La reproduction est un processus fondamental pour la survie des espèces. Chez les êtres vivants, la reproduction sexuée implique la fusion de deux cellules reproductrices, une cellule mâle et une cellule femelle, dans un processus appelé fécondation. Cette union est essentielle pour la création d'un nouvel individu. Mais comment se déroule exactement ce processus, et quelles sont les conditions nécessaires à son succès ?
Les Prérequis de la Fécondation
Toute reproduction sexuée passe par une fécondation, l'union entre une cellule mâle et une cellule femelle. Cette union nécessite des conditions préalables spécifiques, un déroulement précis et entraîne des conséquences importantes pour la diversité génétique.
Fécondation Externe : L'Exemple de l'Oursin
Chez les oursins, il est difficile de distinguer les mâles des femelles. Pourtant, ces animaux marins sont sexués et se reproduisent par fécondation externe.
Conditions Préalables
À la belle saison, les oursins mâles et femelles se regroupent. Ils peuvent être distingués par la couleur de leurs cellules sexuelles (gamètes) rejetées dans l'eau de mer. La femelle libère un produit génital orangé, tandis que le mâle libère un produit blanchâtre. Ces cellules proviennent de cinq glandes sexuelles situées à l'intérieur du test protecteur de l'oursin.
Les spermatozoïdes sont attirés par les ovules, ce qui facilite l'union de ces cellules ou fécondation.
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Déroulement de la Fécondation
Les spermatozoïdes se regroupent autour de l'ovule et s'agitent. Puis, un seul spermatozoïde pénètre dans l'ovule, qui se rétracte : c'est la fécondation. Elle est caractérisée par la fusion du noyau du spermatozoïde et de celui de l'ovule. Cette fusion donne naissance à la cellule-œuf. Comme l'union des deux gamètes se déroule dans l'eau de mer, la fécondation est dite externe.
L'œuf d'oursin se divise ensuite en 2, 4, 8, 16, 32 cellules, etc. Il se développe et se transforme en une larve, possédant une forme bien différente de l'adulte. Plus tard, la larve donnera, après changement de forme, un oursin adulte mâle ou femelle : le cycle de reproduction est ainsi bouclé.
Fécondation Interne : L'Exemple de l'Oiseau
Chez les oiseaux, comme le coq et la poule, la fécondation est interne.
Différences entre le Coq et la Poule
Le coq et la poule diffèrent beaucoup par leur plumage : celui du coq est très coloré, celui de la poule est plus terne. Mâle et femelle ont aussi un comportement différent : le coq chante et est agressif.
Le Processus de Fécondation
Le coq produit des spermatozoïdes, tandis que la poule produit des ovules. Les spermatozoïdes du mâle, produits par les testicules, parviennent par les canaux déférents jusqu'au cloaque (orifice commun des cavités génitale, urinaire et intestinale). Chez la femelle, les ovules volumineux produits par l'ovaire s'entourent de blanc et de coquille, tout en migrant dans les voies génitales.
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Au moment de la reproduction, le coq effectue une parade nuptiale, la poule s'accroupit et l'accepte. Le mâle monte alors sur la femelle : c'est l'accouplement. À ce moment, les spermatozoïdes du coq, grâce à la juxtaposition des cloaques, peuvent remonter dans les voies génitales de la poule et féconder les ovules. La fécondation qui se déroule dans l'organisme de la poule est une fécondation interne.
La poule pond des œufs : c'est un animal ovipare. Les œufs gorgés de réserves permettent le développement de l'embryon qui conduit, chez les ovules fécondés, à l'éclosion de poussins. Le petit ressemble à l'adulte et le développement est direct.
Fécondation Externe chez un Végétal Aquatique: Le Fucus Vesiculosus
Le fucus vésiculeux est une algue commune qui mesure de 15 cm jusqu'à 1 mètre de long et qui vit fixée sur les rochers de l'estran dans la zone de balancement des marées.
Caractéristiques du Fucus Vesiculosus
Le fucus se présente sous forme de pieds mâles et de pieds femelles. En période de reproduction, chaque type de pied présente des renflements à leurs extrémités, ce sont les organes reproducteurs renfermant de nombreux conceptacles.
