jueves, 26 de mayo de 2016

Notas sobre la biología copulatoria del género Leptanilla

Notes on the copulatory biology of the genus Leptanilla

INTRODUCIÓN
En los últimos años ha cobrado un interés creciente el estudio de la biología copulatoria de las hormigas. Se investigan los fenómenos previos a la cópula, los mecanismos de acoplamiento, los procesos de transferencia espermática, la competencia entre espermas eyaculados, la selección críptica de la hembra mediante secreciones de su espermateca… Las técnicas moleculares permiten, además, conocer la composición genética de las colonias y la contribución respectiva de los sexuados. Todo ello resulta crucial para entender la evolución y organización de estos insectos sociales (Baer, 2010).
De manera general, dejando a un lado las excepciones, sabemos que hay especies monogínicas o poligínicas (con una o varias reinas fecundadas por colonia). También, que hay reinas monándricas o poliándricas (que copulan con un solo macho o con varios). La monandria implica un alto grado de parentesco entre los individuos de la colonia, lo que pudo haber dado origen al comportamiento altruista y, por ende, a la eusocialidad. Es por ello que se le considera un carácter ancestral de los himenópteros eusociales (Hughes et al., 2008; Boomsma, 2009). La poliandria, en cambio, sería un carácter derivado, generador de variabilidad genética intracolonial, y cuyo valor selectivo radicaría, entre otros factores, en una mayor plasticidad para la división de tareas, la adaptación a los cambios del medio o la evitación de infecciones, además de asegurar el llenado completo de la espermateca de las reinas (hipótesis de la limitación de esperma) (Crozier et al., 2001; Jaffé, 2014; Roes, 2015).

El CASO DE LEPTANILLA
El conocimiento detallado de la biología copulatoria de las hormigas se ha alcanzado, sin embargo, en solo unos pocos géneros y especies. Para el resto sigue siendo, en buena parte, terra incognita. Si entonces atendemos a géneros crípticos como Leptanilla, los problemas se multiplican. Cito a continuación algunas de las dificultades planteadas por estas hormigas minúsculas e hipogeas:
  1. Son escasas en las colecciones y difíciles de encontrar.
  2. Salvo algún caso excepcional, nunca se han colectado juntos machos y obreras, lo que ha dado lugar a una doble taxonomía pendiente de sinonimización.
  3. En la mayoría de especies se desconocen las reinas.
  4. Nunca se han observado sus cópulas.

¿Qué sabemos con razonable certeza del género Leptanilla? Que sus colonias son monogínicas (con entre 100 y 300 obreras), que son univoltinas (renuevan anualmente la población de obreras), y que comparten algunos de los rasgos del síndrome de las hormigas legionarias: nomadismo, reinas ápteras dichtadiiformes, probable fundación colonial dependiente mediante fisión de la colonia madre, y ciclos consecutivos y sincronizados de puesta de huevos (fase estacionaria) y eclosión de larvas (fase nomádica) (Masuko, 1990; Brady, 2003; kronauer, 2009).

HEBRA ESPERMÁTICA Y ESPERMATECA. VOLÚMENES SIMILARES QUE SUGIEREN MONANDRIA ESTRICTA
En relación con este tema de que vengo hablando, establecí recientemente una curiosa asociación entre dos elementos: a) las hebras espermáticas eyaculadas por varios machos vivos de Leptanilla SPA-02 que colecté en Madrid en 2015, y b) la espermateca que aparece en una micrografía de un corte sagital de una reina de Leptanilla japonica (Hölldobler et al., 1989).

Arriba, macho de L. SPA-02 (fot. J. Gómez); abajo, micrografía de la espermateca de una reina de L. japonica (modificada de Hölldobler et al., 1989)

El objeto inmediato de la asociación era saber si los volúmenes de la hebra espermática y de la espermateca eran similares o no. Dado que estaban implicadas dos especies diferentes las únicas en las que hasta ahora se han podido asociar obreras y machos tomé en consideración, a efectos de ajustes en la comparación, las longitudes totales de ambas castas de cada especie. L. japonica. Obrera: 1.2-1.3 mm (Baroni Urbani, 1977); macho: 1.3 mm (Ogata et al, 1995). L. SPA-02. Obrera: 1.5-1.6 mm; macho: 1.5-1.6 mm.
Para medir el volumen de la espermateca de L. japonica la asimilé a una esfera y, utilizando la escala de la micrografía, apliqué la fórmula del volumen de la esfera. El resultado fue 0.000221 mm3.
Para hallar el volumen aproximado de la hebra espermática de Leptanilla SPA-02, la asimilé a un paralelepípedo rectangular. Estas hebras alargadas tienen estructura de cinta aplanada, no de cuerda con sección circular, tal como se aprecia en la siguiente fotografía:


La causa debe ser la rápida expulsión y solidificación del esperma al atravesar la falotrema, una estrecha hendidura longitudinal situada en el extremo del edeago:


Para medir la longitud (6.34 mm) y anchura (0.02 mm) de la hebra espermática, la aislé y monté cuidadosamente sobre un portaobjetos. 


