16 de diciembre de 2019

Efectos del consumo de marihuana sobre parámetros espermáticos


Introducción
La marihuana es la sustancia ilícita más utilizada en el mundo actualmente (192 millones de personas en todo el mundo en el año 2016), representando en España el 18,3% de toda su población. Su consumo se concentra entre los adolescentes y los adultos menores de 35. Un estudio de 2016 confirmó que alrededor de 3 de cada 10 estudiantes admiten haberlo consumido alguna vez, mismo estudio que reporta que el consumo de sustancias ilícitas sigue siendo más común entre hombres que entre las mujeres (UNODC, 2019; OEDA, 2019).
La mayor parte de la literatura que habla sobre los efectos de la marihuana y el delta-9-tetrahidrocannabinol (THC), su componente activo, se centra en sus efectos neurológicos (Scott et al., 2018). No obstante, se ha visto que el sistema endocannabinoide tiene un papel crítico sobre la espermatogénesis (Grimaldi et al., 2013). Un estudio de 2015 evaluó los efectos reproductivos del consumo de marihuana en hombres jóvenes, y descubrió que los que fumaban marihuana regularmente tenían un recuento de espermatozoides significativamente más bajo, pero concentraciones de testosterona en suero significativamente más altas (Gundersen et al., 2015).
Sistema endocannabinoide
Tras el consumo, la marihuana actúa liberando compuestos cannabinoides que se unen a los receptores cannabinoides, los cuales forman parte del sistema endocannabinoide (endocannabinoid system, ECS). Se sabe que el ECS juega un papel muy importante y específico en el control de la reproducción masculina (Fasano et al., 2009).
Los endocannabinoides son lípidos endógenos que imitan diversas acciones del THC procedente de la marihuana. La anandamida (AEA) y el 2-araquidonoilglicerol (2-AG) son considerados los principales endocannabinoides en el cuerpo humano. Estos actúan sobre los receptores de cannabinoides (CB1 y CB2), como el THC (Cacciola et al., 2008; Bari et al., 2011).
Figura 1. La participación de cannabinoides, receptores vanilloides y FSH en la función de las células de Sertoli. (AA, Ácido araquidónico; EtNH2, etilamina; FSH, hormona estimulante del folículo) (du Plessis et al., 2015).

