Reproducción sexual

La reproducción sexual es un tipo de reproducción que implica un ciclo de vida complejo en el que un gameto (como un espermatozoide o un óvulo) con un solo juego de cromosomas (haploide) se combina con otro para producir un cigoto que se desarrolla en un organismo compuesto de células. con dos juegos de cromosomas (diploide). La reproducción sexual es el ciclo de vida más común en eucariotas multicelulares, como animales, hongos y plantas. La reproducción sexual no ocurre en los procariotas (organismos sin núcleo celular), pero tienen procesos con efectos similares como la conjugación, transformación y transducción bacteriana, que pueden haber sido precursores de la reproducción sexual en los primeros eucariotas.

En la producción de células sexuales en eucariotas, las células madre diploides se dividen para producir células haploides conocidas como gametos en un proceso llamado meiosis que implica una recombinación genética. Los cromosomas homólogos se emparejan para que sus secuencias de ADN estén alineadas entre sí, y esto es seguido por un intercambio de información genética entre ellos. Luego, dos rondas de división celular producen cuatro gametos haploides, cada uno con la mitad del número de cromosomas de cada célula progenitora, pero con la información genética en los cromosomas progenitores recombinada. Dos gametos haploides se combinan en una célula diploide conocida como cigoto en un proceso llamado fertilización. El cigoto incorpora material genético de ambos gametos. Múltiples divisiones celulares, sin cambio en el número de cromosomas, luego forman una fase o generación diploide multicelular.

En la reproducción humana, cada célula contiene 46 cromosomas en 23 pares. La meiosis en las gónadas de los padres produce gametos que contienen cada uno solo 23 cromosomas que son recombinantes genéticos de las secuencias de ADN contenidas en los cromosomas de los padres. Cuando los núcleos de los gametos se juntan para formar un óvulo fertilizado o cigoto, cada célula del niño resultante tendrá 23 cromosomas de cada padre, o 46 en total.

Solo en las plantas, la fase diploide, conocida como esporofito, produce esporas por meiosis que germinan y luego se dividen por mitosis para formar una fase multicelular haploide, el gametofito, que produce gametos directamente por mitosis. Este tipo de ciclo de vida, que implica la alternancia entre dos fases multicelulares, el gametofito haploide sexual y el esporofito diploide asexual, se conoce como alternancia de generaciones.

La evolución de la reproducción sexual se considera paradójica, porque la reproducción asexual debería poder superarla, ya que cada organismo joven creado puede tener su propia cría. Esto implica que una población asexual tiene una capacidad intrínseca para crecer más rápidamente con cada generación. Este costo del 50% es una desventaja de aptitud física de la reproducción sexual. El costo doble del sexo incluye este costo y el hecho de que cualquier organismo solo puede transmitir el 50% de sus propios genes a su descendencia. Una ventaja definitiva de la reproducción sexual es que impide la acumulación de mutaciones genéticas.

La selección sexual es un modo de selección natural en el que algunos individuos superan en reproducción a otros de una población porque son mejores para asegurar parejas para la reproducción sexual. Se ha descrito como "una poderosa fuerza evolutiva que no existe en las poblaciones asexuales".

Evolución

La primera evidencia fosilizada de reproducción sexual en eucariotas es del período Stenian, hace unos 1.050 millones de años.

Los biólogos que estudian la evolución proponen varias explicaciones para el desarrollo de la reproducción sexual y su mantenimiento. Estas razones incluyen la reducción de la probabilidad de acumulación de mutaciones nocivas, el aumento de la tasa de adaptación a entornos cambiantes, el manejo de la competencia, la reparación del ADN y el enmascaramiento de mutaciones nocivas. Todas estas ideas sobre por qué se ha mantenido la reproducción sexual generalmente se apoyan, pero en última instancia, el tamaño de la población determina si la reproducción sexual es completamente beneficiosa. Las poblaciones más grandes parecen responder más rápidamente a algunos de los beneficios obtenidos a través de la reproducción sexual que las poblaciones más pequeñas.

El mantenimiento de la reproducción sexual ha sido explicado por teorías que funcionan en varios niveles de selección, aunque algunos de estos modelos siguen siendo controvertidos. Sin embargo, los modelos más nuevos presentados en los últimos años sugieren una ventaja básica para la reproducción sexual en organismos complejos de reproducción lenta.