Le Processus de Fécondation
Les conceptacles de pied mâle possèdent des sacs (au maximum 800) contenant chacun 64 spermatozoïdes très mobiles tandis que les conceptacles femelles contiennent de gros sacs (25) avec 8 gamètes femelles immobiles, très volumineux et chargés de réserves.
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Les conceptacles communiquent avec l'extérieur par un orifice par lequel sont émis les gamètes mâles et femelles. Les spermatozoïdes sont attirés par l'ovule et la fécondation à lieu dans l'eau de mer : c'est une fécondation externe.
La Méiose : Le Processus Essentiel à la Diversité Génétique
Les nouveaux individus sont différents physiquement de leurs parents, ainsi que de leur fratrie, mais ils possèdent tout de même le même nombre de chromosomes. Ce constat s'explique par le mécanisme de formation des gamètes (qui sont les cellules sexuelles, haploïdes) : la méiose.
Définition de la Méiose
La méiose est la succession de deux divisions cellulaires, précédées comme toute division d'un doublement de la quantité d'ADN, lors de la phase S de l'interphase. Elle permet une grande variété de gamètes possibles à partir du génome parental grâce aux brassages intra et interchromosomiques. Lors de la fécondation, deux gamètes se réunissent, et ainsi se multiplient les possibilités d'un nouvel individu unique.
Cependant, des réarrangements génétiques ou des erreurs peuvent se produire au cours de la méiose : le crossing-over permet de nouvelles combinaisons alléliques ; d'autre part, des duplications à l'origine des familles multigéniques ; enfin des mouvements anormaux de chromosomes peuvent aboutir à des maladies génétiques.
Cellules Haploïdes et Diploïdes
Les gamètes, ou cellules sexuelles, sont à n chromosomes, c'est-à-dire que ce sont des cellules haploïdes. Une cellule haploïde est une cellule à n chromosomes. Les chromosomes ne sont pas par paires, il n'y a donc qu'un seul allèle pour chaque gène (même à l'état bichromatidien, un chromosome porte deux exemplaires du même allèle puisque, après réplication, les deux chromatides d'un chromosome sont identiques). Les gamètes humains ou les bactéries sont des cellules haploïdes.
Une cellule diploïde est une cellule à 2n chromosomes, donc avec des chromosomes s'associant par paires d'homologues, ce qui signifie qu'il y a deux allèles pour chaque gène, pouvant être identiques ou différents. Toutes les cellules humaines, sauf les gamètes, sont des cellules diploïdes.
Les Étapes de la Méiose
La méiose est la succession de deux divisions, précédées d'une unique réplication, et qui permet chez l'Homme l'obtention de gamètes haploïdes : les ovocytes et les spermatozoïdes. Elle précède alors la fécondation, mais il existe des espèces chez lesquelles c'est la méiose qui suit la fécondation.
Première Division de Méiose (Division Réductionnelle)
La première division de méiose est une division dite réductionnelle car elle modifie la ploïdie de la cellule-mère. On passe d'une cellule-mère diploïde à deux cellules-filles haploïdes.
- La prophase I : les chromosomes se condensent et deviennent visibles en microscopie. À ce stade, il y a 23 paires de chromosomes à 2 chromatides qui vont s'apparier. La structure formée pour ces chromosomes se nomme un bivalent ou une tétrade. La membrane nucléaire disparaît.
- La métaphase I : les centromères de chromosomes se disposent de part et d'autre de la plaque équatoriale qui divise la cellule en deux.
- L'anaphase I : les paires de chromosomes homologues se séparent et migrent indépendamment vers les pôles opposés de la cellule.
- La télophase I : les chromosomes sont maintenant aux pôles de la cellule et l'enveloppe nucléaire se reforme chez certaines espèces. Ensuite, la cellule se divise au niveau de la plaque équatoriale, c'est la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient deux cellules filles haploïdes.
Deuxième Division de Méiose (Division Équationnelle)
La seconde division de méiose se déroule directement après la première, sans réplication, avec une enveloppe nucléaire qui disparaît à nouveau en fonction des espèces. La deuxième division de méiose est une division dite équationnelle car elle conserve la ploïdie de la cellule-mère.
