Biologia per Majors I

La riproduzione sessuale è stata un’innovazione evolutiva precoce dopo la comparsa di cellule eucariotiche. Sembra che abbia avuto molto successo perché la maggior parte degli eucarioti sono in grado di riprodursi sessualmente, e in molti animali, è l’unica modalità di riproduzione. Eppure, gli scienziati riconoscono alcuni reali svantaggi della riproduzione sessuale. In superficie, la creazione di prole che sono cloni genetici del genitore sembra essere un sistema migliore. Se l’organismo genitore sta occupando con successo un habitat, prole con gli stessi tratti sarebbe altrettanto successo. C’è anche l’ovvio beneficio per un organismo che può produrre prole ogni volta che le circostanze sono favorevoli da germogliamento asessuato, frammentazione o uova asessuate. Questi metodi di riproduzione non richiedono un altro organismo del sesso opposto. In effetti, alcuni organismi che conducono uno stile di vita solitario hanno mantenuto la capacità di riprodursi asessualmente. Inoltre, nelle popolazioni asessuate, ogni individuo è in grado di riprodursi. Nelle popolazioni sessuali, i maschi non producono la prole da soli, quindi in teoria una popolazione asessuata potrebbe crescere due volte più velocemente.

Tuttavia, gli organismi multicellulari che dipendono esclusivamente dalla riproduzione asessuata sono estremamente rari. Perché la sessualità (e la meiosi) è così comune? Questa è una delle importanti domande senza risposta in biologia ed è stata al centro di molte ricerche a partire dalla seconda metà del ventesimo secolo. Ci sono diverse possibili spiegazioni, una delle quali è che la variazione che la riproduzione sessuale crea tra la prole è molto importante per la sopravvivenza e la riproduzione della popolazione. Pertanto, in media, una popolazione che si riproduce sessualmente lascerà più discendenti di una popolazione che si riproduce asessualmente altrimenti simile. L’unica fonte di variazione negli organismi asessuati è la mutazione. Questa è la fonte ultima di variazione in organismi sessuali, ma in aggiunta, tali mutazioni sono continuamente rimescolato da una generazione alla successiva, quando diversi genitori combinare il loro unico genoma e geni sono mescolati in diverse combinazioni da crossover durante la profase I e assortimento casuale in metafase I.

Cicli di vita di organismi sessualmente riproduttori

Fecondazione e meiosi si alternano nei cicli di vita sessuale. Ciò che accade tra questi due eventi dipende dall’organismo. Il processo di meiosi riduce il numero cromosomico della metà. La fecondazione, l’unione di due gameti aploidi, ripristina la condizione diploide. Ci sono tre categorie principali di cicli di vita negli organismi multicellulari: diploide dominante, in cui la pluricellulari diploide fase è la più evidente fase di vita, come con la maggior parte degli animali, compresi gli esseri umani; aploide dominante, in cui la pluricellulari aploide fase è la più evidente fase di vita, come con tutti i funghi e alcune alghe; e l’alternanza di generazioni, in cui le due fasi sono evidenti, con gradi diversi a seconda del gruppo, come con le piante e alcune alghe.

Ciclo di vita diploide-Dominante

Quasi tutti gli animali impiegano una strategia diploide-dominante del ciclo di vita in cui le uniche cellule aploidi prodotte dall’organismo sono i gameti. All’inizio dello sviluppo dell’embrione, le cellule diploidi specializzate, chiamate cellule germinali, sono prodotte all’interno delle gonadi, come i testicoli e le ovaie. Le cellule germinali sono in grado di mitosi per perpetuare la linea cellulare e meiosi per produrre gameti. Una volta formati i gameti aploidi, perdono la capacità di dividersi di nuovo. Non esiste uno stadio di vita aploide pluricellulare. La fecondazione avviene con la fusione di due gameti, di solito da individui diversi, ripristinando lo stato diploide (Figura 1).

Figura 1. Negli animali, gli adulti sessualmente riproduttori formano gameti aploidi da cellule germinali diploidi. La fusione dei gameti dà origine a una cellula uovo fecondata, o zigote. Lo zigote subirà più cicli di mitosi per produrre una prole multicellulare. Le cellule germinali vengono generate all’inizio dello sviluppo dello zigote.

