Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 11 - La reproduction sexuée chez les animaux et les végétaux
De la fécondation à la pollinisation : comment un nouvel individu apparaît
La reproduction sexuée
chez les animaux et les végétaux
Les six questions auxquelles ce cours répond
- Que faut-il, au minimum, pour qu’un nouvel individu apparaisse ?
- Pourquoi certaines espèces se reproduisent-elles dans l’eau et d’autres à l’abri d’un corps ?
- Pourquoi une morue pond-elle des millions d’œufs alors qu’une mésange en pond une dizaine ?
- À quoi sert une fleur, et pourquoi possède-t-elle des pièces si différentes les unes des autres ?
- Comment un grain de pollen, immobile, parvient-il jusqu’à un ovule situé dans une autre fleur ?
- Comment une plante fixée au sol parvient-elle à conquérir un endroit où elle ne poussait pas jusque-là ?
🧵 Le fil rouge de la série
Les cours précédents ont suivi un seul individu. Sa respiration lui procure du dioxygène, sa digestion des nutriments, son sang les distribue à ses organes, son alimentation couvre ses besoins. Tout cela le maintient en vie, lui, et seulement lui.
Or la vie d’un individu a un terme. Une espèce qui se contenterait de garder ses membres en bonne santé disparaîtrait à la mort du dernier d’entre eux. Ce cours traite donc de l’opération qui permet à une espèce de se maintenir dans un milieu bien après la disparition des individus qui l’occupaient : la production d’une génération nouvelle.
Ce cours porte sur les animaux et sur les végétaux. La reproduction de l’espèce humaine relève d’un autre chapitre du programme et n’est pas abordée ici.
🥚Deux cellules, un nouvel individu
Un gland tombé d’un chêne donne un chêne, et non un hêtre. Une ponte de grenouille produit des grenouilles, et non des tritons. Cette régularité est si familière qu’elle semble aller de soi. Elle a pourtant occupé les naturalistes pendant des siècles, car elle pose une question redoutable : au tout début, qu’est-ce qui existe au juste ? Un individu minuscule et déjà complet, qu’il n’y aurait plus qu’à faire grossir ? Ou bien quelque chose de beaucoup plus simple, à partir de quoi tout se construirait ?
La réponse tient en une image : au commencement, il y a une seule cellule. Et cette cellule unique naît de la rencontre de deux autres, apportées par deux parents.
📘 Définition
La reproduction sexuée désigne la formation d’un nouvel individu par l’union de deux cellules reproductrices.
- La cellule reproductrice mâle est appelée spermatozoïde chez les animaux.
- La cellule reproductrice femelle est appelée ovule.
- Leur union porte le nom de fécondation.
- La cellule qui en résulte est la cellule-œuf. Elle se divise ensuite en deux, puis en quatre, puis en un nombre considérable de cellules : c’est le début du développement de l’embryon.
Pourquoi les deux cellules ne se ressemblent pas
Les deux cellules qui se rencontrent jouent le même rôle génétique : chacune apporte la moitié de l’information héréditaire du futur individu, c’est-à-dire des instructions transmises par les parents à leur descendance. Mais leur forme diffère du tout au tout, et cette différence s’explique par deux tâches opposées.
La cellule mâle doit se déplacer. Elle est donc réduite au strict nécessaire : un noyau, très peu de matière autour, et un long filament qui bat, le flagelle, qui la propulse dans un liquide. Elle est minuscule et légère, car chaque gramme superflu ralentirait sa nage.
La cellule femelle, elle, doit nourrir les premiers jours du développement. Un embryon qui vient de se former ne sait pas encore se procurer d’aliments : il consomme ce que sa cellule d’origine contient. La cellule femelle est donc chargée de réserves, ce qui la rend volumineuse et, par conséquent, immobile. Le jaune d’un œuf de poule illustre bien cette réserve : il correspond pour l’essentiel à la cellule femelle, gorgée de matières nutritives destinées au développement du poussin.