Para calcular el grosor de la hebra, procedí mediante el siguiente razonamiento: la hendidura (falotrema) que debe atravesar el esperma para salir al exterior, tiene una proporción anchura/longitud cercana a 1/10. Por tanto, el grosor de la hebra espermática vendría a ser, aproximadamente, la décima parte de su anchura (0.02/10). Teniendo ya la longitud, la anchura y el grosor de la hebra, apliqué la fórmula del volumen del paralelepípedo rectangular. El resultado fue 0.000254 mm3.
Ambos volúmenes, el de la espermateca de L. japonica (0.000221 mm3) y el de la hebra espermática de L. SPA-02 (0.000254 mm3), resultaron ser muy similares, con una diferencia que podría deberse, en parte, al distinto tamaño de las dos especies comparadas. Aunque se trata de una aproximación grosso modo, parece razonable concluir que el esperma de un solo macho de Leptanilla colma completamente la espermateca de la reina, impidiendo posteriores inseminaciones por otros machos. Ello sugiere que las reinas de Leptanilla son, muy probablemente, monándricas estrictas.
La monandria en Leptanilla concordaría con la ancestralidad asignada normalmente a este género, particularmente en algunas filogenias moleculares que sitúan a la subfamilia Leptanillinae como grupo hermano del resto de hormigas existentes (Brady et al., 2006; Moreau et al., 2006). Sin embargo, distaría en este carácter de las verdaderas hormigas legionarias (Dorylinae, Ecitoninae, Aenictinae), notoriamente poliándricas (Kronauer et al., 2007; Barth et al., 2014). Un caso similar a Leptanilla sería el del género Simopelta, de hábitos legionarios pero estrictamente monándrica (Kronauer et al., 2010).
Se desconoce el número de machos y reinas vírgenes que produce anualmente una colonia de Leptanilla. Excepcionalmente, pude colectar en una muestra de tierra 234 individuos de L. SPA-02, de los cuales 224 eran obreras y 7 machos, esto es, un 3% de la población. Incluso si se aumenta este porcentaje por posibles pérdidas y vuelos ya realizados, no parece probable que los machos superen el 10% de la población. Este número relativamente escaso de machos por colonia (tan distinto del altísimo ratio machos/reinas que se da en las hormigas legionarias) (Kronauer et al., 2007; Barth et al., 2014), quedaría compensado, de cara al encuentro entre sexuados, por la densidad y cercanía, casi contigüidad, de los nidos de Leptanilla en determinadas zonas, según he constatado en varios años de excavaciones sistemáticas. En cualquier caso, queda pendiente el problema de cómo localizan los machos alados a las reinas vírgenes ápteras y subterráneas. Si no existe endogamia dentro de los nidos, y los vuelos de los machos son adaptativos (como parecen indicar algunos mecanismos especiales del batido de sus alas, destinados a vencer la extrema viscosidad relativa del aire para insectos tan minúsculos), entonces los machos, tras emerger a la superficie y realizar sus vuelos, penetrarán de nuevo en la tierra a la búsqueda de reinas. Se hace difícil imaginar cómo consiguen tal proeza, y cuántos perecen en el intento, pero la monandria y el llenado completo de la espermateca asegurarían, mediante una sola cópula y para varios años, la capacidad reproductora de la reina.

¿ESPERMA FLUIDO O ESPERMATÓFORO?
Las sorprendentes hebras espermáticas de los machos de Leptanilla pueden aportar luz sobre la biología copulatoria del género. En mis experimentos, los machos las segregaban al ser depositados, todavía vivos, sobre la superficie del alcohol de un vial. He aquí algunas de sus características:
  1. Son muy largas, aproximadamente 3 o 4 veces la longitud del macho.
  2. Eran eyaculadas en menos de 10 segundos, durante los compulsivos movimientos premortem de los machos.
  3. Se endurecían o solidificaban (sin perder elasticidad) en el momento de ser eyaculadas.

La solidificación de las hebras, proceso en el que debe estar implicada la secreción viscosa procedente de las glándulas accesorias (secreción que sirve de medio envolvente y fluido a los espermatozoides), hace sospechar que el macho de Leptanilla transfiere a la reina un genuino espermatóforo, esto es, una estructura unitaria que funciona a modo de cápsula portadora de espermatozoides y que evitaría la pérdida de esperma durante el proceso de transferencia. Al penetrar en la espermateca, la hebra irá plegándose en su interior hasta formar un denso ovillo, como parece apreciarse en la micrografía de la espermateca de Leptanilla japonica que muestro al principio de este artículo.
La rapidez con la que el macho de Leptanilla eyacula la larga hebra espermática en condiciones experimentales (< 10 s), indica un poderoso mecanismo de bombeo. Es probable que en condiciones naturales la transferencia de la hebra a la espermateca de la reina sea directa, sin fase previa de almacenamiento en la bursa copulatrix, como sucede en el género Atta (Baer et al., 2006). 

