Exercicis: Gàmetes, fecundació i desenvolupament

Descriu l'estructura de l'espermatozoide (cap, peça intermèdia i flagel) i la de l'òvul (gran mida i reserves de vitel·le) d'un mamífer, i relaciona cada tret amb la seva funció: mobilitat enfront d'aliment per a l'embrió.

Anomena les gònades i les vies de sortida dels gàmetes en l'aparell reproductor d'un mamífer, i indica en quin punt de l'aparell femení té lloc la fecundació.

Ordena les fases de la fecundació —unió dels nuclis dels gàmetes, trobada entre gàmetes, activació de l'òvul i penetració de l'espermatozoide— i explica en una frase què passa en cadascuna.

Explica què és la meiosi i per què és imprescindible per produir gàmetes: què passaria amb el nombre de cromosomes de l'espècie a cada generació si els gàmetes fossin diploides.

Diferencia zigot, embrió i fetus en el desenvolupament d'un mamífer, indicant els límits aproximats de cada etapa i quins processos hi dominen (divisió, organogènesi, creixement).

Què és la placenta i quines tres funcions vitals fa per al fetus (nutrició, respiració, excreció)? Explica per què és important que les sangs de la mare i del fetus no es barregin directament.

Explica què són el sac amniòtic i el líquid amniòtic, i quines funcions compleixen durant l'embaràs (protecció mecànica, temperatura estable, llibertat de moviment).

Diferencia els bessons monozigòtics (idèntics) dels dizigòtics (bessons bivitel·lins): com s'origina cada tipus, quina semblança genètica tenen i per què els primers són sempre del mateix sexe i els segons no necessàriament.

Observa la imatge dels gàmetes d'un mamífer. a) Identifica les estructures numerades i explica el paper de cadascuna durant la fecundació. b) Raona per què l'òvul és milers de vegades més gran que l'espermatozoide i què aporta cada gàmeta al zigot. c) Indica quines barreres ha de travessar l'espermatozoide abans d'unir-se al nucli de l'òvul.

L'ou amniota de rèptils i ocells incorpora annexos embrionaris: àmnios, còrion, al·lantoide i sac vitel·lí. Explica la funció de cada annex i raona per què aquest conjunt va alliberar els vertebrats de reproduir-se a l'aigua.

Després de la fecundació, el zigot inicia la segmentació i, després, la gastrulació. Explica en què consisteix cada procés, què són els fulls embrionaris (ectoderma, mesoderma i endoderma) i cita un òrgan adult derivat de cadascun.

Descriu les fases del cicle menstrual (fol·licular, ovulació, lútia i menstruació) i el paper de les hormones principals (FSH, LH, estrògens i progesterona) en cadascuna, de manera simplificada.

Explica què passa a l'úter quan no hi ha fecundació: com cau la progesterona, què és la menstruació i per què el cicle s'atura, en canvi, si l'embrió s'implanta (quina hormona el manté al principi?).

Descriu el procés de la fecundació humana: on té lloc (trompa de Fal·lopi), què és la reacció acrosòmica i quins mecanismes impedeixen la polispèrmia (que entri més d'un espermatozoide).

Les primeres setmanes de l'embaràs són les més sensibles. Explica què és l'organogènesi, per què els teratògens (alcohol, alguns medicaments, infeccions com la rubèola) fan mal sobretot al primer trimestre i què és la síndrome alcohòlica fetal.

Descriu les fases del part (dilatació, expulsió i deslliurament) i el paper de l'oxitocina i de les contraccions uterines, explicant per què és un exemple de retroalimentació positiva.

Una expedició biològica descobreix en una cova aïllada dues espècies emparentades d'amfibis amb estratègies reproductores molt diferents:

• Espècie A: Pon uns 1.500 ous petits (diàmetre < 1,5 mm) i pobres en vitel en basals temporals amb depredadors abundants.

• Espècie B: Pon tot just 12 ous grans (diàmetre > 6,0 mm), molt rics en vitel, en esquerdes humides protegides, dels quals eclosionen individus completament formats sense passar per fase de capgròs lliure.