La presencia del ECS se ha demostrado en varios tipos de células que participan en la reproducción masculina. Se ha comprobado que los endocannabinoides y los receptores cannabinoides están presentes en el tejido testicular, incluidas las células de Sertoli (Figura 1) y Leydig, así como en los espermatozoides de diversas especies, desde invertebrados hasta mamíferos (Bari et al., 2011). Además, se ha identificado en áreas del hipotálamo responsables de la producción de la hormona liberadora de gonadotropina (GnRH) y, por lo tanto, también puede desempeñar un papel a través del eje hipotálamo-hipófisis-gonadal. Por consiguiente, queda demostrado que el ECS está profundamente involucrado en el control del sistema reproductor masculino y la función de los espermatozoides (Figura 2) (du Plessis et al., 2015).
De esta forma, es de esperar que los cannabinoides exógenos, como los presentes en la marihuana, compitan con endocannabinoides para unirse a los receptores cannabinoides. Esto puede afectar al ECS, y el desequilibrio resultante puede afectar a la fertilidad (du Plessis et al., 2015).
Figura 2. La influencia del sistema endocannabinoide en la función espermática. (AA, Ácido araquidónico; AEA, araquidonoetanolamina o anandamida; CB1R, receptor de cannabinoide 1; CB2R, receptor de cannabinoide 2; EMT, transportador de membrana endocannabinoide; EtNH2, etilamina; FAAH, amilasa de ácido graso; PA, ácido fosfatídico; PL, fosfolípido; PLD, fosfolipasa D; TRPV1, receptor de potencial transitorio V1) (du Plessis et al., 2015).
ECS y el eje hipotálamo - hipófisis - gonadal
Es necesario que el eje HPG (hipotálamo-hipófisis-gonadal) sea completamente funcional para que pueda llevarse a cabo, correctamente, el proceso de espermatogénesis. La GnRH se libera del hipotálamo y, a su vez, estimula núcleos específicos en la hipófisis para sintetizar y liberar la hormona foliculoestimulante (FSH) y la hormona luteinizante (LH). Estas dos gonadotropinas actúan sobre sus respectivos tejidos diana en las gónadas. La FSH se va a encargar de estimular a las células de Sertoli para que se lleve a cabo el desarrollo de los espermatozoides, mientras que la LH se va a encargar de estimular la liberación de testosterona procedente de las células de Leydig. Como se ha comentado anteriormente, el ECS se ha asociado estrechamente con el eje HPG en múltiples niveles, ya que los receptores cannabinoides (CB1 y CB2) se expresan en la pituitaria anterior, las células de Leydig y las células de Sertoli, entre otros. Otros componentes del ECS, como AEA, FAAH (amilasa de ácido graso) y EMT (transportador de membrana endocannabinoide) también se han observado en los tejidos testiculares. La expresión del receptor CB1 varía entre hombres y mujeres, lo que indica que los hombres son más sensibles a los cambios inducidos por los cannabinoides y, posteriormente, a la secreción de hormonas pituitarias (du Plessis et al., 2015; Duydu et al., 2018).
La FSH actúa sobre su receptor en la célula de Sertoli para activar dos vías separadas. Por un lado, activa la adenilato ciclasa que, a su vez, provoca la activación de PKA a través de AMPc, lo que provoca una mayor expresión de FAAH. Y por otro lado, lleva a cabo la activación de PI-3, que estimula la expresión de las aromatasas, y por tanto, aumenta los niveles de estrógenos en la célula. Atendiendo a esto, se demuestra, por tanto, la influencia que presenta la FSH sobre el ECS debido a ese aumento en la expresión de FAAH. Dicha enzima se va a encargar de degradar la AEA a través de las dos vías mencionadas anteriormente en las células de Sertoli, y de este modo, la FSH es capaz de regular la apoptosis mediada por AEA en estas células (du Plessis et al., 2015; Duydu et al., 2018).
Parámetros de la función testicular
A continuación, se hará una revisión de los resultados obtenidos en el artículo de Nassan et al., (2019) sobre los efectos del consumo de marihuana. Es importante destacar que los autores de este estudio no llegan a establecer una relación de causalidad entre el consumo de la droga y el estado reproductivo.
El estudio se realizó a un total de 662 hombres (88% caucásicos) con una edad media estimada de 36,3 años y un IMC de 27,5 kg/m2. De los 662 hombres, 455 (69%) proporcionaron una muestra de semen, 90 (14%) proporcionaron dos muestras, y 117 (18%) proporcionaron ≥3 muestras. La mayoría de las muestras de semen (88%) se analizaron dentro de los 30 minutos posteriores a la recolección de la muestra y el 72% de los hombres tuvieron una abstinencia sexual de 2 a 4 días. El 55% de los hombres informaron haber fumado marihuana; el 44% fumaron en el pasado, ​​y el 11% eran fumadores actuales de marihuana.
Calidad del semen 
Los hombres que alguna vez habían fumado marihuana tenían una concentración de espermatozoides significativamente más alta que los hombres que nunca habían fumado marihuana (62,7 millones/ml frente a 45,4 millones/ml) (Tabla 1). No hubo diferencias estadísticamente significativas en la concentración de esperma entre los fumadores actuales y pasados ​​de marihuana. En cuanto al daño en el ADN espermático, se observó un menor porcentaje en aquellos hombres que habían consumido marihuana con respecto a los que nunca la habían consumido. Los hombres que habían fumado marihuana también tenían concentraciones de FSH en suero más bajas que los hombres que nunca habían fumado, sin diferencias significativas entre los fumadores de marihuana pasados ​​y actuales (Tabla 1) (Nassan et al., 2019).
Tabla 1. Parámetros de la calidad espermática y concentraciones séricas de hormonas reproductivas según el consumo de marihuana (Nassan et al., 2019).
Figura 3. Medias de las proporciones (95% IC) de los parámetros de la calidad espermática por debajo de los valores de referencia más bajos de la OMS asociados con el consumo de marihuana entre 662 hombres (Nassan et al., 2019).
También se recogieron datos sobre otros parámetros de la calidad espermática teniendo como referencia los valores de la OMS. Entre ellos, se encontraba la motilidad progresiva de espermatozoides inferior al 32%, y la motilidad total de espermatozoides inferior al 40%. En ambos casos, se observó un porcentaje significativamente mayor en aquellos hombres que nunca habían fumado marihuana con respecto a los que sí lo había hecho en alguna ocasión (Figura 3) (Close et al., 1990). Sin embargo, con respecto al volumen del eyaculado inferior a 1,5 ml y a la morfología normal inferior al 4%, se determinó un porcentaje mayor en los hombres que fumaban en ese momento marihuana con respecto a los que fumaron en el pasado o a los que nunca habían consumido dicha droga (Figura 3).
Finalmente, también se pudo observar que las muestras de semen provenientes de fumadores de marihuana tenían una concentración de espermatozoide inferior en un 5% a los 15 millones/ml dictados como valor de referencia, mientras que aquellas muestras provenientes de los pacientes que nunca habían fumado marihuana tenían un 12% (Figura 3) (Nassan et al., 2019).
Hormonas de la reproducción
En los fumadores de marihuana, el aumento del consumo de dicha droga durante 20 años se asoció con concentraciones séricas significativamente más altas de testosterona del 8%, inhibina B del 11% y SHBG de 9% y una concentración de esperma más alta (Tabla 2). Las relaciones entre el estado de fumar marihuana y los marcadores de la función testicular persistieron después de analizar el estado de exposición en función de la última vez que se informó del consumo de marihuana (Nassan et al., 2019).
Tabla 2. Diferencia en los parámetros de la calidad espermática y las concentraciones séricas de hormonas reproductivas asociadas con la intensidad de fumar marihuana entre los hombres que fuman marihuana. Intervalo de confianza del 95% (Nassan et al., 2019).
Los resultados obtenidos en este estudio pueden no ser generalizables para todos los hombres de la población general, ya que los hombres sobre los que se basa dicho estudio fueron ingresados ​​en un centro de fertilidad. En conclusión, los fumadores de marihuana tenían una concentración de espermatozoides más alta, una prevalencia más baja de parámetros de esperma por debajo de los valores de referencia de la OMS, y concentraciones de FSH más bajas que los no fumadores de marihuana.
Conclusiones
El efecto del consumo de marihuana en la función testicular, tanto en términos de espermatogénesis como de producción de hormonas, depende de la dosis y no es lineal. Específicamente, y de manera similar a la relación entre el consumo de alcohol y el riesgo de enfermedad cardiovascular, se puede plantear la hipótesis de que el uso moderado de marihuana puede estar relacionado con una mejor función testicular, pero esta relación se revierte a dosis más altas, lo que resulta en efectos adversos. Por tanto, atendiendo a esto, se necesitaría una investigación adicional para evaluar si los efectos del consumo de marihuana en la función testicular dependen de la dosis, como se sugiere.
Bibliografía
Bari, M., Battista, N., Pirazzi, V., & Maccarrone, M. (2011). The manifold actions of endocannabinoids on female and male reproductive events. Front Biosci (Landmark Ed). 16, 498–516.
Cacciola, G., Chioccarelli, T, Ricci, G., Meccariello, R., Fasano, S., Pierantoni, R., Cobellis, G. (2008). The endocannabinoid system in vertebrate male reproduction: a comparative overview. Molecular and Cellular Endocrinology. 286(1–2 Suppl 1):S24–30.
du Plessis, S.S., Agarwal, A., & Syriac, A. (2015). Marijuana, phytocannabinoids, the endocannabinoid system, and male fertility. Journal of Assisted Reproduction and Genetics. 32 (11), 1575-1588.

