Exercices: Types et structures de la reproduction

Différencier la reproduction asexuée et la reproduction sexuée en termes de nombre de parents, de variabilité génétique de la descendance et de rapidité de reproduction, en indiquant un avantage de chaque type.

Citer deux modes de reproduction asexuée (par exemple scissiparité, bourgeonnement ou fragmentation), un organisme qui les utilise et le trait qui les distingue.

Définir la fécondation interne et la fécondation externe et expliquer la différence entre animaux ovipares, vivipares et ovovivipares, avec un exemple de chacun.

Expliquer ce qu'est un gamète et donner deux différences avec une cellule somatique (nombre de chromosomes, fonction), en justifiant pourquoi les gamètes ne peuvent pas avoir le même nombre de chromosomes que les autres cellules.

Différencier l'oviparité de la viviparité avec deux exemples de chacune, et indiquer un avantage et un inconvénient de chaque stratégie (protection de l'embryon face à l'investissement énergétique du parent).

Qu'est-ce que la parade nuptiale ? Donner deux exemples (queue du paon, chant des oiseaux, brame du cerf) et expliquer leurs fonctions (reconnaître l'espèce, choisir un partenaire, synchroniser la reproduction).

Expliquer ce que sont les soins parentaux et décrire trois formes différentes (incubation des œufs, nourrissage des petits, défense du territoire ou transport des petits) avec un exemple animal de chacune.

Distinguer développement direct et développement indirect avec un exemple de chacun (un mammifère et un papillon ou un amphibien), et indiquer ce qu'implique l'existence d'une phase larvaire dans la vie de l'animal.

Comparer la stratégie de reproduction d'un amphibien et celle d'un reptile : type de fécondation, structure de l'œuf et lieu de développement, en soulignant quelle innovation l'œuf amniotique a représentée pour la conquête du milieu terrestre.

Les vers de terre et les escargots sont hermaphrodites. Expliquer ce que cela signifie, quels avantages cela apporte à des animaux à mobilité réduite et pourquoi, malgré tout, ils s'accouplent généralement avec un autre individu plutôt que de s'autoféconder.

Décrire la métamorphose d'une grenouille de l'œuf à l'adulte, en indiquant les changements anatomiques et physiologiques les plus importants et leur relation avec le passage du milieu aquatique au milieu terrestre.

Une étoile de mer peut régénérer un bras et une planaire coupée en deux donne deux individus. Expliquer le lien entre cette capacité de régénération et la reproduction asexuée par fragmentation, et justifier pourquoi les vertébrés, dont le corps est si spécialisé, ne peuvent pas se reproduire ainsi.

Le cycle de reproduction des amphibiens reste lié à l'eau : pontes gélatineuses, fécondation externe et larves aquatiques. Expliquer cette dépendance et pourquoi de nombreuses espèces retournent chaque année à la même mare (philopatrie), ainsi que le risque que représente la disparition des points d'eau.

Qu'est-ce que le dimorphisme sexuel ? Donner deux exemples (bois du cerf, couleurs des oiseaux, crinière du lion) et le relier à la sélection sexuelle : compétition entre mâles et choix du partenaire par les femelles.

De nombreux coraux libèrent leurs gamètes la même nuit de l'année, de façon synchronisée avec la lune et les marées. Expliquer quel avantage présente cette synchronisation massive chez des animaux à fécondation externe et quels signaux environnementaux peuvent la guider (photopériode, température, cycle lunaire).

Le rut de nombreux mammifères a lieu à des dates très régulières. Expliquer comment la photopériode (durée du jour) régule la saison de reproduction et justifier quel avantage présente le fait de programmer les naissances au printemps (nourriture, température, temps de croissance avant l'hiver).