1. a) Justifica en termes de cost bioenergètic i supervivència per què l'espècie B ha pogut prescindir de la metamorfosi i la fase larvària aquàtica, relacionant-ho amb el tipus d'ou (quantitat de vitel) i el tipus de desenvolupament.
2. b) Un investigador afirma: «L'espècie A és evolutivament més eficient perquè el desenvolupament indirecte sempre suposa un cost reproductor menor per a la mare». Rebat aquesta afirmació analitzant els avantatges i inconvenients adaptatius de cada estratègia en funció de l'estabilitat del medi.
3. c) Resol la següent aparent paradoxa: els mamífers euteris tenen un ou pràcticament desproveït de vitel (alecític) i, tanmateix, presenten un desenvolupament directe sense fase larvària. Com han resolt aquest conflicte evolutiu?

Imagina un escenari evolutiu hipotètic: en un planeta similar a la Terra, un grup d'animals aquàtics desenvolupa primer l'ou amb closca impermeable i membranes extraembrionàries (amniota) abans d'haver desenvolupat mecanismes de fecundació interna, mantenint la fecundació externa a l'aigua.

1. a) Avalua la viabilitat biofísica d'aquest escenari: per què l'aparició de l'ou amb closca protectora impermeable abans de la fecundació interna representa una contradicció biològica insalvable per al procés de penetració gamètica?
2. b) Alguns amfibis actuals dipositen les seves postes en fulles o transporten els capgrossos a la pell fora de l'aigua lliure, però cap d'ells posseeix un ou veritablement amniota. A partir d'aquest fet, justifica per què la fecundació interna per si sola no va ser suficient perquè els vertebrats aconseguissin independitzar-se per complet dels hàbitats humits.
3. c) Analitza com interactuen la gravetat, la dessecació i l'intercanvi gasós en el medi aeri per imposar la seqüència evolutiva cronològica observada: 1r fecundació interna, 2n ou amniota.

Un equip de conservació busca salvar de l'extinció el rinoceront blanc del nord, espècie de la qual només sobreviuen dues femelles infèrtils per a gestar, però de la qual es conserven mostres de semen congelat de diversos mascles i cultius de fibroblasts de pell de dotze exemplars morts.

S'avaluen dues estratègies biotecnològiques:

• Estratègia A: Fecundació in vitro (FIV) mitjançant microinjecció intracitoplasmàtica (ICSI) amb oòcits extrets de les femelles vives i semen congelat, transferint els embrions a femelles de rinoceront blanc del sud com a gestants subrogades.

• Estratègia B: Transferència nuclear cel·lular somàtica (clonació) utilitzant els fibroblasts congelats i oòcits enucleats de rinoceront blanc del sud.

1. a) Compara ambdues estratègies respecte a la variabilitat genètica futura: quina d'elles permet una diversitat al·lèlica més gran en la descendència obtinguda i per què la clonació resultaria perjudicial com a estratègia única a llarg termini?
2. b) Des del punt de vista de la biologia cel·lular i el desenvolupament embrionari, quines barreres moleculars específiques associades a la reprogramació epigenètica del nucli donant expliquen l'elevadíssima taxa d'avortaments i malformacions congènites habituals en l'Estratègia B respecte a l'Estratègia A?
3. c) Avalua els límits bioètics d'aplicar aquestes tecnologies: si una empresa oferís comercialitzar la clonació d'animals de companyia morts, quines objeccions biològiques i de benestar animal fonamentaries per a desaconsellar aquesta pràctica?

En una consulta ginecològica s'avaluen els perfils de tres dones en edat fèrtil que fan servir diferents mètodes de control de la natalitat:

• Cas A: Utilitza un anticonceptiu hormonal combinat oral (etinilestradiol i levonorgestrel). En les anàlisis del dia teòric 14 del seu cicle, els seus nivells sèrics d'LH i FSH són mínims i plans, sense pic detectable.

• Cas B: Ha mantingut una relació sexual no planificada sense protecció el dia 13 del cicle (moment en què un test d'ovulació dona positiu per pic d'LH). Dotze hores després pren una píndola de l'endemà d'acetat d'ulipristal.

