Anche se non lo sapeva, Walther Flemming ha effettivamente osservato gli spermatozoi in meiosi nel 1882, ma ha scambiato questo processo per mitosi. Tuttavia, Flemming notò che, a differenza della divisione cellulare regolare, i cromosomi si presentavano in coppia durante lo sviluppo degli spermatozoi. Questa osservazione, seguita nel 1902 dalla meticolosa misurazione di Sutton dei cromosomi nello sviluppo delle cellule spermatiche delle cavallette, ha fornito indizi definitivi che la divisione cellulare nei gameti non era solo una normale mitosi. Sutton dimostrò che il numero di cromosomi si riduceva nella divisione cellulare degli spermatozoi, un processo chiamato divisione riduttiva. Come risultato di questo processo, ogni gamete osservato da Sutton aveva la metà delle informazioni genetiche della cellula originale. Alcuni anni dopo, i ricercatori J. B. Farmer e J. E. S. Moore riferirono che questo processo, noto anche come meiosi, è il mezzo fondamentale con cui gli animali e le piante producono i gameti (Farmer & Moore, 1905).
Il più grande impatto del lavoro di Sutton ha molto più a che fare con la fornitura di prove per il principio di Mendel dell’assortimento indipendente che qualsiasi altra cosa. In particolare, Sutton vide che la posizione di ogni cromosoma sulla linea mediana durante la metafase era casuale, e che non c’era mai un lato materno o paterno coerente nella divisione cellulare. Pertanto, ogni cromosoma era indipendente dall’altro. Così, quando la cellula madre si separava in gameti, l’insieme dei cromosomi in ogni cellula figlia poteva contenere una miscela dei tratti parentali, ma non necessariamente la stessa miscela delle altre cellule figlie.
Per illustrare questo concetto, consideriamo la varietà derivata da sole tre ipotetiche coppie di cromosomi, come mostrato nel seguente esempio (Hirsch, 1963). Ogni coppia consiste di due omologhi: uno materno e uno paterno. Qui, le lettere maiuscole rappresentano il cromosoma materno e le lettere minuscole rappresentano il cromosoma paterno:
- Coppia 1: A e a
- Coppia 2: B e b
- Coppia 3: C e c
Quando queste coppie di cromosomi vengono rimescolate attraverso un assortimento indipendente, possono produrre otto possibili combinazioni nei gameti risultanti:
- A B C
- A B c
- A b c
- A b C
- a B C
- a B c
- a b C
- a b c
A Il calcolo matematico basato sul numero di cromosomi in un organismo fornirà anche il numero di possibili combinazioni di cromosomi per ogni gamete. In particolare, Sutton ha sottolineato che l’indipendenza di ogni cromosoma durante la meiosi significa che ci sono 2n possibili combinazioni di cromosomi nei gameti, dove “n” è il numero di cromosomi per gamete. Così, nell’esempio precedente di tre coppie di cromosomi, il calcolo è 23, che equivale a 8. Inoltre, quando si considerano tutti i possibili accoppiamenti di gameti maschili e femminili, la variazione negli zigoti è (2n)2, che risulta in alcuni numeri abbastanza grandi.
Ma che dire del riassortimento cromosomico negli umani? Gli esseri umani hanno 23 coppie di cromosomi. Ciò significa che una persona potrebbe produrre 223 gameti diversi. Inoltre, quando si calcolano le possibili combinazioni che emergono dall’accoppiamento di un uovo e uno spermatozoo, il risultato è (223)2 combinazioni possibili. Tuttavia, alcune di queste combinazioni producono lo stesso genotipo (per esempio, diversi gameti possono produrre un individuo eterozigote). Di conseguenza, la possibilità che due fratelli abbiano la stessa combinazione di cromosomi (supponendo che non ci sia ricombinazione) è di circa (3/8)23, o una su 6,27 miliardi. Naturalmente, ci sono più di 23 unità segreganti (Hirsch, 2004).
Mentre i calcoli sull’assortimento casuale dei cromosomi e la mescolanza di diversi gameti sono impressionanti, l’assortimento casuale non è l’unica fonte di variazione che deriva dalla meiosi. Infatti, questi calcoli sono numeri ideali basati su cromosomi che rimangono effettivamente intatti durante il processo meiotico. In realtà, il crossing-over tra cromatidi durante la profase I della meiosi mescola pezzi di cromosomi tra coppie omologhe, un fenomeno chiamato ricombinazione. Poiché la ricombinazione avviene ogni volta che si formano i gameti, possiamo aspettarci che si aggiunga sempre ai possibili genotipi previsti dal calcolo 2n. Inoltre, la varietà dei gameti diventa ancora più imprevedibile e complessa quando consideriamo il contributo del linkage genico. Alcuni geni saranno sempre cosegregati nei gameti se sono strettamente legati, e quindi mostreranno un tasso di ricombinazione molto basso. Mentre il linkage è una forza che tende a ridurre l’assortimento indipendente di alcuni tratti, la ricombinazione aumenta questo assortimento. Infatti, la ricombinazione porta ad un aumento generale del numero di unità che si assortiscono indipendentemente, e questo aumenta la variazione.
Mentre nella mitosi, i geni sono generalmente trasferiti fedelmente da una generazione cellulare alla successiva, nella meiosi e nella successiva riproduzione sessuale, i geni si mescolano. La riproduzione sessuale in realtà espande la varietà creata dalla meiosi, perché combina le diverse varietà dei genotipi parentali. Così, a causa dell’assortimento indipendente, della ricombinazione e della riproduzione sessuale, ci sono trilioni di genotipi possibili nella specie umana.