Duydu, Y., Başaran, N., Aydın, S., Üstündağ, A., Yalçın, C.Ö., Anlar, H.G., Bacanlı, M., Aydos, K., Atabekoğlu, C.S., Golka, K., Ickstadt, K., Schwerdtle, T., Werner, M., Meyer, S., Bolt, H.M. (2018). Evaluation of FSH, LH, testosterone levels and semen parameters in male boron workers under extreme exposure conditions. Archives of toxicology. (10):3051-3059.
Fasano, S., Meccariello, R., Cobellis, G., Chianese, R., Cacciola, G., Chioccarelli, T., Pierantoni, R. (2009). The endocannabinoid system: an ancient signaling involved in the control of male fertility. Annals of the New York Academy of Sciences. 1163, 112–124.
Grimaldi, P., Di Giacomo, D., & Geremia, R., (2013). The endocannabinoid system and spermatogenesis. Frontiers in Endocrinology. 4 (192).
Gundersen, T.D., Jorgensen, N., Andersson, A.M., Bang, A.K., Nordkap, L., Skakkebaek, N.E., Priskorn, L., Juul, A., & Jensen, T.K. (2015). Association between use of marijuana and male reproductive hormones and semen quality: a study among 1,215 healthy young men. American Journal of Epidemiology. 182(6), 473–481.
Close, C.E., Roberts, P.L., Berger, R.E. (1990). Cigarettes, alcohol and marijuana are related to pyospermia in infertile men. J Urol 144:900–903.

     Nassan, F.L., et al. (2019). Marijuana smoking and markers of testicular function among men from a fertility centre. Human Reproduction. 34(4), 715-723.
OEDA. Plan Nacional sobre Drogas (2019). Informe sobre drogas 2019. España: Ministerio de Sanidad, Consumo y Bienestar Social. Recuperado de http://www.pnsd.mscbs.gob.es/
Scott, J.C., Slomiak, S.T., Jones, J.D., Rosen, A.F.G., Moore, T.M., & Gur, R.C. (2018). Association of cannabis with cognitive functioning in adolescents and young adults: a systematic review and meta-analysis. JAMA Psychiatry.75(6), 585–595.
UNODC. World Drug Report (2019). New York, NY: United Nations Office on Drugs and Crime. Recuperado de https://www.unodc.org/wdr2018/prelaunch/WDR18_Booklet_3_Cannabis.pdf


Máster Universitario en Biología y Tecnología de la Reproducción

Realizado por:
- Cristina Andrades Arcos
- Rodrigo González Muñoz
- Ángela María Muñoz Romero
- María Angels Serra Moyá

15 de diciembre de 2019

Lucha de poder ¿Compiten los espermatozoides por alcanzar el óvulo?




¿EXISTE ALGÚN TIPO DE SELECCIÓN POR PARTE DE LOS ANIMALES A LA HORA DE REPRODUCIRSE?
La selección sexual hace referencia a la acción de escoger ciertas características relacionadas con el fin de incrementar el éxito de apareamiento y el número de descendientes. Este tipo de selección puede producirse de forma y en momentos diferentes. Así, encontramos dos tipos de selección sexual: precópula y postcópula. La selección sexual precópula es la que se produce en el cortejo, antes de que tenga lugar el apareamiento y la selección postcópula corresponde a la que ocurre en el tracto reproductor de la hembra, momentos después del apareamiento. 

