción sexual, pero ¿por qué son necesarias las variaciones continuas? Entra en la hipótesis de la Reina Roja, propuesta por primera vez por Leigh Van Valen en 1973. ¹ El concepto fue nombrado en referencia a la carrera de la Reina Roja en el libro de Lewis Carroll, Through the Looking-Glass.

Todas las especies coevolucionan con otros organismos; por ejemplo, los depredadores evolucionan con sus presas y los parásitos evolucionan con sus hospederos. Cada pequeña ventaja obtenida por la variación favorable le da a una especie una ventaja sobre competidores cercanos, depredadores, parásitos o incluso presas. El único método que permitirá que una especie en coevolución mantenga su propia parte de los recursos es también mejorar continuamente su aptitud. A medida que una especie gana ventaja, esto aumenta la selección de la otra especie; también deben desarrollar una ventaja o serán superadas. Ninguna especie avanza demasiado por delante porque la variación genética entre la progenie de la reproducción sexual proporciona a todas las especies un mecanismo para mejorar rápidamente. Las especies que no pueden mantenerse se extinguen. El frase de la Reina Roja era: “Se necesita toda la carrera que puedas hacer para quedarte en el mismo lugar”. Esta es una descripción acertada de la coevolución entre especies competidoras.

Ciclos de Vida de Organismos de Reproducción Sexual

La fertilización y la meiosis se alternan en los ciclos de vida sexual. Lo que ocurra entre estos dos eventos depende del organismo. El proceso de meiosis reduce a la mitad el número de cromosomas. La fertilización, la unión de dos gametos haploides, restaura la condición diploide. Existen tres categorías principales de ciclos de vida en organismos multicelulares: diploide-dominante, en la que la etapa diploide multicelular es la etapa de vida más obvia, como ocurre con la mayoría de los animales incluyendo a los humanos; haploide dominante, en la que la etapa haploide multicelular es la más etapa obvia de la vida, como con todos los hongos y algunas algas; y alternancia de generaciones, en la que las dos etapas son aparentes en diferentes grados dependiendo del grupo, como ocurre con las plantas y algunas algas.

Ciclo de Vida Diploide-Dominante

Casi todos los animales emplean una estrategia de ciclo de vida diploide dominante en la que las únicas células haploides producidas por el organismo son los gametos. Al principio del desarrollo del embrión, se producen células diploides especializadas, llamadas células germinales, dentro de las gónadas, como los testículos y los ovarios. Las células germinales son capaces de mitosis para perpetuar la línea celular y meiosis para producir gametos. Una vez que se forman los gametos haploides, pierden la capacidad de volver a dividirse. No hay etapa de vida haploide multicelular. La fertilización ocurre con la fusión de dos gametos, generalmente de diferentes individuos, restaurando el estado diploide (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): En animales, los adultos que se reproducen sexualmente forman gametos haploides a partir de células germinales diploides. La fusión de los gametos da lugar a un óvulo fertilizado, o cigoto. El cigoto se someterá a múltiples rondas de mitosis para producir una descendencia multicelular. Las células germinales se generan temprano en el desarrollo del cigoto.

Ciclo de Vida Haploide-Dominante

La mayoría de los hongos y algas emplean un tipo de ciclo de vida en el que el “cuerpo” del organismo, la parte ecológicamente importante del ciclo de vida, es haploide. Las células haploides que conforman los tejidos de la etapa multicelular dominante están formadas por mitosis. Durante la reproducción sexual, las células haploides especializadas de dos individuos, designados los tipos de apareamiento (+) y (−), se unen para formar un cigoto diploide. El cigoto se somete inmediatamente a meiosis para formar cuatro células haploides llamadas esporas. Aunque haploides como los “padres”, estas esporas contienen una nueva combinación genética de dos progenitores. Las esporas pueden permanecer inactivas durante varios periodos de tiempo. Eventualmente, cuando las condiciones son propicias, las esporas forman estructuras haploides multicelulares por muchas rondas de mitosis (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): Los hongos, como el moho del pan negro (Rhizopus nigricans), tienen ciclos de vida haploide-dominantes. El estadio multicelular haploide produce células haploides especializadas por mitosis que se fusionan para formar un cigoto diploide. El cigoto se somete a meiosis para producir esporas haploides. Cada espora da lugar a un organismo haploide multicelular por mitosis. (micrografía de crédito “zygomycota”: modificación de obra por “Fanaberka” /Wikimedia Commons)

Si se produce una mutación para que un hongo ya no pueda producir un tipo de apareamiento negativo, ¿seguirá siendo capaz de reproducirse?

