A fertilização é geralmente retratada como uma competição intensa em que milhões de espermatozoides correm em direção a um único óvulo. Novas pesquisas realizadas por biólogos evolucionistas da Universidade de Syracuse, da Universidade de Sienna, na Itália, e da Universidade de Szeged, na Hungria, apontam para um quadro mais complexo. Em algumas espécies, o sucesso reprodutivo pode depender não apenas da competição, mas também do trabalho conjunto dos espermatozoides.
Os pesquisadores examinaram artrópodes, o vasto grupo de animais que inclui insetos, aranhas, caranguejos e centopéias. Eles examinaram exemplos ao longo da história evolutiva em que os espermatozoides dos artrópodes se uniram em grupos ou estruturas organizadas que poderiam ajudá-los a alcançar e fertilizar os óvulos. Conhecido como conjugação de espermatozóides, este comportamento coordenado está a mudar a forma como os cientistas veem a reprodução e a evolução.
Como funciona a cooperação espermática?
A conjugação do esperma pode ser comparada a uma equipe de remo movendo-se de maneira coordenada. Os cientistas documentaram o fenômeno pela primeira vez há mais de 100 anos, mas ele foi geralmente considerado incomum. O novo estudo publicado na Nature Communications sugere que a cooperação espermática ocorre amplamente entre os artrópodes e evoluiu em muitos momentos diferentes.
“A fertilização é frequentemente vista como uma competição entre espermatozoides individuais, mas em muitas espécies vemos células trabalhando juntas de maneiras que podem influenciar o sucesso reprodutivo”, diz o co-autor do estudo Steve Doras, professor de biologia na Faculdade de Artes e Ciências (A&S) da Universidade de Syracuse.
Em muitas espécies, esta associação envolve material associado ao esperma (SAM). Esta substância ligada à membrana pode ligar os espermatozoides uns aos outros ou formar estruturas ao seu redor que organizam as células em grupos. Os pesquisadores sugerem que o SAM pode ter ajudado a emergir a conjugação do esperma, possivelmente começando como um mecanismo para empacotar ou proteger o esperma.
Um único espermatozóide deve passar por um trato reprodutivo feminino difícil e altamente complexo. Movendo-se ou trabalhando em grupos, os espermatozoides podem obter vantagens em termos de mobilidade, organização ou desempenho geral. Nestes casos, a fertilização torna-se um esforço coordenado e não uma competição envolvendo células isoladas.
A descoberta põe em causa suposições há muito estabelecidas sobre a fertilidade. Os cientistas podem precisar de olhar para além das capacidades dos espermatozoides individuais e prestar mais atenção à forma como o comportamento do grupo afecta os resultados reprodutivos.
Um padrão evolutivo de ganhos e perdas
O repetido aparecimento e desaparecimento da conjugação espermática é uma das descobertas mais notáveis do estudo. Esta estratégia teve origem há milhões de anos, mas foi ganha e perdida muitas vezes por diferentes espécies. A análise também concluiu que o ancestral comum de todos os insetos tinha espermatozóides conjugados.
Para traçar esta história, a equipe conduziu uma comparação abrangente das estruturas dos espermatozoides em artrópodes usando pesquisas publicadas há décadas. Ele examinou as características dos espermatozoides de centenas de espécies e colocou essas características em uma árvore genealógica evolutiva. Isto ajudou os cientistas a estimar quando surgiram diferentes formas de cooperação espermática e com que frequência desapareceram ou regressaram.
A linha do tempo resultante rastreia a conjugação do esperma e o material associado ao esperma (SAM) nas principais linhagens de animais ao longo dos últimos 600 milhões de anos. Isto revela um padrão recorrente em que as inovações evolutivas aparecem, desaparecem e mais tarde ressurgem.
“A evolução efetivamente realizou o mesmo experimento repetidamente em diferentes grupos de artrópodes”, diz R. Antonio Gomez, pós-doutorado no departamento de biologia da A&S e principal autor do estudo. “Isso nos permite ver não apenas quando a cooperação espermática emerge, mas também quando ela desaparece e reaparece sob diferentes condições evolutivas”.
