Riproduzione e sviluppo animale
La maggior parte degli animali si riproduce sessualmente e ha forme simili di sviluppo dettate dai geni Hox.
Obiettivi di apprendimento
Spiega i processi di riproduzione animale e di sviluppo embrionale
Punti chiave
Punti chiave
- La maggior parte degli animali si riproduce per via sessuale, ma alcuni animali sono in grado di riprodursi in modo asessuato per partenogenesi, gemmazione o frammentazione.
- Dopo la fecondazione, si forma un embrione, e i tessuti animali si organizzano in sistemi di organi; alcuni animali possono anche subire una metamorfosi incompleta o completa.
- La scissione dello zigote porta alla formazione di una blastula, che subisce un’ulteriore divisione cellulare e riorganizzazione cellulare durante un processo chiamato gastrulazione, che porta alla formazione della gastrula.
- Durante la gastrulazione, si formano la cavità digestiva e gli strati germinali; questi si svilupperanno successivamente in certi tipi di tessuto, organi e sistemi di organi durante un processo chiamato organogenesi.
- I geni Hox sono responsabili della determinazione del piano generale del corpo, come il numero di segmenti del corpo di un animale, il numero e la disposizione delle appendici, e la direzionalità testa-coda dell’animale.
- I geni Hox, simili nella maggior parte degli animali, possono attivare o disattivare altri geni codificando fattori di trascrizione che controllano l’espressione di numerosi altri geni.
Termini chiave
- metamorfosi: un cambiamento nella forma e spesso nelle abitudini di un animale dopo lo stadio embrionale durante il normale sviluppo
- gene Hox: geni responsabili di determinare il piano generale del corpo, come il numero di segmenti del corpo di un animale, il numero e la disposizione delle appendici, e la direzionalità testa-coda dell’animale
- blastula: una struttura cava di 6-32 cellule che si forma dopo che uno zigote subisce la divisione cellulare
Riproduzione e sviluppo animale
La maggior parte degli animali sono organismi diploidi (il loro corpo, o cellule somatiche, sono diploidi) con cellule riproduttive aploidi (gameti) prodotte tramite meiosi. La maggior parte degli animali si riproduce per via sessuale. Questo fatto distingue gli animali da funghi, protisti e batteri dove la riproduzione asessuata è comune o esclusiva. Tuttavia, alcuni gruppi, come gli cnidari, i vermi piatti e i vermi tondi, si riproducono in modo asessuato, anche se quasi tutti questi animali hanno anche una fase sessuale del loro ciclo di vita.
Processi di riproduzione animale e sviluppo embrionale
Durante la riproduzione sessuale, i gameti aploidi del maschio e della femmina di una specie si combinano in un processo chiamato fertilizzazione. Tipicamente, il piccolo e mobile spermatozoo maschio feconda l’uovo femminile molto più grande e sessile. Questo processo produce un uovo fecondato diploide chiamato zigote.
Alcune specie animali (tra cui stelle marine e anemoni di mare, così come alcuni insetti, rettili e pesci) sono capaci di riproduzione asessuata. Le forme più comuni di riproduzione asessuata per gli animali acquatici stazionari includono la gemmazione e la frammentazione dove una parte di un individuo genitore può separarsi e crescere in un nuovo individuo. Al contrario, una forma di riproduzione asessuata che si trova in alcuni insetti e vertebrati è chiamata partenogenesi dove le uova non fecondate possono svilupparsi in una nuova prole. Questo tipo di partenogenesi negli insetti è chiamato haplodiploidia e risulta in una prole maschile. Questi tipi di riproduzione asessuata producono prole geneticamente identica, il che è svantaggioso dal punto di vista dell’adattabilità evolutiva a causa del potenziale accumulo di mutazioni deleterie. Tuttavia, per gli animali che sono limitati nella loro capacità di attrarre compagni, la riproduzione asessuata può garantire la propagazione genetica.
Dopo la fecondazione, si verifica una serie di fasi di sviluppo durante le quali gli strati germinali primari sono stabiliti e si riorganizzano per formare un embrione. Durante questo processo, i tessuti animali iniziano a specializzarsi e ad organizzarsi in organi e sistemi di organi, determinando la loro futura morfologia e fisiologia. Alcuni animali, come le cavallette, subiscono una metamorfosi incompleta, in cui i piccoli assomigliano all’adulto. Altri animali, come alcuni insetti, subiscono una metamorfosi completa in cui gli individui entrano in uno o più stadi larvali che possono differire per struttura e funzione dall’adulto. Nella metamorfosi completa, il giovane e l’adulto possono avere diete diverse, limitando la competizione per il cibo tra loro. Indipendentemente dal fatto che una specie subisca una metamorfosi completa o incompleta, la serie di stadi di sviluppo dell’embrione rimane in gran parte la stessa per la maggior parte dei membri del regno animale.