El éxito reproductivo en el caso de los machos consiste en aparearse con el mayor número de hembras posible, sobre todo en animales en los que la fecundación es interna. No obstante, para la hembra, el éxito reproductor dependerá del macho con el que se aparee, eligiendo a uno que posea “buenos genes” para su prole. Por consiguiente, los machos de diversas sociedades, tienen que competir entre ellos para ser seleccionados por las hembras y “ganarán” los que estas consideren más aptos. Hay diversos comportamientos por parte de los machos para asegurar que la descendencia sea suya, como la guarda de la hembra, la repetición de cópulas, la generación de un tapón en el orificio genital de la hembra tras el coito, el aumento de la densidad de espermatozoides por eyaculado o, incluso, la retirada de esperma inoculado previamente por otro macho (muchas especies de insectos realizan esta última estrategia). Sin embargo, no todas las sociedades de mamíferos siguen este patrón. Dependiendo del tipo de sociedad, los machos van a utilizar unas u otras estrategias para "ganarse" a las hembras. Cuando la competición entre machos es baja o incluso inexistente, la selección sexual se produce después de la cópula, mediante la competición espermática.


SELECCIÓN POSTCÓPULA

Viñeta 1. Recuperado de: https://cutt.ly/7e64tUP

Los machos de una misma especie compiten a través de sus características seminales con el fin de asegurar una mayor proporción de crías. Es lo que conocemos como competición espermática, una forma de selección sexual después del coito que influye en la evolución de las características del semen de los individuos masculinos. Por ello, ha sido considerado como uno de los principales factores que determinan cambios tanto a nivel de los genitales masculinos, como con la diversidad en el tamaño de los espermatozoides entre especies.

En sociedades poligínicas (en harenes) como la de los gorilas en la que un solo macho es el encargado de fertilizar a varias hembras, no es necesaria la competición espermática. No obstante, en especies como la de los chimpancés, donde son promiscuos (todos copulan entre ellos), se ha observado que un mayor tamaño de los testículos está relacionado con una mayor cantidad de espermatozoides y, por lo tanto, con más preñeces y un mayor éxito reproductivo para ese macho.

En diversos trabajos científicos se ha observado que, en la mayoría de los casos, a medida que aumenta el tamaño corporal, el tamaño de los espermatozoides se reduce y viceversa (Figura 1). 


Figura 1. La imagen muestra las diferencias de tamaño de los espermatozoides entre especies, según su tamaño corporal. Recuperado de: https://xurl.es/sperm 


Asimismo, cuando la competición espermática entre machos es alta, parece haber una tendencia a priorizar el número frente al tamaño. Que se priorice el número o el tamaño va a depender del momento del proceso en el que nos encontremos:

➡En una primera etapa, cuando los espermatozoides son depositados en el tracto femenino (vagina-útero), el número tiene un papel importante. 

➡En las últimas etapas, cuando el espermatozoide se encuentra cerca del óvulo, tiene que nadar activamente para alcanzarlo y fecundarlo. Es entonces cuando es esencial la velocidad, que está muy influenciada por el tamaño de la cola.

Sin embargo, hay estudios que rebaten todo lo mencionado con anterioridad, pues cuando la competición espermática es elevada no siempre se prioriza el número frente al tamaño. Hay expertos que dicen que en especies de primates y roedores con hembras promiscuas, donde la competición espermática es alta, los machos no producen un mayor número de espermatozoides, sino espermatozoides con colas más largas que, por tanto, nadan más rápido. Así pues, descubrieron una correlación positiva entre la competición espermática, la longitud de los espermatozoides y/o la velocidad de desplazamiento (motilidad).



En sociedades monógamas (un macho y una hembra), ¿existe la competición espermática? ¿Cómo influiría en la morfología y funciones del espermatozoide?


CUANDO LOS ESPERMATOZOIDES NO TIENEN RIVALES

Especies predominantemente monógamas o donde la competición espermática es extremadamente baja como el camachuelo común (Pyrrhula pyrrhula), la rata bandicuts (Bandicota indica) o la rata topo desnuda (Heterocephalus glaber) presentan una serie de características comunes: 


➡ Testículos pequeños y bajo número de espermatozoides, sin comprometer la fertilidad de los machos. 

➡ Poblaciones heterogéneas de esperma y eyaculaciones de baja calidad, con muchas alteraciones en la forma de los espermatozoides. No obstante, es posible que las hembras de estas especies produzcan una gran cantidad de ovocitos de alta calidad como mecanismo especializado para seleccionar los mejores espermatozoides. 

La producción de esperma de alta calidad requiere una inversión considerable de energía. De este modo, en ausencia de competición espermática, el gasto de energía para mejorar la calidad del esperma parece no implicar beneficio alguno.



Figura 2. Fotografías de camachuelo común (Pyrrhula pyrrhula), rata bandicuts (Bandicota indica) y rata topo desnuda (Heterocephalus glaber). Recuperadas de: https://cutt.ly/5e685FA, https://cutt.ly/He686mW y https://cutt.ly/Ve64qy6, respectivamente.

DIVERSIDAD ESPERMÁTICA ENTRE ESPECIES

Aunque los espermatozoides varían considerablemente en la forma de la cabeza. la fuente de variación más frecuente es la longitud de la cola. Un caso llamativo de diversidad es el de los agregados de esperma. Estos son comunes en gran variedad de insectos y pueden tener diferentes tamaños, teniendo como ejemplo el escarabajo molinero (Tenebrio molitor). En otras especies del reino animal, estas agregaciones son raras, excepto en los marsupiales estadounidenses como la zarigüeya (Didelphis virginiana). Esta estrategia de agregación permite a los espermatozoides operar como siameses bien coordinados. Unidos por la cabeza, el emparejamiento mejora su motilidad en estos casos. Los espermatozoides emparejados se separan justo antes de encontrar el óvulo y solo uno de ellos se fusiona con él. 


