Ciclo vitale

In biologia, il ciclo vitale è la serie di cambiamenti che un organismo subisce dal suo inizio attraverso la riproduzione, sia essa asessuata o sessuata, all’inizio della generazione successiva in quella stessa fase del ciclo.

Per alcuni organismi, in particolare quelli piccoli e semplici come i batteri e alcuni protisti, il ciclo vitale è completo in una sola generazione. Questo è anche il caso di molti animali, dove il gamete maschile e quello femminile si fondono per formare la nuova prole. Nelle piante, la riproduzione è multigenerazionale, nota anche come alternanza di generazioni.

Mentre i tipi di ciclo vitale possono essere collocati in alcune grandi categorie (aplontico, diplontico, ecc.), i cicli vitali specifici delle singole specie mostrano una grande diversità, come i tempi di inizio delle varie fasi, i metodi di fecondazione, e così via. La diversità tra gli organismi viventi è un principio biologico di base e una componente importante nella gioia che gli esseri umani provano dalla natura. Naturalmente, gli organismi in specie e taxa strettamente correlati condividono cicli di vita simili. La presenza quasi onnipresente della riproduzione sessuale, combinata con la ricombinazione genetica, promuove anche l’unicità tra gli individui.

Cicli di vita della riproduzione sessuale

Esistono tre tipi di cicli di vita, a seconda della ploidia, un multiplo del numero di cromosomi in una cellula:

• ciclo di vita aplontico
• ciclo di vita diplontico
• ciclo di vita diplobiontico (chiamato anche ciclo di vita diplohaplontic, haplodiplontic, o dibiontic)

Questi tre tipi di cicli sono caratterizzati dall’alternanza di fasi aploidi (n) e diploidi (2n).

L’organismo aploide diventa diploide attraverso la fecondazione, con l’unione dei gameti. Ne risulta uno zigote diploide. Per tornare allo stadio aploide, deve avvenire la meiosi.

I cicli differiscono nel prodotto della meiosi, e se avviene la mitosi (crescita). La meiosi zigotica e gametica hanno uno stadio mitotico e si formano durante la fase n nella meiosi zigotica e durante la fase 2n nella meiosi gametica. Pertanto, le meiosi zigotiche e gametiche sono collettivamente definite aplobiontiche (una sola meiosi per fase). La meiosi sporica, invece, ha due eventi di meiosi (diplobiontica): uno in ogni fase.

Ciclo vitale diplontico

Meiosi gametica

Nella meiosi gametica, lo zigote diploide va incontro a mitosi per produrre un individuo diploide multicellulare o un gruppo di più cellule diploidi. Le cellule degli individui diploidi vengono poi sottoposte a meiosi per produrre gameti aploidi.

I gameti aploidi non subiscono la mitosi e non crescono in un organismo aploide più grande. Piuttosto, i gameti aploidi si fondono e producono lo zigote diploide con gameti di tipo opposto.

Nell’intero ciclo, i gameti sono le uniche cellule aploidi; la mitosi avviene solo nella fase diploide.

L’individuo multicellulare diploide è un diplonte, quindi una meiosi gametica è anche chiamata ciclo vitale diplontico. I diplonti includono:

• Animali
• Alcune alghe brune

Ciclo vitale aplonetico

Meiosi zigotica

Una meiosi zigotica è una meiosi di uno zigote diploide immediatamente dopo la cariogia, la fusione di due nuclei cellulari. In questo modo, l’organismo termina la sua fase diploide e produce diverse cellule aploidi. Queste cellule subiscono la mitosi (si dividono mitoticamente) per formare individui più grandi e multicellulari o più cellule aploidi. Due tipi opposti di gameti (ad esempio, maschio e femmina) da questi individui o cellule si fondono per diventare uno zigote diploide.

Nell’intero ciclo, gli zigoti sono l’unica cellula diploide; la mitosi avviene solo nella fase aploide.

Gli individui o le cellule come risultato della mitosi sono aplonti, quindi questo ciclo di vita è anche chiamato ciclo di vita aplontico. Gli aplonti sono:

• Tutti i funghi
• Alcune alghe verdi
• Molti protozoi

Ciclo di vita diplobiotico

Meiosi sporica

Alternanza di generazioni

Nella meiosi sporica, conosciuta anche come meiosi intermedia, le mitosi avvengono sia nella fase diploide che in quella aploide. L’organismo presenta un’alternanza di generazioni, che presenta spore che producono sporofiti multicellulari (che sono diploidi) e gameti che producono gametofiti multicellulari (che sono aploidi). Diagrammaticamente, la meiosi sporica appare come le metà complesse della meiosi gametica e della meiosi zigotica sono fuse in una sola.

Questo tipo di ciclo è diploide (noto anche come diplohaplontic, haplodiplontic, o dibiontic).