Ciclo vitale aploide-Dominante

La maggior parte dei funghi e delle alghe impiega un tipo di ciclo vitale in cui il “corpo” dell’organismo-la parte ecologicamente importante del ciclo vitale—è aploide. Le cellule aploidi che costituiscono i tessuti dello stadio multicellulare dominante sono formate dalla mitosi. Durante la riproduzione sessuale, cellule aploidi specializzate da due individui, designati i tipi di accoppiamento ( + ) e ( – ), si uniscono per formare uno zigote diploide. Lo zigote subisce immediatamente la meiosi per formare quattro cellule aploidi chiamate spore. Sebbene aploidi come i “genitori”, queste spore contengono una nuova combinazione genetica da due genitori. Le spore possono rimanere dormienti per vari periodi di tempo. Alla fine, quando le condizioni sono favorevoli, le spore formano strutture aploidi pluricellulari da molti giri di mitosi (esempio 1).

Domanda pratica

Figura 2. I funghi, come la muffa del pane nero (Rhizopus nigricans), hanno cicli di vita aploidi dominanti. Lo stadio pluricellulare aploide produce cellule aploidi specializzate per mitosi che si fondono per formare uno zigote diploide. Lo zigote subisce meiosi per produrre spore aploidi. Ogni spora dà origine ad un organismo aploide pluricellulare per mitosi. (credit “zygomycota” micrograph: modification of work by “Fanaberka” / Wikimedia Commons)

Se si verifica una mutazione in modo che un fungo non sia più in grado di produrre un tipo di accoppiamento meno, sarà ancora in grado di riprodursi?

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Molto probabilmente sì poiché il fungo può probabilmente riprodursi asessualmente.

Alternanza di generazioni

Il terzo tipo di ciclo di vita, impiegato da alcune alghe e da tutte le piante, è una miscela degli estremi aploidi-dominanti e diploidi-dominanti. Le specie con alternanza di generazioni hanno sia organismi pluricellulari aploidi che diploidi come parte del loro ciclo di vita. Le piante pluricellulari aploidi sono chiamate gametofiti, perché producono gameti da cellule specializzate. La meiosi non è direttamente coinvolta nella produzione di gameti in questo caso, perché l’organismo che produce i gameti è già un aploide. La fecondazione tra i gameti forma uno zigote diploide. Lo zigote subirà molti cicli di mitosi e darà origine a una pianta pluricellulare diploide chiamata sporofita. Le cellule specializzate dello sporofito subiranno meiosi e produrranno spore aploidi. Le spore si svilupperanno successivamente nei gametofiti (Figura 3).

Figura 3. Le piante hanno un ciclo di vita che si alterna tra un organismo aploide pluricellulare e un organismo diploide pluricellulare. In alcune piante, come le felci, sia gli stadi aploidi che quelli diploidi sono a vita libera. La pianta diploide è chiamata sporofita perché produce spore aploidi per meiosi. Le spore si sviluppano in piante aploidi pluricellulari chiamate gametofiti perché producono gameti. I gameti di due individui si fondono per formare uno zigote diploide che diventa lo sporofito. (credito “fern”: modifica del lavoro di Cory Zanker; credito “sporangia”: modifica del lavoro di ” Obsidian Soul “/Wikimedia Commons; credito”gametofito e sporofito”: modifica del lavoro da parte di “Vlmastra” / Wikimedia Commons)

Sebbene tutte le piante utilizzino alcune versioni dell’alternanza di generazioni, la dimensione relativa dello sporofito e del gametofito e la relazione tra loro variano notevolmente. Nelle piante come il muschio, l’organismo del gametofito è la pianta a vita libera e lo sporofito dipende fisicamente dal gametofito. In altre piante, come le felci, sia il gametofito che lo sporofito sono piante a vita libera; tuttavia, lo sporofito è molto più grande. Nelle piante da seme, come alberi di magnolia e margherite, il gametofito è composto da poche cellule e, nel caso del gametofito femminile, è completamente trattenuto all’interno dello sporofito.

La riproduzione sessuale assume molte forme negli organismi multicellulari. Tuttavia, ad un certo punto in ogni tipo di ciclo di vita, la meiosi produce cellule aploidi che si fonderanno con la cellula aploide di un altro organismo. I meccanismi di variazione-crossover, assortimento casuale di cromosomi omologhi e fecondazione casuale—sono presenti in tutte le versioni della riproduzione sessuale. Il fatto che quasi tutti gli organismi multicellulari sulla Terra impieghino la riproduzione sessuale è una forte prova dei benefici della produzione di prole con combinazioni genetiche uniche, anche se ci sono altri possibili benefici.

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