La taille des ovules et des spermatozoïdes a évolué à partir de la compétition. Les ressources limitées ont conduit les gamètes à différer considérablement en taille et en nombre.
Chez la plupart des animaux vivants, les ovules sont beaucoup plus gros que les spermatozoïdes. Chez l’homme, par exemple, un seul ovule représente 10 millions de fois le volume d’un spermatozoïde.
Dans une nouvelle étude, les chercheurs de Northwestern Engineering ont découvert que la concurrence et la sélection naturelle étaient à l’origine de cette curieuse différence de taille.
À l’aide d’une modélisation mathématique, les chercheurs ont considéré une époque très précoce de l’évolution où les espèces primordiales se reproduisaient par fertilisation externe. Dans le modèle, des cellules reproductrices plus grosses, ou gamètes, présentaient un avantage concurrentiel car elles pouvaient contenir plus de nutriments pour un zygote potentiel. Les gamètes plus petits, cependant, nécessitaient moins de ressources à fabriquer, ce qui mettait moins de stress sur le parent.
“Les organismes devaient soit produire les plus gros gamètes avec le plus de provisions, soit les plus petits gamètes pour utiliser le moins de ressources”, a déclaré Daniel Abrams, professeur de sciences de l’ingénieur et de mathématiques appliquées à la McCormick School of Engineering et auteur principal de l’étude. “Nous pensons que cette différence de taille est presque inévitable, sur la base d’hypothèses plausibles sur le fonctionnement de la reproduction sexuée et de la sélection naturelle.”
La recherche a été publiée en ligne dans le Journal de biologie théorique. Joseph Johnson, doctorant dans le laboratoire d’Abrams, est le premier auteur de l’article. Nathan White et Alain Kangabire, étudiants de premier cycle au laboratoire d’Abrams, ont co-écrit l’article.
Le modèle de l’équipe Northwestern commence par l’isogamie, un état primordial dans lequel tous les gamètes étaient à peu près de la même taille et les sexes distincts n’existaient pas encore. L’équipe a ensuite développé et appliqué un modèle mathématique simple pour montrer comment l’isogamie est passée à l’anisogamie, un état dans lequel les gamètes sont devenus très petits ou assez gros – précurseurs des spermatozoïdes et des ovules associés aux sexes biologiques aujourd’hui.
Dans le modèle, l’anisogamie a émergé de la compétition pour survivre dans un environnement aux ressources limitées. Les gamètes avaient plus de chances de survivre s’ils avaient un avantage de taille sur leurs voisins, conduisant à une « course aux armements » favorisant des gamètes de plus en plus gros. Mais les organismes ne pourraient pas produire de nombreuses cellules sexuelles sans avoir besoin eux-mêmes de plus en plus de ressources. Ils pourraient cependant économiser leurs ressources en produisant beaucoup de petits gamètes.
« Au début de l’évolution, lorsque la reproduction sexuée a émergé, les gamètes étaient symétriques. Mais c’est là que cette symétrie se brise », a déclaré Abrams. « Nous nous retrouvons avec certains organismes spécialisés dans les gros gamètes et d’autres spécialisés dans les petits gamètes. »
Abrams a déclaré qu’un mystère restant est la raison pour laquelle certaines espèces isogames existent encore aujourd’hui. Certains types d’algues et de champignons, par exemple, se reproduisent de manière asexuée ou avec des types d’accouplement symétriques.
“Il y a eu différentes théories sur la façon dont l’anisogamie a émergé, remontant jusqu’à Charles Darwin”, a déclaré Abrams. « Les problèmes de biologie évolutive sont très difficiles à tester car nous ne pouvons étudier que les espèces qui existent aujourd’hui. Nous ne pouvons pas voir à quoi ils ressemblaient il y a des milliards d’années. L’utilisation de modèles mathématiques peut donner de nouvelles perspectives et compréhension.
Référence : « A dynamical model for the origin of anisogamy » par Joseph D. Johnson, Nathan L. White, Alain Kangabire et Daniel M. Abrams, 18 mars 2021, Journal de biologie théorique.
DOI : 10.1016/j.jtbi.2021.110669
La recherche, “Un modèle dynamique pour l’origine de l’anisogamie”, a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de subvention 1547394).