Cette répartition des rôles explique une conséquence importante pour la suite du cours : puisque la cellule mâle doit nager, la fécondation exige la présence d’un liquide, quel que soit le milieu où vit l’espèce.
| Caractère observé | Cellule reproductrice mâle | Cellule reproductrice femelle |
|---|---|---|
| Taille | Très petite : quelques centièmes de millimètre, flagelle compris | Beaucoup plus grande, parfois visible à l’œil nu |
| Déplacement | Mobile, propulsée par un flagelle | Immobile, transportée ou attendant sur place |
| Réserves nutritives | Très faibles | Abondantes |
| Nombre produit | Très élevé, souvent des millions | Nettement plus faible |
| Rôle dans l’hérédité | Moitié de l’information héréditaire | Moitié de l’information héréditaire |
📜 Une histoire vraie : des caleçons pour des grenouilles
Au XVIIIe siècle, le rôle du mâle dans la reproduction restait discuté. Certains savants tenaient le liquide émis par le mâle pour une simple vapeur, un souffle sans matière, dont la seule présence suffirait à réveiller un œuf déjà complet.
En 1736, le naturaliste français René Antoine Ferchault de Réaumur imagine une manière de trancher : équiper des grenouilles mâles de minuscules caleçons de taffetas, afin de recueillir séparément ce qu’ils émettent. Les grenouilles se débarrassent des vêtements et l’expérience échoue.
Quelques décennies plus tard, l’abbé italien Lazzaro Spallanzani reprend l’idée et la perfectionne : culottes cousues, bretelles passées sous les bras de l’animal. Les résultats, publiés en 1780, sont sans ambiguïté. Les femelles accouplées à des mâles ainsi vêtus pondent des œufs qui pourrissent sans donner de têtards. Spallanzani recueille alors le liquide resté dans les caleçons, en humecte des œufs vierges prélevés sur une autre femelle, et voit naître des têtards.
La conclusion s’impose : ce liquide n’est pas une vapeur, c’est une substance qui agit au contact de l’œuf. Spallanzani venait de réaliser la première fécondation obtenue hors du corps des animaux.
🔬 Comprendre l’expérience : à quoi sert le second lot d’œufs ?
Reprenons le raisonnement de Spallanzani. Après la première partie de l’expérience, il connaît un fait : sans contact avec le liquide du mâle, les œufs pourrissent. Cela suffit-il à prouver que ce liquide féconde ?
Pas encore. Un contradicteur pourrait objecter que le caleçon gêne l’animal, qu’il perturbe la ponte, ou que les œufs étaient déjà abîmés. C’est précisément pourquoi la seconde partie de l’expérience est décisive : elle prend des œufs qui, laissés seuls, ne se développent pas, et leur ajoute la seule chose qui manquait. Ces œufs se développent.
Un même lot d’œufs, une seule différence entre les deux traitements, deux résultats opposés : voilà ce qui transforme une observation en preuve. Cette manière de procéder porte un nom, l’expérience témoin, et elle traverse toutes les sciences expérimentales.
💡 Le savais-tu ? Il a fallu attendre 1876 pour voir la fécondation
Spallanzani avait démontré l’action du liquide mâle sans avoir vu la rencontre elle-même. Il faut attendre 1876 pour que l’Allemand Oskar Hertwig assiste à la scène au microscope, et son choix d’animal explique sa réussite : l’oursin. Cette espèce libère ses cellules directement dans l’eau de mer, en quantité énorme, et ses cellules femelles sont transparentes. Il devient alors possible de suivre, dans une goutte d’eau, ce qui se passe à l’intérieur de la cellule.
Hertwig observe le noyau apporté par la cellule mâle rejoindre celui de la cellule femelle, puis les deux fusionner en un seul. D’autres naturalistes avaient entrevu ce phénomène avant lui, sans parvenir à convaincre ; ses observations, précises et répétées, mettent un terme au débat.
🧵 Fil rouge : une vieille connaissance
Le nom de Spallanzani est déjà apparu dans le cours consacré à la digestion : c’est le même abbé qui avalait des sachets de toile lestés pour savoir ce que l’estomac faisait subir aux aliments. Un même chercheur, deux questions sans rapport apparent, une seule méthode : imaginer un dispositif qui rende visible ce que le corps dissimule.
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 1
- La reproduction sexuée repose sur l’union de deux cellules reproductrices, l’une mâle, l’autre femelle.
- Cette union s’appelle la fécondation ; elle produit une cellule unique, la cellule-œuf.
- La cellule-œuf se divise et donne l’embryon, puis le nouvel individu.