Figura 3. Fotografías de escarabajo molinero (Tenebrio molitor y Zarigüeya (Didelphis virginiana). Recuperadas de: https://cutt.ly/qe64qPf y https://cutt.ly/Oe64eMR respectivamente.




¿Por qué los espermatozoides de diferentes especies difieren tanto en tamaño y forma?



Dos posibles explicaciones:

      1. Estos rasgos han ido evolucionado en base a la selección natural, presión que ejerce el ambiente sobre ciertas características, para evitar que ocurra la fecundación entre miembros de diferentes especies.

      2. Han evolucionado como resultado de la selección sexual, ya sea a través de la selección femenina o de la competición entre machos. Competición entre los espermatozoides de diferentes machos por la fecundación.  Esta última teoría mayor peso que la anterior.
La cantidad de energía que cada especie dedica a la producción espermática varía. Por esta razón, hay momentos del proceso de fecundación en los que podría ser más importante el número y en otros el tamaño de los espermatozoides.



¿QUÉ OCURRE EN HUMANOS?
La sociedad humana se considera monógama, con cierta tendencia hacia poliginia, por lo que la competición espermática está bastante limitada. Un estudio pone en evidencia el hecho de que los hombres hayan desarrollado adaptaciones conductuales para la prevención de cópulas extrapareja y así evitar la competición espermática, como es la violencia y los celos (aunque también se encuentran en el otro sexo). Se sugiere que, el gasto energético en guardar la pareja, es inversamente proporcional a la calidad del esperma, para ello, desarrollaron un experimento en el que se examinó el semen de 45 hombres y le hicieron varias preguntas acerca de sus comportamientos relacionados con la guarda de pareja, el estudio mostró que aquellos que realizaron más comportamientos de este tipo, producían eyaculaciones de menor calidad, con una menor concentración de esperma y un menor porcentaje de esperma móvil.

En términos de concentración, velocidad de natación y morfología de esperma, los humanos parecen estar más cerca de la situación de baja competición espermática, como en el caso de gorilas y a diferencia de los chimpancés promiscuos. Por otro lado, en el caso de los humanos, un porcentaje elevado de aglutinaciones (espermatozoides móviles adheridos entre sí) pueden ser causa de infertilidad porque dificulta el avance de los espermatozoides por el tracto reproductor femenino, mientras que en otras especies como las mencionadas anteriormente, puede resultar beneficioso e incluso incrementar la movilidad.




CONCLUSIÓN

La reciente constatación de que la competición de los espermatozoides está muy extendida en todo el reino animal, desde los gusanos pasando por las abejas de la miel hasta los humanos, ha cambiado la forma en que los biólogos ven el mundo. Además, la existencia de la competición espermática como una fuerza evolutiva ha ayudado a comprender partes de la biología, incluida la nuestra, que antes eran inexplicables. Sin embargo, no podemos afirmar que la competición espermática, entendida como la competición entre eyaculados de diferentes machos por la fecundación de los óvulos de una hembra, se manifiesta por igual en todas las especies. Por último, cabe destacar el enorme avance que ha supuesto el estudio de este asunto para la comprensión de los factores masculinos que determinan la fertilidad y cómo la evolución ha podido influir maximizando el éxito reproductivo de los machos




Viñeta 2. (Harcourt 1995)


Bibliografía

Birkhead, T. (2000).”Sperm, Ejaculates and Ova”. Promiscuity: an evolutionary history of sperm competition (pp. 115-116). Cambridge: Harvard University Press.

Breed WG, Bauer M, Wade R, Thitipramote N, Suwajarat J, Yelland L. (2007). Intra-individual variation in sperm tail length in murine rodents. J Zool Lond. 272, 299-304.

Gomendio M, Roldan ERS. (1991). Sperm competition influences sperm size in mammals. Proc R Soc Lond B. 243, 181-185.

Gomendio M, Roldan ERS. (2008). Implications of diversity in sperm size and function for sperm competition and fertility. Int J Dev Biol. 52, 439-447.
Guzick, D. S., Overstreet, J. W., Factor-Litvak, P., Brazil, C. K., Nakajima, S. T., Coutifaris, C., ... & Xu, D. (2001). Sperm morphology, motility, and concentration in fertile and infertile men. New England Journal of Medicine. 345(19), 1388-1393.
Leivers, S., Rhodes, G., & Simmons, L. W. (2014). Sperm competition in humans: mate guarding behavior negatively correlates with ejaculate quality. PloS one. 9(9), e108099.

Soler, M. (2009). Adaptación del comportamiento: comprendiendo al animal humano. Madrid: Editorial Síntesis.

Tourmente, M., del Barco Trillo, J., y Roldan, E.R.S. (2015). No evidence of tradeoff in the evolution of sperm numbers and sperm size in mammals. Journal of Evolutionary Biology. 28, 1816-1827. 



Máster Universitario en Biología y Tecnología de la Reproducción

Realizado por:

Laura Romero Soriano
Marina Linares Rodríguez
Irene Leonés Baños
Ángela Niño Caballero


Competición espermática entre las diferentes sociedades animales


Introducción

La selección sexual hace referencia a la acción de seleccionar ciertas características relacionadas con el fin de incrementar el éxito reproductivo y el número de descendientes. Existen dos tipos de selección sexual: la precópula, aquella que acontece en el cortejo, antes del apareamiento; y la selección sexual postcópula, la cual ocurre en el tracto reproductor de la hembra y a la que contribuye la competición espermática (Clutton-Brock, 2017).

