Biología para las Carreras I
Resultados de aprendizaje
- Comprender cómo la reproducción sexual conduce a diferentes ciclos de vida sexual
La reproducción sexual fue una innovación evolutiva temprana después de la aparición de células eucariotas. Parece haber sido muy exitoso 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, crear descendientes que son clones genéticos del padre parece ser un mejor sistema. Si el organismo progenitor ocupa con éxito un hábitat, la descendencia con los mismos rasgos tendría un éxito similar. También existe el beneficio obvio para un organismo que puede producir descendencia cuando las circunstancias son favorables por brotes asexuales, fragmentación o huevos asexuales. Estos métodos de reproducción no requieren otro organismo del sexo opuesto. De hecho, algunos organismos que llevan un estilo de vida solitario han conservado la capacidad de reproducirse asexualmente. Además, en las poblaciones asexuales, cada individuo es capaz de reproducirse. En las poblaciones sexuales, los machos no están produciendo la descendencia por sí 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. Hay varias explicaciones posibles, una de las cuales es que la variación que crea la reproducción sexual entre los descendientes es muy importante para la supervivencia y reproducción de la población. Por lo tanto, 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 fuente última de variación en los organismos sexuales, pero además, esas mutaciones diferentes se reorganizan continuamente de una generación a la siguiente cuando los diferentes padres combinan sus genomas únicos y los genes se mezclan en diferentes combinaciones mediante cruces durante la profase I y el surtido aleatorio en la metafase I.
La Hipótesis de la Reina Roja
No se discute que la reproducción sexual proporciona ventajas evolutivas a los organismos que emplean este mecanismo para producir descendencia. Pero, ¿por qué, incluso frente a 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? Entre la hipótesis de la Reina Roja, propuesta por primera vez por Leigh Van Valen en 1973. El concepto fue nombrado en referencia a la raza 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 huéspedes. 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 a una especie en evolución conjunta mantener su propia parte de los recursos es también mejorar continuamente su condición física. A medida que una especie gana una ventaja, esto aumenta la selección de las otras especies; también deben desarrollar una ventaja o serán superadas. Ninguna especie progresa demasiado lejos 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 eslogan de la Reina Roja fue: «Se necesita todo lo que se pueda hacer para permanecer en el mismo lugar.»Esta es una descripción adecuada de la coevolución entre especies competidoras.
Los ciclos de vida de los Organismos de Reproducción Sexual
La fertilización y la meiosis se alternan en los ciclos de vida sexual. Lo que sucede entre estos dos eventos depende del organismo. El proceso de meiosis reduce el número de cromosomas a la mitad. La fertilización, la unión de dos gametos haploides, restaura la condición diploide. Hay tres categorías principales de ciclos de vida en organismos multicelulares: diploide dominante, en el que la etapa diploide multicelular es la etapa de vida más obvia, como con la mayoría de los animales, incluidos los humanos; haploide dominante, en el que la etapa haploide multicelular es la etapa de vida más obvia, como con todos los hongos y algunas algas; y alternancia de generaciones, en el que las dos etapas son evidentes en diferentes grados dependiendo del grupo, como 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 de meiosis para producir gametos. Una vez que los gametos haploides se forman, pierden la capacidad de dividirse de nuevo. No existe una etapa de vida haploide multicelular. La fertilización ocurre con la fusión de dos gametos, generalmente de individuos diferentes, restaurando el estado diploide (Figura 1).
la Figura 1. En los 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 sufrirá múltiples rondas de mitosis para producir una descendencia multicelular. Las células germinales se generan al principio del desarrollo del cigoto.
Ciclo de Vida Dominante en Haploides
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 componen los tejidos del estadio multicelular dominante están formadas por mitosis. Durante la reproducción sexual, células haploides especializadas de dos individuos, designados los tipos de apareamiento ( + ) y ( – ), se unen para formar un cigoto diploide. El cigoto experimenta inmediatamente meiosis para formar cuatro células haploides llamadas esporas. Aunque haploides como los «padres», estas esporas contienen una nueva combinación genética de dos padres. Las esporas pueden permanecer latentes durante varios períodos de tiempo. Eventualmente, cuando las condiciones son propicias, las esporas forman estructuras haploides multicelulares por muchas rondas de mitosis (Ejemplo 1).
Cuestión de Práctica
la Figura 2. Los hongos, como el moho negro del pan (Rhizopus nigricans), tienen ciclos de vida haploides dominantes. El estadio multicelular haploide produce células haploides especializadas por mitosis que se fusionan para formar un cigoto diploide. El cigoto sufre meiosis para producir esporas haploides. Cada espora da lugar a un organismo haploide multicelular por mitosis. (crédito micrografía «zygomycota»: modificación del trabajo de «Fanaberka» / Wikimedia Commons)
Si se produce una mutación de modo que un hongo ya no es capaz de producir un tipo de apareamiento negativo, ¿todavía podrá 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 dominante haploide y dominante diploide. Las especies con alternancia de generaciones tienen organismos multicelulares haploides y diploides como parte de su ciclo de vida. Las plantas multicelulares haploides se denominan gametofitas, 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 diploide multicelular llamada esporófito. Las células especializadas del esporófito sufrirán meiosis y producirán esporas haploides. Las esporas se desarrollarán posteriormente en los gametofitos (Figura 3).
la Figura 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 las plantas haploides como las diploides son de vida libre. La planta diploide se llama esporófita porque produce esporas haploides por meiosis. Las esporas se convierten en plantas haploides multicelulares llamadas gametofitas porque producen gametos. Los gametos de dos individuos se fusionarán para formar un cigoto diploide que se convertirá en el esporófito. (crédito «fern»: modificación de la obra de Cory Zanker; crédito «sporangia»: modificación de la obra de «Obsidian Soul» / Wikimedia Commons; crédito «gametófito y esporófito»: modificación del trabajo de «Vlmastra» / Wikimedia Commons)
Aunque todas las plantas utilizan alguna versión de la alternancia de generaciones, el tamaño relativo del esporófito y el gametófito y la relación entre ellos varían mucho. En plantas como el musgo, el organismo gametófito es la planta de vida libre, y el esporófito depende físicamente del gametófito. En otras plantas, como los helechos, tanto el gametofito y sporophyte plantas son de vida libre; sin embargo, la sporophyte es mucho más grande. En las plantas de semillas, como los árboles de magnolia y las margaritas, el gametófito se compone de solo unas pocas células y, en el caso del gametófito femenino, se retiene completamente dentro del esporófito.
La reproducción sexual toma muchas formas en 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 la 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 genéticas únicas, aunque también hay otros beneficios posibles.
En resumen: Reproducción sexual
Casi todos los eucariotas experimentan 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 la 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. Por lo tanto, los organismos que se reproducen sexualmente se alternan entre las etapas haploide y diploide. Sin embargo, las formas en que se producen las células reproductoras y el tiempo entre la meiosis y la fertilización varían mucho. Hay tres categorías principales de ciclos de vida: diploide dominante, demostrado por la mayoría de los animales; haploide dominante, demostrado por todos los hongos y algunas algas; y la alternancia de generaciones, demostrada por las plantas y algunas algas.
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