- La cellule mâle est petite et mobile parce qu’elle doit nager ; la cellule femelle est volumineuse parce qu’elle contient les réserves du début du développement.
- Une expérience ne prouve quelque chose que si elle comporte une comparaison rigoureuse entre deux situations qui ne diffèrent que par un seul point.
🌊Dans l’eau ou dans le corps : deux façons de féconder
Le chapitre précédent s’achève sur une contrainte physique : la cellule mâle se déplace en nageant, donc la fécondation exige un liquide. Cette contrainte, à elle seule, partage le monde animal en deux.
Certaines espèces vivent dans l’eau et disposent donc du liquide en quantité illimitée : elles peuvent se contenter de libérer leurs cellules dans le milieu. D’autres vivent sur la terre ferme, où une cellule abandonnée à l’air libre se dessèche en quelques instants : leur seule solution consiste à conserver le liquide à l’intérieur du corps.
📘 Définition
- La fécondation externe a lieu hors du corps des parents : les cellules reproductrices sont libérées dans le milieu, où elles se rencontrent. L’oursin, la grenouille, le saumon, la truite et le corail procèdent ainsi.
- La fécondation interne a lieu à l’intérieur du corps de la femelle, où les cellules mâles sont déposées lors d’un accouplement. Les oiseaux, les mammifères, les reptiles, les insectes et les escargots procèdent ainsi.
La fécondation externe se rencontre presque uniquement en milieu aquatique, pour la raison exposée ci-dessus.
Deux stratégies, deux factures à payer
Libérer ses cellules dans l’eau paraît simple, mais le procédé coûte cher. Les cellules sont emportées par les courants, dévorées par les animaux microscopiques en suspension, dispersées loin les unes des autres. La très grande majorité d’entre elles ne rencontre rien. Une espèce à fécondation externe compense donc cette perte en produisant des cellules par millions, ce qui représente une dépense considérable de matière et d’énergie.
Elle doit en outre résoudre un second problème : le calendrier. Des cellules émises à trois jours d’intervalle ne se rencontreront pas. Les individus d’une même espèce libèrent donc les leurs au même moment, en se fiant à des signaux communs du milieu, tels que la température de l’eau, la durée du jour ou la phase de la Lune.
La fécondation interne inverse la logique. Le rapprochement des deux individus est obtenu au prix de comportements parfois coûteux : recherche d’un partenaire, chants, parades, combats entre mâles. Mais une fois ce rapprochement obtenu, presque rien n’est perdu : les cellules mâles sont déposées à quelques millimètres de leur but, à l’abri du dessèchement et des prédateurs. Le nombre de cellules émises peut alors être bien plus faible.
| Espèce | Type de fécondation | Lieu de la rencontre | Ce qui protège la cellule-œuf |
|---|---|---|---|
| Oursin violet | Externe | Eau de mer | Rien : la survie repose sur le nombre |
| Corail | Externe | Eau de mer, en surface | Rien, mais la ponte est synchronisée |
| Grenouille rousse | Externe | Eau douce, mare peu profonde | Une gangue gélatineuse autour des œufs |
| Truite | Externe | Gravier du lit de la rivière | Un nid creusé puis recouvert par la femelle |
| Escargot | Interne | Corps du partenaire | Une coquille souple, puis un enfouissement |
| Mésange | Interne | Corps de la femelle | Une coquille calcaire, un nid, la couvaison |
| Chat | Interne | Corps de la femelle | Le corps maternel lui-même, jusqu’à la naissance |
📜 Une histoire vraie : le laboratoire au bord de l’eau
Pourquoi les grandes découvertes sur la fécondation ont-elles porté sur des oursins et des étoiles de mer plutôt que sur des animaux plus familiers ? Parce que ces espèces offrent au chercheur ce dont il a précisément besoin : des cellules émises à l’extérieur, en abondance, dans un liquide transparent.
Le Genevois Hermann Fol l’avait compris. Formé à la zoologie, il installe son laboratoire au bord de la Méditerranée, d’abord à Messine, en Sicile, puis à Villefranche-sur-Mer, où il finira par fonder une station marine. À la fin des années 1870, en observant des œufs d’étoile de mer, il décrit ce que personne n’avait établi avec certitude : une seule cellule mâle pénètre dans la cellule femelle, et l’entrée de cette cellule unique déclenche le développement.
