La reproduction sexuelle a été une innovation évolutive précoce après l'apparition des cellules eucaryotes. Elle semble avoir connu un grand succès car la plupart des eucaryotes sont capables de se reproduire par voie sexuelle, et chez de nombreux animaux, c'est le seul mode de reproduction.

Et pourtant, les scientifiques reconnaissent que la reproduction sexuelle présente de réels inconvénients. En surface, la création de descendants qui sont des clones génétiques du parent semble être un meilleur système. Si l'organisme parent occupe avec succès un habitat, une progéniture ayant les mêmes caractéristiques aurait le même succès. Il y a également l'avantage évident pour un organisme qui peut produire une progéniture lorsque les circonstances sont favorables par un bourgeonnement, une fragmentation ou des œufs asexués. Ces méthodes de reproduction n'exigent 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, de sorte qu'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 qui restent sans réponse en biologie et qui a fait l'objet de nombreuses recherches à partir de la seconde moitié du XXe siècle. Il existe plusieurs explications possibles, dont l'une est que la variation que la reproduction sexuelle crée chez les descendants est très importante pour la survie et la reproduction de la population. Ainsi, en moyenne, une population se reproduisant par voie sexuelle laissera plus de descendants qu'une population se reproduisant par voie asexuée, par ailleurs similaire. La seule source de variation des organismes asexués est la mutation. C'est la source ultime de variation dans les 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 dans différentes combinaisons par des croisements pendant la prophétie I et un 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 dans des conditions assez stables, la reproduction sexuelle persiste-t-elle alors qu'elle est plus difficile et plus coûteuse pour les organismes individuels ? La variation est le résultat de la reproduction sexuelle, mais pourquoi des variations continues sont-elles nécessaires ? L'hypothèse de la reine rouge, proposée pour la première fois par Leigh Van Valen en 1973, a été nommée en référence à la race de la reine rouge dans le livre de Lewis Carroll, Through the Looking-Glass.

Toutes les espèces co-évoluent avec d'autres organismes ; par exemple, les prédateurs évoluent avec leurs proies, et les parasites avec leurs hôtes. Chaque petit avantage obtenu par une variation favorable donne à une espèce un avantage sur ses concurrents proches, les prédateurs, les parasites, ou même les proies. La seule méthode qui permettra à une espèce en co-évolution de conserver sa propre part des ressources est aussi d'améliorer continuellement sa condition physique. Lorsqu'une espèce acquiert un avantage, cela augmente la pression de sélection sur les autres espèces ; elles doivent également développer un avantage, sinon elles seront dépassées. Aucune espèce ne progresse trop vite car la variation génétique parmi la progéniture de la reproduction sexuelle fournit à toutes les espèces un mécanisme d'amélioration rapide. Les espèces qui ne peuvent pas suivre s'éteignent. La devise de la Reine Rouge était : "Il faut courir pour rester au même endroit". C'est une description pertinente de la co-évolution entre espèces concurrentes.

Cycles de vie des organismes sexuellement reproductibles

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 le nombre de chromosomes de moitié. La fécondation, qui consiste à réunir deux gamètes haploïdes, rétablit l'état diploïde. Il existe trois grandes catégories de cycles de vie dans les organismes multicellulaires : diploïde-dominant, dans lequel le stade diploïde multicellulaire est le plus évident, comme chez la plupart des animaux, y compris les humains ; haploïde-dominant, dans lequel le stade haploïde multicellulaire est le plus évident, comme chez tous les champignons et certaines algues ; et l'alternance des 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 dominance diploïde

Presque tous les animaux utilisent une stratégie de cycle de vie à dominance 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, comme les testicules et les ovaires. Les cellules germinales sont capables de se mitoser pour perpétuer la lignée cellulaire et de se méioser 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 avec la fusion de deux gamètes, généralement provenant d'individus différents, ce qui rétablit l'état diploïde.

Chez les animaux, les adultes qui se reproduisent 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 mitoses pour produire une progéniture multicellulaire. Les cellules germinales sont générées au début du développement du zygote.

Cycle de vie à dominance 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. Lors de la reproduction sexuée, les cellules haploïdes spécialisées de deux individus, désignées par les types d'accouplement (+) et (-), s'unissent 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 diverses périodes. Finalement, lorsque les conditions sont favorables, les spores forment des structures haploïdes multicellulaires par de nombreux cycles de mitose.

Les champignons, tels que la moisissure noire du pain (Rhizopus nigricans), ont des cycles de vie à dominance 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)

L'alternance des générations

Le troisième type de cycle de vie, utilisé par certaines algues et toutes les plantes, est un mélange des extrêmes à dominance haploïde et diploïde. Les espèces à générations alternées comptent des organismes multicellulaires haploïdes et diploïdes dans 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 haploïde. La fécondation entre les gamètes forme un zygote diploïde. Le zygote va subir de nombreux cycles de mitose et donner naissance à une plante multicellulaire diploïde appelée sporophyte. Des cellules spécialisées du sporophyte vont subir une méiose et produire des spores haploïdes. Les spores se développeront ensuite en gamétophytes.

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 haploïde et diploïde sont tous deux libres. La plante diploïde est appelée sporophyte car elle produit des spores haploïdes par méiose. Les spores se développent en plantes haploïdes multicellulaires appelées gamétophytes parce qu'elles produisent des gamètes. Les gamètes de deux individus vont fusionner pour former un zygote diploïde qui devient le sporophyte. (crédit "fougère" : modification du travail par Cory Zanker ; crédit "sporanges" : modification du travail par "Obsidian Soul"/Wikimedia Commons ; crédit "gamétophyte et sporophyte" : modification du travail par "Vlmastra"/Wikimedia Commons)

Bien que toutes les plantes utilisent une certaine version de l'alternance des générations, la taille relative du sporophyte et du gamétophyte et la relation entre eux varient beaucoup. Dans les plantes telles que la mousse, l'organisme gamétophyte est la plante vivant en liberté, et le sporophyte est physiquement dépendant du gamétophyte. Dans d'autres plantes, telles que les fougères, le gamétophyte et le sporophyte sont tous deux des plantes vivant en liberté ; cependant, le sporophyte est beaucoup plus grand. Chez les plantes à graines, comme les magnolias et les marguerites, le gamétophyte n'est composé que de quelques cellules et, dans le cas du gamétophyte femelle, il 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 vont fusionner 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 sexuelle. Le fait que presque tous les organismes multicellulaires de la Terre recourent à la reproduction sexuelle est une preuve solide des avantages qu'il y a à produire une progéniture avec des combinaisons de gènes uniques, bien qu'il y ait aussi d'autres avantages possibles.

Source : Sexual Reproduction