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Instituto de Diversidad y Ecología Animal (IDEA CONICET UNC)

Esperma silvestre


¿Alguna vez te preguntaste cómo se extraen los espermatozoides de distintos animales de vida salvaje? ¿Si son iguales, parecidos o muy diferentes a los de los seres humanos? ¿O por qué y para qué se estudian? En este artículo te compartimos el microscopio para que puedas adentrarte un poco más, junto a nosotras, en este maravilloso micro-mundo del semen de los animales silvestres.

Trabajar con el semen de animales de vida silvestre implica zambullirse en un mundo microscópico aún muy poco explorado. Pero, ante todo, constituye un gran desafío, ya que involucra la captura de los animales, la extracción del semen, el bienestar animal y la aplicación de distintas técnicas según lo que nos interese.

En nuestro laboratorio nos hacemos preguntas sobre la evolución de la reproducción de los animales, enfocándonos, principalmente en reptiles y peces. Pero, ¿de qué se trata la evolución de la reproducción?

No todos los caminos conducen a Roma

Existen varios ejemplos locales que nos pueden ayudar a entender cómo la evolución de la reproducción ha llevado a las especies por distintos caminos, es decir, distintas estrategias reproductivas. Ciertos lagartos del norte de Argentina, donde el clima es más cálido, pueden producir semen durante todo el año. Mientras que, por el contrario, la evolución ha llevado a lagartos de nuestras sierras cordobesas, donde el clima es templado, a ajustar su producción de esperma a unos pocos meses del año. Es el caso del chelco de crin y del lagarto de Achala. Esta diferencia tiene que ver con la temperatura ambiental, que es fundamental para la producción de esperma.

Otro caso interesante son los lagartos overo y colorado, parientes muy cercanos y con espermatozoides que, a pesar de tener formas muy parecidas, se mueven a velocidades distintas. ¿Saben quién gana? ¿Y por qué? ¡El lagarto colorado! Lo que sucede es que en esta especie hay muchos machos por cada hembra, entonces la evolución habría actuado sobre los espermatozoides para prepararlos a competir por la fecundación entre el esperma de numerosos machos.

Entre los diferentes caminos evolutivos, también podemos mencionar en nuestra fauna local a las boas, conocidas como lampalaguas. Resulta que los machos recorren largas distancias en zonas con poca vegetación y mucho sol en búsqueda de las escasas hembras que reposan tranquilas bajo la sombra de árboles y arbustos en parches de bosque. Por lo tanto, el esperma de las lampalaguas habría evolucionado para poder resistir temperaturas corporales altas.

Yéndonos más lejos, un ejemplo interesante de aguas dulces sudamericanas son los peces guppys, donde los machos compiten intensamente por las hembras. Extrañamente, la evolución ha llevado a que sean los guppys con esperma de peor calidad los preferidos de las hembras. Lo que pasa es que estos machos suelen ser elegidos porque pasan mucho más tiempo cortejando a las hembras y porque son llamativos debido a sus grandes manchas de color naranja.

Éstos son sólo un puñado de ejemplos que ilustran la diversidad de estrategias reproductivas que podemos encontrar en los animales, producto de la evolución. Pero para poder seguir respondiendo más interrogantes sobre el rol de la evolución en la reproducción, debemos abrir la puerta del “mundo de los espermatozoides”. Empecemos por lo primero. Hablemos de espermatozoides.

Los espermatozoides: vehículos de genes

Los espermatozoides son células especializadas en transportar información genética. Están formados por dos regiones con formas y funciones diferentes: la cabeza y la cola. La cabeza alberga el núcleo de la célula, que porta los genes en el ADN. En la mayoría de los espermatozoides, en la cabeza también se encuentra la vesícula acrosomal, una estructura que al liberar ciertas sustancias (proceso conocido como reacción acrosomal) ayuda a atravesar la envoltura del óvulo para lograr la fertilización. La cola podría pensarse como el motor y las ruedas, ya que tiene una pieza media con organelas encargadas de producir energía, las mitocondrias, y una pieza principal que le da movilidad, el flagelo. El tamaño de los diferentes componentes de los espermatozoides es importante porque cada uno contribuye con diversas funciones. Un aumento de la longitud de la pieza media puede reflejar mayores reservas energéticas mientras que un aumento del flagelo podría asociarse a una mayor velocidad.

Así se ven los espermatozoides de lagartos bajo el microscopio.

Punto clave: cómo extraemos el esperma de animales silvestres

Antes que nada, es importante aclarar que la extracción de esperma se debe hacer en el marco de estudios científicos, de manera segura y eficiente para garantizar el bienestar de cada animal y para obtener muestras confiables.

