Citogenética y fecundación

[Genética clásica 2]

Durante la segunda mitad del siglo XIX, los microscopistas comenzaron a descubrir que la reproducción celular era mucho más compleja de lo que parecía. Las células no se dividían simplemente en dos partes: ciertas estructuras del núcleo experimentaban cambios ordenados que parecían garantizar su distribución entre las células hijas. Al mismo tiempo, los investigadores de la herencia biológica intentaban explicar por qué los descendientes se parecían a sus progenitores y cómo podían transmitirse determinadas características entre generaciones.

Dos líneas de investigación ofrecían respuestas diferentes. Los estudios de fecundación y desarrollo embrionario permitían observar directamente el comportamiento de las células reproductoras, mientras que los experimentos de hibridación proporcionaban regularidades matemáticas sobre la transmisión de caracteres. Sin embargo, todavía faltaba demostrar qué relación existía entre las estructuras celulares observables y los factores hereditarios propuestos mediante los cruzamientos.

Las investigaciones de Oscar Hertwig, Édouard van Beneden y Theodor Boveri aportaron evidencias sobre la participación del núcleo, la reducción del número de cromosomas y su importancia para el desarrollo embrionario. Paralelamente, la recuperación de los trabajos de Gregor Mendel alrededor de 1900 proporcionó nuevas herramientas para estudiar la herencia. Estas investigaciones coincidieron en una pregunta fundamental: ¿podían los cromosomas representar el soporte material de los factores hereditarios? (Laubichler & Davidson, 2008; Gliboff, 2025).

Primeras observaciones de la fertilización manipulada

La fecundación es el proceso mediante el cual se unen los componentes reproductores de dos gametos y se origina una nueva célula, denominada cigoto. Actualmente sabemos que este proceso permite combinar información genética de ambos progenitores. Sin embargo, durante el siglo XIX todavía existían dudas sobre la contribución del espermatozoide y del óvulo al desarrollo del nuevo organismo.

La diferencia de tamaño entre ambos gametos era considerable. El óvulo contiene abundante citoplasma, reservas y estructuras necesarias para iniciar el desarrollo embrionario, mientras que el espermatozoide suele ser mucho más pequeño. Esta diferencia podía llevar a pensar que el gameto femenino aportaba casi todos los componentes importantes. Para comprobarlo, los investigadores necesitaban observar qué ocurría durante la unión de ambas células.

Los erizos de mar resultaron especialmente útiles para estos estudios. Estos animales liberan sus gametos al agua, donde puede producirse la fecundación externa. Los investigadores podían recoger óvulos y espermatozoides, mezclarlos en condiciones controladas y observar las primeras divisiones celulares mediante el microscopio óptico. Además, muchos óvulos de erizo de mar son suficientemente transparentes para permitir el seguimiento de los cambios internos.

Durante la década de 1870, Oscar Hertwig (1849-1922) investigó la fecundación de los erizos de mar. Sus observaciones mostraron que el núcleo del espermatozoide participaba directamente en la formación del nuevo organismo. En particular, reconoció la importancia de los componentes nucleares masculino y femenino, que posteriormente se relacionarían con la transmisión de la información hereditaria.

Figura 1. [Oscar Hertwig] (1849-1922) fue un embriólogo y anatomista alemán que investigó la fecundación en erizos de mar. Demostró la participación de los núcleos del óvulo y espermatozoide en la formación del cigoto. También estudió la segmentación embrionaria, las capas germinales y el desarrollo dental. Sus descubrimientos contribuyeron a fundamentar la embriología experimental y la posterior teoría cromosómica de la herencia.

Estos descubrimientos plantearon una cuestión fundamental: si el espermatozoide era tan pequeño, ¿por qué su participación resultaba indispensable? La respuesta no podía encontrarse únicamente en la cantidad de citoplasma aportado. Los núcleos de los gametos contenían estructuras cuya contribución era esencial para el desarrollo.