Segundo os pesquisadores, esse padrão recorrente reflete a natureza experimental da evolução.
“Os espermatozoides são o tipo de célula de crescimento mais rápido”, diz Scott Pitnick, professor de biologia da Weeden na A&S e autor sênior do estudo. “Eles são moldados pelo desafio único de trabalhar fora do corpo, no complexo ambiente do trato reprodutivo feminino”.
Efeitos potenciais na fertilidade
Embora o estudo tenha se concentrado na biologia evolutiva, suas descobertas podem impactar muitas outras áreas de pesquisa. Uma possibilidade é uma compreensão abrangente da fertilidade em todo o reino animal.
Pitnick descreve a fertilização como uma corrida de obstáculos, e não como uma corrida direta. O esperma deve passar por um ambiente complexo e interagir com o trato reprodutivo feminino de várias maneiras. Aprender como os espermatozoides cooperam ou dependem de estruturas biológicas partilhadas poderia, em última análise, apontar os cientistas para novas formas de estudar as dificuldades reprodutivas humanas.
Um novo alvo para o controle de pragas
A pesquisa também poderia apoiar novos métodos para controlar pragas destrutivas. Os cientistas estão investigando se a conjugação do esperma, ou SAM, pode ser interrompida para interferir na reprodução de espécies invasoras. Um alvo potencial é a invasora mosca-lanterna pintada, que se tornou uma preocupação agrícola crescente em Nova York e em outros estados do leste.
Os espermatozoides da mosca-lanterna manchada diferem dos espermatozoides cooperativos encontrados em muitos outros artrópodes. Eles não participam de grupos coordenados. Em vez disso, cada espermatozoide é cercado por uma espessa camada de SAM.
“Seu esperma é extremamente anormal”, diz Pitnick. “Eles não têm conjugação, mas cada espermatozóide individual está completamente incorporado neste material, e nem sabemos como eles são móveis”.
Os cientistas ainda não entendem como esses espermatozoides se movem e funcionam. Esse mistério também pode criar uma oportunidade. Se o SAM é essencial para a reprodução da mosca-lanterna, então a interferência no material pode fornecer uma forma altamente específica de controlar a espécie.
Por que a cooperação espermática evolui?
Uma questão central permanece por resolver: porque é que a cooperação espermática evolui?
Uma possibilidade é que trabalhar em conjunto melhore o movimento através do trato reprodutivo. A segunda é que os espermatozoides agregados ajudam a transportar moléculas importantes para locais específicos. Estas ideias são difíceis de confirmar porque os espermatozoides vistos em lâminas de vidro muitas vezes se comportam de maneira diferente dos espermatozoides que se movem dentro do ambiente mais complexo do corpo feminino.
Estudos futuros tentarão observar aglomerados de espermatozóides em sistemas de reprodução reais. Os investigadores também esperam determinar os benefícios específicos e os custos potenciais associados a este comportamento cooperativo.
cooperação e competição trabalham juntas
As descobertas apontam para uma lição mais ampla sobre biologia. A cooperação e a competição não são necessariamente forças opostas. Eles podem trabalhar juntos e até mesmo células microscópicas podem depender do equilíbrio entre os dois.
“O que torna este padrão tão fascinante é que a evolução continua a chegar às mesmas soluções cooperativas em grupos muito diferentes e ao longo de vastas extensões de tempo”, diz Doras. “Estes exemplos lembram-nos que a cooperação pode ser tão importante como a competição na formação do sucesso biológico”.
Ao estudar como os espermatozóides se coordenam para superar os desafios reprodutivos, os cientistas estão a descobrir novos detalhes sobre as estratégias biológicas que apoiam o desenvolvimento, a fertilidade e a vida. Este trabalho também ajuda a resolver uma grande lacuna na compreensão de como as características reprodutivas detalhadas surgiram e mudaram ao longo de centenas de milhões de anos.
