Spermul cooperativ poate crește succesul fertilizării la diverse artropode
Fertilizarea este adesea imaginată ca o cursă frenetică, în care milioane de spermatozoizi concurează pentru un singur premiu.
Cercetările recente realizate de o echipă de biologi evoluționiști de la Universitatea Syracuse, Universitatea din Siena, Italia, și Universitatea din Szeged, Ungaria, dezvăluie o realitate mai surprinzătoare, în care succesul poate depinde mai puțin de competiție și mai mult de cooperare.
Echipa a concentrat studiul asupra organismelor numite artropode, o parte mare și diversă a regnului animal, care include păianjeni, crabi, insecte și centipede. Oamenii de știință au explorat situații din istorie în care spermatozoizii artropodelor au lucrat împreună în grupuri coordonate, formând structuri pentru a-și îmbunătăți șansele de a ajunge și a fertiliza un ovul. Acest proces, cunoscut sub numele de conjugare a spermatozoizilor, schimbă viziunea cercetătorilor asupra reproducerii și evoluției.
Pentru a vizualiza conjugarea spermatozoizilor, gândiți-vă la o echipă coordonată de rame. Deși a fost descrisă pentru prima dată acum mai bine de un secol, acest fenomen a fost mult timp considerat rar. Noile descoperiri ale echipei, publicate în Nature Communications, sugerează că este răspândit în întreaga lume a artropodelor și a evoluat de mai multe ori de-a lungul timpului.
„Fertilizarea este adesea văzută ca o competiție între spermatozoizi individuali, dar în multe specii observăm celule care colaborează în moduri ce pot influența succesul reproductiv,” afirmă Steve Dorus, profesor de biologie la Colegiul de Arte și Științe al Universității Syracuse și coautor al studiului.
În numeroase specii, această coordonare depinde de materialul asociat spermatozoizilor (SAM), o substanță legată de membrană care poate lega spermatozoizii împreună sau forma structuri externe care îi organizează în grupuri. Cercetătorii cred că SAM ar fi putut juca un rol cheie în originea conjugării spermatozoizilor, evoluând inițial ca o modalitate de a ambala sau proteja spermatozoizii.
Singur, un spermatozoid se confruntă cu o călătorie complexă și dificilă prin tractul reproducător feminin. Împreună, spermatozoizii grupați pot obține avantaje în ceea ce privește mișcarea, coordonarea sau funcția, transformând reproducerea într-o activitate de echipă, mai degrabă decât într-o cursă solitară.
Această perspectivă contestă presupunerile de lungă durată despre fertilitate. În loc să se concentreze exclusiv pe performanța spermatozoizilor individuali, cercetătorii trebuie acum să ia în considerare modul în care comportamentul colectiv influențează succesul reproductiv.
O parte din ceea ce face această descoperire atât de remarcabilă, conform echipei de cercetare, este dovada cât de frecvent a apărut și a dispărut conjugarea spermatozoizilor de-a lungul istoriei evolutive. Aceasta a apărut pentru prima dată cu sute de milioane de ani în urmă și a fost câștigată și pierdută de multe ori în diverse specii. De fapt, acest studiu a constatat că strămoșul tuturor insectelor avea spermatozoizi conjugati.
Pentru a descoperi aceste tipare, cercetătorii au efectuat o analiză comparativă pe scară largă a formei spermatozoizilor în rândul artropodelor, bazându-se pe zeci de studii publicate. Comparând caracteristicile spermatozoizilor din sute de specii diverse și mapându-le pe un arbore genealogic evolutiv, echipa a reconstituit când diferite forme de cooperare a spermatozoizilor au evoluat și cât de des au fost pierdute sau recâștigate în timp.
Această cronologie evolutivă arată cum conjugarea spermatozoizilor și materialul asociat spermatozoizilor (SAM) au apărut în grupuri majore de animale de-a lungul ultimelor 600 de milioane de ani, dezvăluind un tipar de inovație și pierdere repetată.
„Evoluția a efectuat practic aceeași experimentare de mai multe ori în diferite grupuri de artropode,” afirmă R. Antonio Gomez, cercetător postdoctoral în Departamentul de Biologie al A&S și autor principal al studiului. „Aceasta ne permite să vedem nu doar când apare cooperarea spermatozoizilor, ci și când dispare și reapare în condiții evolutive diferite.”
Pentru autorii studiului, acest tipar subliniază natura de încercare și eroare a evoluției.
„Spermatozoizii sunt celulele cu cea mai rapidă evoluție,” afirmă Scott Pitnick, profesor Weeden de biologie în A&S și autor senior al studiului. „Ei sunt modelați de provocarea unică de a funcționa în afara corpului în mediu complex al tractului reproducător feminin.”
Deși cercetarea are rădăcini în biologia evolutivă, implicațiile sale se extind mult dincolo de aceasta. De exemplu, aceste descoperiri ar putea schimba modul în care oamenii de știință gândesc despre fertilitate în întreaga lume animală. Fertilizarea, explică Pitnick, este mai degrabă ca un parcurs cu obstacole decât o simplă cursă, iar aceasta implică interacțiuni complexe între spermatozoizi și tractul reproducător feminin. Înțelegerea modului în care spermatozoizii cooperează sau se bazează pe structuri comune ar putea revela noi abordări pentru provocările reproductive umane.
De asemenea, acest studiu deschide noi căi pentru controlul dăunătorilor. Cercetătorii explorează cum conjugarea spermatozoizilor și SAM ar putea fi utilizate pentru a întrerupe reproducerea speciilor dăunătoare. Aceasta include păianjenul lanternfly, o amenințare agricolă în creștere în New York și în alte state estice.
Spre deosebire de alte specii, spermatozoizii lanternfly nu formează grupuri cooperative. În schimb, fiecare spermatozoid este învelit într-o grosieră acoperire de SAM.
„Spermatozoizii lor sunt extrem de neobișnuiți,” afirmă Pitnick. „Ei nu au conjugare, dar fiecare spermatozoid individual este complet înglobat în acest material, iar noi nu știm nici măcar cum sunt motile.”
Modul în care acești spermatozoizi funcționează rămâne un mister, dar această biologie neobișnuită poate oferi o oportunitate. Dacă SAM este esențial pentru reproducere, perturbarea acestuia ar putea oferi o strategie de control foarte țintită.
O întrebare rămâne deosebit de fundamentală: De ce evoluează cooperarea spermatozoizilor în primul rând?
Ipotezele actuale sugerează că cooperarea ar putea îmbunătăți mișcarea sau ajuta la livrarea unor molecule importante în locații specifice din tractul reproducător. Însă testarea acestor idei este dificilă, în parte pentru că spermatozoizii se comportă diferit pe lamele de sticlă, unde sunt ușor observați, decât în complexul mediu al corpului feminin.
Cercetările viitoare își propun să abordeze această lacună, observând cum funcționează grupurile de spermatozoizi în interiorul sistemelor reproductive și identificând avantajele sau compromisurile specifice ale muncii în echipă.
Descoperirile echipei subliniază o importantă perspectiv
