Tenir nadons al sòl: És realment necessari el sexe?
Figura 1: Visió general dels diferents modes reproductius descrits en el text. (A) En l’hermafroditisme, cada individu posseeix òrgans reproductius masculins i femenins; els cucs de terra es fecunden entre ells i cada individu pon ous. (B) En la fissió binària, una cèl·lula es divideix en dues cèl·lules d’igual mida després de duplicar el seu material genètic. Dos individus es produeixen a partir d'una única cèl·lula parental. Aquest mètode és utilitzat per molts protists, com ara les amebes. (C) La partenogènesi és una forma de reproducció asexual en què una descendència es desenvolupa a partir d’un òvul no fecundat. Alguns àcars oribàtids es reprodueixen mitjançant partenogènesi.
Figura 2: Creixement poblacional previst per a poblacions sexuals i asexuals.
Figura 3: Els àcars oribàtids asexuals eliminen mutacions lleugerament perjudicials de manera més eficaç que els àcars oribàtids sexuals [1].
Open PDF in new window.
Hüsna Öztoprak 1*, Alexander Brandt 2,3, Marcel D. Solbach 4, Jens Bast 1 i Ina Schaefer 3
1Bast Lab, Institute of Zoology, University of Cologne, Cologne, Germany
2Schwander Lab, Department of Ecology and Evolution, University of Lausanne, Lausanne, Switzerland
3Animal Ecology, Johann-Friedrich-Blumenbach Institute of Zoology and Anthropology, University of Göttingen, Göttingen, Germany
4Terrestrial Ecology, Institute of Zoology, University of Cologne, Cologne, Germany
Trobar una parella i tenir sexe per produir nadons és una forma comuna de reproduir-se. Tanmateix, si mirem amb més atenció, veiem que la natura proporciona moltes maneres de reproduir-se. Què passa en un món sense mascles? El que al principi sembla impossible és la realitat per a molts organismes que es reprodueixen asexualment, és a dir, sense tenir sexe. Les femelles produeixen filles que són clons d'elles mateixes, de manera que no es necessita una parella i els mascles són prescindibles. Un exemple de societats totalment femenines són diverses espècies d’àcars oribàtids, que viuen al sòl. Aquests àcars ja eren a la Terra molt abans que els dinosaures. Han estat els àcars oribàtids sempre asexuals? Per què es reprodueixen sense mascles? Té algun avantatge la reproducció asexual? Seguiu llegint per conèixer la reproducció asexual i per què els àcars oribàtids són un organisme clau per investigar la pregunta: “per què el sexe?”
LA REPRODUCCIÓ EN ORGANISMES DEL SÒL
Tots els organismes vius es reprodueixen per generar nous descendents. Pràcticament tots els organismes, inclosos els humans, utilitzen alguna forma de sexe per reproduir-se. En la reproducció sexual, un òvul produït per una femella i un espermatozou produït per un mascle es fusionen. El resultat és un zigot que es desenvolupa en un descendent únic. Cada descendent és una mescla dels seus pares, ja que hereta la meitat del seu ADN de la mare i l'altra meitat del pare. El nou descendent creix, es converteix en adult, troba una parella i finalment produeix descendents. Aquest és el cercle de la vida.
Molts tipus d’organismes viuen al sòl, i tenen una gran varietat de maneres de reproduir-se. Per exemple, els cucs de terra són hermafrodites, la qual cosa significa que un cuc té òrgans reproductors masculins com femenins. Els cucs de terra es reprodueixen sexualment: si dos cucs de terra es troben, intercanvien espermatozous que es fusionen amb els òvuls de l’altre cuc de terra (Figura 1A). Com que tenen tan òrgans sexuals masculins com femenins, els cucs de terra no han de preocupar-se de trobar una parella del sexe oposat perquè sempre hi ha una combinació compatible. Els cucs de terra pertanyen a un grup d’organismes del sòl anomenat macrofauna, que inclou tots els animals més grans de 2 mm. La macrofauna són els gegants del sòl comparats amb la majoria d’altres organismes presents al sòl.
El nombre més gran d’organismes del sòl pertany a la microfauna, que consta d’organismes més petits de 0,1 mm. La majoria són organismes unicel·lulars anomenats protists. Són tan petits que un grapat de terra conté més protists que humans a tot el món. Per a la reproducció, els protists no necessiten una parella en absolut. Alguns protists es reprodueixen mitjançant un tipus de reproducció asexual, fent còpies exactes d'ells mateixos mitjançant un procés anomenat fissió binària. Primer, dupliquen tot el seu material genètic, i després una cèl·lula es divideix en dues (Figura 1B). Si es repeteix diverses vegades, moltes còpies idèntiques d’un individu poblen el sòl de manera independent.