Ce détail change tout. Il montre que la fécondation n’est pas un bain dans une substance, mais un événement précis, unique, entre deux cellules. Fol disparaît en mer en 1892, au cours d’une expédition scientifique ; les circonstances de sa disparition demeurent inconnues.
💡 Le savais-tu ? La nuit où le récif se met à neiger
Un corail est un animal fixé, incapable de se rapprocher de son voisin. Sa seule chance tient donc à la synchronisation. Sur la Grande Barrière de corail australienne, des colonies entières libèrent leurs cellules reproductrices la même nuit, quelques nuits après une pleine lune, entre octobre et décembre, lorsque l’eau a dépassé environ 27 degrés Celsius. L’eau se remplit alors de milliards de petites sphères qui remontent vers la surface : les plongeurs parlent d’une neige à l’envers.
Ce phénomène spectaculaire n’a été observé sur place qu’en 1981. La raison de cette découverte tardive est simple : la ponte dure quelques nuits par an et se produit dans l’obscurité.
🔬 Une expérience réalisable : la fécondation sous le microscope
Cette expérience se pratique dans les laboratoires de collège et de lycée situés près de la mer, avec des oursins pêchés depuis moins d’un jour.
- Les produits émis par un individu mâle apparaissent blanchâtres, ceux d’une femelle orangés. Cette différence de couleur permet de reconnaître les deux lots.
- Une goutte du lot orangé est déposée sur une lame et observée au faible grossissement : des sphères régulières apparaissent, immobiles.
- Une trace du lot blanchâtre, très diluée dans l’eau de mer, est ajoutée. En quelques secondes, des points minuscules s’agitent autour de chaque sphère.
- Quelques minutes plus tard, une fine membrane se soulève autour des sphères fécondées. Elle empêche l’entrée d’une seconde cellule mâle.
- Après une à deux heures, les premières divisions sont visibles : deux cellules, puis quatre.
À défaut de matériel vivant, des vidéos de cette manipulation, filmées en classe, sont disponibles auprès des ressources pédagogiques universitaires.
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 2
- La fécondation externe se déroule dans le milieu, la fécondation interne dans le corps de la femelle.
- La fécondation externe est aquatique dans la quasi-totalité des cas, parce que la cellule mâle a besoin d’un liquide pour nager et ne survit pas au dessèchement.
- La fécondation externe entraîne des pertes massives, compensées par un nombre énorme de cellules et par une émission synchronisée.
- La fécondation interne réduit ces pertes, mais suppose un accouplement, donc la rencontre préalable de deux individus.
🐸De la cellule-œuf à l’adulte
La fécondation a eu lieu. Une cellule unique contient désormais tout ce qu’il faut pour construire un être vivant complet. Reste à comprendre comment cette cellule devient un animal capable de se nourrir, de se déplacer et, un jour, de se reproduire à son tour.
Le chemin parcouru diffère profondément d’une espèce à l’autre. Chez certaines, le jeune ressemble d’emblée à ses parents en plus petit. Chez d’autres, il en diffère au point qu’un naturaliste peu attentif les classerait dans deux groupes séparés.
📘 Définition
- Le développement direct conduit de l’œuf à un jeune qui présente déjà les caractères de l’adulte : poussin, chaton, jeune escargot.
- Le développement avec métamorphose fait passer par une forme larvaire très différente de l’adulte, qui se transforme ensuite en profondeur : le têtard devient grenouille, la chenille devient papillon.
- Une espèce ovipare pond des œufs dont le développement s’achève à l’extérieur du corps maternel.
- Une espèce vivipare garde l’embryon dans le corps de la femelle jusqu’à un stade avancé, et met au monde un jeune formé.
Beaucoup de descendants, ou beaucoup de soins
Comparons deux chiffres. Une morue de l’Atlantique pond, selon sa taille, entre deux et onze millions d’œufs d’un à deux millimètres. La probabilité qu’un de ces œufs donne une morue adulte est de l’ordre d’un sur un million. Une mésange, elle, pond une dizaine d’œufs par saison, et une bonne part de ses poussins parvient à l’envol.
Ces deux chiffres décrivent la même réalité vue par deux bouts. Chaque espèce dispose d’une quantité limitée de matière et d’énergie à consacrer à sa descendance, et elle la répartit selon deux stratégies opposées.
