La fertilización podría depender del trabajo en equipo de los espermatozoides, según un estudio

La fertilización ha sido tradicionalmente vista como una intensa competencia en la que millones de espermatozoides corren hacia un solo óvulo. Sin embargo, un nuevo estudio de biólogos evolutivos de Syracuse University, la Universidad de Siena en Italia y la Universidad de Szeged en Hungría, revela un panorama más complejo. En algunas especies, el éxito reproductivo puede depender no solo de la competencia, sino también de la cooperación entre los espermatozoides.

Los investigadores examinaron a los artrópodos, un vasto grupo de animales que incluye insectos, arañas, cangrejos y ciempiés. Analizaron ejemplos a lo largo de la historia evolutiva en los que los espermatozoides se unieron en grupos organizados o estructuras que podrían ayudarles a alcanzar y fertilizar un óvulo. Este comportamiento coordinado, conocido como conjugación de espermatozoides, está cambiando la forma en que los científicos ven la reproducción y la evolución.

Funcionamiento de la cooperación entre espermatozoides

La conjugación de espermatozoides puede compararse con un equipo de remo que se mueve de manera coordinada. Aunque los científicos documentaron este fenómeno por primera vez hace más de 100 años, generalmente se consideró poco común. El nuevo estudio, publicado en Nature Communications, indica que la cooperación entre espermatozoides ocurre de manera amplia entre los artrópodos y ha evolucionado en múltiples ocasiones.

"La fertilización a menudo se ve como una competencia entre espermatozoides individuales, pero en muchas especies observamos células trabajando juntas de maneras que pueden influir en el éxito reproductivo", afirmó Steve Dorus, profesor de biología en el Colegio de Artes y Ciencias de Syracuse University y coautor del estudio.

En muchas especies, esta cooperación implica material asociado a los espermatozoides (SAM). Esta sustancia, que está encerrada en una membrana, puede unir espermatozoides entre sí o crear estructuras alrededor de ellos que organizan las células en grupos. Los investigadores sugieren que el SAM pudo haber ayudado a que la conjugación de espermatozoides emergiera, posiblemente comenzando como un mecanismo para empaquetar o proteger a los espermatozoides.

Un solo espermatozoide debe atravesar un complicado y altamente complejo tracto reproductivo femenino. Al moverse o funcionar en grupos, los espermatozoides pueden ganar ventajas en movilidad, organización o rendimiento general. En estos casos, la fertilización se convierte en un esfuerzo coordinado en lugar de una competencia entre células aisladas.

Este hallazgo cuestiona suposiciones establecidas sobre la fertilidad. Los científicos pueden necesitar mirar más allá de las habilidades de espermatozoides individuales y prestar mayor atención a cómo el comportamiento grupal afecta los resultados reproductivos.

Un patrón evolutivo de ganancia y pérdida

La repetida aparición y desaparición de la conjugación de espermatozoides es uno de los hallazgos más notables del estudio. Esta estrategia se originó hace cientos de millones de años, pero diferentes especies la han ganado y perdido muchas veces. El análisis también concluyó que el ancestro común de todos los insectos poseía espermatozoides conjugados.

Para rastrear esta historia, el equipo llevó a cabo una comparación amplia de las estructuras de espermatozoides a través de los artrópodos utilizando décadas de investigaciones publicadas previamente. Examinaron las características de los espermatozoides de cientos de especies y colocaron esos rasgos en un árbol genealógico evolutivo. Esto permitió a los científicos estimar cuándo aparecieron varias formas de cooperación entre espermatozoides y con qué frecuencia desaparecieron o regresaron.

La línea de tiempo resultante rastrea la conjugación de espermatozoides y el material asociado a los espermatozoides (SAM) a través de principales linajes animales durante los últimos 600 millones de años. Revela un patrón recurrente en el que las innovaciones evolutivas aparecieron, desaparecieron y luego emergieron nuevamente.