Un naturaliste affirme : « Pour reconstituer la faune d'une zone humide dégradée et soumise à des sécheresses imprévisibles, il est préférable d'introduire des espèces à stratégie K plutôt que des espèces à stratégie r, car, en s'occupant de leurs petits, elles garantissent un taux de survie très élevé et atteindront plus vite une population viable. » a) Réfuter de manière argumentée l'affirmation du naturaliste en utilisant les notions de potentiel biotique, de capacité de charge ($K$) et de courbes de survie. b) Prévoir comment évoluera la taille de la population d'une espèce à stratégie r par rapport à celle d'une espèce à stratégie K si, deux ans après leur introduction, une sécheresse catastrophique imprévue survient.

Sur une île océanique récemment émergée après une éruption volcanique, deux espèces d'insectes herbivores sont introduites accidentellement : une femelle solitaire de l'espèce A (qui se reproduit par parthénogenèse obligatoire) et un couple (mâle et femelle) de l'espèce B (reproduction sexuée amphimictique obligatoire). a) Prévoir la dynamique démographique et la vitesse de colonisation des deux populations pendant les 10 premières générations dans un milieu sans compétition ni prédateurs. b) À la génération 15, un champignon pathogène mortel colonise l'île. Justifier quelle population aura le plus de risques de s'éteindre complètement et laquelle pourra présenter des individus résistants. c) À partir de ce qui précède, expliquer le paradoxe du « double coût du sexe » : si la parthénogenèse permet à une population de croître deux fois plus vite en ne produisant pas de mâles, pourquoi la reproduction sexuée est-elle prédominante chez les animaux pluricellulaires ?

Une équipe de paléontologie découvre les fossiles d'un nouveau tétrapode primitif du Carbonifère. Son squelette est dépourvu de structures copulatrices et, à côté des fossiles, on a trouvé des amas de milliers de petits ovules sans coquille minéralisée, fossilisés dans les sédiments d'une plaine d'inondation fluviale. Un chercheur de l'équipe affirme que cet animal avait déjà une reproduction entièrement terrestre et indépendante de l'eau. a) Réfuter l'hypothèse du chercheur en indiquant les obstacles physiques et cellulaires (dessiccation des gamètes, mobilité des spermatozoïdes et osmorégulation du zygote) qui rendent impossible la fécondation externe sur terre ferme. b) Justifier quelles innovations évolutives anatomiques et physiologiques des gamètes et de l'œuf ont été nécessaires pour que les amniotes parviennent à se reproduire indépendamment du milieu aquatique. c) Prévoir quelles différences on s'attendrait à trouver dans le volume de vitellus des ovules et dans le nombre de gamètes produits par cycle entre ce fossile et un reptile terrestre de taille similaire.

Chez la plupart des vertébrés, les mâles se font une vive concurrence pour accéder aux femelles et ce sont elles qui choisissent leur partenaire d'après des ornements ou des parades. Cependant, chez les hippocampes et les syngnathes, ce sont les femelles qui rivalisent activement pour accéder aux mâles et qui présentent des colorations plus voyantes. a) Appliquer la théorie de l'investissement parental de Robert Trivers pour justifier pourquoi les rôles sexuels habituels sont inversés chez ces espèces. b) La femelle ne met que deux jours à faire mûrir une nouvelle ponte d'ovules, alors que le mâle a besoin de deux à quatre semaines pour incuber les embryons dans sa poche incubatrice. Prévoir comment cette différence affectera le sex-ratio opérationnel (proportion de mâles et de femelles prêts à s'accoupler à un moment donné) et quel sexe constituera la ressource limitante. c) Concevoir une expérience simple de laboratoire pour vérifier si les mâles d'hippocampe préfèrent s'accoupler avec des femelles de plus grande taille.

On compare deux espèces d'oiseaux étroitement apparentées dans deux habitats différents :

• Espèce 1 : poussins nidicoles (qui naissent aveugles, nus et dépendants de la chaleur) dans un milieu où la nourriture est répartie de façon rare et homogène sur tout le territoire.

• Espèce 2 : poussins nidifuges (qui marchent et se nourrissent seuls quelques heures après l'éclosion) dans un milieu où les zones de nourriture sont très riches et concentrées en points distincts, facilement défendables par un mâle vigoureux.