Metamorfosi incompleta e completa: (a) La cavalletta subisce una metamorfosi incompleta. (b) La farfalla subisce una metamorfosi completa.
Il processo di sviluppo animale inizia con la scissione, o serie di divisioni cellulari mitotiche, dello zigote. Tre divisioni cellulari trasformano lo zigote unicellulare in una struttura di otto cellule. Dopo ulteriori divisioni cellulari e la riorganizzazione delle cellule esistenti, si forma una struttura cava di 6-32 cellule chiamata blastula. Successivamente, la blastula subisce un’ulteriore divisione cellulare e riorganizzazione cellulare durante un processo chiamato gastrulazione. Questo porta alla formazione del successivo stadio di sviluppo, la gastrula, in cui si forma la futura cavità digestiva. Durante la gastrulazione si formano diversi strati cellulari (chiamati strati germinali). Questi strati germinali sono programmati per svilupparsi in certi tipi di tessuto, organi e sistemi di organi durante un processo chiamato organogenesi.
Sviluppo embrionale: Durante lo sviluppo embrionale, lo zigote subisce una serie di divisioni cellulari mitotiche, o scissioni, per formare uno stadio di otto cellule, poi una blastula cava. Durante un processo chiamato gastrulazione, la blastula si ripiega verso l’interno per formare una cavità nella gastrula.
Il ruolo dei geni Homeobox (Hox) nello sviluppo animale
Dai primi anni del 19° secolo, gli scienziati hanno osservato che molti animali, da quelli molto semplici a quelli complessi, condividevano una morfologia embrionale e uno sviluppo simili. Sorprendentemente, un embrione umano e un embrione di rana, ad un certo stadio di sviluppo embrionale, appaiono notevolmente simili. Per molto tempo, gli scienziati non hanno capito perché così tante specie animali sembravano simili durante lo sviluppo embrionale, ma erano molto diverse da adulti. Verso la fine del 20° secolo, è stata scoperta una classe particolare di geni che dettano la direzione dello sviluppo. Questi geni che determinano la struttura degli animali sono chiamati “geni omeotici”. Contengono sequenze di DNA chiamate omeobox, con sequenze specifiche denominate geni Hox. Questa famiglia di geni è responsabile della determinazione del piano generale del corpo: il numero di segmenti del corpo di un animale, il numero e la disposizione delle appendici, e la direzionalità testa-coda dell’animale. I primi geni Hox ad essere sequenziati furono quelli del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster). Una singola mutazione Hox nel moscerino della frutta può risultare in un paio di ali in più o anche in appendici che crescono dalla parte del corpo “sbagliata”.
Ci sono molti geni che giocano un ruolo nello sviluppo morfologico di un animale, ma i geni Hox sono così potenti perché possono attivare o disattivare un gran numero di altri geni. I geni Hox fanno questo codificando fattori di trascrizione che controllano l’espressione di numerosi altri geni. I geni Hox sono omologhi nel regno animale: le sequenze genetiche e le loro posizioni sui cromosomi sono notevolmente simili nella maggior parte degli animali (ad esempio, vermi, mosche, topi, uomini) a causa della loro presenza in un antenato comune. I geni Hox hanno subito almeno due duplicazioni durante l’evoluzione animale: i geni aggiuntivi hanno permesso l’evoluzione di tipi di corpi più complessi.
Geni Hox: i geni Hox sono geni altamente conservati che codificano fattori di trascrizione che determinano il corso dello sviluppo embrionale negli animali. Nei vertebrati, i geni sono stati duplicati in quattro gruppi: Hox-A, Hox-B, Hox-C e Hox-D. I geni all’interno di questi cluster sono espressi in certi segmenti del corpo in certe fasi dello sviluppo. Qui è mostrata l’omologia tra i geni Hox nei topi e negli esseri umani. Notate come l’espressione dei geni Hox, come indicato con l’ombreggiatura arancione, rosa, blu e verde, si verifica negli stessi segmenti del corpo sia nel topo che nell’uomo.