• Cas C: És portadora d'un dispositiu intrauterí (DIU) de coure des de fa dos anys i manté cicles ovulatoris i perfils hormonals completament normals.

1. a) Justifica el mecanisme neuroendocrí pel qual el tractament del Cas A impedeix l'ovulació: explica quins efectes exerceixen els esteroides sintètics sobre l'hipotàlem i la hipòfisi, i prediu quin risc d'error hi ha si es produeix un oblit continuat de la presa durant 3 dies a l'inici de la pauta.
2. b) Prediu de manera raonada l'eficàcia esperable de l'anticoncepció d'urgència en el Cas B, tenint en compte el mecanisme d'acció del fàrmac en relació amb el moment biològic del cicle ovulatori en què es va produir la relació.
3. c) Compara els mecanismes anticonceptius dels Casos A i C respecte a dos factors: la modificació del moc cervical/endometri i la protecció enfront d'infeccions de transmissió sexual (ITS). Per què cap d'aquests dos mètodes eximeix de l'ús del preservatiu en relacions esporàdiques?

Una parella amb infertilitat prolongada consulta un equip de reproducció assistida. Les proves diagnòstiques revelen en l'home una concentració espermàtica extremadament baixa (0,4 milions d'espermatozoides/ml) amb hipomotilitat severa, mentre que la dona presenta una obstrucció tubàrica bilateral amb reserva ovàrica preservada.

1. a) Justifica de manera raonada per què en aquest quadre clínic la inseminació artificial intrauterina està contraindicada i és obligada una FIV amb microinjecció intracitoplasmàtica d'espermatozoides (ICSI). Descriu en quin estat de la meiosi es troba l'oòcit en el moment exacte de la injecció.
2. b) Després de la punció ovàrica es fertilitzen 8 oòcits, i s'aconsegueix que es desenvolupin 4 blastocists morfològicament viables el dia 5 de cultiu. Sabent que la taxa mitjana d'implantació per blastocist euploide ronda el 50-60 %, argumenta biològicament per què la transferència d'un únic embrió (SET) és preferible a la transferència de tres embrions alhora, detallant els riscos perinatals i obstètrics associats a la gestació múltiple.
3. c) La parella decideix transferir un sol embrió i s'aconsegueixen congelar tres blastocists d'alta qualitat. Si aconsegueixen l'embaràs i no desitgen tenir més descendència, analitza les tres opcions legals de destinació que ofereix la legislació espanyola per a aquests embrions sobrants i els dilemes ètics que suscita cadascuna.

Durant l'hivern de 1944-1945 («hivern de la fam neerlandès»), la població dels Països Baixos va patir una desnutrició severa (< 1.000 kcal/diàries) durant 6 mesos a causa d'un bloqueig militar. Dècades més tard, estudis epidemiològics van demostrar que els individus gestats durant aquest període les mares dels quals van patir la fam en el primer trimestre van néixer amb pes normal, però van mostrar d'adults altes taxes d'obesitat, hipercolesterolèmia i diabetis tipus 2, associades a una hipometilació estable del gen IGF2 en comparació amb els seus germans no exposats. Per contra, els exposats a la fam només al final de la gestació van néixer amb baix pes, però no van desenvolupar obesitat en la seva vida adulta.

1. a) Explica com els canvis epigenètics (com la metilació de l'ADN en illes CpG i la modificació d'histones) modulen la transcripció gènica en el fetus sense alterar la seqüència de nucleòtids de l'ADN.
2. b) Interpreta aquest cas mitjançant la hipòtesi del «fenotip estalviador»: per què un desajust entre l'ambient intrauterí percebut per l'embrió i l'ambient postnatal d'abundància nutricional condueix a malalties metabòliques cròniques en l'adult?
3. c) Justifica per què l'impacte a llarg termini sobre la salut va ser molt més sever i generalitzat quan la privació de nutrients es va produir en el primer trimestre que quan va ocórrer en l'últim trimestre de gestació.

Una dona de 29 anys amb antecedents de salpingitis per clamídia va a urgències amb dolor pelvià llancinant a la fossa ilíaca dreta i una amenorrea de 7 setmanes. L'analítica quantifica una concentració de beta-hCG de 4.200 mUI/ml, però l'ecografia transvaginal mostra la cavitat uterina buida amb un endometri decidualitzat i una massa de 3,2 cm localitzada a l'ampol·la tubàrica dreta.