La première consiste à produire un très grand nombre d’œufs minuscules, abandonnés aussitôt. Chacun est fragile, la plupart disparaissent, mais le nombre compense la perte. La seconde consiste à produire peu d’œufs, gros et bien pourvus, puis à les protéger : nid, couvaison, défense contre les prédateurs, apport de nourriture au jeune. Chaque descendant coûte cher, mais ses chances de survie augmentent d’autant.
Entre ces deux extrêmes existent toutes les situations intermédiaires. La truite, par exemple, pond relativement peu d’œufs pour un poisson, mais elle creuse un nid dans le gravier et l’y recouvre : un investissement modeste qui améliore nettement la survie.
| Espèce | Descendants par saison | Soins apportés |
|---|---|---|
| Morue de l’Atlantique | De 2 à 11 millions d’œufs | Nuls : les œufs flottent librement |
| Esturgeon jaune | De 500 000 à 800 000 œufs | Nuls |
| Grand brochet | Environ 32 000 œufs en moyenne | Nuls |
| Grenouille rousse | De 700 à 4 500 œufs par femelle | Une gangue gélatineuse protectrice |
| Saumon de l’Atlantique | De 1 500 à 1 800 œufs par kilogramme de femelle | Un nid creusé dans le gravier, puis recouvert |
| Mésange charbonnière | Une dizaine d’œufs | Nid, couvaison, becquée jusqu’à l’envol |
| Éléphant d’Afrique | Un jeune tous les quatre ans environ | Long développement avant la naissance, allaitement, protection du groupe |
📜 Une histoire vraie : vingt ans pour trouver un berceau
Pendant des siècles, la reproduction de l’anguille européenne est demeurée une énigme. Les pêcheurs en capturaient par milliers dans les rivières, mais nul n’y trouvait d’œufs ni de jeunes. Aristote lui-même supposait que ces animaux naissaient de la terre elle-même.
Un premier verrou saute à la fin du XIXe siècle : le zoologiste italien Giovanni Battista Grassi établit que de petites larves transparentes en forme de feuille de saule, jusque-là décrites comme une espèce à part, sont en réalité de jeunes anguilles.
Le Danois Johannes Schmidt s’empare alors du problème avec une méthode d’une simplicité remarquable : capturer ces larves partout dans l’Atlantique, les mesurer, et se diriger vers l’endroit où elles sont les plus petites, donc les plus jeunes. Vingt ans de campagnes océaniques plus tard, en 1922, la piste aboutit à la mer des Sargasses, à plus de six mille kilomètres des côtes européennes.
Le dossier reste pourtant ouvert. Des balises fixées sur des anguilles adultes ont confirmé, un siècle après Schmidt, que ces animaux migrent bien vers cette région. Mais ni œuf ni couple reproducteur n’y a été observé à ce jour, et certains chercheurs proposent d’autres zones de ponte. Une découverte scientifique majeure peut fort bien laisser subsister des questions ouvertes.
💡 Le savais-tu ? Le têtard change de manière de respirer
La métamorphose de la grenouille ne se limite pas à l’apparition des pattes. Le têtard vit dans l’eau et y prélève le dioxygène dissous grâce à des branchies. La jeune grenouille, elle, quitte la mare et respire l’air atmosphérique grâce à des poumons et à sa peau humide.
Le cours consacré à la respiration établissait que l’appareil respiratoire d’un animal correspond au milieu où il vit. La grenouille illustre ce principe d’une façon particulière : un même individu change d’appareil respiratoire en cours de vie, parce qu’il change de milieu.
🔬 Une observation de terrain : suivre une ponte de mare
De février à avril, les mares peu profondes des bois et des prairies humides accueillent les amas gélatineux pondus par les grenouilles rousses. Ces amas se repèrent aisément et se prêtent à un suivi de plusieurs semaines.
- Repérer un amas et le photographier depuis le même point de vue, chaque semaine, avec un objet de taille connue posé à côté pour l’échelle.
- Noter à chaque visite la date, la température de l’air et l’aspect des œufs : point sombre, allongement de l’embryon, éclosion des têtards.
- Comparer les durées observées aux valeurs de référence : deux à quatre semaines jusqu’à l’éclosion, deux à trois mois jusqu’à la métamorphose, davantage lorsque l’eau reste froide.
