Reproducción sexual: características, tipos, plantas, animales
La reproducción sexual es la multiplicación de los individuos a partir de dos progenitores de diferentes sexos: masculino y femenino – excepto cuando nos referimos a la reproducción sexual en bacterias o protozoarios, donde no hay distinción de sexos. Es un proceso ampliamente distribuido en los organismos eucariota.
Cada individuo que participa en la reproducción sexual produce un tipo de células especializadas de líneas germinales: los espermatozoides y los óvulos. Estas son originadas por un tipo de división celular especializada, llamada meiosis. Este evento es la diferencia crucial entre la reproducción asexual y sexual.
El proceso empieza con la unión de dos gametos que dan origen a un cigoto. Posteriormente, el cigoto da origen a un nuevo individuo con características de ambos de sus padres y con ciertos caracteres únicos.
Por la ubicuidad del proceso inferimos que la reproducción sexual supone una serie de ventajas con respecto a la asexual. Sin embargo, son más notorias las posibles desventajas de la reproducción sexual: el tiempo y la energía invertida en la búsqueda de parejas, la competencia por las hembras, el costo de producción de gametos que no son fecundados, entre otras.
Los costos parecen ser muy elevados, por lo que deben tener ventajas substanciales que ayuden a compensarlo. Los beneficios de la reproducción sexual han sido un tema de controversia y debate entre los biólogos evolutivos.
Una hipótesis sugiere que la reproducción sexual es beneficiosa ya que produce variedades que, en tiempo de cambios ambientales, podrían ser provechosas para la especie. De hecho, la producción de variabilidad genética es una de las ventajas atribuidas al sexo.
Por otro lado, algunos investigadores proponen que la reproducción sexual, específicamente la recombinación, ha sido seleccionada como un mecanismo de reparación del ADN. No obstante, todavía es una incógnita la prevalencia del sexo a pesar de sus costos.
Características generales
El sexo es un fenómeno complejo que varía ampliamente entre las taxa de eucariotas. De manera general, lo podemos entender como un proceso que implica tres pasos: la fusión de dos núcleos haploides, el fenómeno de la recombinación que produce genotipos novedosos y la división de células diploides para formar núcleos haploides.
Desde este punto de vista, el sexo en eucariotas depende de un ciclo de vida, en el cual las células diploides deben dividirse por meiosis. Dicho proceso de división meiótica se encarga de distribuir el material genético de los futuros gametos.
La meiosis tiene como objetivo separar a los cromosomas homólogos, de tal manera que cada gameto posee la mitad de los cromosomas somáticos. Además de reducir la carga genética, en la meiosis también ocurre el intercambio de material entre cromátidas no hermanas produciendo combinaciones totalmente novedosas.
Gametos
Los gametos son las células sexuales de los organismos que se generan por meiosis y contienen la mitad de la carga genética, es decir, son haploides.
Los gametos varían tanto en plantas como animales, y se clasifican en tres categorías fundamentales dependiendo de su tamaño y movilidad relativa en: isogamia, anisogamia y oogamia.
La isogamia es una manera de reproducción sexual donde los gametos que se fusionan para dar origen al nuevo individuo, son idénticos en cuanto al tamaño, movilidad y estructura. La isogamia está representada principalmente en las plantas.
En contraste, la anisogamia consiste en la unión de dos gametos que difieren en tamaño y estructura. Un tipo particular de anisogamia es la oogamia, donde los gametos masculinos son de tamaño relativamente pequeño y abundante en número. Los femeninos son mucho más conspicuos y son producidos en menor número.
Reproducción sexual en animales
En el reino animal la reproducción sexual es un fenómeno ampliamente distribuido en los integrantes del grupo.
Casi todos los invertebrados y los vertebrados poseen los sexos en organismos separados – es decir, podemos distinguir en una especie un individuo macho y una hembra. Esta condición se denomina dioica, término que deriva de las raíces griegas “dos casas”
En contraste, existen ciertas especies menos numerosas cuyos sexos están presenten en un mismo individuo llamados monoicos: “una casa”. Estos animales también son conocidos como hermafroditas.
La distinción entre los sexos no viene dada por características morfológicas de tamaño o coloración, sino por el tipo de gametos que cada sexo produce.
Las hembras producen los óvulos, caracterizados por su gran tamaño y su inmovilidad. Los espermatozoides, por su parte, son producidos por los machos en mayor cantidad, son muchos más pequeños y cuentan con estructuras especiales para desplazarse y poder fecundar al óvulo.
A continuación describiremos los órganos sexuales típicos de los animales y luego detallaremos el proceso de la reproducción en cada grupo animal.
Estructuras asociadas a la reproducción
Las células especializadas para la reproducción sexual – los óvulos y los espermatozoides – son producidos en tejidos específicos llamados gónadas.
