Cycle de vie

En biologie, le cycle de vie est la série de changements que subit un organisme depuis sa création par le biais de la reproduction, que ce soit par reproduction asexuée ou par reproduction sexuée, jusqu’à la création de la génération suivante dans cette même phase du cycle.

Pour certains organismes, notamment les petits organismes simples comme les bactéries et certains protistes, le cycle de vie est complet en une seule génération. C’est également le cas pour de nombreux animaux, où le gamète mâle et le gamète femelle fusionnent pour former la nouvelle progéniture. Chez les plantes, la reproduction est multigénérationnelle, également connue sous le nom d’alternance des générations.

Si les types de cycle de vie peuvent être placés dans quelques grandes catégories (haplontique, diplontique, etc.), les cycles de vie spécifiques des espèces individuelles montrent une grande diversité, comme le moment de l’apparition des différents stades, les méthodes de fécondation, etc. La diversité des organismes vivants est un principe biologique de base et une composante importante de la joie que l’homme retire de la nature. Bien entendu, les organismes d’espèces et de taxons étroitement apparentés partagent des cycles de vie similaires. La présence quasi omniprésente de la reproduction sexuée, combinée à la recombinaison génétique, favorise également l’unicité entre les individus.

Cycles de vie de la reproduction sexuée

Trois types de cycles de vie existent, selon la ploïdie, multiple du nombre de chromosomes dans une cellule :

• cycle de vie haplontique
• cycle de vie diplontique
• cycle de vie diplobiontique (également appelé cycle de vie diplohaplontique, haplodiplontique ou dibiontique)

Ces trois types de cycles présentent une alternance de phases haploïdes (n) et diploïdes (2n).

L’organisme haploïde devient diploïde par la fécondation, avec jonction des gamètes. Il en résulte un zygote diploïde. Pour revenir à un stade haploïde, une méiose doit se produire.

Les cycles diffèrent par le produit de la méiose, et par l’apparition ou non d’une mitose (croissance). Les méioses zygotique et gamétique ont un seul stade mitotique et se forment pendant la phase n de la méiose zygotique et pendant la phase 2n de la méiose gamétique. Par conséquent, les méioses zygotique et gamétique sont collectivement qualifiées d’haplobiontiques (une seule méiose par phase). La méiose sporique, par contre, a deux événements de méiose (diplobiontique) : un dans chaque phase.

Cycle de vie diplonétique

Méiose gamétique

Dans la méiose gamétique, le zygote diploïde subit une mitose pour produire un individu diploïde multicellulaire ou un groupe de cellules plus diploïdes. Les cellules des individus diploïdes subissent ensuite une méiose pour produire des gamètes haploïdes.

Les gamètes haploïdes ne subissent pas de mitose, et ne se développent pas en un organisme haploïde plus grand. Au contraire, les gamètes haploïdes fusionnent et produisent le zygote diploïde avec des gamètes du type opposé.

Dans l’ensemble du cycle, les gamètes sont les seules cellules haploïdes ; la mitose ne se produit que dans la phase diploïde.

L’individu multicellulaire diploïde est un diplonte, c’est pourquoi une méiose gamétique est aussi appelée cycle de vie diplontique. Les diplonts comprennent :

• Animaux
• Certaines algues brunes

Cycle de vie haplontique

Méiose zygotique

Une méiose zygotique est une méiose d’un zygote diploïde immédiatement après la caryogamie, la fusion de deux noyaux cellulaires. De cette façon, l’organisme termine sa phase diploïde et produit plusieurs cellules haploïdes. Ces cellules subissent une mitose (division mitotique) pour former soit des individus plus grands, multicellulaires, soit davantage de cellules haploïdes. Deux types opposés de gamètes (par exemple, mâle et femelle) issus de ces individus ou cellules fusionnent pour devenir un zygote diploïde.

Dans l’ensemble du cycle, les zygotes sont la seule cellule diploïde ; la mitose ne se produit que dans la phase haploïde.