El embriólogo alemán Theodor Boveri (1862-1915) continuó investigando este problema. En 1889 desarrolló experimentos utilizando óvulos de erizo de mar cuyo núcleo había sido eliminado o separado de parte del citoplasma. Su intención era estudiar hasta qué punto las características del embrión dependían del material nuclear o de los componentes citoplasmáticos.

Boveri trabajó con células reproductoras de diferentes especies de erizos de mar, algunas de las cuales producían embriones con características distinguibles. La idea consistía en comparar el desarrollo de los embriones obtenidos mediante distintas combinaciones de material celular. Aunque las primeras interpretaciones de estos experimentos presentaban limitaciones, contribuyeron a establecer nuevas preguntas sobre el papel del núcleo en el desarrollo (Laubichler & Davidson, 2008).

Uno de sus experimentos posteriores más conocidos consistió en estudiar la polispermia, fenómeno que ocurre cuando más de un espermatozoide penetra en un mismo óvulo. En circunstancias normales, después de la entrada del primer espermatozoide se activan mecanismos que impiden o dificultan la entrada de otros. Estos mecanismos ayudan a conservar una composición cromosómica adecuada en el cigoto.

Cuando entran dos espermatozoides se produce una situación denominada dispermia. En un organismo diploide, cada gameto normalmente aporta un conjunto haploide de cromosomas. Si un óvulo recibe dos espermatozoides, puede contener tres conjuntos cromosómicos en lugar de los dos habituales. Esta condición corresponde a una posible triploidía, representada como 3n.

Sin embargo, el problema observado por Boveri no dependía exclusivamente del número total de cromosomas. En los erizos de mar, los espermatozoides también aportan componentes relacionados con la organización del centrosoma, estructura que participa en la formación del huso mitótico. Cuando penetraban varios espermatozoides, podían formarse polos adicionales de división.

En una mitosis normal, el huso posee dos polos principales, entre los cuales se distribuyen los cromosomas. En determinados embriones originados mediante dispermia, Boveri observó configuraciones anormales con cuatro polos. Esta situación producía divisiones celulares irregulares, porque los cromosomas podían repartirse en más de dos direcciones.

Figura 2. [El erizo de mar] Paracentrotus lividus es un equinodermo utilizado en investigaciones de fecundación y embriología. Oscar Hertwig estudió la unión de los pronúcleos y la formación del cigoto. Sus óvulos transparentes permiten observar la segmentación embrionaria, las mitosis y el desarrollo de larvas equinoplúteo. Actualmente facilita investigaciones sobre cromosomas, diferenciación celular y efectos ambientales en la reproducción marina.

Como consecuencia, las células hijas recibían combinaciones cromosómicas diferentes. Algunas conservaban determinados cromosomas, mientras que otras carecían de ellos o recibían copias adicionales. Este desequilibrio podía impedir que los embriones completaran adecuadamente su desarrollo.

Para comprender la importancia del experimento debemos distinguir entre dos posibilidades. Si todos los cromosomas fueran funcionalmente equivalentes, bastaría con recibir una cantidad determinada de material nuclear. En cambio, si diferentes cromosomas desempeñaban funciones distintas, perder algunos de ellos produciría consecuencias que no podrían compensarse simplemente aumentando la cantidad de otros.

Las observaciones de Boveri favorecieron esta segunda interpretación: la identidad de los cromosomas y su distribución equilibrada eran importantes para el desarrollo embrionario. Sus investigaciones contribuyeron a reconocer que los cromosomas no eran estructuras intercambiables y que su organización podía tener consecuencias biológicas específicas (Laubichler & Davidson, 2008).

Este resultado representó un avance decisivo. Los investigadores ya no estudiaban únicamente la apariencia de las estructuras nucleares, sino también los efectos que podían producir las alteraciones experimentales en su distribución. La embriología experimental comenzó así a proporcionar evidencias sobre la importancia funcional de los cromosomas.

Primeros modelos biológicos en la biología celular

Además de los erizos de mar, los científicos del siglo XIX utilizaron otros organismos para estudiar la reproducción celular. Entre ellos se encontraban diversos nematodos, gusanos de cuerpo alargado que podían presentar características particularmente favorables para la observación microscópica.