Un altre grup essencial d’organismes del sòl és conegut com a mesofauna, que inclou tots els animals del sòl entre 0,1 i 2 mil·límetres de mida. La mesofauna del sòl inclou els col·lèmbols i els àcars oribàtids. Aquests organismes són molt comuns i juguen un paper fonamental a la xarxa tròfica del sòl. Destrueixen la matèria orgànica morta de les plantes, posant els nutrients a disposició d’altres organismes, com bacteris i fongs, que després són menjats per altres organismes subterranis. Molts àcars oribàtids viuen en poblacions totalment femenines i ho han fet durant milions d'anys. No necessiten sexe per reproduir-se, perquè poden pondre ous que es desenvolupen sense ser fertilitzats per un mascle, en un procés anomenat partenogènesi (Figura 1C). Cada ou conté només l’ADN de la mare, la qual cosa significa que els descendents són clons de la mare.
AVANTATGES DE LA REPRODUCCIÓ ASEXUAL
Copiar-se o clonar-se sembla molt més fàcil que trobar una parella, però hi ha encara més avantatges de la reproducció asexual. Si segueixes una població sexual i una asexual al llarg del temps, apareixen dues grans diferències. Una femella asexual només produeix filles, i aquestes filles només produeixen filles quan es reprodueixen. En canvi, les femelles sexuals han de produir fills per fertilitzar els ous, però només les filles poden tenir descendents. Així que, fins i tot si les femelles sexuals i asexuals produeixen el mateix nombre de descendents, la femella asexual té més filles, la qual cosa significa més descendents que poden reproduir-se.
Amb el temps, la població asexual creix molt més ràpidament i pot competir millor amb la població sexual només per nombre (Figura 2). Els científics anomenen això el “cost dels mascles”. A més de proporcionar un creixement poblacional més gran, la reproducció asexual sembla tenir altres avantatges: no hi ha malalties de transmissió sexual, no hi ha pèrdua d’energia i no hi ha possibilitat de ser menjat per depredadors mentre es busca una parella.
En aquest exemple, cada femella produeix dos descendents. La mida de la població sexual es manté constant al llarg del temps, perquè es necessiten mascles per fertilitzar els ous de les femelles, però ells mateixos no poden tenir descendents. En la reproducció asexual, la femella produeix el doble de descendents (femelles), el que porta a un creixement exponencial de la població. (F0: generació parental, F1: primera generació de descendents dels pares, F2: pròxima generació de descendents de F1).
QUIN ÉS L'ÚS DEL SEXE SI LA REPRODUCCIÓ ES POT DONAR SENSE ELL?
Si hi ha maneres exitoses de reproducció asexual, per què els eucariotes es preocupen pel sexe tan complicat, arriscat i costós? Més del 98% de tots els animals utilitzen sexe per reproduir-se. Això vol dir que la reproducció sexual ha de tenir avantatges clars respecte a la reproducció asexual. Per tant, els científics intenten explicar els beneficis del sexe principalment buscant possibles problemes si no es fa servir sexe. Un desavantatge que els científics han proposat per a la reproducció asexual té a veure amb les mutacions. Les mutacions són canvis en l'ADN que són una causa important de la diversitat entre organismes. De tant en tant, les mutacions són beneficioses, algunes vegades són molt perjudicials, i la majoria de vegades són lleugerament perjudicials. Quan un organisme fa còpies d’ell mateix tot el temps, les mutacions lleugerament perjudicials es van acumulant a través de les generacions, causant cada vegada més danys. Quan aquestes mutacions s’acumulen prou, poden portar a l'extinció de l'espècie. Això no passa en els organismes sexuals, perquè les mutacions perjudicials d’un pare poden ser compensades per l’ADN sense mutar de l’altre pare. Penseu en dues bicicletes, una amb un pneumàtic punxat i l’altra amb un pedal trencat. Combinant peces de les dues, encara podries tenir una bicicleta funcional. Seria preferible tenir una bicicleta completament funcional en lloc de dues semi-funcionals. Alguns científics suggereixen que aquest mecanisme de reparació de l’ADN és una avantatge essencial de la reproducció sexual. A més, només fent còpies o clons, els organismes no canvien per moltes generacions. Això pot comportar problemes si l’ambient canvia. Per exemple, la disponibilitat de recursos com el menjar pot canviar en el temps, per exemple degut al canvi climàtic o a la presencia d’altres organismes que competeixen pel menjar. El menjar pot desenvolupar una estratègia de defensa, com corre més ràpid o tornant-se verinós. Els paràsits també poden ser un problema. Com que tots els individus d’una població asexual són molt similars, aquests organismes no tenen les petites diferencies que els poden ajudar a adaptar-se abans que els canvis ambientals arribin, per tant podrien acabar desapareixent. Això significa que la descendència produïda mitjançant reproducció sexual tenen més possibilitats de supervivència simplement perquè són diferent de la descendència produïda anteriorment. Això sembla que ens vulgui dir que els organismes asexuals s’haurien d’extingir a llarg termini. Sabent que tants tipus d’organismes prosperen en el sòl, ens vam preguntar si els organismes asexuals realment estaven condemnats a morir.