- La prophase II : les chromosomes se recondensent. Cette phase est très rapide car les chromosomes se sont peu décondensés à la fin de la première division. À ce stade, on a deux cellules à n chromosomes à 2 chromatides.
- La métaphase II : les centromères des chromosomes s'alignent sur la plaque équatoriale.
- L'anaphase II : les chromatides des chromosomes se séparent et migrent aux pôles opposés de la cellule.
- La télophase II : la cellule subit la cytodiérèse ou cytocinèse. On obtient quatre cellules à n chromosomes à 1 chromatide.
La Fécondation : Retour à la Diploïdie
La fécondation correspond à la réunion des gamètes de deux individus, de la même espèce, de sexe opposé. Elle marque la fin de la phase haploïde. Elle se fait par fusion des gamètes (plasmogamie). Les noyaux haploïdes de chaque gamète, appelés pronuclei, fusionnent : c'est la caryogamie, ce qui forme le zygote diploïde, aussi appelé cellule-œuf.
La fécondation permet au zygote de retrouver la diploïdie caractéristique de son espèce. Ainsi, l'espèce conserve son nombre de chromosomes au cours des reproductions sexuées : il y a conservation de la formule chromosomique de génération en génération.
La Diversité Génétique Potentielle des Zygotes
Les brassages inter et intrachromosomiques au cours de la méiose et la fécondation augmentent la diversité génétique.
Les Brassages Chromosomiques au Cours de la Méiose
- Le brassage intrachromosomique : Un échange de fragments chromosomiques entre les chromosomes d'une même paire. Ce brassage aboutit à des combinaisons alléliques nouvelles lors de la formation des gamètes. Au cours de la prophase I, les chromosomes se condensent et s'apparient. Les chromosomes homologues s'enjambent et parfois ils cassent. Les fragments sont alors "recollés", soit à leur chromosome d'origine, soit à l'autre chromosome de la paire. C'est ce qu'on appelle le crossing-over ou enjambement. Ce crossing-over permet d'aboutir à des chromosomes recombinés. Ces combinaisons alléliques sont différentes des combinaisons parentales.
- Le brassage interchromosomique : Correspond à la migration aléatoire des chromosomes homologues aux pôles opposés de la cellule au cours de l'anaphase I de la méiose. Il aboutit à une grande diversité de gamètes. Cette grande diversité, est le fruit de la disposition aléatoire des chromosomes des paires homologues lors de la métaphase I. Au cours de l'anaphase I de la méiose, les chromosomes homologues se séparent aléatoirement et migrent indépendamment les uns des autres vers les pôles opposés de la cellule. Il y a ainsi pour chaque paire d'homologues deux possibilités de migration en fonction de la disposition des homologues lors de la métaphase I. Chaque homologue porte les mêmes gènes mais une combinaison allélique différente. Chaque être humain possédant 23 paires de chromosomes, il y a donc une quantité presque infinie de gamètes possibles.
Diversité Génétique Augmentée au Cours de la Fécondation
Les brassages inter et intrachromosomiques aboutissent à une grande diversité de gamètes chez l'homme et chez la femme. La réunion des deux gamètes au cours de la fécondation multiplie la diversité des zygotes, donc la diversité des individus. Il est possible de former 2n gamètes différents, chez l'Homme, cela permet de fabriquer 223 gamètes différents. Pour avoir un enfant, il faut deux parents, qui produisent des cellules reproductrices avec la même probabilité (\dfrac{1}{2^{23}}). La probabilité d'avoir un enfant identique à un premier enfant, pris comme référence, est donc de \dfrac{1}{2^{23}} x \dfrac{1}{2^{23}} = \dfrac{1}{2^{46}}.
Anomalies de la Méiose
Des anomalies peuvent survenir lors de la méiose, entraînant des problèmes génétiques.
Crossing-Over Inégaux
Au cours du crossing-over, les fragments de chromosomes homologues ne sont pas toujours de la même taille ; on parle alors de crossing-over inégaux. Les duplications de gènes associées aux mutations de ces derniers sont le mécanisme à l'origine de l'apparition des familles multigéniques.
Non-Disjonction des Chromosomes
Au cours de l'anaphase I, il peut arriver que les chromosomes homologues d'une même paire ne se disjoignent pas. Au cours de l'anaphase II, il peut arriver que les chromatides d'un même chromosome ne se séparent pas.