La reproducción sexual permite que estas especies exhiban características que dependen del entorno específico en el que habitan y de las estrategias particulares de supervivencia que emplean.

Selección sexual

Para reproducirse sexualmente, tanto los machos como las hembras necesitan encontrar pareja. Generalmente, en los animales, la elección de pareja la hacen las hembras, mientras que los machos compiten para ser elegidos. Esto puede llevar a los organismos a esfuerzos extremos para reproducirse, como el combate y la exhibición, o producir características extremas causadas por una retroalimentación positiva conocida como fugitivo fisheriano. Así, la reproducción sexual, como forma de selección natural, tiene un efecto sobre la evolución. El dimorfismo sexual es donde los rasgos fenotípicos básicos varían entre machos y hembras de la misma especie. El dimorfismo se encuentra tanto en los órganos sexuales como en las características sexuales secundarias, tamaño corporal, fuerza física y morfología, ornamentación biológica, comportamiento y otros rasgos corporales. Sin embargo, la selección sexual solo está implícita durante un período prolongado de tiempo que conduce al dimorfismo sexual.

Animales

Insectos

Las especies de insectos constituyen más de dos tercios de todas las especies animales existentes. La mayoría de las especies de insectos se reproducen sexualmente, aunque algunas especies son facultativamente partenogenéticas. Muchas especies de insectos tienen dimorfismo sexual, mientras que en otras los sexos parecen casi idénticos. Por lo general, tienen dos sexos, los machos producen espermatozoides y las hembras óvulos. Los óvulos se convierten en óvulos que tienen una cubierta llamada corion, que se forma antes de la fertilización interna. Los insectos tienen estrategias reproductivas y de apareamiento muy diversas, lo que a menudo resulta en que el macho deposite espermatóforo dentro de la hembra, que almacena hasta que esté lista para la fertilización del óvulo. Después de la fertilización y la formación de un cigoto y diversos grados de desarrollo, en muchas especies los huevos se depositan fuera de la hembra; mientras que en otros,

Mamíferos

Hay tres tipos existentes de mamíferos: monotremas, placentarios y marsupiales, todos con fertilización interna. En los mamíferos placentarios, las crías nacen como juveniles: animales completos con los órganos sexuales presentes aunque no funcional reproductivamente. Después de varios meses o años, según la especie, los órganos sexuales se desarrollan más hasta la madurez y el animal alcanza la madurez sexual. La mayoría de las hembras de mamíferos solo son fértiles durante ciertos períodos durante su ciclo estral, momento en el cual están listas para aparearse. Los mamíferos machos y hembras individuales se encuentran y realizan la cópula. Para la mayoría de los mamíferos, los machos y las hembras intercambian parejas sexuales a lo largo de su vida adulta.

Pescado

La gran mayoría de las especies de peces ponen huevos que luego son fertilizados por el macho. Algunas especies ponen sus huevos sobre un sustrato como una roca o sobre plantas, mientras que otras los esparcen y los huevos se fertilizan a medida que se desplazan o se hunden en la columna de agua.

Algunas especies de peces usan la fertilización interna y luego dispersan los huevos en desarrollo o dan a luz crías vivas. Los peces que tienen descendencia con vida incluyen el guppy y los mollies o Poecilia . Los peces que dan a luz a crías vivas pueden ser ovovivíparos, donde los huevos se fertilizan dentro de la hembra y los huevos simplemente eclosionan dentro del cuerpo de la hembra, o en los caballitos de mar, el macho lleva a las crías en desarrollo dentro de una bolsa y da a luz crías vivas.Los peces también pueden ser vivíparos, donde la hembra alimenta a las crías que crecen internamente. Algunos peces son hermafroditas, donde un solo pez es macho y hembra y puede producir óvulos y esperma. En los peces hermafroditas, algunos son macho y hembra al mismo tiempo, mientras que en otros peces son hermafroditas en serie; comenzando como un sexo y cambiando al otro. En al menos una especie hermafrodita, la autofertilización ocurre cuando los óvulos y los espermatozoides se liberan juntos. La autofertilización interna puede ocurrir en algunas otras especies. Una especie de pez no se reproduce por reproducción sexual sino que usa el sexo para producir descendencia; poecilia formosaes una especie unisex que usa una forma de partenogénesis llamada ginogénesis, donde los óvulos no fertilizados se convierten en embriones que producen descendencia femenina. Poecilia formosa se aparea con machos de otras especies de peces que utilizan la fertilización interna, el esperma no fertiliza los huevos pero estimula el crecimiento de los huevos que se convierte en embriones.