"La evolución ha efectivamente realizado el mismo experimento una y otra vez en diferentes grupos de artrópodos", dijo R. Antonio Gomez, investigador postdoctoral en el Departamento de Biología de Syracuse University y autor principal del estudio. "Eso nos permite ver no solo cuándo emerge la cooperación entre espermatozoides, sino también cuándo desaparece y reaparece bajo diferentes condiciones evolutivas".

Según los investigadores, este patrón recurrente ilustra la naturaleza experimental de la evolución.

"Los espermatozoides son el tipo de célula que evoluciona más rápidamente", afirmó Scott Pitnick, profesor Weeden de Biología en Syracuse University y autor principal del estudio. "Están moldeados por el desafío único de operar fuera del cuerpo en el complejo entorno del tracto reproductivo femenino".

Posibles implicaciones para la fertilidad

Aunque el estudio se centra en la biología evolutiva, sus hallazgos podrían influir en varias otras áreas de investigación. Una posibilidad es una comprensión más amplia de la fertilidad en todo el reino animal.

Pitnick describe la fertilización como un recorrido de obstáculos en lugar de una carrera sencilla. Los espermatozoides deben navegar por un entorno complicado e interactuar con el tracto reproductivo femenino de diversas maneras. Aprender cómo los espermatozoides cooperan o dependen de estructuras biológicas compartidas podría eventualmente señalar a los científicos nuevas formas de estudiar las dificultades reproductivas humanas.

Un nuevo objetivo para el control de plagas

La investigación también podría apoyar nuevos métodos para controlar plagas destructivas. Los científicos están investigando si la conjugación de espermatozoides o el SAM podrían ser interrumpidos para interferir con la reproducción en especies dañinas. Un objetivo potencial es el insecto linterna manchada, que se ha convertido en una creciente preocupación agrícola en Nueva York y otros estados del este.

El esperma de la linterna manchada difiere del esperma cooperativo encontrado en muchos otros artrópodos. No se une en grupos coordinados. En cambio, cada célula espermática está rodeada por una gruesa capa de SAM.

"Su esperma es muy inusual", dice Pitnick. "No tienen conjugación, pero cada espermatozoide individual está completamente incrustado en este material, y ni siquiera sabemos cómo son móviles".

Los científicos aún no comprenden cómo se mueven y funcionan estos espermatozoides. Ese misterio también podría crear una oportunidad. Si el SAM es esencial para la reproducción de la linterna manchada, interferir con el material podría ofrecer una forma altamente específica de controlar la especie.

¿Por qué evoluciona la cooperación entre espermatozoides?

Una pregunta central permanece sin resolver: ¿por qué se desarrolla la cooperación entre espermatozoides?

Una posibilidad es que trabajar juntos mejore el movimiento a través del tracto reproductivo. Otra es que los espermatozoides agrupados ayudan a transportar moléculas importantes a ubicaciones específicas. Confirmar estas ideas es difícil porque los espermatozoides observados en portaobjetos de vidrio a menudo se comportan de manera diferente a los espermatozoides que se mueven dentro del entorno mucho más complicado del cuerpo femenino.

Los estudios futuros intentarán observar grupos de espermatozoides dentro de sistemas reproductivos reales. Los investigadores también esperan determinar los beneficios específicos y los posibles costos asociados con este comportamiento cooperativo.

Cooperación y competencia trabajan juntas

Los hallazgos apuntan a una lección más amplia sobre la biología. La cooperación y la competencia no son necesariamente fuerzas opuestas. Pueden operar juntas, e incluso las células microscópicas pueden depender de un equilibrio entre ambas.

"Lo que hace que este patrón sea tan fascinante es que la evolución sigue llegando a soluciones cooperativas similares en grupos muy diferentes y a través de vastas extensiones de tiempo", dice Dorus. "Estos ejemplos nos recuerdan que la cooperación puede ser tan importante como la competencia en la configuración del éxito biológico".

Al estudiar cómo las células espermáticas se coordinan para superar los desafíos reproductivos, los científicos están descubriendo nuevos detalles sobre la evolución, la fertilidad y las estrategias biológicas que sustentan la vida. El trabajo también ayuda a abordar una importante brecha en la comprensión de cómo han surgido y cambiado rasgos reproductivos elaborados durante cientos de millones de años.