La meiosi sporica avviene nelle piante e in molte alghe. Avere individui multicellulari in entrambe le fasi significa che per alcune alghe, è difficile determinare se un esemplare macroscopico è gametofita o sporofita a meno che non sia osservato al microscopio, questo è chiamato isogamia. Tuttavia, non tutte le specie con meiosi sporigena hanno sia grandi generazioni di gametofiti che di sporofiti. La tendenza nelle piante superiori è quella di avere gametofiti più piccoli che sono più dipendenti e parassiti degli sporofiti, un fenomeno noto come eterogamia.

Ciclo vitale della riproduzione asessuale

Nei casi di riproduzione asessuale, il ciclo vitale è completo in una generazione, dove un individuo eredita tutti i suoi cromosomi da un genitore ed è geneticamente identico ai suoi genitori. I procarioti, come i batteri, subiscono la fissione binaria, dove ogni cellula si divide a metà per formare due cellule con DNA identico a quello della cellula originale. Affinché la cellula originale si divida, il cromosoma procariotico che è una singola molecola di DNA deve prima replicarsi e poi attaccarsi a una parte diversa della membrana cellulare. La maggior parte dei protisti, eucarioti unicellulari, si riproducono anche in modo asessuato, tranne che sotto stress si riproducono sessualmente.

Fissione binaria

La fissione binaria è la forma di riproduzione asessuata usata dalla maggior parte dei procarioti per riprodursi. Questo processo porta alla riproduzione di una cellula vivente mediante divisione in due parti uguali o quasi uguali.

La fissione binaria inizia quando avviene la replicazione del DNA. Ogni filamento circolare di DNA si attacca poi alla membrana cellulare. La cellula si allunga, causando la separazione dei due cromosomi. La membrana cellulare poi si invagina (cresce verso l’interno) e divide la cellula in due cellule figlie attraverso un processo chiamato citochinesi.

Gli organismi che si riproducono attraverso la fissione binaria generalmente crescono in modo esponenziale.

Questo tipo di riproduzione asessuata normalmente produce due cellule identiche. Tuttavia, il DNA batterico ha un tasso di mutazione relativamente alto. Questo rapido tasso di cambiamento genetico è ciò che rende i batteri capaci di sviluppare resistenza agli antibiotici e li aiuta a sfruttare l’invasione in una vasta gamma di ambienti.

Vari eucarioti unicellulari si riproducono anche attraverso la scissione della cellula originale in due cellule, anche se questo comporta mitosi e citochinesi simili alle cellule di un organismo eucariote multicellulare. Mentre storicamente queste divisioni monocellulari eucariote sono state indicate in letteratura come fissione binaria, questo termine oggi è spesso riservato alla riproduzione dei procarioti, che non coinvolge la mitosi poiché non hanno un nucleo circondato da membrana. Tra gli eucarioti che si riproducono tramite la scissione della cellula originale in due sono

• La maggior parte dei protisti (per esempio, Amoeba proteus)
• Entamoeba histolytica (un protozoo che è un parassita intestinale umano)
• Pyrodictium abyssi (un archaea ipertermofilo anaerobico delle bocche idrotermali di profondità)
• Schizosaccharomyces pombe (un organismo fungino che è una specie di lievito)

Inoltre, anche i mitocondri e i cloroplasti delle cellule eucariote si dividono per fissione binaria.

Molti organismi multicellulari hanno anche la capacità di riprodursi asessualmente. Molti di questi organismi gemmano un gruppo localizzato di cellule, che poi cresce attraverso la mitosi per formare un nuovo individuo. Animali come le spugne possono riprodursi frammentando il loro corpo. Anche molte piante hanno la capacità di riprodursi asessualmente.

Alterazione delle generazioni

Ciclo vitale sporigeno o diplohaplontic. Uno sporofito diploide (2n) subisce la meiosi per produrre cellule riproduttive aploidi (1n), spesso chiamate spore. Le cellule aploidi subiscono la mitosi per produrre un gametofito. Il gametofito produce gameti aploidi che si fondono per formare uno sporofito zigotico diploide.

L’alternanza di generazioni è un termine applicato a un ciclo riproduttivo (un ciclo di vita diploide) di alcune piante vascolari, funghi e protisti. Il termine è un po’ confuso per le persone che hanno familiarità solo con il ciclo di vita di un tipico animale. Un nome più comprensibile sarebbe “alternanza di fasi di una singola generazione” perché di solito consideriamo una generazione di una specie per comprendere un ciclo di vita completo. Il ciclo di vita degli organismi con “alternanza di generazioni” è caratterizzato dal fatto che ogni fase consiste in uno dei due organismi separati, a vita libera: un gametofito (tallo o pianta), che è geneticamente aploide, e uno sporofito (tallo o pianta), che è geneticamente diploide.