LA EXTREMA MINIATURIZACIÓN PRODUCE ÓRGANOS DESPROPORCIONADOS PARA PRESERVAR LA VIABILIDAD: EL CASO DE LOS HUEVOS, ESPERMATOZOIDES, ESPERMATECA Y GENITALIA DE LEPTANILLA
Desde hace tiempo se ha advertido que algunos órganos y estructuras de las minúsculas hormigas del género Leptanilla son excepcionalmente grandes en proporción a su cuerpo. Todo indica que existe un límite a la miniaturización a partir del cual dichas estructuras dejan de ser viables o adaptativas. Así, las obreras poseen una glándula de veneno hipertrofiada (necesaria, sin embargo, para contener el veneno suficiente con el que paralizar a los centípedos de que se alimentan), y las reinas albergan ganglios torácicos y espermatecas desproporcionadas (Hölldobler et al, 1989); los machos tienen, por otro lado, unas de las genitalias más grandes y singulares de la familia Formicidae (Bolton, 1990; Brady et al., 2005).
Un caso particularmente notorio de tamaño desproporcionado es mencionado por Masuko (1990): los huevos de Leptanilla japonica son de tamaño similar a los de Eciton hamatum (0.26 y 0.3 mm, respectivamente), pero una reina de E. hamatum es 10 veces más grande que una reina de L. japonica. La explicación más convincente es que una mayor miniaturización de los huevos los haría inviables. Pero para fecundar esos huevos desproporcionados de Leptanilla harían falta, a su vez, grandes espermatozoides, hipótesis expuesta por Hölldobler et al. (1989) para dar razón de la enorme espermateca de la reina de Leptanilla. Estas son sus palabras: “Si los espermatozoides de Leptanilla son también del tamaño de los de las hormigas grandes, cabe esperar entonces que la espermateca de la reina de Leptanilla sea desproporcionadamente grande”.
El hallazgo de las hebras espermáticas de los machos de Leptanilla me permitió realizar preparaciones microscópicas y visualizar, por primera vez, los espermatozoides filamentosos de este género.


Dado que los espermatozoides formaban una tupida red entrelazada, solo fue posible medir algunos segmentos que se distinguían nítidamente en la periferia de la hebra. La longitud de los segmentos más largos (varios de ellos con un extremo suelto) era de 45 µm; por tanto, es muy probable que la mayoría de espermatozoides completos superara esta medida.

  
A efectos comparativos, pongo a continuación una lista con algunas de las especies en las que se conoce la longitud de sus espermatozoides:

Leptanilla SPA-02…………..... ≥ 45 μm
Pseudomyrmex termitarius……53 μm (Moya et al., 2007)
Lasius pallitarsis…….............. 65 μm (Burnett et al., 2014)
Atta sexdens……………………..... 67 μm (Baer et al., 2009)
Solenopsis invicta……………..... 70 μm (Lino-Neto et al., 2002)              
Acromyrmex echinatior……….. 83 μm (Baer et al., 2009)
Leptothorax gredleri.............100 μm (Oppelt et al., 2007)                    
Mycetosoritis hartmanni…….. 139 μm (Baer et al., 2009)
Atta cephalotes……………….... 150 μm (Baer et al., 2009)
Neoponera villosa……………... 175 μm (Barcellos et al., 2015)              

Queda patente, dada la extrema miniaturización de Leptanilla en relación con las demás especies, que sus espermatozoides son proporcionalmente muy grandes, y que se necesita una enorme espermateca para albergarlos, tal como predecía la hipótesis de Hölldobler et al. (1989).
Como una imagen vale más que mil palabras, vea el lector la extraordinaria diferencia de tamaño entre un macho de Leptanilla SPA-02 y un macho de Solenopsis invicta. Las longitudes de sus espermatozoides respectivos difieren, sin embargo, relativamente poco: ≥ 45 μm en Leptanilla y 70 μm en Solenopsis.         
                       
 Arriba, macho de Leptanilla SPA-02 (fot. J. Gómez). Abajo, macho de Solenopsis invicta (fot. April Nobile: www.antweb.org)

Cabe conjeturar que el estudio futuro de los órganos sexuales de los machos de Leptanilla revele, también, un hiperdesarrollo del reservorio espermático y de las glándulas accesorias, así como un poderoso mecanismo de propulsión del esperma vinculado a las enormes genitalias de estas hormigas.

Referencias 
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2 comentarios:

  1. Caramba josemary! tus estudios, y en particular los de Leptanilla son siempre asombrosos!
    Sabía muy poco sobre estos detalles de la reproducción de las hormigas, mil gracias por ilustrármelos!!

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  2. Hombre, Chousas, me alegra que sea de tu interés.
    Si te acuerdas, dame por favor tu email (el mío es josemary@ya.com), que seguro habré de consultarte cosas mirmecológicas.
    Un abrazo.

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