Figura 3. [Theodor Boveri] (1862-1915) fue un embriólogo alemán, pionero de la citogenética. Investigó la fecundación, los centrosomas y la distribución de los cromosomas en embriones de erizo de mar. Sus experimentos demostraron la importancia de la individualidad cromosómica para el desarrollo embrionario. Contribuyó a formular la teoría cromosómica de la herencia y anticipó explicaciones genéticas sobre el cáncer.

La elección de un organismo modelo no suele ser accidental. Los investigadores buscan especies cuyas características permitan observar con claridad el fenómeno que desean estudiar. Para investigar la distribución de los cromosomas resultaban especialmente útiles las células que contenían pocos cromosomas, de tamaño relativamente grande y fáciles de distinguir durante la división.

Uno de los organismos empleados fue un nematodo parásito de caballos denominado históricamente Ascaris megalocephala, actualmente relacionado con el género Parascaris. Sus células reproductoras permitían observar estructuras cromosómicas mediante los instrumentos disponibles durante el siglo XIX.

En determinadas formas cromosómicas de estos nematodos, las células diploides poseen cuatro cromosomas, mientras que los gametos haploides contienen dos. Esta situación puede representarse mediante las expresiones 2n = 4 y n = 2, respectivamente.

El símbolo n representa el número de cromosomas de un conjunto haploide. Por su parte, 2n representa dos conjuntos, como ocurre en las células diploides de numerosos animales. Durante la fecundación, los conjuntos cromosómicos procedentes de ambos gametos contribuyen a restablecer el número diploide característico de la especie.

En 1883, el investigador belga Édouard van Beneden (1846-1910) estudió cuidadosamente estos fenómenos. Sus observaciones permitieron reconocer que los gametos presentaban un número reducido de cromosomas y que, después de la fecundación, los conjuntos aportados por ambos progenitores estaban presentes en la nueva célula.

Esta conclusión permitió relacionar dos procesos que anteriormente podían parecer independientes: la reducción cromosómica durante la formación de gametos y la restauración del número diploide durante la fecundación.

Consideremos una especie hipotética cuyas células somáticas contienen cuatro cromosomas. Durante la formación de los gametos, el número cromosómico se reduce de cuatro a dos. Posteriormente, cuando dos gametos participan en la fecundación, sus conjuntos cromosómicos contribuyen a formar un cigoto con cuatro cromosomas.

\(n+n=2n\)

Si cada gameto contiene dos cromosomas, la relación puede expresarse como:

\(2+2=4\)

Esta regularidad responde una pregunta importante: ¿por qué el número de cromosomas no se duplica indefinidamente con cada generación?

Supongamos que los gametos conservaran los cuatro cromosomas de las células diploides. Si ambos aportaran cuatro cromosomas durante la fecundación, el cigoto recibiría ocho. En la generación siguiente, si nuevamente se transmitiera la totalidad del número cromosómico, la cantidad podría continuar aumentando.

La meiosis evita normalmente este problema mediante la reducción del número cromosómico antes de la fecundación. En la primera división meiótica se separan los cromosomas homólogos, mientras que en la segunda se separan las cromátidas hermanas. El resultado habitual es la formación de células haploides.

Los científicos del siglo XIX todavía estaban construyendo una explicación completa de estas divisiones. August Weismann reconoció la importancia teórica de la reducción cromosómica para mantener la continuidad hereditaria entre generaciones. Sin embargo, la descripción de la meiosis fue el resultado de investigaciones realizadas por diferentes científicos, y no puede atribuirse exclusivamente a una persona.

Figura 4. El nematodo [Ascaris megalocephala], nombre histórico aplicado a dos formas reconocidas como especies distintas, permitió observar la fecundación, la meiosis y las divisiones celulares. Van Beneden describió la contribución de progenitores. Boveri estudió la herencia, los centrosomas y la segmentación. Parascaris sigue siendo un modelo biológico para investigar la diminución de cromatina durante el desarrollo embrionario y la segregación de cromosomas.