1. a) Prévoir en justifiant le système d'appariement le plus probable (monogamie ou polygynie) pour chacune des deux espèces, en reliant la nécessité de soins biparentaux et la capacité de monopoliser les ressources. b) Imaginer qu'une modification de l'habitat de l'espèce 1 rende la nourriture surabondante autour des nids, de sorte qu'une seule femelle soit capable de nourrir toute la nichée sans aide. Prévoir comment le système d'appariement de cette population pourrait changer à long terme et justifier votre réponse.

Comparer trois espèces marines soumises à la pêche commerciale : le merlu (Merluccius merluccius, poisson osseux qui libère chaque année entre 100 000 et plusieurs millions d'œufs pélagiques sans aucun soin), la petite roussette (Scyliorhinus canicula, requin ovipare qui fixe sur le fond marin environ 80 à 100 capsules coriaces) et l'émissole tachetée (Mustelus asterias, requin vivipare placentaire dont la gestation dure 10 à 11 mois et qui met bas entre 4 et 15 petits déjà développés). a) Analyser le compromis évolutif (trade-off) entre le nombre de descendants et l'investissement énergétique par gamète et par embryon chez ces trois espèces. b) Prévoir laquelle des trois populations s'effondrera le plus vite et mettra le plus de décennies à se rétablir si la pêche intensive décime 80 % des adultes reproducteurs. Justifier la réponse en fonction de la maturité sexuelle, de la fécondité et du taux intrinsèque d'accroissement. c) Du point de vue adaptatif, expliquer quels avantages et quels inconvénients a représenté pour les requins vivipares le fait de retenir les embryons à l'intérieur de leur corps, par rapport à la stratégie ancestrale de ponte massive.

Dans un centre de conservation, on gère une population en captivité d'un mammifère menacé composée uniquement de quatre individus : Mâle 1 et Femelle 1 (frère et sœur de mêmes parents, capturés dans la population sauvage A), Mâle 2 (provenant d'une population isolée B) et Femelle 2 (fille de Mâle 1 et de Femelle 1). Dans la population A, des cas de cataracte juvénile d'origine génétique autosomique récessive ont été relevés. a) Justifier sur le plan génétique pourquoi un croisement planifié entre le Mâle 1 et la Femelle 2 comporterait un risque inacceptable pour la viabilité de la portée, en utilisant les notions de coefficient de consanguinité et de dépression de consanguinité. b) Concevoir le plan de croisements optimal entre ces quatre individus pour réduire au minimum l'homozygotie d'allèles délétères et augmenter au maximum la diversité génétique de la génération suivante. c) Un membre de l'équipe propose de pallier le manque de reproducteurs en clonant à plusieurs reprises le Mâle 2, qui présente une santé et une taille exceptionnelles. Argumenter pourquoi cette proposition ne résout pas le problème de conservation de l'espèce à long terme.

Il ne reste dans le monde que deux femelles vivantes du rhinocéros blanc du Nord (Ceratotherium simum cottoni), toutes deux incapables de mener une gestation à terme. On dispose cependant de sperme cryoconservé de plusieurs mâles décédés et de femelles apparentées de la sous-espèce de rhinocéros blanc du Sud, dans des zoos et des réserves. a) Concevoir un protocole biotechnologique séquentiel (du prélèvement du matériel biologique à la naissance d'un petit) permettant de sauver la sous-espèce à l'aide de techniques de procréation assistée comme la ponction transvaginale d'ovocytes, l'injection intracytoplasmique de spermatozoïde (ICSI) et le transfert d'embryons à des mères porteuses. b) Justifier pourquoi l'insémination artificielle classique n'est pas applicable dans cette situation et quelle importance biologique a la cryoconservation de la banque de gamètes pour la conservation de la diversité allélique de l'espèce. c) Si cette stratégie permet d'obtenir trois petits vivants issus d'un seul mâle et d'une seule femelle, évaluer de façon critique la viabilité biologique d'une réintroduction de cette nouvelle lignée dans la nature sans la croiser avec le rhinocéros blanc du Sud.