ELS GENS ENS PODEN DIR COSES SOBRE LA REPRODUCCIÓ ASEXUAL
Els nostres grups de recerca treballen amb àcars oribàtids que viuen al sòl perquè moltes espècies asexuals d’aquests organismes han sobreviscut sense mascles durant milions d'anys. Vam analitzar els gens d'espècies d'àcars oribàtids sexuals i asexuals perquè els gens ens poden dir què va passar amb els organismes en el passat. Imagineu els gens com el llibre de registre d'un capità, on es registren les coses importants que van succeir a un organisme en el passat i es transmeten a les generacions futures. Encara podem veure els desavantatges de la reproducció asexual en aquests llibres de registre. Si comparem els llibres de registre dels àcars oribàtids que es reprodueixen sexualment amb els que es reprodueixen asexualment, podem identificar quins dels problemes mencionats anteriorment van ocórrer i com es van resoldre. Com que estem comparant dues espècies molt similars d'àcars, la majoria dels gens són molt semblants. Tanmateix, per a alguns gens podem identificar certes diferències que s'han de deu a les conseqüències dels diferents modes reproductius.
En contrast amb el que els científics havien teoritzat, vam descobrir que les espècies asexuals no acumulen més mutacions perjudicials que les espècies sexuals (Figura 3) [1]. No necessiten combinar dues bicicletes trencades per aconseguir una bicicleta funcional, perquè mantenen les bicicletes funcionals. També vam descobrir que els àcars asexuals mantenen la variabilitat en les seves grans poblacions [2]. Els gens en línies separades mare-filla són tan diferents entre si com ho són els individus que mesclen gens reproduint-se sexualment. Finalment, vam descobrir que els gens de dues (o més) poblacions d'àcars oribàtids asexuals poden ser tan variats com els gens d'espècies sexuals. Això significa que els àcars oribàtids asexuals no es mantenen iguals durant moltes generacions, per la qual cosa poden adaptar-se a nous entorns i fins i tot poden divergir en noves espècies [3].
Els asexuals són fins i tot millors mantenint gens saludables (indicats per la bici blava elegant) que les espècies sexuals (que encara tenen bicicletes vermelles força decents). Un diagrama de caixa mostra el 50% mitjà de les dades, cadascun amb una línia al mig representant la mediana (el centre de les dades). Les dues línies fora de la caixa indiquen les observacions més alta (màxim) i més baixa (mínim). Les tres estrelles a dalt indiquen que aquest resultat és estadísticament significatiu, la qual cosa vol dir que és molt poc probable observar-ho només per atzar.
Segons la nostra recerca, sembla que els àcars oribàtids asexuals no tenen desavantatges en comparació amb els que es reprodueixen sexualment. Mantenen les mutacions sota control, mantenen la variabilitat genètica i s’adapten amb el temps, tot això sense sexe!
PER QUÈ ÉS IMPORTANT AIXÒ?