Plantas

Los animales tienen ciclos de vida con una sola fase multicelular diploide que produce gametos haploides directamente por meiosis. Los gametos masculinos se llaman espermatozoides y los gametos femeninos se llaman óvulos u óvulos. En los animales, la fertilización del óvulo por un espermatozoide da como resultado la formación de un cigoto diploide que se desarrolla por divisiones mitóticas repetidas en un adulto diploide. Las plantas tienen dos fases de ciclo de vida multicelulares, lo que resulta en una alternancia de generaciones. Los cigotos de las plantas germinan y se dividen repetidamente por mitosis para producir un organismo pluricelular diploide conocido como esporofito. El esporofito maduro produce esporas haploides por meiosis que germinan y se dividen por mitosis para formar una fase de gametofito multicelular que produce gametos en la madurez. Los gametofitos de diferentes grupos de plantas varían en tamaño.

Plantas floreciendo

Las plantas con flores son la forma vegetal dominante en la tierra.y se reproducen ya sea sexual o asexualmente. A menudo, su característica más distintiva son sus órganos reproductivos, comúnmente llamados flores. La antera produce granos de polen que contienen los gametofitos masculinos que producen núcleos espermáticos. Para que ocurra la polinización, los granos de polen deben adherirse al estigma de la estructura reproductiva femenina (carpelo), donde los gametofitos femeninos se encuentran dentro de los óvulos encerrados dentro del ovario. Después de que el tubo polínico crece a través del estilo del carpelo, los núcleos de células sexuales del grano de polen migran hacia el óvulo para fertilizar el óvulo y los núcleos del endospermo dentro del gametofito femenino en un proceso denominado doble fertilización. El cigoto resultante se convierte en un embrión, mientras que el endospermo triploide (un espermatozoide más dos células femeninas) y los tejidos femeninos del óvulo dan origen a los tejidos circundantes en la semilla en desarrollo. El ovario, que produjo el(los) gametofito(s) femenino(s), luego se convierte en una fruta, que rodea la(s) semilla(s). Las plantas pueden autopolinizarse o polinizarse de forma cruzada.

En 2013, se encontraron flores que datan del Cretácico (100 millones de años antes del presente) encerradas en ámbar, la evidencia más antigua de reproducción sexual en una planta con flores. Las imágenes microscópicas mostraron tubos que crecían del polen y penetraban el estigma de la flor. El polen estaba pegajoso, lo que sugiere que fue transportado por insectos.

Las plantas sin flores como los helechos, el musgo y las hepáticas utilizan otros medios de reproducción sexual.

Helechos

Los helechos producen grandes esporofitos diploides con rizomas, raíces y hojas. Las hojas fértiles producen esporangios que contienen esporas haploides. Las esporas se liberan y germinan para producir gametofitos pequeños y delgados que normalmente tienen forma de corazón y son de color verde. Los gametofitos prótalos producen espermatozoides móviles en los anteridios y óvulos en los arquegonios de la misma planta o de plantas diferentes. Después de las lluvias o cuando el rocío deposita una película de agua, los espermatozoides móviles se alejan de los anteridios, que normalmente se producen en la parte superior del talo, y nadan en la película de agua hasta el arquegonio donde fertilizan el óvulo. Para promover el cruce o la fertilización cruzada, los espermatozoides se liberan antes de que los óvulos sean receptivos a los espermatozoides, lo que hace más probable que los espermatozoides fertilicen los óvulos de diferentes talos. Después de la fertilización, se forma un cigoto que se convierte en una nueva planta esporofítica. La condición de tener plantas esporofitas y gametofitas separadas se denomina alternancia de generaciones. Otras plantas con ciclos de vida similares incluyenPsilotum , Lycopodium y Equisetum .

