Biologie pour les majeurs I
Résultats d’apprentissage
- Comprendre comment la reproduction sexuée conduit à différents cycles de vie sexuelle
La reproduction sexuée était une innovation évolutive précoce après l’apparition des cellules eucaryotes. Il semble avoir été très réussi 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 de réels inconvénients à la reproduction sexuée. À première vue, la création de progénitures qui sont des clones génétiques du parent semble être un meilleur système. Si l’organisme parent occupe avec succès un habitat, la progéniture avec les mêmes traits réussirait de la même manière. Il y a aussi l’avantage évident pour un organisme qui peut produire une progéniture chaque fois que les circonstances sont favorables par un bourgeonnement asexué, une fragmentation ou des œufs asexués. Ces méthodes de reproduction ne nécessitent pas un 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 sexuelles, 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) est-elle si courante? C’est l’une des questions importantes sans réponse en biologie et a fait l’objet de nombreuses recherches à partir de la seconde moitié du XXe siècle. Il y a plusieurs explications possibles, dont l’une est que la variation que la reproduction sexuée crée parmi la progéniture est très importante pour la survie et la reproduction de la population. Ainsi, en moyenne, une population à reproduction sexuée laissera plus de descendants qu’une population à reproduction asexuée par ailleurs similaire. La seule source de variation chez les organismes asexués est la mutation. C’est la source ultime de variation chez les organismes sexuels, mais de plus, 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 croisements au cours de la prophase I et par assortiment aléatoire à la métaphase I.
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 face à des conditions assez stables, la reproduction sexuée persiste-t-elle alors qu’elle est plus difficile et coûteuse pour les organismes individuels? La variation est le résultat de la reproduction sexuée, mais pourquoi les variations continues sont-elles nécessaires? Entrez l’hypothèse de la Reine Rouge, proposée pour la première fois par Leigh Van Valen en 1973. Le concept a été nommé en référence à la course de la Reine rouge dans le livre de Lewis Carroll, À travers le miroir.
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 co-évolution de conserver sa propre part des ressources est également d’améliorer continuellement sa condition physique. Au fur et à mesure qu’une espèce gagne un avantage, cela augmente la sélection sur les autres espèces; elles doivent également développer un avantage sinon elles seront surpassées. Aucune espèce ne progresse trop loin, car la variation génétique entre les descendants de la reproduction sexuée fournit à toutes les espèces un mécanisme pour s’améliorer rapidement. Les espèces qui ne peuvent pas suivre s’éteignent. Le slogan de la Reine Rouge était: « Il faut tout ce que vous pouvez faire pour rester au même endroit. »C’est une description appropriée de la coévolution entre espèces concurrentes.
Les cycles de vie des Organismes reproducteurs sexuellement
La fécondation et la méiose alternent dans les cycles de vie sexuels. Ce qui se passe entre ces deux événements dépend de l’organisme. Le processus de méiose réduit le nombre de chromosomes de moitié. La fécondation, la jonction de deux gamètes haploïdes, restaure l’état diploïde. Il existe trois grandes catégories de cycles de vie chez les organismes multicellulaires: à dominante diploïde, dans laquelle le stade diploïde multicellulaire est le stade de vie le plus évident, comme chez la plupart des animaux, y compris les humains; à dominante haploïde, dans laquelle le stade haploïde multicellulaire est le stade de vie le plus évident, comme chez tous les champignons et certaines algues; et alternance de générations, dans laquelle les deux stades sont apparents à des degrés différents selon le groupe, comme chez 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’y a pas de stade de vie haploïde multicellulaire. La fécondation se produit par la fusion de deux gamètes, généralement d’individus différents, rétablissant l’état diploïde (figure 1).
Figure 1. Chez les animaux, les adultes sexuellement reproducteurs 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 plusieurs cycles de mitose pour produire une progéniture multicellulaire. Les cellules germinales sont générées tôt dans le 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 – la partie écologiquement importante du cycle de vie — 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, désignées les types d’accouplement (+) et (−), se joignent pour former un zygote diploïde. Le zygote subit immédiatement une méiose pour former quatre cellules haploïdes appelées spores. Bien que haploïdes comme les ”parents », ces spores contiennent une nouvelle combinaison génétique de deux parents. Les spores peuvent rester dormantes pendant différentes périodes. Finalement, lorsque les conditions sont favorables, les spores forment des structures haploïdes multicellulaires par de nombreux cycles de mitose (Exemple 1).
Question pratique
Figure 2. Les champignons, tels que la moisissure à pain noir (Rhizopus nigricans), ont des cycles 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 pour produire des spores haploïdes. Chaque spore donne naissance à un organisme haploïde multicellulaire par mitose. (crédit micrographie « zygomycota”: modification du travail par « Fanaberka » / Wikimedia Commons)
Si une mutation se produit de sorte qu’un champignon n’est plus capable de produire un type d’accouplement négatif, sera-t-il encore capable de se reproduire?
Alternance de générations
Le troisième type de cycle de vie, employé par certaines algues et toutes les plantes, est un mélange des extrêmes à dominante haploïde et à dominante diploïde. Les espèces avec 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’est pas directement impliquée 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 nombreux cycles de mitose 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 développeront ensuite en gamétophytes (Figure 3).
Figure 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 stades haploïdes et diploïdes des plantes sont libres. La plante diploïde est appelée sporophyte car elle produit des spores haploïdes par méiose. Les spores se développent en plantes multicellulaires haploïdes appelées gamétophytes parce qu’elles produisent des gamètes. Les gamètes de deux individus fusionneront pour former un zygote diploïde qui deviendra le sporophyte. (crédit « fern » : modification de l’œuvre de Cory Zanker; crédit « sporangia »: modification de l’œuvre de « Obsidian Soul » / Wikimedia Commons; crédit « gamétophyte et sporophyte”: modification du travail 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 et la relation entre eux varient considérablement. Chez les plantes telles que la mousse, l’organisme gamétophyte est la plante libre et le sporophyte dépend physiquement du gamétophyte. Chez d’autres plantes, telles que les fougères, les plantes gamétophytes et sporophytes sont à vie libre; cependant, le sporophyte est beaucoup plus grand. Chez les plantes à graines, telles que les magnolias et les marguerites, le gamétophyte n’est composé que de quelques cellules et, dans le cas du gamétophyte femelle, est complètement retenu 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 fusionneront 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 sur Terre utilisent la reproduction sexuée est une preuve solide des avantages de produire une progéniture avec des combinaisons de gènes uniques, bien qu’il existe également d’autres avantages possibles.
En résumé: Reproduction sexuée
Presque tous les eucaryotes subissent une reproduction sexuée. La variation introduite dans les cellules reproductrices par la méiose semble être l’un des avantages de la reproduction sexuée qui a fait son succès. La méiose et la fécondation alternent dans les cycles de vie sexuels. Le processus de méiose produit des cellules reproductrices uniques appelées gamètes, qui ont la moitié du nombre de chromosomes que la cellule mère. La fécondation, la fusion des gamètes haploïdes de deux individus, restaure la condition diploïde. Ainsi, les organismes reproducteurs sexuellement alternent entre les stades haploïdes et diploïdes. Cependant, les méthodes de production des cellules reproductrices et le moment entre la méiose et la fécondation varient considérablement. Il existe trois grandes catégories de cycles de vie: à dominante diploïde, démontrée par la plupart des animaux; à dominante haploïde, démontrée par tous les champignons et certaines algues; et l’alternance des générations, démontrée par les plantes et certaines algues.
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