El éxito reproductivo de los machos depende de la cantidad de hembras a las que fertilicen, sobre todo en aquellas especies donde la fecundación es interna. No obstante, para ello, tienen que ser seleccionados previamente por la hembra (selección precópula). Esta elegirá al macho con el que reproducirse en base a caracteres sexuales secundarios que presenten los individuos del sexo opuesto, como la exuberante cola del pavo real (Clutton-Brock et al., 2006). Por consiguiente, los machos de diversas sociedades tienen que competir entre ellos para ser seleccionados por las hembras.

Por otro lado, existen diversos comportamientos entre los machos para evitar que otros se reproduzcan con la misma hembra. Algunos como la guarda de la hembra, las cópulas constantes o la generación de un tapón en el orificio genital de la hembra tras la cópula, entre otras (Edward y Champman, 2011; Soler, 2009). Sin embargo, no todas las sociedades de mamíferos siguen este patrón.

Las sociedades animales se pueden clasificar dependiendo del número y del sexo de los individuos de su misma especie con los que se apareen:

- Monogamia: una hembra y un macho.

- Poligamia: la cual se subdivide en poliginia (un macho y muchas hembras) y poliandria (una hembra y muchos machos.

- Poliginandria: varias hembras y varios machos cuyos cuidados parentales los aportan ambos sexos, especialmente las hembras en mamíferos.

- Promiscuidad: grupo de machos y grupo de hembras, sin cuidados parentales.

Dependiendo del tipo de sociedad, la competición entre machos será menor o incluso puede que  inexistente (Soler, 2009).


Competición espermática
Según la teoría de la selección natural de Charles Darwin, definida en su libro “El origen de las las especies” de 1859, los individuos presentan variabilidad genética debido a los cambios producidos en el ambiente, de tal forma que, a través de las mutaciones, el rasgo que más se adapte a las nuevas características del entorno será seleccionado. De esta teoría se deduce, que las características del esperma también habrán sido seleccionadas mediante selección natural, adaptándose a las modificaciones del entorno, en este caso, el aparato reproductor de la hembra. De este modo, habrían ido adquiriendo sus diferentes características como: tamaño, morfología, concentración espermática en el eyaculado etc. 

De la lucha entre machos por conseguir mayor cantidad de fecundaciones, ha surgido lo que se conoce como competición espermática. Cohabitando eyaculados de varios machos en el aparato reproductor de la hembra y según las teorías preponderantes, solo aquellos espermatozoides que se encuentren en mayor proporción, o sean más veloces, entre otras características, serán los que consigan fertilizar los óvulos y tener una mayor descendencia (Tourmente et al., 2015). Al tratarse de un mecanismo de selección natural muy directamente ligado con la reproducción, estas características serán seleccionadas de forma vertiginosa, produciéndose una rápida evolución del rasgo. Esto evidencia el importante papel de este mecanismo en la divergencia de la población y, en última instancia, en la especiación. 


En algunas ocasiones, el tamaño de los espermatozoides puede suponer una gran ventaja adaptativa, ya que un flagelo más largo confiere mayor velocidad de desplazamiento y por tanto más posibilidades de localizar primero al gameto femenino. En otras ocasiones, resulta primordial generar un mayor número de competidores para aumentar las posibilidades de fecundación (Tourmente, del Barco y Roldan, 2015). Partiendo del hecho de que cada macho tiene un presupuesto energético limitado, comprometido con la producción espermática, los modelos teóricos predicen que un incremento en el número de espermatozoides debe ser compensado disminuyendo su tamaño y viceversa. 

Por este motivo, Tourmente y sus colaboradores trataron de comprobar si en la competición espermática se prioriza el número o el tamaño de las células, o si se produce una compensación entre ambos rasgos, teniendo en cuenta que los recursos energéticos son limitados (Tourmente et al., 2015). Los resultados obtenidos tanto en mamíferos euterios (placentarios) como metaterios (marsupiales) mostraron una tendencia a maximizar el número de espermatozoides cuando la competición espermática entre machos es alta. No obstante, no se encontró ninguna relación significativa que pudiera estar indicando una compensación entre el número y el tamaño de los espermatozoides en ninguna de las dos clases de mamíferos. De este modo, la maximización de estos rasgos podría ocurrir por diversos motivos en las diferentes etapas de la vida del esperma, por ejemplo, debido a la posible influencia de los presupuestos energéticos requeridos en las diferentes etapas de su formación. Aún así, varios estudios han hallado una correlación negativa entre el tamaño corporal y el espermático, es decir, a mayor tamaño corporal, menor tamaño del espermatozoide (Ver Figura 1). Esto parece ser consecuencia de las diferencias en las tasas metabólicas específicas de la masa (metabolismo bajo en especies de gran tamaño corporal y alto en especies de tamaño corporal reducido) (Gomendio, Tourmente y Roldan, 2011; Tourmente, Gomendio y Roldan, 2011a).