El trabajo de Van Beneden resultó fundamental porque relacionó las observaciones microscópicas con una regularidad numérica. Mientras los estudios de mitosis mostraban cómo se distribuía el material nuclear entre las células hijas, las investigaciones sobre los gametos permitían comprender por qué la reproducción sexual no provocaba un aumento continuo del número de cromosomas (Cremer & Cremer, 2006).

Todos pasan por alto a Mendel en el siglo XIX

Mientras los microscopistas investigaban la estructura y división de las células, los estudios sobre la herencia seguían un camino diferente. En 1865, Gregor Mendel (1822-1884) presentó sus investigaciones sobre la transmisión de caracteres en plantas de guisante, Pisum sativum. Sus resultados fueron publicados al año siguiente bajo el título alemán Versuche über Pflanzen-Hybriden, que puede traducirse como Experimentos sobre hibridación de plantas.

Mendel había realizado cruzamientos controlados para estudiar características como la forma y el color de las semillas. Sus experimentos permitieron identificar regularidades matemáticas en la descendencia. Estas proporciones sugerían que los caracteres dependían de factores hereditarios que podían transmitirse sin perder necesariamente su identidad.

Sin embargo, sus investigaciones no permitían observar directamente aquellos factores. Mendel podía establecer modelos sobre su comportamiento y contrastarlos con los resultados de los cruzamientos, pero desconocía su composición química y su localización dentro de las células.

Durante décadas se difundió la idea de que sus descubrimientos habían permanecido completamente olvidados. Según esta narración, Mendel fue un investigador incomprendido cuyo trabajo únicamente adquirió importancia después de 1900. Sin embargo, las investigaciones históricas muestran una situación más compleja.

El artículo de Mendel circuló entre determinadas instituciones científicas y fue conocido por algunos investigadores. Su influencia fue limitada, pero no puede afirmarse que nadie tuviera acceso a sus resultados. Además, sus trabajos formaban parte de una tradición de hibridación vegetal relacionada con la agricultura, el mejoramiento de plantas y la investigación de la reproducción.

Una dificultad importante consistía en que los científicos no estudiaban siempre los mismos tipos de caracteres. Algunos investigadores examinaban la variación continua, presente en características como la estatura, donde existe una gran diversidad de valores intermedios. Los caracteres seleccionados por Mendel, en cambio, podían organizarse en categorías relativamente definidas.

Esta diferencia contribuyó a que sus resultados no fueran reconocidos inmediatamente como una explicación general de la herencia. Aunque actualmente sabemos que los principios mendelianos participan también en la transmisión de muchos caracteres complejos, todavía faltaban conocimientos para establecer esa relación.

Alrededor de 1900, tres botánicos publicaron investigaciones que contribuyeron a recuperar el interés por las regularidades descritas por Mendel: Hugo de Vries (1848-1935), Carl Correns (1864-1933) y Erich von Tschermak-Seysenegg (1871-1962).

Tradicionalmente se los conoce como los tres redescubridores de Mendel, pero sus contribuciones no fueron idénticas. Los historiadores han discutido cuánto conocía cada uno sobre la publicación original y hasta qué punto interpretaron sus resultados de la misma manera.

El papel de Tschermak ha sido particularmente debatido. Algunas investigaciones señalan que su interpretación inicial no coincidía plenamente con la de Correns y De Vries. También se ha destacado la participación de su hermano Armin von Tschermak-Seysenegg, quien intervino en el contexto científico de aquellas publicaciones (Simunek et al., 2011).

Por tanto, el llamado redescubrimiento de Mendel no fue simplemente la recuperación inesperada de un artículo desconocido. También representó un cambio en las preguntas científicas, los métodos experimentales y la importancia concedida a las proporciones hereditarias.

La difusión del mendelismo permitió formular nuevos problemas. Si los caracteres dependían de factores que se transmitían de manera organizada, ¿qué eran físicamente esos factores? ¿Dónde se encontraban? ¿Por qué determinados factores se separaban durante la formación de los gametos?

