11.2 : Reproduction sexuelle

Compétences à développer

• Expliquez que la méiose et la reproduction sexuée sont des traits évolués
• Identifier la variation entre les descendants comme un avantage évolutif potentiel pour la reproduction sexuée
• Décrire les trois types de cycles de vie différents des organismes multicellulaires sexuels et leurs points communs

La reproduction sexuée a été une innovation évolutive précoce après l'apparition des cellules eucaryotes. Il semble avoir eu beaucoup de succès car la plupart des eucaryotes sont capables de se reproduire sexuellement et, chez de nombreux animaux, c'est le seul mode de reproduction. Et pourtant, les scientifiques reconnaissent certains inconvénients réels de la reproduction sexuelle. À première vue, la création de descendants qui sont des clones génétiques du parent semble être un meilleur système. Si l'organisme parent réussit à occuper un habitat, une progéniture présentant les mêmes caractéristiques connaîtra le même succès. Il existe également l'avantage évident d'un organisme qui peut produire une progéniture lorsque les circonstances le permettent, par bourgeonnement asexué, fragmentation ou œufs asexués. Ces méthodes de reproduction ne nécessitent pas d'autre organisme du sexe opposé. En effet, certains organismes qui mènent un mode de vie solitaire ont conservé la capacité de se reproduire de manière asexuée. De plus, dans les populations asexuées, chaque individu est capable de se reproduire. Dans les populations sexuées, les mâles ne produisent pas eux-mêmes la progéniture, donc en théorie, une population asexuée pourrait croître deux fois plus vite.

Cependant, les organismes multicellulaires qui dépendent exclusivement de la reproduction asexuée sont extrêmement rares. Pourquoi la sexualité (et la méiose) sont-elles si courantes ? C'est l'une des questions importantes restées sans réponse en biologie et elle a fait l'objet de nombreuses recherches à partir de la seconde moitié du XXe siècle. Plusieurs explications sont possibles, dont l'une est que la variation créée par la reproduction sexuée chez les descendants est très importante pour la survie et la reproduction de la population. Ainsi, en moyenne, une population se reproduisant sexuellement laissera plus de descendants qu'une population se reproduisant asexuellement par ailleurs similaire. La seule source de variation chez les organismes asexués est la mutation. C'est la source ultime de variation des organismes sexuels, mais en outre, ces différentes mutations sont continuellement remaniées d'une génération à l'autre lorsque différents parents combinent leurs génomes uniques et que les gènes sont mélangés en différentes combinaisons par des croisements pendant la prophase I et au hasard assortiment à la métaphase I.

Evolution Connection : l'hypothèse de la Reine Rouge

Il n'est pas contesté que la reproduction sexuée offre des avantages évolutifs aux organismes qui utilisent ce mécanisme pour produire une progéniture. Mais pourquoi, même dans des conditions relativement stables, la reproduction sexuée persiste-t-elle alors qu'elle est plus difficile et plus coûteuse pour les organismes individuels ? La variation est le résultat de la reproduction sexuée, mais pourquoi des variations continues sont-elles nécessaires ? Voici l'hypothèse de la Reine Rouge, proposée pour la première fois par Leigh Van Valen en 1973. ¹ Le concept a été nommé en référence à la course de la Reine rouge dans le livre de Lewis Carroll, Through the Looking-Glass.

Toutes les espèces coévoluent avec d'autres organismes ; par exemple, les prédateurs évoluent avec leurs proies et les parasites évoluent avec leurs hôtes. Chaque petit avantage obtenu par une variation favorable donne à une espèce un avantage sur ses concurrents proches, ses prédateurs, ses parasites ou même ses proies. La seule méthode qui permettra à une espèce en évolution parallèle de conserver sa propre part des ressources est également d'améliorer continuellement sa condition physique. À mesure qu'une espèce gagne un avantage, cela augmente la sélection par rapport à l'autre espèce ; elles doivent également acquérir un avantage, sinon elles seront devancées. Aucune espèce ne progresse trop loin, car la variation génétique au sein de la progéniture issue de la reproduction sexuée fournit à toutes les espèces un mécanisme leur permettant de s'améliorer rapidement. Les espèces qui ne peuvent pas suivre le rythme disparaissent. Le slogan de la Reine Rouge était : « Il faut courir autant que possible pour rester au même endroit ». C'est une bonne description de la co-évolution entre des espèces concurrentes.