Hi ha moltes maneres de produir descendents, i no sempre inclouen sexe. En teoria, les espècies asexuals haurien d'extingir-se. No obstant això, a la natura, hi ha diversos organismes asexuals que han persistit al llarg del temps. Ha de ser possible superar els desavantatges de l'asexualitat, tal com vam veure en els àcars oribàtids asexuals. Però, com ho fan? Tenen mecanismes especials que reparen les mutacions? Han de mantenir una gran mida de població per mantenir la variabilitat genètica? És més fàcil ser asexual si t’alimentes d’una font de menjar morta, que no pot desenvolupar estratègies de defensa a les quals t'has d'adaptar? Un dels reptes futurs serà trobar els mecanismes que la majoria d’organismes asexuals tenen en comú. Els científics continuen treballant amb parelles d'organismes sexuals i asexuals relacionats per il·luminar la varietat de modes reproductius i intentar respondre la pregunta: “Per què el sexe és tan comú?”
GLOSSARI
Reproducció sexual
Mode reproductiu que requereix un òvul d'una femella i un espermatozou d'un mascle. El descendent és un individu únic que porta la meitat de l'ADN de cada pare.
Zigot
Una cèl·lula que resulta de la fusió d'un espermatozou d'un mascle amb un òvul d'una femella, és a dir, un zigot és un ou fertilitzat.
Hermafrodita
Un individu que pot produir tant òvuls com espermatozous. És bàsicament tant una femella com un mascle.
Protist
Organisme unicel·lular que és un eucariota. Molts s'alimenten de bacteris i alliberen el nitrogen excedent, proporcionant nutrients essencials per a les plantes i altres organismes.
Reproducció asexual
Qualsevol tipus de mode reproductiu que produeix descendents sense la fusió de òvuls i espermatozous, també anomenats gàmetes. Els descendents són idèntics al pare i/o entre ells.
Fissió binària
Una cèl·lula es divideix en dues cèl·lules de mida igual després de duplicar el seu material genètic. Es produeixen dos individus d'una sola cèl·lula mare, és a dir, una cèl·lula mare i una filla.
Partenogènesi
Una forma de reproducció asexual en la qual un descendent es desenvolupa a partir d'un ou no fertilitzat.
Eucariotes
Poden ser animals, plantes, organismes unicel·lulars com els protists i fongs. Són cèl·lules complexes, on la informació genètica està organitzada en un nucli.
REFERÈNCIES
- Brandt, A., Schaefer, I., Glanz, J., Schwander, T., Maraun, M., Scheu, S., et al. 2017. Effective purifying selection in ancient asexual oribatid mites. Nat. Commun. 8:873. doi: 10.1038/s41467-017-01002-8
- Palmer, S. C., and Norton, R. A. 1992. Genetic diversity in thelytokous oribatid mites (Acari; Acariformes: Desmonomata). Biochem. Syst. Ecol. 20:219–31. doi: 10.1016/0305-1978(92)90056-J
- Heethoff, M., Domes, K., Laumann, M., Maraun, M., Norton, R. A., and Scheu, S. 2007. High genetic divergences indicate ancient separation of parthenogenetic lineages of the oribatid mite Platynothrus peltifer (Acari, Oribatida). J. Evol. Biol. 20:392–402. doi: 10.1111/j.1420-9101.2006.01183.x
CITATION: Öztoprak H, Brandt A, Solbach MD, Bast J and Schaefer I (2021) Having Babies in Soil: Is Sex Really Necessary? Front. Young Minds 9:611659. doi: 10.3389/frym.2021.611659
CONFLICT OF INTERESTS: The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.
COPYRIGHT © 2021 Öztoprak, Brandt, Solbach, Bast and Schaefer. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
JOVES REVISORS
DARIO, EDAT: 14
Em dic Dario. Visc en un petit poble d'Àustria que està ple de natura, així que en el meu temps lliure m'agrada sortir amb els meus gossos o enfilar-me als arbres. Els meus pares són biòlegs tots dos, així que vaig interessar-me per la biologia força aviat.
LUVENA, EDAT: 11
Hola, em dic Luvena! M'encanta la música, l'esport i el menjar. Les meves assignatures preferides a l'escola són les matemàtiques i la llengua. En el meu temps lliure, m’agrada tocar el piano i llegir llibres amb la meva germana. Quan sigui gran, m’agradaria ser neurocirurgiana.
PRANATEE, EDAT: 12
Hola! M’encanta fer rebosteria, especialment coques i pastissos. A l’escola, les meves assignatures preferides són les ciències, l’hora de dinar i el pati. M’agrada passar temps a l’aire lliure i fer excursions. També m’encanta anar a la platja i tinc interès per la fotografia. Mirar les meves sèries preferides, pintar, escoltar música, cantar i passar temps amb els amics són les meves activitats preferides en el temps lliure. En el futur, m’agradaria ser científica, o bé cantautora i actriu.