Figura 1. La imagen muestra las diferencias de tamaño entre los espermatozoides de un toro (Bos taurus) y un hámster chino (Cricetulus barabensis). Siendo el del roedor cinco veces mayor.Recuperado de https://xurl.es/tama%F1o

Dependiendo de los niveles de competición espermática, las especies podrían invertir más energía en unas etapas u otras de la formación del espermatozoide, de tal forma que se dé mayor prioridad al número o al tamaño. Esto es importante porque en mamíferos, los rasgos estudiados tienen diferentes ventajas adaptativas en diferentes momentos del proceso. En los testículos, los procesos celulares que determinan el número de espermatozoides son diferentes de los que influyen en el tamaño de las células. Así, en una primera etapa, cuando los espermatozoides son depositados en el tracto femenino (vagina-útero), el número tiene un papel importante. Sin embargo, en las últimas etapas, cuando el espermatozoide tiene que nadar activamente a través del oviducto para alcanzar al óvulo y participar en la fecundación, es esencial la velocidad, la cual está muy influenciada por la longitud del flagelo.

No obstante, estudios previos en primates y roedores hallaron resultados opuestos (Gomendio y Roldan, 1991). Así, descubrieron que los machos que conviven con hembras promiscuas (donde la competición espermática es elevada) tienden a producir espermatozoides de mayor tamaño y más veloces (velocidad curvilínea (VCL) >75µm/s). Por otra parte, numerosos estudios comparativos y empíricos sobre anfibios (Byrne et al., 2003), peces (Boschetto et al., 2011), aves (Lüpold et al., 2009), y mamíferos (Gomendio y Roldan, 2008), indican que existe una correlación positiva entre la competición espermática y la longitud de los espermatozoides y, por consiguiente, con la motilidad.


Baja competición espermática
En sociedades monógamas como las de Pyrrhula pyrrhula (ave del orden paseriforme) o Bandicota indica (roedor), existen bajos niveles de competición espermática entre machos, por lo que la presión selectiva sobre los espermatozoides disminuye, así como la inversión energética. De este modo, se observa una pérdida de calidad espermática y un descenso en sus concentraciones (Breed et al., 2007). Las especies mencionadas presentaban, sin comprometer su fertilidad: testículos pequeños en relación con la masa corporal, poblaciones heterogéneas de esperma y eyaculaciones de baja calidad con muchas alteraciones morfológicas como núcleo elipsoide, morfología de la cabeza irregular (Ver Figura 2), cromatina desorganizada o dispersa y una pieza intermedia corta. Estas modificaciones morfológicas serían el resultado de la supresión de etapas finales de la espermatogénesis y el mantenimiento de una morfología inmadura en relación con la evolución hacia el ahorro energético (Breed et al., 2007). 



Figura 2. Micrografías electrónicas de barrido de cabezas de espermatozoides de algunas especies de roedores (a) Aethomys chrysophilus, y (b–e) Aethomys ineptus. Se puede observar la variabilidad morfológica intraespecífica de las cabezas de los espermatozoides de la especie Aethomys ineptus. Líneas de barra: (a) = 2.5 μm; (b – e) = 4 μm. (Breed et al., 2007)


La sociedad humana también se considera monógama, con cierta tendencia a la poliginia, por lo que la competición espermática está bastante limitada. Este concepto podría estar reflejado en la baja calidad del esperma de la especie humana (Homo sapiens), pues la World Health Organization estableció en 2010 el límite de referencia inferior de espermatozoides con formas normales en un 4% (WHO, 2010). Un estudio relativamente reciente, plantea el hecho de que los hombres han podido desarrollar adaptaciones conductuales para la prevención de cópulas extraconyugales (por ejemplo, conductas  relacionadas con la sobreprotección de la pareja) y así, poder evitar la competición espermática de otros machos. Se sugiere que el gasto energético en mantener a la pareja, es inversamente proporcional a la calidad del esperma. Para ello, desarrollaron un estudio en el que se examinó el semen de 45 hombres y se realizaron varias preguntas acerca de sus comportamientos relacionados con el mantenimiento de la pareja. El estudio mostró, que aquellos que realizaron más comportamientos como los descritos, producían eyaculaciones de menor calidad, con una menor concentración de esperma y un menor porcentaje espermatozoides móviles (Leivers, Rhodes y Simmons, 2014).

Variación espermática entre especies
Las particularidades morfológicas y funcionales de los espermatozoides han evolucionado gracias a la selección sexual, donde ha resultado relevante la competición espermática. Generalmente, impide la reproducción entre miembros de diferentes especies debido a la divergencia generada (Birkhead, 2000). Aunque los espermatozoides varían considerablemente en la forma de la cabeza y el acrosoma, la fuente de variación más obvia es la longitud de la cola o el flagelo. El rango oscila entre las diferentes clases, desde los 28 µm del puercoespín crestado (Hystrix cristata) hasta los 60.000 µm de la mosca de la fruta (Drosophila bifurca).