En los machos, los testículos son los encargados de la producción de espermatozoides, mientras que los gametos femeninos se forman en los ovarios.
Las gónadas son consideradas como los órganos sexuales primarios. Los órganos sexuales accesorios están presentes en un grupo importante de metazoos que se encargan de recibir y transferir los óvulos y el esperma. En las hembras encontramos la vagina, los tubos uterinos o tubos de Falopio y el útero, mientras que en los machos está el pene.
Poríferos
Los poríferos son conocidos comúnmente como esponjas y pueden reproducirse tanto sexual como asexualmente. En la mayoría de las especies, la producción de los gametos masculinos y femeninos ocurre en un solo individuo.
Los coanocitos son un tipo de células particular de este linaje, que pueden transformarse en espermatozoides. En otros grupos los gametos pueden derivarse de los arqueocitos.
Muchas especies son vivíparas, lo que indica que pasado el fenómeno de la fertilización el cigoto es retenido por el organismo parental hasta que ocurre la liberación de una larva. En estas especies el esperma es liberado al agua y tomado por otra esponja.
Cnidarios
Los cnidarios son organismos marinos que incluyen a las medusas y afines. Estos animales presentan dos morfologías: la primera es el pólipo y se caracteriza por un estilo de vida sésil, mientras que la segunda forma es la medusa que es capaz de desplazarse y flotar.
Generalmente los pólipos se reproducen asexualmente por procesos de gemación o fisión. La medusa es dioica y se reproduce sexualmente. El ciclo de vida en este grupo es muy variable.
Acelomorfos y platelmintos
Los gusanos planos, como las planarias,son conocidos principalmente por su capacidad para regenerarse y producir de un solo individuo múltiples clones por vía asexual.
La mayoría de estos animales vermiformes son monoicos. No obstante, buscan a un compañero para llevar a cabo la fecundación cruzada.
El aparato reproductor masculino incluye varios testículos y una estructura en forma de papila similar a los penes de los vertebrados complejos.
Moluscos y anélidos
La mayoría de los moluscos son dioicos y su reproducción da lugar a una larva capaz de nadar libremente llamada trocófera (muy similar a la larva presente en los anélidos) y varía de acuerdo a las especies de moluscos.
Del mismo modo, los anélidos poseen sexos separados y en algunos cuentan con gónadas que aparecen de manera temporal.
Artrópodos
Los artrópodos son un grupo animal sumamente diverso, caracterizados por un exoesqueleto compuesto de quitina y apéndices articulados. Este linaje incluye a los miriápodos, quelicerados, crustáceos y hexápodos.
Generalmente los sexos se encuentran separados, los órganos especializados en la reproducción aparecen en pares. La mayoría de las especies poseen fertilización interna. Pueden ser ovíparos, ovovivíparos o vivíparos.
Equinodermos
Los equinodermos incluyen a las estrellas de mar, pepinos de mar, erizos de mar y afines. Aunque existen algunas especies hermafroditas, la mayoría se caracteriza por tener sexos separados. Las gónadas son estructuras grandes, los ductos son simples y no existen órganos copulatorios muy elaborados.
La fecundación ocurre de manera externa y se desarrolla una larva bilateral que puede desplazarse libremente en el cuerpo de agua. Algunas especies poseen desarrollo directo.
Cordados
La mayoría de los sexos están separados. En este grupo encontramos órganos para la reproducción más complejos. Cada sexo posee gónadas con ductos que dirigen los productos de estas a una cloaca o hacia alguna abertura especial localizada cerca del ano. Dependiendo del grupo la fertilización puede ser externa o interna.
Partenogénesis en animales
La partenogénesis es un fenómeno ampliamente representado en el reino animal, principalmente en invertebrados y en algunos vertebrados, que permite la generación de un nuevo individuo con un solo parental. Aunque es una forma de reproducción asexual, ciertos tipos de partenogénesis son consideradas tipos de reproducción sexual.
En la partenogénesis meiótica, un óvulo es formado por meiosis y puede o no ser fecundado por un espermatozoide proveniente de un macho.
En algunos casos los óvulos deben ser activados por el gameto del sexo masculino. En este caso no existe fusión de ambos núcleos, ya que el material genético proveniente del esperma es desechado.
Sin embargo, en algunas especies el óvulo puede desarrollarse de manera espontánea sin necesidad del proceso de activación.
Reproducción sexual en plantas
Análogo al caso de los animales, las plantas pueden experimentar reproducción sexual. Consiste en la unión de dos gametos haploides que darán origen a un individuo nuevo con características genéticas únicas.
La planta puede poseer los órganos masculinos y femeninos en un solo individuos o pueden encontrarse separados. En el pepino y en la lechosa los sexos se encuentran separados, mientras que en las rosas y las petunias son sexos están juntos.