Una pianta aploide della generazione gametofita produce gameti per mitosi. Due gameti (provenienti da organismi diversi della stessa specie o dallo stesso organismo) si combinano per produrre uno zigote, che si sviluppa in una pianta diploide della generazione sporofita. Questo sporofito produce spore per meiosi, che germinano e si sviluppano in un gametofito della generazione successiva. Questo ciclo, da gametofito a gametofito, è il modo in cui le piante e molte alghe si riproducono sessualmente.

Distinzioni

La parte inferiore di una fronda di Dicksonia Antarctica che mostra i sori, o strutture porta-spore.

La distinzione di “free-living” è importante, perché si può pensare che tutti gli organismi che si riproducono sessualmente comportino fasi alterne, almeno a livello cellulare come la meiosi. Tuttavia, non tutti i biologi sono d’accordo. Spesso si afferma che l’alternanza delle generazioni si riferisce a entrambi gli stadi diploide e aploide che sono “multicellulari” e questo è più importante di “free-living” (Taylor T.N. et al. 2005). Tale distinzione cambia il concetto di separazione tra animali e piante.

Tutte le piante hanno stadi di sporofiti diploidi e gametofiti aploidi che sono multicellulari, e le differenze tra i gruppi di piante sono nelle dimensioni relative, nelle forme e nelle capacità trofiche delle forme di gametofiti o sporofiti, così come il livello di differenziazione nei gametofiti. Un esempio potrebbe essere il confronto tra polline e ovuli e talli gametofiti bisessuali.

I biologi riconoscono due categorie di alternanza: la prima se le forme sporofite e gametofite sono più o meno identiche, l’alternanza è detta isomorfa; la seconda se le forme hanno aspetti molto diversi, l’alternanza è detta eteromorfa. Come notato sopra, i termini applicati a questo tipo di ciclo di vita sono variamente chiamati diplobionti, diplohaplonti, haplodiplonti, o dibionti.

Eterogamia è un termine usato per descrivere l’alternanza tra fasi partenogeniche e sessualmente riproduttive che si verifica in alcuni invertebrati e vertebrati. Anche se concettualmente simile alla “alternanza di generazioni”, la genetica dell’eterogamia è significativamente diversa.

Funghi

I miceli dei funghi sono tipicamente aploidi. Quando miceli di diversi tipi di accoppiamento si incontrano, producono due cellule multinucleate a forma di palla, che si uniscono attraverso un “ponte di accoppiamento”. I nuclei si spostano da un micelio all’altro, formando un eterocario (che significa “nuclei diversi”). Questo processo è chiamato plasmogamia. La fusione effettiva per formare nuclei diploidi è chiamata cariogamia, e può non verificarsi fino alla formazione degli sporangi. La cariogamia produce uno zigote diploide, che è uno sporofito di breve durata che presto subisce la meiosi per formare spore aploidi. Quando le spore germinano, si sviluppano in nuovi miceli.

Protisti

Alcuni protisti subiscono un’alternanza di generazioni, comprese le melme, i foraminiferi e molte alghe marine.

Il ciclo vitale delle melme è molto simile a quello dei funghi. Le spore aploidi germinano per formare cellule di sciame o myxamoebae. Queste si fondono in un processo chiamato plasmogamia e cariogamia per formare uno zigote diploide. Lo zigote si sviluppa in un plasmodio, e il plasmodio maturo produce, a seconda della specie, da uno a molti corpi fruttiferi contenenti spore aploidi.

I foraminiferi subiscono un’alternanza eteromorfa di generazioni tra un gamonte aploide e una fase diploide agamont. L’organismo unicellulare aploide è tipicamente molto più grande dell’organismo diploide.

L’alternanza di generazioni si verifica in quasi tutte le alghe marine. Nella maggior parte delle alghe rosse, in molte alghe verdi e in alcune alghe brune, le fasi sono isomorfe e a vita libera. Alcune specie di alghe rosse hanno una complessa alternanza trifasica di generazioni. Le alghe brune sono un esempio di un’alga bruna con un’alternanza eteromorfa di generazioni. Le specie del genere Laminaria hanno un grande tallo sporofitico che produce spore aploidi che germinano per produrre microscopici gametofiti maschili e femminili che vivono liberi.

Piante

Piante non vascolari

Gametofito delle epatiche

Le piante non tracheofite, comprese le epatiche, le ornitiche e i muschi, subiscono un’alternanza di generazioni; la generazione gametofita è la più comune. Il gametofito aploide produce gameti aploidi in gametangia multicellulari. I gametangia femminili sono chiamati archegonium e producono uova, mentre le strutture maschili chiamate anteridium producono sperma. L’acqua è necessaria affinché lo sperma possa nuotare fino all’archegonio, dove le uova vengono fecondate per formare lo zigote diploide. Lo zigote si sviluppa in uno sporofito che dipende dal gametofito genitore. Gli sporofiti maturi producono spore aploidi per meiosi negli sporangi. Quando una spora germina, si sviluppa in un altro gametofito.