Un caso peculiar es el de las aglutinaciones de espermatozoides, pues no presentan los mismos efectos en todas las especies. Así pues, un porcentaje elevado de las aglutinaciones de esperma en el ser humano pueden ser causa de infertilidad, mientras que en otras especies de insectos (escarabajo molinero, Tenebrio molitor) o mamíferos marsupiales (zarigüeya, Didelphis virginiana) puede resultar beneficioso e incluso incrementar la motilidad progresiva. En humanos se ha demostrado que la adhesión de espermatozoides dificulta su motilidad progresiva, por lo que tendrán dificultades para avanzar por el tracto reproductor femenino y por tanto, será más difícil que se produzca la fecundación. La unión puede darse en la cabeza o pieza media, pero también puede producirse aglutinación en el flagelo (Guzick et al, 2001)

Conclusiones
- Es probable que la competición espermática también desempeñe un papel importante en la divergencia de la población y, en última instancia, en la especiación.

- Tanto en mamíferos euterios (placentarios) como metaterios (marsupiales), la competición espermática maximiza el número de espermatozoides frente al tamaño. Sin embargo los resultados no son concluyentes, pues estudios previos en primates y roedores hallaron pruebas contradictorias.

- La cantidad de energía que cada especie dedica a la producción espermática varía. Por esta razón, hay momentos del proceso de fecundación en los que podría ser más importante el número y en otros el tamaño de los espermatozoides.

-En sociedades monógamas donde la competición espermática entre machos es infrecuente, se observa una notable pérdida de calidad espermática, sin comprometer la fertilidad de los machos.

-Aunque existe una gran variabilidad entre los espermatozoides de distintas especies, la fuente de variación más obvia es la longitud del flagelo. Asimismo, dichas variaciones podrían resultar beneficiosas o desfavorables en función de la especie estudiada.

Bibliografía

Bauer M., Breed W. G. (2006). Variation of sperm head shape and tail length in species of Australian hydromyine rodent: The spinifex hopping mouse, Notomys alexis. Reprod Fertil Dev. 18(7), 797-805.

Boschetto C., Gasparini C., Pilastro A. (2011). Sperm number and velocity affect sperm competition success in the guppy (Poecilia reticulata). Behav Ecol Sociobiol. 65(4), 813-821.

Breed W. G., Bauer M., Wade R., Thitipramote N., Suwajarat J., Yelland L. (2007). Intra-individual variation in sperm tail length in murine rodents. J Zool Lond. 272(3):299-304. 

Byrne P. G., Simmons L. W., Roberts J. D. (2003). Sperm competition and the evolution of gamete morphology in frogs. Proc R Soc Lond B. 270(1528), 2079-2086.

Clutton-Brock, T. (2017, September 19). Reproductive competition and sexual selection. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, Vol. 372. https://doi.org/10.1098/rstb.2016.0310

Clutton-Brock, T. H., Hodge, S. J., Spong, G., Russell, A. F., Jordan, N. R., Bennett, N. C., & Manser, M. B. (2006). Intrasexual competition and sexual selection in cooperative mammals. Nature. 444(7122), 1065–1068.

Darwin, Charles. 1859. On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life. London: John Murray.

Edward, D. A., & Chapman, T. (2011, December). The evolution and significance of male mate choice. Trends in Ecology and Evolution, Vol. 26, pp. 647–654. https://doi.org/10.1016/j.tree.2011.07.012.

Gomendio M., Roldan E. R. (1991). Sperm competition influences sperm size in mammals. Proc Biol Sci. 243(1308):181-185.

Gomendio M, Roldan E. R. (2008). Implications of diversity in sperm size and function for sperm competition and fertility. Int J Dev Biol. 52(5-6), 439-47.

Gomendio, M., Tourmente, M. & Roldan, E.R.S. (2011). Why mammalian lineages respond differently to sexual selection:metabolic rate constrains the evolution of sperm size.Proc.R. Soc. Lond. B Biol. Sci.278: 3135–3141.

Guzick, D. S., Overstreet, J. W., Factor-Litvak, P., Brazil, C. K., Nakajima, S. T., Coutifaris, C., &; Xu, D. (2001). Sperm morphology, motility, and concentration in fertile and infertile men. New England Journal of Medicine, 345(19), 1388-1393.

Leivers, S., Rhodes, G., & Simmons, L. W. (2014). Sperm competition in humans: mate guarding behavior negatively correlates with ejaculate quality. PloS one, 9(9), e108099.

Lüpold S., Calhim S., Immler S., Birkhead T.R. (2009). Sperm morphology and velocity in passerine birds. Proc Biol Sci. 276(1659), 1175–1181.

Leivers, S., Rhodes, G., & Simmons, L. W. (2014). Sperm competition in humans: Mate guarding behavior negatively correlates with ejaculate quality. PLoS ONE, 9(9). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0108099.

Soler, M. (2009). Adaptación del comportamiento: comprendiendo al animal humano. Madrid: Editorial Síntesis.

Tourmente, M., del Barco Trillo, J., & Roldan, E.R.S. (2015). No evidence of trade-off in the evolution of sperm numbers and sperm size in mammals. Journal of
Evolutionary Biology. 28: 1816-1827.

Tourmente, M., Gomendio, M. & Roldan, E.R.S. (2011a). Mass-specific metabolic rate and sperm competition determine sperm size in marsupial mammals.PLoS ONE6: e21244.

World Health Organization. (2010) WHO Laboratory Manual for the examination and processing of human semen. Cambridge: Cambridge University. Fifth Edition.



Máster Universitario en Biología y Tecnología de la Reproducción

Realizado por: 

Laura Romero Soriano
Marina Linares Rodríguez
Irene Leonés Baños
Ángela Niño Caballero