Les amphibiens sont protégés par la réglementation française. L’observation se pratique sur place, sans prélever ni déplacer les œufs, les têtards ou les adultes.
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 3
- La cellule-œuf se divise et donne un embryon, puis un jeune, puis un adulte capable de se reproduire.
- Le développement est dit direct lorsque le jeune ressemble à l’adulte, et avec métamorphose lorsqu’une forme larvaire très différente le précède.
- Une espèce ovipare pond des œufs ; une espèce vivipare met au monde un jeune déjà formé.
- Produire beaucoup de descendants sans les protéger, ou peu de descendants en les protégeant : deux façons de dépenser une même réserve limitée d’énergie.
🌸La fleur, organe reproducteur des plantes
Les trois premiers chapitres traitaient d’animaux, qui se déplacent. Un chêne, un pommier, un pied de blé, eux, passent leur existence entière à la place qu’occupait leur graine. Comment deux individus fixés au sol, distants de plusieurs dizaines de mètres, parviennent-ils à unir leurs cellules reproductrices ?
La réponse tient dans un organe dont la fonction reste souvent ignorée, tant sa beauté détourne l’attention : la fleur. Ses couleurs et son parfum ne sont pas des ornements gratuits, ce sont des instruments au service de la reproduction.
📘 Définition
La fleur est l’organe reproducteur des plantes à fleurs. Elle réunit quatre catégories de pièces, disposées de l’extérieur vers le centre.
- Les sépales, verts, protègent le bouton avant son ouverture.
- Les pétales, souvent colorés, jouent un rôle de signal visuel.
- Les étamines constituent les pièces mâles. Chacune se compose d’un filet et d’une anthère, petit sac qui produit le pollen.
- Le pistil constitue la pièce femelle. Il comprend le stigmate, surface collante située au sommet, le style, colonne qui le supporte, et l’ovaire, renflement de la base qui abrite un ou plusieurs ovules.
Le pollen ne remplace pas la cellule mâle : il la transporte
Un grain de pollen est une structure microscopique, protégée par une paroi résistante qui lui permet de voyager sans se dessécher. Il contient les cellules reproductrices mâles de la plante, sans être lui-même une cellule mâle nageuse comparable à celle d’un animal.
Ce déplacement se déroule en deux temps, et la confusion entre ces deux temps constitue l’erreur la plus fréquente sur ce sujet.
Le premier temps est la pollinisation : un grain de pollen quitte une anthère et atterrit sur un stigmate. Ce trajet se fait par l’extérieur, porté par le vent ou par un animal. Le second temps est la fécondation : arrivé sur le stigmate, le grain de pollen germe et développe un prolongement très fin, le tube pollinique, qui s’enfonce dans le style jusqu’à l’ovule. La cellule reproductrice mâle emprunte ce tube, atteint l’ovule et fusionne avec la cellule femelle.
Autrement dit, la plante a résolu le problème de la nage par un tunnel. La cellule mâle ne traverse pas l’espace libre : elle circule dans un conduit humide creusé pour elle, à travers les tissus du pistil.
Ce trajet peut être long. Chez le maïs, chaque grain de la future épi est relié à l’extérieur par un long filament soyeux ; le tube pollinique parcourt toute cette longueur et atteint l’ovule en douze à vingt-huit heures.
| Fonction | Chez un animal | Chez une plante à fleurs |
|---|---|---|
| Cellule reproductrice mâle | Spermatozoïde, nageur | Cellule contenue dans le grain de pollen |
| Cellule reproductrice femelle | Ovule | Cellule contenue dans l’ovule |
| Organe qui produit les cellules mâles | Testicule | Anthère de l’étamine |
| Organe qui abrite les cellules femelles | Ovaire | Ovaire du pistil |
| Rapprochement des deux cellules | Accouplement ou émission dans l’eau | Pollinisation, puis tube pollinique |
| Résultat de la fécondation | Cellule-œuf, puis embryon | Cellule-œuf, puis embryon de la graine |
📜 Une histoire vraie : le mûrier qui ne donnait que des graines vides
Jusqu’à la fin du XVIIe siècle, la question du sexe des plantes relevait de l’intuition. Plusieurs botanistes soupçonnaient les étamines de jouer un rôle, sans le prouver.