La flor
El órgano encargado de los procesos de reproducción sexual son las flores. Estas estructuras especializadas poseen regiones que no participan directamente en la reproducción: el cáliz y la corola, y estructuras sexualmente activas: el androceo y el gineceo.
El androceo es el órgano reproductor masculino compuesto por un estambre, que a su vez se divide en un filamento y una antera. Esta última región se encarga de la producción de los granos de polen.
El gineceo es el órgano floral femenino y está compuesto de unidades llamadas carpelos. La estructura es similar a una “gota” alargada y se divide en el estigma, el estilo y finalmente el ovario.
Polinización
El proceso de reproducción sexual en las plantas ocurre principalmente por la polinización, que consiste en el transporte de los granos de polen desde la antera hasta el estigma.
La polinización puede ocurrir en la misma flor (los granos de polen van al órgano femenino de la misma planta) o puede ser cruzada, donde los granos de polen fecundan un individuo diferente.
En la mayoría de las plantas es necesaria la intervención de un animal para que ejecute la polinización. Estos pueden ser invertebrados, como abejas u otros insectos o vertebrados como aves y murciélagos. La planta ofrece como recompensa al polinizador el néctar y estos se encargar la dispersar el polen.
Las estructuras florales que no participan directamente en la reproducción son la corola y el cáliz. Estos constituyen hojas modificadas, en muchos casos de colores llamativos y vibrantes, que se encargan de atraer visual o químicamente al polinizador potencial.
Igualmente, algunas plantas no requieren de polinizadores animales y usan el viento o el agua para la dispersión del polen.
Fecundación, semillas y fruto
El proceso inicia con la llegada de los granos de polen al estigma de la flor. Estos viajan por el estilo hasta encontrar el ovario.
La doble fertilización es típica de las plantas con flores y única entre todos los organismos. El fenómeno ocurre de la siguiente manera: un núcleo de un espermatozoide se une a un óvulo y otro núcleo de espermatozoide se fusiona a un embrión diploide del esporofito.
El resultado de este evento de fecundación inusual es un endosperma trioploide que actuará como un tejido nutritivo para el desarrollo del organismo. Una vez que ocurre la maduración exitosa de los óvulos, se transforman en las semillas. El fruto, por otro lado, es formado por los ovarios maduros.
El fruto puede ser clasificado como simple si proviene de un ovario maduro y ser agregado si se desarrolla a partir de varios ovarios, como la fresa, por ejemplo.
Reproducción sexual en bacterias
Las bacterias son conocidas fundamentalmente por su capacidad de reproducirse asexualmente.
En este linaje procariota un individuo es capaz de dividirse en dos por un proceso denominado fisión binaria. Sin embargo, existen una serie de mecanismos en las bacterias que recuerdan a la reproducción sexual ya que hay intercambio de material genético.
Hasta mediados de 1940 se pensaba que las bacterias se reproducían exclusivamente por la vía asexual. Sin embargo, los investigadores Joshua Lederberg y Edward Tatum desmintieron esa creencia mediante un ingenioso experimento usando como modelo la bacteria E. coli con distintos requerimientos alimenticios.
El experimento consistía en una cepa A creciendo en un medio mínimo con metionina y biotina, y una cepa B que sólo crecía en ambientes con treonina, leucina y tiamina. En otras palabras, cada cepa portaba una mutación que le impedía sintetizar dichos compuestos, por ello debían ser sintetizados en el medio de cultivo.
Cuando las colonias se ponían en contacto por unas horas, los individuos adquirían la capacidad para sintetizar los nutrientes que anteriormente no podían. Así, Lederberg y Tatum demostraron que existía un proceso de intercambio de ADN similar a una reproducción sexual y lo denominaron conjugación.
Conjugación
El proceso de conjugación ocurre por medio de una estructura similar a un puente, denominada pili sexual, que une físicamente a dos bacterias y le permite intercambiar ADN.
Como las bacterias no poseen dimorfismo sexual, no podemos hablar de machos y hembras. Sin embargo, solamente un tipo puede producir el pili, y poseen fragmentos especiales de ADN llamados factor F, por “fertilidad”. El factor F posee los genes para la producción del pili.
El ADN que participa en el intercambio no es parte del único cromosoma bacteriano. En su lugar es una porción circular aislada llamado plásmido, que posee su propio sistema de replicación.
Transformación
Además de la conjugación, existen otros procesos donde la bacteria puede obtener ADN extra y se caracterizan por ser más sencillos que la conjugación. Uno de ellos es la transformación, que consiste en la toma de ADN desnudo del medio externo. Este fragmento de ADN exógeno puede ser integrado al cromosoma bacteriano.