VALERIE, EDAT: 13
Estic a 8è en una escola secundària d'Àustria. Els meus hobbies són muntar a cavall, patinar i ballar. Tinc un gat molt vell i aviat tindrem un gos. També m'agrada quedar amb els meus amics i escoltar música.
AUTORS
HÜSNA ÖZTOPRAK
Al principi vaig estudiar biologia per convertir-me en periodista científic. Durant els meus estudis, em vaig adonar ràpidament que volia trobar respostes a les meves pròpies preguntes, així que em vaig convertir en investigadora. Durant la meva recerca de màster vaig trobar i descriure noves espècies d'amèbes amb teca. Em vaig interessar per com els organismes assexuats es divergeixen en noves espècies. Així que vaig començar el meu doctorat a la Universitat de Colònia, Alemanya. M'agrada viatjar i provar nous aliments. Actualment, quedar-me a casa és el més responsable a fer. Per tant, quan no estic al laboratori, em quedo a casa i miro anime. *h.oeztoprak@uni-koeln.de
ALEXANDER BRANDT
En la meva recerca sobretot analitzo gens utilitzant l'ordinador. No obstant això, sempre gaudeixo observant animals (del sòl) sota el microscopi quan tinc temps lliure al laboratori. Vaig passar molt de temps comparant quantes mutacions perjudicials s'han acumulat en els àcars oribàtids assexuats i sexuals durant la seva evolució. Per aquest treball, recentment vaig obtenir el meu doctorat a la Universitat de Göttingen (del qual estic molt orgullós)! En el meu temps lliure, m'agrada veure documentals sobre dinosaures, quedar amb amics, i toco la bateria en una banda de rock.
MARCEL D. SOLBACH
Sòc estudiant de doctorat en biologia a Colònia. He realitzat treballs sobre diversos microorganismes, incloent-hi microalgues, bacteris intracel·lulars en amebes i actualment sobre protists com a possibles patògens vegetals. Quan no estic assegut al laboratori, intento construir una carrera paral·lela com a artista il·lustrador de fantasia —per això vaig pintar les imatges d'aquest article! En el meu temps restant, m'agrada jugar a bàsquet i nedar, per evitar que el meu cos envellit i adolorit es desmunti.
JENS BAST
De petit (i encara ara com a adult), estava fascinat pels animals, sobretot pels gats. I pels gens. Vaig manipular genèticament els meus primers bacteris als 17 anys. Així és com em vaig introduir en la biologia i quan vaig començar a preguntar-me per què les coses a la natura són com són. Utilitzo la meva passió pels gens i els animals per intentar entendre què passa en l'evolució quan es perd la reproducció sexual. M'agrada treballar amb altres científics per resoldre preguntes científiques junts. En el meu temps lliure m'agrada cuinar i menjar, viatjar, fer música i jugar a jocs.
INA SCHAEFER
La diversitat i la singularitat del món natural em van fer reflexionar sobre el que considerem normal i el que és inusual. Per això em vaig convertir en científica, perquè la ciència s'ha de basar en l'objectivitat. Estic fascinada pel medi del sòl perquè la vida en el sòl és tan diferent de la nostra experiència quotidiana a l'aire lliure en molts aspectes. No obstant això, com que sóc un ésser humà gran i maldestre que no pot veure ni moure’s en el sòl, necessito investigar l'ADN dels organismes del sòl per entendre què fan i qui són.
TRADUCTORA
SANDRAVARGA
La Sandra és Professora Associada a la Universitat de Lincoln, el Regne Unit. A part d’impartir classes en biologia, fa recerca investigant les relacions entre les plantes i el sòl per entendre com el canvi climàtic està afectant aquestes interaccions, i investiga com els microbis del sòl poden contribuir a la producció de plantes d’una manera més sostenible.
FINANÇAMENT (TRADUCCIÓ)
L'equip de Translating Soil Biodiversity agraeix el suport del Centre Alemany per a la Recerca Integrativa de Biodiversitat (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, finançat per la Fundació Alemanya per a la Recerca (DFG FZT 118, 202548816).
CITATION (TRADUCCIÓ)
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
REFERÈNCIA (TRADUCCIÓ): Öztoprak H, Brandt A, Solbach MD, Bast J and Schaefer I (2025) Having Babies in Soil: Is Sex Really Necessary? (Traducció al català: Sandra Varga). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2021. doi: 10.3389/frym.2021.611659