Les individus ou cellules à la suite de la mitose sont des haplontes, d’où ce cycle de vie est également appelé cycle de vie haplonal. Les haplontes sont :

• Tous les champignons
• Certaines algues vertes
• Plusieurs protozoaires

Cycle de vie diplobiontique

Méiose sporique

Alternance des générations

En méiose sporique, également appelée méiose intermédiaire, les mitoses se produisent à la fois dans les phases diploïde et haploïde. L’organisme présente une alternance des générations, qui comporte des sporophytes multicellulaires producteurs de spores (qui sont diploïdes) et des gamétophytes multicellulaires producteurs de gamètes (qui sont haploïdes). Diagrammatiquement, la méiose sporique ressemble aux moitiés complexes de la méiose gamétique et de la méiose zygotique fusionnées en une seule.

Ce type de cycle est diplobiontique (également appelé diplohaplontique, haplodiplontique ou dibiontique).

La méiose sporique se produit chez les plantes et de nombreuses algues. Le fait d’avoir des individus multicellulaires dans les deux phases signifie que pour certaines algues, il est difficile de déterminer si un spécimen macroscopique est gamétophytique ou sporophytique à moins de l’observer au microscope, c’est ce qu’on appelle l’isogamie. Cependant, toutes les espèces à méiose sporique n’ont pas de grandes générations de gamétophytes et de sporophytes. La tendance chez les plantes supérieures est d’avoir des gamétophytes plus petits qui sont plus dépendants et parasites des sporophytes, un phénomène connu sous le nom d’hétérogamie.

Cycle de vie de la reproduction asexuée

Dans les cas de reproduction asexuée, le cycle de vie est complet en une génération, où un individu hérite de tous ses chromosomes d’un seul parent et est génétiquement identique à ses parents. Les procaryotes, comme les bactéries, subissent une fission binaire, où chaque cellule se divise en deux pour former deux cellules dont l’ADN est identique à celui de la cellule d’origine. Pour que la cellule d’origine se divise, le chromosome procaryote, qui est une molécule d’ADN unique, doit d’abord se répliquer, puis se fixer à une autre partie de la membrane cellulaire. La plupart des protistes, des eucaryotes unicellulaires, se reproduisent également de manière asexuée, sauf en cas de stress, ils se reproduisent sexuellement.

Fission binaire

La fission binaire est la forme de reproduction asexuée utilisée par la plupart des procaryotes pour se reproduire. Ce processus aboutit à la reproduction d’une cellule vivante par division en deux parties égales ou quasi égales.

La fission binaire commence lorsque la réplication de l’ADN se produit. Chaque brin d’ADN circulaire se fixe alors à la membrane cellulaire. La cellule s’allonge, entraînant la séparation des deux chromosomes. La membrane cellulaire s’invagine alors (se développe vers l’intérieur) et divise la cellule en deux cellules filles par un processus appelé cytokinèse.

Les organismes qui se reproduisent par fission binaire ont généralement une croissance exponentielle.

Ce type de reproduction asexuée donne normalement deux cellules identiques. Cependant, l’ADN bactérien a un taux de mutation relativement élevé. Ce taux rapide de changement génétique est ce qui rend les bactéries capables de développer une résistance aux antibiotiques et les aide à exploiter l’invasion dans un large éventail d’environnements.

Divers eucaryotes unicellulaires se reproduisent également par la division de la cellule d’origine en deux cellules, bien que cela implique une mitose et une cytokinèse similaires aux cellules d’un organisme eucaryote multicellulaire. Si, historiquement, ces divisions unicellulaires des eucaryotes ont été désignées dans la littérature par le terme de fission binaire, ce terme est aujourd’hui souvent réservé à la reproduction des procaryotes, qui n’implique pas de mitose puisqu’ils n’ont pas de noyau délimité par une membrane. Parmi les eucaryotes qui se reproduisent par la scission de la cellule d’origine en deux, on trouve

• La plupart des protistes (par exemple, Amoeba proteus)
• Entamoeba histolytica (un protozoaire qui est un parasite intestinal humain)
• Pyrodictium abyssi (une archée hyperthermophile anaérobie des cheminées hydrothermales des grands fonds)
• Schizosaccharomyces pombe (un organisme fongique qui est une espèce de levure)

En outre, les mitochondries et les chloroplastes des cellules eucaryotes se divisent également par fission binaire.