Piante vascolari

Diagramma dell’alternanza delle generazioni nelle felci.

Le felci e i loro alleati, compresi i clubmoss e gli equiseti, si riproducono attraverso un’alternanza di generazioni. La pianta cospicua osservata sul campo è lo sporofito diploide. Questa pianta crea per meiosi spore unicellulari aploidi, che vengono rilasciate e disperse dal vento (o in alcuni casi, galleggiando sull’acqua). Se le condizioni sono giuste, una spora germina e cresce in un corpo vegetale piuttosto poco appariscente chiamato protallo.

Il protallo aploide non assomiglia allo sporofito, e come tale le felci e i loro alleati hanno un’alternanza eteromorfa di generazioni. Il protallo è di breve durata, ma effettua la riproduzione sessuale, producendo lo zigote diploide che poi cresce dal protallo come sporofito.

Riproduzione dei mammiferi e primo ciclo di vita

Nei mammiferi placentari, i figli nascono come giovani: animali completi con gli organi sessuali presenti ma non funzionali. Dopo alcuni mesi o anni, gli organi sessuali si sviluppano ulteriormente fino alla maturità e l’animale diventa sessualmente maturo. La maggior parte dei mammiferi femmina è fertile solo durante certi periodi e in quei momenti si dice che è “in calore”. A questo punto, l’animale è pronto ad accoppiarsi. I singoli mammiferi maschi e femmine si incontrano ed effettuano l’accoppiamento.

La gestazione, chiamata gravidanza negli esseri umani, è il periodo di tempo durante il quale il feto si sviluppa, dividendosi tramite mitosi all’interno della femmina. Durante questo periodo, il feto riceve tutto il suo nutrimento e sangue ossigenato dalla femmina, filtrato attraverso la placenta, che è attaccata all’addome del feto attraverso un cordone ombelicale. Una volta che il feto è sufficientemente sviluppato, i segnali chimici iniziano il processo di nascita. Il neonato, che negli esseri umani è chiamato neonato, dovrebbe in genere iniziare a respirare da solo poco dopo la nascita.

Nei monotremi, le femmine depongono le uova. Tengono le uova internamente per diverse settimane, fornendo nutrimento, e poi le depongono e le coprono come gli uccelli. Dopo meno di due settimane il piccolo si schiude e striscia nel marsupio della madre, proprio come i marsupiali, dove allatta per diverse settimane mentre cresce.

I marsupiali si riproducono essenzialmente nello stesso modo, anche se i loro piccoli nascono in uno stadio di sviluppo molto prima rispetto agli altri mammiferi. Dopo la nascita, i joeys dei marsupiali strisciano nel marsupio della madre e si attaccano a un capezzolo, dove ricevono nutrimento e finiscono di svilupparsi in animali autosufficienti.

Teoria della storia della vita

In biologia animale e umana, la teoria della storia della vita è un metodo per comprendere i comportamenti evoluti e le strategie per ottimizzare il successo riproduttivo.

La teoria della storia della vita è un quadro analitico ampiamente utilizzato in biologia, psicologia e antropologia evolutiva, che postula che molti dei tratti fisiologici e dei comportamenti degli individui possono essere meglio compresi in termini di caratteristiche maturative e riproduttive chiave che definiscono il corso della vita.

Esempi di queste caratteristiche includono:

• Età allo svezzamento
• Età della maturità sessuale o pubertà
• Dimensione del corpo adulto
• Programmi di mortalità specifici dell’età
• Fecondità specifica dell’età
• Tempo alla prima attività sessuale o accoppiamento
• Tempo alla prima riproduzione
• Durata della gestazione
• Dimensione della cucciolata
• Intervallo di nascita

Le variazioni di queste caratteristiche riflettono le diverse allocazioni delle risorse di un individuo (es.e., tempo, sforzo e spesa energetica) alle funzioni vitali concorrenti, specialmente la crescita, il mantenimento del corpo e la riproduzione. Per ogni dato individuo, le risorse disponibili in ogni particolare ambiente sono finite. Il tempo, lo sforzo e l’energia utilizzati per uno scopo diminuiscono il tempo, lo sforzo e l’energia disponibili per un altro. Per esempio, le risorse spese per crescere fino a raggiungere una dimensione corporea maggiore non possono essere spese per aumentare il numero di figli. In termini generali, i costi della riproduzione possono essere pagati in termini di energia sottratta alla riparazione e al mantenimento del corpo e riducendo l’investimento nella competenza immunologica.

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