El mecanismo de transformación entra en el concepto de reproducción sexual. Aunque la bacteria tome ADN libre, este material genético tuvo que venir de otro organismo – por ejemplo una bacteria que murió y libero su ADN al ambiente.
Transducción
El tercer y último mecanismo conocido en las bacterias para obtener ADN externo es la transducción. Esta implica la participación de un virus que infecta a las bacterias: los bacteriofagos.
En la transducción un virus toma una porción de ADN bacteriano y cuando pasa a infectar a una bacteria diferencia puede pasarle este fragmento. Algunos autores usan el término “eventos parasexuales” para referirse a estos tres mecanismos.
Perspectiva evolutiva
La ubicuidad de la reproducción sexual en los organismos es un hecho destacado. Por ello, una de las mayores interrogantes en la biología evolutiva es por qué el sexo se extiende en tantos linajes si es una actividad energéticamente costosa – y en algunos casos hasta peligrosa.
Se sospecha que las fuerzas selectivas que originaron la reproducción sexual en los eucariotas son las mismas que mantienen los procesos parasexuales descritos para las bacterias.
Costos del sexo
A la luz de la evolución, el término “éxito” hace referencia a la capacidad de un individuo de pasar sus genes a la siguiente generación. Paradójicamente, el sexo es un proceso que no cumple del todo dicha definición, ya que una serie de costos asociados a la reproducción.
La reproducción sexual implica encontrar una pareja y en la mayoría de los casos esta tarea no es trivial. Hay que invertir una cantidad enorme de tiempo y energía en esta labor que determinará el éxito de la descendencia – en términos de encontrar a “la pareja ideal”.
Los animales despliegan una serie de rituales para cortejar a sus parejas potenciales y en algunos casos deben luchar exponiendo su propia vida para lograr copular.
Incluso a un nivel celular el sexo es costoso, ya que la división por meiosis toma mucho más tiempo que la mitosis. Entonces, ¿por qué la mayoría de los eucariotas se reproducen sexualmente?
Existen dos teorías fundamentes. Una está relacionada con fusión celular como un mecanismo para la transmisión horizontal de un elemento genético “egoísta” mientras que la segunda teoría propone a la recombinación como un mecanismo de reparación del ADN. A continuación describiremos los pros y contras de cada teoría:
Beneficios de sexo
Para responder dicha interrogante debemos enfocarnos en los posibles beneficios de la reproducción sexual en los primeros eucariotas.
La fusión de los gametos para formar un cigoto conlleva a una combinación de dos genomas distintos que son capaces de compensar los posibles genes defectuosos de un genoma con una copia normal del otro.
En los humanos, por ejemplo, heredamos una copia de cada padre. Si heredamos un gen defectuoso de nuestra madre, el gen normal de nuestro padre puede compensarlo (en tal caso que la patología o enfermedad sólo se presente como homocigoto recesivo).
Una segunda teoría – no tan intuitiva como la primera – propone que la meiosis actúa como un mecanismo de reparación en el ADN. El daño al material genético es un problema que todos los organismos deben enfrentar. Sin embargo, existen organismos que sólo se reproducen asexualmente y su ADN no está particularmente dañado.
Otra hipótesis expone que el sexo pudo haber evolucionado como una adaptación parasítica entre los elementos genéticos egoístas, para poder distribuirse a otros linajes genéticos. Un mecanismo parecido ha sido evidenciado en E. coli.
Aunque existen posibles explicaciones, la evolución del sexo es un tema de arduo debate entre los biólogos evolutivos.
La selección sexual
La selección sexual es un concepto introducido por Charles Darwin que es únicamente aplicable a poblaciones con reproducción sexual. Se usa para explicar la presencia de conductas, estructuras y otros atributos cuya existencia no puede ser concebida por la selección natural.
Por ejemplo, el plumaje tan colorido y en cierta medida “exagerado” de los pavorreales no aporta beneficios directos al individuo, ya que lo hace más visible a posibles depredadores. Además, solo está presente en los machos.
Referencias
- Colegrave, N. (2012). The evolutionary success of sex: Science & Society Series on Sex and Science. EMBO Reports, 13(9), 774–778.
- Crow, J. F. (1994). Advantages of sexual reproduction. Developmental genetics, 15(3), 205-213.
- Freeman, S., & Herron, J. C. (2002). Análisis evolutivo. Prentice Hall.
- Goodenough, U., & Heitman, J. (2014). Origins of Eukaryotic Sexual Reproduction. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 6(3), a016154.
- Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., & Garrison, C. (2001). Integrated principles of zoology. New York: McGraw-Hill.
- Leonard, J., & Córdoba-Aguilar, A. (Eds.). (2010). The evolution of primary sexual characters in animals. Oxford University Press.
- Sawada, H., Inoue, N., & Iwano, M. (2014). Sexual reproduction in animals and plants. Springer-Verlag GmbH.