De nombreux organismes multicellulaires ont également la capacité de se reproduire de manière asexuée. Beaucoup de ces organismes vont faire bourgeonner un amas localisé de cellules, qui se développe ensuite par mitose pour former un nouvel individu. Des animaux tels que les éponges peuvent se reproduire en fragmentant leur corps. De nombreuses plantes ont également la capacité de se reproduire de manière asexuée.

Alternance des générations

Cycle de vie sporique ou diplohaplontique. Un sporophyte diploïde (2n) subit une méiose pour produire des cellules reproductrices haploïdes (1n), souvent appelées spores. Les cellules haploïdes subissent une mitose pour produire un gamétophyte. Le gamétophyte produit des gamètes haploïdes qui fusionnent pour former un sporophyte zygotique diploïde.

L’alternance des générations est un terme appliqué à un cycle de reproduction (un cycle de vie diplobiontique) de certaines plantes vasculaires, de champignons et de protistes. Ce terme est un peu déroutant pour les personnes qui ne connaissent que le cycle de vie d’un animal typique. Un nom plus compréhensible serait « alternance des phases d’une même génération », car nous considérons généralement qu’une génération d’une espèce englobe un cycle de vie complet. Le cycle de vie des organismes à « alternance de générations » se caractérise par le fait que chaque phase consiste en l’un des deux organismes distincts et libres : un gamétophyte (thalle ou plante), qui est génétiquement haploïde, et un sporophyte (thalle ou plante), qui est génétiquement diploïde.

Une plante haploïde de la génération gamétophyte produit des gamètes par mitose. Deux gamètes (provenant de différents organismes de la même espèce ou du même organisme) se combinent pour produire un zygote, qui se développe en une plante diploïde de la génération sporophyte. Ce sporophyte produit des spores par méiose, qui germent et se développent en un gamétophyte de la génération suivante. Ce cycle, de gamétophyte à gamétophyte, est la manière dont les plantes et de nombreuses algues subissent la reproduction sexuée.

Distinctions

La face inférieure d’une fronde de Dicksonia Antarctica montrant les sori, ou structures porteuses de spores.

La distinction de « vivant libre » est importante, car on peut penser que tous les organismes à reproduction sexuée impliquent une alternance de phases, au moins au niveau cellulaire comme la méiose. Cependant, tous les biologistes ne sont pas d’accord. Il est souvent affirmé que l’alternance des générations fait référence au fait que les stades diploïde et haploïde sont « multicellulaires », ce qui est plus important que « vivant librement » (Taylor T.N. et al. 2005). Une telle distinction change le concept en un concept séparant les animaux et les plantes.

Toutes les plantes ont des stades sporophytes diploïdes et gamétophytes haploïdes qui sont multicellulaires, et les différences entre les groupes de plantes sont dans les tailles relatives, les formes et les capacités trophiques des formes gamétophytes ou sporophytes, ainsi que le niveau de différenciation dans les gamétophytes. Un exemple serait de comparer le pollen et les ovules aux thalles gamétophytes bisexués.

Les biologistes reconnaissent deux catégories d’alternance : la première si les formes du sporophyte et du gamétophyte sont plus ou moins identiques, l’alternance est dite isomorphe ; la seconde si les formes ont des apparences très différentes, l’alternance est dite hétéromorphe. Comme indiqué ci-dessus, les termes appliqués à ce type de cycle de vie sont diversement appelés diplobiontique, diplohaplontique, haplodiplontique ou dibiontique.