Rudolf Jakob Camerarius, professeur de médecine et directeur du jardin botanique de Tübingen, décide de trancher par l’expérience. Il remarque d’abord qu’un mûrier femelle isolé, sans voisin mâle, porte bien des fruits, mais que ceux-ci ne contiennent que des graines vides. Il compare ce résultat aux œufs de poule non fécondés, qui ne donnent pas de poussin.
Il vérifie ensuite son idée sur d’autres espèces. En 1691, il cultive des pieds femelles de mercuriale à l’écart de tout pied mâle : les graines obtenues demeurent stériles. Il retire les étamines de fleurs de ricin et de maïs : la production de graines cesse.
En 1694, il réunit ces résultats dans une lettre adressée à un confrère, qui sera imprimée à plusieurs reprises. Sa conclusion, à savoir que les étamines et le pistil sont les organes reproducteurs des plantes, provoque un scandale durable, y compris chez des botanistes. Comparer une plante à un animal heurtait alors des convictions établies sur l’ordre du monde vivant.
🔬 Une expérience réalisable : disséquer une fleur
Une tulipe, un lys, une jonquille ou une fleur de courgette conviennent bien, car leurs pièces sont grandes.
- Retirer les pièces une à une, de l’extérieur vers le centre, et les coller sur une feuille en les nommant : sépales, pétales, étamines, pistil.
- Compter les étamines et frotter une anthère sur une feuille blanche : la poudre déposée est le pollen. L’observer à la loupe, puis au microscope si l’établissement en dispose.
- Couper l’ovaire en travers avec un cutter, sur une planche, et observer la coupe à la loupe : les ovules apparaissent comme de petites billes régulières, alignées dans des logettes.
- Compter les ovules, puis dénombrer les pépins d’un fruit de la même espèce. La comparaison prépare le chapitre 6.
Le pollen de lys tache durablement les tissus. Prévoir une protection et manipuler au-dessus d’une feuille.
💡 Le savais-tu ? Certaines plantes se passent de fécondation
La reproduction sexuée n’est pas la seule voie possible. Un fraisier émet de longues tiges rampantes, les stolons, qui s’enracinent à distance et donnent de nouveaux pieds. Une pomme de terre bourgeonne à partir de ses tubercules. Un rameau de saule planté dans une terre humide développe des racines. Chez les animaux, quelques espèces procèdent de manière comparable : une hydre d’eau douce forme un bourgeon qui se détache et vit ensuite pour son compte.
Cette reproduction asexuée ne fait intervenir qu’un seul parent et se passe de cellules reproductrices. Elle est rapide et économique, mais les descendants obtenus sont des copies de leur unique parent. La reproduction sexuée, à l’inverse, mélange deux origines : les descendants diffèrent entre eux et de leurs parents. Cette diversité constitue son avantage propre, car une population variée résiste mieux à un changement du milieu ou à une maladie nouvelle.
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 4
- La fleur est l’organe reproducteur des plantes à fleurs ; sépales, pétales, étamines et pistil s’y succèdent de l’extérieur vers le centre.
- Les anthères des étamines produisent le pollen, qui transporte les cellules reproductrices mâles ; l’ovaire du pistil abrite les ovules.
- La pollinisation est le transport du pollen jusqu’au stigmate ; la fécondation est l’union des deux cellules, plus tard, au fond de l’ovaire.
- Le tube pollinique remplace la nage : il conduit la cellule mâle du stigmate jusqu’à l’ovule.
- La reproduction asexuée donne des copies d’un seul parent ; la reproduction sexuée produit des individus différents les uns des autres.
🐝Transporter le pollen : le vent, l’animal, la main
Le chapitre précédent laisse une question en suspens. Le tube pollinique règle le trajet final, à l’intérieur du pistil. Mais avant cela, le grain de pollen doit quitter une anthère et se poser sur un stigmate, souvent celui d’une autre plante, distante de plusieurs mètres. Un grain de pollen ne possède ni aile, ni patte, ni flagelle. Le transport doit donc être assuré de l’extérieur, et deux solutions se partagent le monde végétal.
📘 Définition
- La pollinisation par le vent confie le transport aux mouvements de l’air. Les graminées, le noisetier, le chêne, le bouleau et les pins procèdent ainsi.