Estas preguntas comenzaron a conectar los experimentos de cruzamiento con los descubrimientos de la citología, proporcionando nuevas oportunidades para investigar la naturaleza material de la herencia (Gliboff, 2025).

La búsqueda de la naturaleza física de los factores mendelianos

Al comenzar el siglo XX, los investigadores disponían de dos conjuntos de evidencias que parecían guardar una relación fundamental. Por un lado, los experimentos mendelianos indicaban que determinados caracteres podían transmitirse mediante factores hereditarios con comportamientos regulares. Por otro, los estudios de meiosis y fecundación mostraban que los cromosomas experimentaban una distribución organizada durante la reproducción.

La semejanza era especialmente importante porque los factores hereditarios propuestos por Mendel debían separarse durante la formación de los gametos. De manera comparable, los cromosomas homólogos también se separaban durante la primera división meiótica.

Esta correspondencia permitió formular una nueva pregunta: ¿podrían los factores mendelianos encontrarse físicamente en los cromosomas?

La posibilidad resultaba atractiva, pero todavía necesitaba demostración. Observar los cromosomas mediante el microscopio no permitía identificar directamente los factores responsables del color de una semilla o de cualquier otro carácter. Era necesario relacionar las predicciones hereditarias con el comportamiento de las estructuras celulares.

Los científicos disponían de dos procedimientos complementarios. Mediante los cruzamientos experimentales podían predecir qué características aparecerían en la descendencia y con qué frecuencia. Mediante la microscopía podían observar la distribución de los cromosomas durante las divisiones celulares.

La comparación entre ambas líneas de investigación permitió considerar que los cromosomas podían constituir el soporte físico de la herencia. Sin embargo, reconocer una semejanza entre dos fenómenos no equivalía a demostrar que uno explicara al otro. Era necesario formular hipótesis capaces de producir predicciones verificables.

También comenzó a transformarse el vocabulario científico. En 1909, Wilhelm Johannsen introdujo el término gen para designar una unidad hereditaria, evitando atribuirle inicialmente una estructura material específica. Esto era importante porque la existencia de una regularidad hereditaria no implicaba conocer todavía su naturaleza química.

El concepto de gen continuaría modificándose conforme avanzaran las investigaciones sobre los cromosomas y la transmisión de caracteres. En sus comienzos, representaba una unidad explicativa de la herencia, no una molécula de estructura conocida (Portin & Wilkins, 2017).

De este modo, la investigación biológica comenzó a establecer relaciones entre dos niveles de explicación: el nivel celular, donde podían observarse los cromosomas, y el nivel hereditario, donde podían identificarse regularidades mediante los cruzamientos. La posibilidad de demostrar experimentalmente esa conexión se convirtió en uno de los problemas centrales de la genética de comienzos del siglo XX.

Referencias bibliográficas

Cremer, T., & Cremer, C. (2006). Rise, fall and resurrection of chromosome territories: A historical perspective. Part I. The rise of chromosome territories. European Journal of Histochemistry, 50(3), 161–176. https://www.ejh.it/ejh/article/view/989

Gliboff, S. (2025). Rediscovering and unrediscovering Gregor Mendel: His life, times, and intellectual context. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 17(4), a041812. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a041812

Laubichler, M. D., & Davidson, E. H. (2008). Boveri's long experiment: Sea urchin merogones and the establishment of the role of nuclear chromosomes in development. Developmental Biology, 314(1), 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2007.11.024

Portin, P., & Wilkins, A. (2017). The evolving definition of the term “gene”. Genetics, 205(4), 1353–1364. https://doi.org/10.1534/genetics.116.196956

Simunek, M., Hossfeld, U., & Wissemann, V. (2011). ‘Rediscovery’ revised: The cooperation of Erich and Armin von Tschermak-Seysenegg in the context of the ‘rediscovery’ of Mendel's laws in 1899–1901. Plant Biology, 13(6), 835–841. https://doi.org/10.1111/j.1438-8677.2011.00491.x