La fécondation entre un gamète normal et un gamète portant un chromosome supplémentaire aboutit à un zygote porteur d'une trisomie. La trisomie est une maladie génétique due à la présence de trois chromosomes au lieu d'une paire. Le syndrome de Down, est une trisomie 21, donc due à la présence de 3 chromosomes 21 au lieu de 2.
S'il y a fécondation entre un gamète normal (apportant 23 chromosomes dans l'espèce humaine) et un gamète anormal (n'apportant que 22 chromosomes, il manque un représentant d'une paire d'origine), cela aboutit à un zygote porteur d'une monosomie. La monosomie est une maladie génétique due à la présence d'un seul chromosome au lieu d'une paire.
La Fécondation Chez l'Humain: Un Aperçu
Chez l'humain, la fécondation est un processus complexe qui se déroule dans les trompes de Fallope.
Le Parcours des Gamètes
Pour qu’un nouvel être vivant soit formé, il faut qu’un ovule et un spermatozoïde fusionnent afin de former une nouvelle cellule : la cellule-œuf. Les spermatozoïdes sont déposés au fond du vagin puis ils remontent l’appareil reproducteur jusqu’aux trompes. L’homme fabrique des millions de spermatozoïdes car sur le chemin, beaucoup d’entre eux vont mourir (au niveau du col de l’utérus, les spermatozoïdes mal formés sont éliminés) ou se perdre (certains spermatozoïdes vont se diriger dans une trompe dans laquelle il n’y a pas d’ovule).
Une fois par mois environ, l’un des ovaire libère un ovule dans l’une des trompes : c’est l’ovulation. Une fois libéré, l’ovule se déplace dans la trompe et attire les spermatozoïdes à lui en libérant des molécules chimiques. La cellule-œuf va ensuite commencer à se diviser et se déplace jusque dans l’utérus. Elle va s’installer dans la muqueuse utérine pour continuer son développement : c’est la nidation.
Définition de la Fécondation
La fécondation est la fusion d’un ovule et d’un spermatozoïde afin de former une cellule-œuf. Lors d’un rapport sexuel, les spermatozoïdes sont déposés dans le vagin, puis passent dans l’utérus et finissent leur trajet dans les trompes. L’ovule est libéré par l’ovaire dans l’une des deux trompes, c’est l’ovulation. Il va ensuite rencontrer un spermatozoïde dans la trompe et fusionner avec afin de former une cellule-œuf : c’est la fécondation.
Le Développement de l'Embryon
Après la nidation, la cellule-œuf se divise et les différents organes se mettent en place. Pendant les 3 premiers mois, le bébé n’a pas encore une forme tout à fait humaine, on l’appel embryon. Par la suite et jusqu’à la fin de la grossesse, une fois que les bras, la tête et les jambes sont formés, on l’appel fœtus.
Le bébé est relié par le cordon ombilical à un organe qui permet des échanges entre la mère et son enfant : c’est le placenta. Les nutriments et le dioxygène passent du sang de la mère vers le sang du bébé tandis que le CO2 et les déchets qui sont produit par l’enfant sont donné au sang de la mère.
Aider un Couple à Avoir un Enfant
L’infertilité masculine (ex : faible mobilité des spermatozoïdes), féminine (ex : obstruction des trompes) ou des deux partenaires peut empêcher un couple d’avoir un enfant. Pour les aider, un médecin peut réaliser une PMA (Procréation Médicalement Assistée).
- L’insémination artificielle, quand les spermatozoïdes ont du mal à atteindre l’ovule (ex : faible mobilité des spermatozoïdes).
- La Fécondation In Vitro (FIV), quand les spermatozoïdes ne peuvent pas atteindre l’ovule (ex : trompes obstruées).
Contraception
Afin d’éviter une fécondation, il est possible d’utiliser des moyens de contraception comme le préservatif (masculin ou féminin), la pilule, le stérilet ou l’implant. Lors d’un rapport sexuel non protégé, il est possible d’avoir recours à la pilule d’urgence (=pilule du lendemain) afin d’éviter de tomber enceinte.
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