Briófitos

Los briófitos, que incluyen hepáticas, antocerotes y musgos, se reproducen tanto sexual como vegetativamente. Son plantas pequeñas que crecen en lugares húmedos y, como los helechos, tienen espermatozoides móviles con flagelos y necesitan agua para facilitar la reproducción sexual. Estas plantas comienzan como una espora haploide que crece en la forma de gametofito dominante, que es un cuerpo haploide multicelular con estructuras similares a hojas que realizan la fotosíntesis. Los gametos haploides se producen en anteridios (masculinos) y arquegonios (femeninos) por mitosis. Los espermatozoides liberados de los anteridios responden a los químicos liberados por los arquegonios maduros y nadan hacia ellos en una película de agua y fertilizan los óvulos produciendo así un cigoto. El cigoto se divide por división mitótica y crece hasta convertirse en un esporofito diploide multicelular. El esporofito produce cápsulas de esporas (esporangios), que están conectados por tallos (setas) a la archegonia. Las cápsulas de esporas producen esporas por meiosis y cuando maduran, las cápsulas se abren para liberar las esporas. Los briófitos muestran una variación considerable en sus estructuras reproductivas y lo anterior es un esquema básico. También en algunas especies cada planta es de un sexo (dioico) mientras que otras especies producen ambos sexos en la misma planta (monoico).

Hongos

Los hongos se clasifican por los métodos de reproducción sexual que emplean. El resultado de la reproducción sexual con mayor frecuencia es la producción de esporas en reposo que se utilizan para sobrevivir a las inclemencias del tiempo y para propagarse. Normalmente hay tres fases en la reproducción sexual de los hongos: plasmogamia, cariogamia y meiosis. El citoplasma de dos células progenitoras se fusiona durante la plasmogamia y los núcleos se fusionan durante la cariogamia. Durante la meiosis se forman nuevos gametos haploides que se convierten en esporas. Wallen y Perlin revisaron la base adaptativa para el mantenimiento de la reproducción sexual en los hongos Ascomycota y Basidiomycota (dikaryon). Llegaron a la conclusión de que la razón más plausible para mantener esta capacidad es el beneficio de reparar el daño en el ADN, causado por una variedad de tensiones, a través de la recombinación que ocurre durante la meiosis.

Bacterias y arqueas

Tres procesos distintos en los procariotas se consideran similares al sexo eucariota: la transformación bacteriana, que implica la incorporación de ADN extraño en el cromosoma bacteriano; conjugación bacteriana, que es una transferencia de ADN plasmídico entre bacterias, pero los plásmidos rara vez se incorporan al cromosoma bacteriano; y transferencia de genes e intercambio genético en arqueas.

La transformación bacteriana implica la recombinación de material genético y su función está asociada principalmente con la reparación del ADN. La transformación bacteriana es un proceso complejo codificado por numerosos genes bacterianos y es una adaptación bacteriana para la transferencia de ADN. Este proceso ocurre naturalmente en al menos 40 especies bacterianas. Para que una bacteria se una, tome y recombine el ADN exógeno en su cromosoma, debe entrar en un estado fisiológico especial denominado competencia (ver Competencia natural). La reproducción sexual en los primeros eucariotas unicelulares puede haber evolucionado a partir de la transformación bacteriana o de un proceso similar en las arqueas (ver más abajo).

Por otro lado, la conjugación bacteriana es un tipo de transferencia directa de ADN entre dos bacterias mediada por un apéndice externo llamado pilus de conjugación. La conjugación bacteriana está controlada por genes de plásmidos que están adaptados para propagar copias del plásmido entre bacterias. La integración poco frecuente de un plásmido en un cromosoma bacteriano huésped y la subsiguiente transferencia de una parte del cromosoma huésped a otra célula no parecen ser adaptaciones bacterianas.

La exposición de especies de Sulfolobus arqueas hipertermófilas a condiciones que dañan el ADN induce la agregación celular acompañada de un intercambio de marcadores genéticos de alta frecuencia. Ajón et al. planteó la hipótesis de que esta agregación celular mejora la reparación del ADN específica de la especie mediante la recombinación homóloga. La transferencia de ADN en Sulfolobus puede ser una forma temprana de interacción sexual similar a los sistemas de transformación bacterianos mejor estudiados que también implican la transferencia de ADN específica de la especie que conduce a la reparación recombinacional homóloga del daño del ADN.