Alternancia de Generaciones

El tercer tipo de ciclo de vida, empleado por algunas algas y todas las plantas, es una mezcla de los extremos haploide-dominante y diploide dominante. Las especies con alternancia de generaciones tienen organismos multicelulares tanto haploides como diploides como parte de su ciclo de vida. A las plantas haploides multicelulares se les llama gametofitos, porque producen gametos a partir de células especializadas. La meiosis no está directamente involucrada en la producción de gametos en este caso, porque el organismo que produce los gametos ya es un haploide. La fertilización entre los gametos forma un cigoto diploide. El cigoto sufrirá muchas rondas de mitosis y dará lugar a una planta multicelular diploide llamada esporófito. Las células especializadas del esporofito sufrirán meiosis y producirán esporas haploides. Las esporas se desarrollarán posteriormente en los gametofitos (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): Las plantas tienen un ciclo de vida que alterna entre un organismo haploide multicelular y un organismo diploide multicelular. En algunas plantas, como los helechos, tanto la etapa haploide como la diploide son de vida libre. La planta diploide se llama esporofita porque produce esporas haploides por meiosis. Las esporas se desarrollan en plantas haploides multicelulares llamadas gametofitos porque producen gametos. Los gametos de dos individuos se fusionarán para formar un cigoto diploide que se convierte en el esporófito. (crédito “helecho”: modificación de obra de Cory Zanker; crédito “esporangios”: modificación de obra por “Alma de obsidiana”/Wikimedia Commons; crédito “gametofito y esporófito”: modificación de obra por “Vlmastra”/Wikimedia Commons)

Aunque todas las plantas utilizan alguna versión de la alternancia de generaciones, el tamaño relativo del esporófito y el gametofito y la relación entre ellos varían mucho. En plantas como el musgo, el organismo gametofito es la planta de vida libre, y el esporófito depende físicamente del gametofito. En otras plantas, como los helechos, tanto las gametófitas como las esporófitas son de vida libre; sin embargo, el esporófito es mucho más grande. En plantas semilleras, como magnolias y margaritas, el gametofito está compuesto por solo unas pocas células y, en el caso del gametofito femenino, queda completamente retenido dentro del esporófito.

La reproducción sexual toma muchas formas en los organismos multicelulares. Sin embargo, en algún momento de cada tipo de ciclo de vida, la meiosis produce células haploides que se fusionarán con la célula haploide de otro organismo. Los mecanismos de variación —cruce, surtido aleatorio de cromosomas homólogos y fertilización aleatoria— están presentes en todas las versiones de reproducción sexual. El hecho de que casi todos los organismos multicelulares de la Tierra empleen la reproducción sexual es una fuerte evidencia de los beneficios de producir descendencia con combinaciones de genes únicas, aunque también hay otros beneficios posibles.

Resumen

Casi todos los eucariotas se someten a reproducción sexual. La variación introducida en las células reproductivas por la meiosis parece ser una de las ventajas de la reproducción sexual que la ha hecho tan exitosa. La meiosis y la fertilización se alternan en los ciclos de vida sexual. El proceso de meiosis produce células reproductivas únicas llamadas gametos, que tienen la mitad del número de cromosomas que la célula madre. La fertilización, la fusión de gametos haploides de dos individuos, restaura la condición diploide. Así, los organismos de reproducción sexual se alternan entre los estadios haploide y diploide. Sin embargo, las formas en que se producen las células reproductivas y el tiempo entre la meiosis y la fertilización varían mucho. Existen tres categorías principales de ciclos de vida: diploide-dominante, demostrada por la mayoría de los animales; haploide dominante, demostrada por todos los hongos y algunas algas; y la alternancia de generaciones, demostrada por plantas y algunas algas.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{2}\): Si ocurre una mutación para que un hongo ya no pueda producir un tipo de apareamiento negativo, ¿seguirá siendo capaz de reproducirse?

Contestar

Sí, podrá reproducirse asexualmente.

Notas al pie

1. 1 Leigh Van Valen, “Una nueva ley evolutiva”, teoría evolutiva 1 (1973): 1—30

Glosario

alternancia de generaciones

tipo de ciclo de vida en el que se alternan las etapas diploide y haploide

diploide-dominante

tipo de ciclo de vida en el que prevalece el estadio diploide multicelular

haploide-dominante

tipo de ciclo de vida en el que prevalece el estadio haploide multicelular

gametofitos

una etapa del ciclo de vida haploide multicelular que produce gametos

células germinales

línea celular especializada que produce gametos, como óvulos o espermatozoides

ciclo de vida

la secuencia de eventos en el desarrollo de un organismo y la producción de células que producen descendencia

esporófito

una etapa del ciclo de vida diploide multicelular que produce esporas haploides por meiosis