Cycles de vie des organismes se reproduisant sexuellement

La fécondation et la méiose alternent dans les cycles de vie sexuelle. Ce qui se passe entre ces deux événements dépend de l'organisme. Le processus de méiose réduit de moitié le nombre de chromosomes. La fécondation, c'est-à-dire l'union de deux gamètes haploïdes, rétablit l'état diploïde. Il existe trois grandes catégories de cycles de vie dans les organismes multicellulaires : à dominance diploïde, où le stade diploïde multicellulaire est le stade de vie le plus évident, comme chez la plupart des animaux, y compris les humains ; et à dominance haploïde, où le stade haploïde multicellulaire est le plus important un stade vital évident, par exemple pour tous les champignons et certaines algues ; et une alternance de générations, au cours de laquelle les deux stades sont apparents à des degrés différents selon le groupe, comme pour les plantes et certaines algues.

Cycle de vie à dominante diploïde

Presque tous les animaux utilisent une stratégie de cycle de vie à dominante diploïde dans laquelle les seules cellules haploïdes produites par l'organisme sont les gamètes. Au début du développement de l'embryon, des cellules diploïdes spécialisées, appelées cellules germinales, sont produites dans les gonades, telles que les testicules et les ovaires. Les cellules germinales sont capables de mitose pour perpétuer la lignée cellulaire et de méiose pour produire des gamètes. Une fois que les gamètes haploïdes sont formés, ils perdent la capacité de se diviser à nouveau. Il n'existe aucun stade biologique haploïde multicellulaire. La fécondation se produit par la fusion de deux gamètes, généralement provenant d'individus différents, rétablissant l'état diploïde (Figure\(\PageIndex{1}\)).

Figure\(\PageIndex{1}\) : Chez les animaux, les adultes se reproduisant sexuellement forment des gamètes haploïdes à partir de cellules germinales diploïdes. La fusion des gamètes donne naissance à un ovule fécondé, ou zygote. Le zygote subira de multiples cycles de mitose pour produire une progéniture multicellulaire. Les cellules germinales sont générées à un stade précoce du développement du zygote.

Cycle de vie à dominante haploïde

La plupart des champignons et des algues utilisent un type de cycle de vie dans lequel le « corps » de l'organisme, partie importante du cycle de vie sur le plan écologique, est haploïde. Les cellules haploïdes qui composent les tissus du stade multicellulaire dominant sont formées par mitose. Au cours de la reproduction sexuée, des cellules haploïdes spécialisées de deux individus, appelées types d'accouplement (+) et (−), se rejoignent pour former un zygote diploïde. Le zygote subit immédiatement une méiose pour former quatre cellules haploïdes appelées spores. Bien qu'haploïdes comme les « parents », ces spores contiennent une nouvelle combinaison génétique provenant de deux parents. Les spores peuvent rester dormantes pendant différentes périodes. Finalement, lorsque les conditions s'y prêtent, les spores forment des structures haploïdes multicellulaires par de nombreuses séries de mitoses (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Art Connection

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les champignons, tels que la moisissure noire (Rhizopus nigricans), ont un cycle de vie à dominante haploïde. Le stade multicellulaire haploïde produit des cellules haploïdes spécialisées par mitose qui fusionnent pour former un zygote diploïde. Le zygote subit une méiose qui produit des spores haploïdes. Chaque spore donne naissance à un organisme haploïde multicellulaire par mitose. (crédit micrographie « zygomycota » : modification de l'œuvre par « Fanaberka » /Wikimedia Commons)

Si une mutation se produit de telle sorte qu'un champignon n'est plus capable de produire un type d'accouplement négatif, sera-t-il toujours capable de se reproduire ?