Para ello, primero se debe contar con permisos oficiales de captura y de trabajo. En nuestro grupo nos aseguramos de que todos los procedimientos realizados cuenten con la aprobación del Comité de Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio (CICUAL) de nuestro Instituto y/o respeten protocolos internacionales de Bienestar Animal.

Cuando apenas empezamos no fue nada fácil. Hace unos cuantos años trajimos al laboratorio una boa lampalagua gigante, una hembra de casi 3 metros, y varios machos que encontramos en la misma vizcachera. Si bien nuestras cabezas estaban llenas de preguntas, la primera que nos hicimos fue: ¿cómo hacemos para sacarle semen a estos machos de boa?

Luego, con el tiempo, nuestros proyectos se fueron centrando en algunos lagartos que habitan en nuestras sierras. Para ese momento, ya contábamos con técnicas más especializadas para obtener semen, pero la nueva pregunta era ¿cómo adaptar la técnica a un lagarto de tamaño pequeño? ¿Y a los peces? ¿Pueden imaginarse cómo sacar semen de un diminuto pez?

La respuesta es que existen diferentes técnicas para colectar semen. En el caso de especies sujetas a explotación legal, como los lagartos overo y colorado, la recolección puede realizarse en animales sacrificados (es decir, muertos). El procedimiento comúnmente consiste en la disección de los conductos deferentes, que es donde se almacena el semen luego de ser producido en los testículos. Los conductos son seccionados y, presionando, se desliza una pinza de laboratorio desde una punta a la otra para hacer fluir el semen y así recolectarlo.

Sin embargo, para evitar el sacrificio de animales y/o poder obtener muestras de un mismo individuo a lo largo del tiempo (por ejemplo, para saber si la producción del semen es estacional o continua durante el año), la recolección puede realizarse en animales vivos mediante cirugías, masajes o electroestimulación.

Con cirugía generalmente se obtiene el semen almacenado en uno de los conductos deferentes. Aunque las muestras son confiables, es una técnica invasiva. No se aplica frecuentemente debido a la complejidad del procedimiento.

Alternativamente, la recolección de semen mediante masaje es una técnica no invasiva y puede repetirse con frecuencia. Sin embargo, en algunas especies como los lagartos no es muy eficiente porque la obtención de muestras es dificultosa o se obtiene poco volumen. Además, cuando la recolección se hace en la cloaca (una cavidad que presentan ciertos animales como las aves y los reptiles en la que confluyen la materia fecal, la orina y el semen), las muestras pueden salir contaminadas. En peces, se realiza un masaje abdominal que consiste en deslizar una varilla de punta roma con leve presión sobre el abdomen. Ésta es una técnica muy utilizada ya que permite obtener el total del esperma producido por un macho y se obtienen muestras confiables.

Por último, la electroestimulación es un método eficiente y seguro de recolección de semen. La técnica era conocida, pero había sido desarrollada en chinchillas. Nuestro desafío fue adaptarla a pequeños lagartos, ya que la frecuencia e intensidad de los estímulos debían ser ajustados al tamaño de nuestras especies. ¡Así fue que el desarrollo de la técnica y la adaptación del equipo de electroestimulación para lagartos fueron publicados de manera novedosa por nuestro grupo de trabajo! El procedimiento es el siguiente. Antes de comenzar, se enjuaga la cloaca para eliminar residuos. Luego, se masajea al individuo para producir relajación de la musculatura. A continuación, se realizan movimientos circulares en la base de los hemipenes (sí, leyeron bien. Los reptiles no tienen uno, ¡sino dos penes! denominados hemipenes), lo que ocasionalmente conduce a la eversión de los mismos. La sonda del equipo de electroestimulación se apoya en la cloaca para realizar una serie de estímulos, lo cual hace fluir el semen. Usando este procedimiento, el semen es expulsado de los conductos deferentes hacia la cloaca, donde se recoge con micropipetas.

 

Ahora, dime qué forma tienes, cómo te mueves y te diré qué espermatozoide eres

Existe un abanico de estudios que nos permiten evaluar la forma y el funcionamiento de los espermatozoides. Considerar en conjunto estos estudios es útil para determinar de manera integral la calidad seminal y su variabilidad entre individuos de una especie o entre individuos de diferentes especies. Asimismo, nos permite responder interrogantes interesantes, por ejemplo: ¿hay relación entre la morfología de los espermatozoides y su funcionamiento?, ¿la velocidad de los espermatozoides es importante para la fertilización?, ¿cómo compiten los espermatozoides de diferentes machos en el tracto reproductivo de las hembras?, ¿en una misma especie, los individuos producen espermatozoides similares o diferentes? ¡Las preguntas son una herramienta fundamental para todo investigador científico!