L’hétérogamie est un terme utilisé pour décrire l’alternance entre les phases parthénogènes et les phases de reproduction sexuée qui se produit chez certains invertébrés et vertébrés. Bien que conceptuellement similaire à « l’alternance des générations », la génétique de l’hétérogamie est significativement différente.

Fungi

Les mycéliums fongiques sont typiquement haploïdes. Lorsque des mycéliums de types d’accouplement différents se rencontrent, ils produisent deux cellules multinucléées en forme de boule, qui se rejoignent via un « pont d’accouplement ». Les noyaux passent d’un mycélium à l’autre, formant un hétérocaryon (signifiant « noyaux différents »). Ce processus est appelé plasmogamie. La fusion réelle pour former des noyaux diploïdes est appelée caryogamie, et peut ne pas se produire avant la formation des sporanges. La caryogamie produit un zygote diploïde, qui est un sporophyte de courte durée qui subit bientôt une méiose pour former des spores haploïdes. Lorsque les spores germent, elles se développent en de nouveaux mycéliums.

Protistes

Certains protistes subissent une alternance de générations, notamment les moisissures visqueuses, les foraminifères et de nombreuses algues marines.

Le cycle de vie des moisissures visqueuses est très similaire à celui des champignons. Les spores haploïdes germent pour former des cellules en essaim ou myxamoebae. Celles-ci fusionnent dans un processus appelé plasmogamie et caryogamie pour former un zygote diploïde. Le zygote se développe en un plasmodium, et le plasmodium mature produit, selon l’espèce, une à plusieurs fructifications contenant des spores haploïdes.

Les foraminifères subissent une alternance hétéromorphe de générations entre une phase haploïde gamont et une phase diploïde agamont. L’organisme haploïde unicellulaire est généralement beaucoup plus grand que l’organisme diploïde.

L’alternance des générations se produit dans presque toutes les algues marines. Chez la plupart des algues rouges, de nombreuses algues vertes et quelques algues brunes, les phases sont isomorphes et vivent librement. Certaines espèces d’algues rouges présentent une alternance triphasique complexe des générations. Les laminaires sont un exemple d’algue brune avec une alternance hétéromorphe des générations. Les espèces du genre Laminaria ont un grand thalle sporophytique qui produit des spores haploïdes qui germent pour produire des gamétophytes mâles et femelles microscopiques vivant librement.

Plantes

Plantes non vasculaires

Gamétophyte d’hépatique

Les plantes non trachéophytes dont les hépatiques, les hornworts et les mousses subissent une alternance de générations ; la génération gamétophyte est la plus courante. Le gamétophyte haploïde produit des gamètes haploïdes dans des gamétanges multicellulaires. Les gamétangies femelles sont appelées archegonium et produisent des œufs, tandis que les structures mâles appelées antheridium produisent des spermatozoïdes. L’eau est nécessaire pour que les spermatozoïdes puissent nager jusqu’à l’archégone, où les œufs sont fertilisés pour former le zygote diploïde. Le zygote se développe en un sporophyte qui dépend du gamétophyte parent. Les sporophytes matures produisent des spores haploïdes par méiose dans les sporanges. Lorsqu’une spore germe, elle se développe en un autre gamétophyte.

Les plantes vasculaires

Diagramme de l’alternance des générations chez les fougères.

Les fougères et leurs alliées, dont les massettes et les prêles, se reproduisent via une altération des générations. La plante la plus visible observée sur le terrain est le sporophyte diploïde. Cette plante crée par méiose des spores unicellulaires haploïdes, qui sont libérées et dispersées par le vent (ou dans certains cas, en flottant sur l’eau). Si les conditions sont favorables, une spore germera et se développera en un corps végétal plutôt discret appelé prothalle.