Alternance de générations

Le troisième type de cycle de vie, utilisé par certaines algues et toutes les plantes, est un mélange d'extrêmes à dominante haploïde et à dominante diploïde. Les espèces présentant une alternance de générations ont des organismes multicellulaires haploïdes et diploïdes dans le cadre de leur cycle de vie. Les plantes multicellulaires haploïdes sont appelées gamétophytes, car elles produisent des gamètes à partir de cellules spécialisées. La méiose n'intervient pas directement dans la production de gamètes dans ce cas, car l'organisme qui produit les gamètes est déjà un haploïde. La fécondation entre les gamètes forme un zygote diploïde. Le zygote subira de nombreuses mitoses et donnera naissance à une plante multicellulaire diploïde appelée sporophyte. Les cellules spécialisées du sporophyte subiront une méiose et produiront des spores haploïdes. Les spores se transformeront ensuite en gamétophytes (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) : Les plantes ont un cycle de vie qui alterne entre un organisme haploïde multicellulaire et un organisme diploïde multicellulaire. Chez certaines plantes, comme les fougères, les plantes haploïdes et diploïdes vivent librement. La plante diploïde est appelée sporophyte parce qu'elle produit des spores haploïdes par méiose. Les spores se transforment en plantes haploïdes multicellulaires appelées gamétophytes parce qu'elles produisent des gamètes. Les gamètes de deux individus fusionneront pour former un zygote diploïde qui deviendra le sporophyte. (crédit « fougère » : modification de l'œuvre de Cory Zanker ; crédit « sporangia » : modification de l'œuvre par « Obsidian Soul » /Wikimedia Commons ; crédit « gamétophyte et sporophyte » : modification de l'œuvre par « Vlmastra » /Wikimedia Commons)

Bien que toutes les plantes utilisent une version de l'alternance des générations, la taille relative du sporophyte et du gamétophyte ainsi que la relation entre eux varient considérablement. Dans les plantes telles que la mousse, l'organisme gamétophyte est la plante libre, et le sporophyte dépend physiquement du gamétophyte. Chez d'autres plantes, comme les fougères, les gamétophytes et les sporophytes vivent librement, mais le sporophyte est beaucoup plus gros. Dans les plantes à graines, telles que les magnolias et les marguerites, le gamétophyte est composé de quelques cellules seulement et, dans le cas du gamétophyte femelle, il est complètement conservé dans le sporophyte.

La reproduction sexuée prend de nombreuses formes dans les organismes multicellulaires. Cependant, à un moment donné de chaque type de cycle de vie, la méiose produit des cellules haploïdes qui fusionnent avec la cellule haploïde d'un autre organisme. Les mécanismes de variation (croisement, assortiment aléatoire de chromosomes homologues et fécondation aléatoire) sont présents dans toutes les versions de la reproduction sexuée. Le fait que presque tous les organismes multicellulaires de la Terre utilisent la reproduction sexuée est une preuve solide des avantages de la production d'une progéniture avec des combinaisons de gènes uniques, bien qu'il existe également d'autres avantages possibles.

Résumé

Presque tous les eucaryotes se reproduisent par voie sexuée. La variation introduite dans les cellules reproductrices par la méiose semble être l'un des avantages de la reproduction sexuée qui a contribué à son succès. La méiose et la fécondation alternent dans les cycles de vie sexuelle. Le processus de méiose produit des cellules reproductrices uniques appelées gamètes, qui possèdent deux fois moins de chromosomes que la cellule mère. La fécondation, c'est-à-dire la fusion de gamètes haploïdes provenant de deux individus, rétablit l'état diploïde. Ainsi, les organismes se reproduisant sexuellement alternent entre les stades haploïdes et diploïdes. Cependant, les modes de production des cellules reproductrices et le délai entre la méiose et la fécondation varient considérablement. Il existe trois grandes catégories de cycles de vie : les cycles de vie à dominance diploïde, démontrée par la plupart des animaux ; à dominance haploïde, démontrée par tous les champignons et certaines algues ; et l'alternance des générations, démontrée par les plantes et certaines algues.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{2}\) : Si une mutation se produit de telle sorte qu'un champignon n'est plus capable de produire un type d'accouplement négatif, sera-t-il toujours capable de se reproduire ?

Réponse

Oui, il pourra se reproduire de manière asexuée.

Notes

1. 1 Leigh Van Valen, « Une nouvelle loi évolutive », Théorie évolutive 1 (1973) : 1—30

Lexique

alternance de générations

type de cycle de vie dans lequel les stades diploïde et haploïde alternent

à dominante diploïde

type de cycle de vie dans lequel le stade diploïde multicellulaire est prédominant

à dominante haploïde

type de cycle de vie dans lequel le stade haploïde multicellulaire est prédominant

gamétophyte

un stade du cycle de vie haploïde multicellulaire qui produit des gamètes

cellules germinales

lignée cellulaire spécialisée qui produit des gamètes, tels que des ovules ou des spermatozoïdes

cycle de vie

la séquence des événements du développement d'un organisme et de la production de cellules qui produisent une progéniture

sporophyte

un stade du cycle de vie diploïde multicellulaire qui produit des spores haploïdes par méiose