Concentración de espermatozoides

Conocer la concentración implica determinar cuántos espermatozoides hay por mL de semen. El recuento de células se hace bajo un microscopio común. ¿Y para qué sirve? Según la especie, existen rangos normales de concentración. Cuando la muestra se ubica dentro de estos rangos, nos indica una buena calidad seminal. Sin embargo, en nuestros trabajos con peces, la cantidad de espermatozoides se estima de manera distinta. Algunas especies, como los guppys, producen el esperma de forma curiosa: ¡en paquetes! Para conocer la cantidad de espermatozoides producidos por un macho se cuenta, bajo una lupa de gran aumento, el número de paquetes multiplicado por el promedio de espermatozoides que puede contener cada paquete. Esta técnica es muy utilizada y ha permitido responder interrogantes interesantes. Por ejemplo, que la presencia cercana de las hembras aumenta el número de espermatozoides producidos por los machos.

Morfología de los espermatozoides

La variabilidad ha fascinado desde siempre a los científicos, y los espermatozoides no son la excepción. Mediante el estudio de la morfología —en otras palabras, la forma— se puede determinar la longitud total y de las distintas partes de los espermatozoides: la cabeza, la pieza media y la pieza principal. En la actualidad, los microscopios cuentan con cámaras fotográficas digitales para tomar microfotografías sobre las cuales se realizan estas medidas. Esta técnica permite evaluar en qué medida los espermatozoides de un mismo individuo son similares o distintos entre sí, o las diferencias entre grupos de animales.

Los espermatozoides de peces, lagartos y serpientes son diferentes. Extrañamente algunas serpientes tienen espermatozoides ¡con una pieza media larguísima!

Estructura interna de los espermatozoides

¿Se puede ver lo que hay dentro de un espermatozoide? La respuesta es sí. Para ello se utilizan microscopios electrónicos, ya que permiten realizar una mayor amplificación que los microscopios comunes. Las muestras se incluyen en una resina, que luego se corta en láminas ultrafinas para ser analizadas bajo el microscopio. Sobre las micrografías obtenidas se realizan las mediciones de las estructuras internas que tienen las células, tales como el núcleo, el acrosoma y las mitocondrias. ¿Para qué sirve esta información? La estructura interna nos ayuda a comprender cómo funcionan los espermatozoides o cómo han evolucionado. A modo de ejemplo, cuando realizamos estos estudios en espermatozoides de los lagartos overo y colorado, encontramos que tienen una ultraestructura espermática similar. Este hallazgo nos ayudó a predecir que podía haber híbridos entre las dos especies: una cruza ¡con descendencia incluida!

Vitalidad de los espermatozoides

Para determinar si los espermatozoides de una muestra están vivos o muertos se utilizan fluorocromos: unas moléculas muy copadas que brillan cuando son analizadas bajo un microscopio especial. El fluorcromo SYBR-green (de color verde) tiñe el ADN de células vivas, mientras que el PI (de color rojo) tiñe únicamente células muertas. Para el estudio de los peces desarrollamos un trabajo en conjunto con la Universidad de Pádova (Italia), usando esta técnica pudimos determinar que en los peces guppy los espermatozoides muy veloces disminuyen marcadamente su supervivencia al cabo de unas horas.

Movimiento de los espermatozoides

Para evaluar qué tan rápidos o lentos son los espermatozoides, el primer paso es poner la muestra en condiciones térmicas adecuadas y en un medio de cultivo para el mantenimiento de células. Mediante un sistema de videomicroscopía se filman los espermatozoides en movimiento. En la actualidad, los sistemas computacionales de análisis seminal (Computer-assisted semen analysis CASA, en inglés) permiten realizar el seguimiento de los espermatozoides de forma automática ¡y hasta calcular la velocidad a la que se mueven! ¿Y por qué es importante medir la velocidad? Porque se relaciona con el éxito de la fertilización y porque da pistas sobre las estrategias reproductivas. Por ejemplo, en situaciones de competencia entre machos rivales, se ha detectado un aumento de velocidad espermática. Estos estudios también nos permiten relacionar el movimiento de los espermatozoides con la temperatura, como en el caso que les contamos en las lampalaguas donde se puede predecir una adaptación al clima árido del Chaco.

Marcamos el espacio recorrido por cada espermatozoide, en relación al tiempo, y así calculamos la velocidad a la que se mueven. Miralo en este link!

La integridad del acrosoma de los espermatozoides

Además de conocer el porcentaje de espermatozoides vivos, también es importante conocer el porcentaje de espermatozoides con acrosoma intacto. ¿Por qué? La clave es ¡reaccionar en el momento justo! El acrosoma es fundamental durante el momento de la fertilización ya que ayuda a que el espermatozoide se una con el óvulo. Un alto porcentaje de espermatozoides con reacción acrosomal espontánea (antes de llegar al óvulo) indica baja calidad y poder competitivo. La integridad del acrosoma puede ser detectada mediante microscopía de fluorescencia y tinciones especiales. Los espermatozoides intactos presentan todo el acrosoma fluorescente y con borde liso.