1. a) Explica la relació causa-efecte entre la infecció prèvia i la implantació ectòpica: quines funcions cel·lulars de l'epiteli ciliat tubàric i de la musculatura llisa de la trompa s'han deteriorat per impedir l'avanç normal de la mòrula cap a l'úter?
2. b) Justifica per què a l'úter s'observa un endometri proliferat i engruixit malgrat no allotjar cap embrió. Quina estructura embrionària produeix la beta-hCG i quina via hormonal manté el suport endometrial?
3. c) Prediu les conseqüències fisiopatològiques immediates si no s'actua clínicament abans de la setmana 9-10 de gestació, comparant la capacitat plàstica i vascular del miometri uterí amb les limitacions histològiques de la paret tubàrica enfront de la invasió del sincitiotrofoblast.

En un laboratori es reprodueix el protocol de transferència nuclear de cèl·lules somàtiques (SCNT) que va permetre obtenir l'ovella Dolly, emprant material biològic de tres ovelles diferents:

• Donant A (raça Finn Dorset, cara blanca): femella adulta de la qual s'aïllen fibroblasts mamaris cultivats in vitro (cèl·lules diferenciades, 2n = 54).

• Donant B (raça Scottish Blackface, cara negra): femella a la qual s'extreuen oòcits no fecundats i se'ls retira el fus meiòtic amb la seva dotació cromosòmica.

• Femella receptora C (raça Scottish Blackface, cara negra): femella a la qual s'implanta a l'úter l'embrió en estadi de blastocist després de l'electrofusió del nucli d'A amb el citoplasma enucleat de B.

1. a) Determina de manera raonada la contribució genètica exacta de cada donant (A, B i C) al xai nascut, especificant l'origen del genoma nuclear, del genoma mitocondrial i el fenotip de coloració del seu cap.
2. b) Al cap de pocs anys de vida, el clon va presentar artritis prematura i signes cel·lulars de senescència accelerada. Explica per què la longitud dels telòmers a les cèl·lules del clon no corresponia a la d'un nounat normal i quines limitacions experimenta la reprogramació nuclear d'una cèl·lula somàtica diferenciada enfront de la gametogènesi natural.
3. c) Si l'objectiu no fos la gestació del xai sinó l'extracció de cèl·lules mare pluripotents de la massa cel·lular interna del blastocist per regenerar teixits, quina diferència biològica i legal sustenta l'aprovació d'aquesta clonació terapèutica enfront de la prohibició universal de la clonació reproductiva en humans?

Repte del tema. Com a biòleg assessor de la teva comunitat, avalua com l'estratègia reproductiva condiciona la supervivència de la fauna ibèrica amenaçada davant del canvi global. Elabora un informe tècnic seguint tres fases:

1. Cerca de dades reals: Accedeix a l'inventari del Ministeri per a la Transició Ecològica (MITECO) i selecciona dues espècies autòctones amb models biològics contrastats: un vertebrat anamniota (amfibi o peix) i un d'amniota (ocell o mamífer).

2. Matriu comparativa: Construeix una taula analítica que contrasti les seves estructures reproductores, morfologia de gàmetes, tipus de fecundació (interna o externa) i modalitat de desenvolupament embrionari (ovípar, ovovivípar, vivípar) i postembrionari (directe o indirecte).

3. Proposta raonada: Redacta un dictamen valorant el balanç cost-eficàcia de cada espècie. Analitza com influeixen la inversió parental i el nombre de descendents (amb taxes de supervivència juvenil sovint inferiors a $0,05$ enfront d'estratègies d'alta protecció) en la vulnerabilitat de les seves poblacions.

Es valorarà:

• Rigor i veracitat en l'extracció de dades biològiques del portal oficial del MITECO.

• Precisió conceptual en classificar estructures, gàmetes, fecundació i fases del desenvolupament embrionari i postembrionari.

• Qualitat del raonament ecoevolutiu que relaciona la inversió reproductiva amb el risc d'extinció.