Le prothalle haploïde ne ressemble pas au sporophyte et, à ce titre, les fougères et leurs alliés présentent une alternance hétéromorphe des générations. Le prothalle est de courte durée de vie, mais effectue une reproduction sexuée, produisant le zygote diploïde qui se développe ensuite hors du prothalle comme le sporophyte.

Reproduction et début du cycle de vie des mammifères

Chez les mammifères placentaires, la progéniture naît comme des juvéniles : des animaux complets avec les organes sexuels présents bien que non fonctionnels. Après plusieurs mois ou années, les organes sexuels se développent davantage jusqu’à la maturité et l’animal devient sexuellement mature. La plupart des mammifères femelles ne sont fertiles que pendant certaines périodes et pendant ces périodes, on dit qu’elles sont « en chaleur ». À ce stade, l’animal est prêt à s’accoupler. Les mammifères individuels mâles et femelles se rencontrent et procèdent à la copulation.

La gestation, appelée grossesse chez l’homme, est la période pendant laquelle le fœtus se développe, se divisant par mitose à l’intérieur de la femelle. Pendant cette période, le fœtus reçoit toute sa nutrition et son sang oxygéné de la femelle, filtré par le placenta, qui est attaché à l’abdomen du fœtus par un cordon ombilical. Une fois que le fœtus est suffisamment développé, des signaux chimiques déclenchent le processus de la naissance. Le nouveau-né, appelé nourrisson chez l’homme, doit généralement commencer à respirer par lui-même peu après la naissance.

Chez les monotrèmes, les femelles pondent des œufs. Elles conservent les œufs à l’intérieur pendant plusieurs semaines, en leur fournissant des nutriments, puis les pondent et les recouvrent comme des oiseaux. Après moins de deux semaines, le petit éclot et rampe dans la poche de sa mère, un peu comme les marsupiaux, où il s’allaite pendant plusieurs semaines tout en grandissant.

Les marsupiaux se reproduisent essentiellement de la même manière, bien que leurs petits naissent à un stade de développement beaucoup plus précoce que les autres mammifères. Après la naissance, les petits marsupiaux rampent dans la poche de leur mère et se fixent à une tétine, où ils reçoivent de la nourriture et finissent de se développer pour devenir des animaux autonomes.

Théorie de l’histoire de vie

En biologie animale et humaine, la théorie de l’histoire de vie est une méthode permettant de comprendre les comportements et les stratégies évolués pour optimiser le succès de la reproduction.

La théorie de l’histoire de la vie est un cadre analytique largement utilisé en biologie, en psychologie et en anthropologie évolutionniste, qui postule que de nombreux traits physiologiques et comportements des individus peuvent être mieux compris en termes de caractéristiques maturatives et reproductives clés qui définissent le parcours de vie.

Les exemples de ces caractéristiques comprennent :

• Age au sevrage
• Age de la maturité sexuelle ou de la puberté
• Taille corporelle adulte
• Calendrier de mortalité spécifique à l’âge
• Fécondité spécifique à l’âge
• Temps de la première activité sexuelle ou du premier accouplement

.

• Temps de la première reproduction
• Durée de la gestation
• Taille de la portée
• Interbirth interval

Les variations de ces caractéristiques reflètent des allocations différentes des ressources d’un individu (i.e., Les variations de ces caractéristiques reflètent les différentes allocations des ressources d’un individu (c’est-à-dire le temps, l’effort et la dépense énergétique) à des fonctions vitales concurrentes, en particulier la croissance, l’entretien du corps et la reproduction. Pour un individu donné, les ressources disponibles dans un environnement particulier sont limitées. Le temps, l’effort et l’énergie utilisés pour un objectif donné diminuent le temps, l’effort et l’énergie disponibles pour un autre. Par exemple, les ressources consacrées à l’augmentation de la taille du corps ne peuvent être utilisées pour augmenter le nombre de descendants. En termes généraux, les coûts de la reproduction peuvent être payés en termes d’énergie détournée de la réparation et de l’entretien du corps et en réduisant l’investissement dans la compétence immunologique.

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