En estos espermatozoides de serpiente, en la punta se puede ver el acrosoma intacto (tinción de fluorescencia). Foto: Maximiliano Tourmente.

Diferentes enfoques para estudiar esperma silvestre

Desde una mirada de conservación de la biodiversidad, la calidad seminal es importante para programas de protección de especies amenazadas o en peligro de extinción. Conocer los parámetros normales de los espermatozoides permite evaluar el potencial reproductivo de las poblaciones, como así también seleccionar y almacenar muestras en bancos de esperma o determinar qué muestras usar en reproducción asistida.

Desde una mirada más ecológica, el estudio de la calidad seminal no permite determinar la influencia de los factores ambientales (temperatura, estacionalidad, recursos alimenticios, etc.) sobre el funcionamiento de los espermatozoides. Desde una perspectiva evolutiva, podemos abordar cómo se establecen barreras reproductivas entre poblaciones dando lugar a sub-especies o especies; o podemos enfocarnos en preguntas relacionadas a la competencia entre espermatozoides de distintos machos por la fertilización o la elección críptica que hace la hembra favoreciendo a algunos espermatozoides para fecundar sus óvulos.

Desafíos espermáticos

Durante nuestros días de trabajo se presentan muchos desafíos: desde atrapar a los individuos para poder conseguir muestras de semen hasta su mantenimiento en el laboratorio. Tanto los reptiles como los peces son organismos ectotermos (es decir, que no regulan su temperatura corporal de forma interna) y, dado que la producción de esperma es muy sensible y dependiente de las condiciones térmicas del ambiente, en el laboratorio ¡es importante que estén a la temperatura justa! Sumado a esto, muchas especies producen esperma sólo unos pocos meses al año. Todas las técnicas tienen que estar previamente muy ajustadas. De lo contrario, ¡habrá que esperar un año hasta la próxima temporada reproductiva!

Respecto a las técnicas de extracción de esperma, existen varias dificultades, tales como obtener una muestra sin contaminación o en cantidades suficientes. Por ejemplo, con la técnica de electroestimulación se extrae un pequeño volumen, por lo que debemos planificar muy bien los experimentos antes de realizarlos. En el caso de las técnicas de estudio, cada una debe ser “puesta a punto”. A modo ilustrativo, los sistemas CASA reconocen muy bien los espermatozoides de cabeza redondeada, pero en los reptiles cuyos espermatozoides tienen cabeza alargada el seguimiento automático puede ser más dificultoso. Aun así, poco a poco vamos logrando adaptar estos sistemas a nuestras especies. Los medios de cultivo, los tiempos de incubación de las muestras, las temperaturas óptimas para mantener las células funcionando, las tinciones adecuadas para poder ver los espermatozoides en el microscopio, todo se debe ir poniendo a punto en los distintos modelos de estudio. Cada paso es un desafío. Lo interesante es que las preguntas nunca se terminan, y así, ¡seguimos avanzando en este emocionante camino de hacer ciencia!

Bibliografía:

  • Blengini CS, Naretto S, Cardozo G, Giojalas LC & Margarita C. 2014. Variability in sperm form and function in the context of sperm competition risk in two Tupinambis (género en itálica) lizards. Ecology and Evolution 4(21):4080-4092.
  • Cardozo G, Devigili A, Antonelli P & Pilastro A. 2020. Female sperm storage
    mediates post-copulatory costs and benefits of ejaculate anticipatory plasticity in the guppy. Journal of Evolutionary Biology 33 (9) 1294-1305.22
  • López Juri G, Chiaraviglio M & Cardozo G. 2018. Electrostimulation is an
    effective and safe method for semen collection in medium-sized lizards. Theriogenology 118: 40–45

Guadalupe López Juri es Dra. en Ciencias Biológicas de la UNC y becaria postdoctoral del IDEA-CONICET. Formo parte de “la cueva de biología del comportamiento”. Le gusta respetar y proteger los animales tanto en su hábitat como en el laboratorio. Era una persona bastante estructurada y organizada, hasta que un día llegó Faustina a cambiar y modificar la organización de su vida.

Gabriela Cardozo Milanesio es Investigadora Adjunta del CONICET en el IDEA. Su línea de investigación relaciona campos tales como la Biología del Comportamiento, la Ecología Evolutiva y la Biología de la Conservación

 

 

Agradecemos a la Dra. Margarita Chiaraviglio, quien ha dirigido el Laboratorio de Biología del Comportamiento y nuestros trabajos en el laboratorio, por la supervisión académica y técnica de este artículo.