- La pollinisation par les animaux confie le transport à un visiteur, le plus souvent un insecte, attiré par une récompense. Le pommier, le colza, le trèfle et la plupart des fleurs de jardin procèdent ainsi.
Le nectar est le liquide sucré produit par certaines fleurs. Il constitue la récompense offerte au visiteur, qui repart couvert de pollen sans en avoir l’intention.
Deux factures, encore
La comparaison avec le chapitre 2 s’impose d’elle-même. Confier le pollen au vent revient à libérer des cellules dans la mer : le transporteur est gratuit, mais il ne vise rien. La distance moyenne réellement utile se compte en mètres, et la probabilité qu’un grain donné atteigne un stigmate de son espèce demeure infime. La plante compense donc par le nombre, dans des proportions difficiles à imaginer : un seul chaton de noisetier, cette grappe pendante de fleurs mâles, libère environ quatre millions de grains, et un épillet de seigle en émet de l’ordre de cinquante mille en une journée.
Confier le pollen à un insecte revient, à l’inverse, à payer un transporteur. La fleur produit du nectar, des couleurs et un parfum, ce qui représente une dépense réelle. En échange, le pollen part vers une autre fleur de la même espèce, car un insecte qui a trouvé une ressource intéressante continue de visiter des fleurs semblables. Le transport devient ciblé, et la quantité de pollen nécessaire diminue fortement.
Cette seconde solution domine largement. Les estimations les plus solides portent à environ 87,5 % la proportion d’espèces de plantes à fleurs pollinisées par des animaux ; une réévaluation publiée en 2023 la situe autour de 90 %. La pollinisation par le vent concerne donc une minorité d’espèces, quoique ce petit groupe comprenne des plantes cultivées de première importance, comme le blé, le riz et le maïs.
| Caractère | Fleur pollinisée par le vent | Fleur pollinisée par un animal |
|---|---|---|
| Pétales | Réduits, verdâtres ou absents | Larges et colorés |
| Parfum et nectar | Absents | Présents dans la plupart des cas |
| Quantité de pollen | Considérable | Modérée |
| Aspect du pollen | Léger, sec, à surface lisse | Plus lourd, collant, souvent orné d’aspérités |
| Étamines | Longues, pendantes, exposées à l’air | Situées sur le passage du visiteur |
| Stigmate | Étalé, ramifié, en forme de plumeau | Compact et collant |
| Exemples | Blé, seigle, noisetier, bouleau | Pommier, colza, lavande, orchidées |
📜 Une histoire vraie : la prédiction de l’orchidée de Madagascar
En 1862, Charles Darwin reçoit les fleurs d’une orchidée malgache, l’étoile de Madagascar. Leur particularité saute aux yeux : sous la fleur pend un éperon creux et étroit, long de plus de vingt-cinq centimètres, dont le nectar occupe seulement le fond.
Darwin en tire une conclusion qui semble alors extravagante. Une telle profondeur ne présente d’intérêt pour la plante que si un animal parvient à l’atteindre, car un nectar inaccessible n’attirerait personne et la fleur resterait sans descendance. Il annonce donc qu’il doit exister à Madagascar un papillon nocturne muni d’une trompe de longueur comparable. La prédiction est accueillie par des railleries : nul n’a vu pareil insecte.
Alfred Russel Wallace la soutient et propose un candidat précis, un sphinx africain à très longue trompe. En 1903, deux entomologistes britanniques décrivent effectivement à Madagascar un sphinx correspondant à la description, qu’ils nomment d’un mot signifiant « prédit ».
L’affaire n’était pourtant pas close. Décrire un insecte plausible ne prouve pas qu’il visite la fleur. Il faut attendre 1997 pour qu’un chercheur allemand obtienne les premières photographies de l’animal introduisant sa trompe dans l’éperon et emportant le pollen, puis une vidéo en 2004. Cent trente-cinq ans séparent le raisonnement de sa vérification directe.
💡 Le savais-tu ? Pourquoi la vanille se féconde à la main
La vanille est le fruit d’une orchidée originaire d’Amérique centrale. Sa fleur porte les pièces mâles et les pièces femelles, mais une fine membrane, le rostellum, s’interpose entre l’anthère et le stigmate et empêche le pollen de tomber sur celui-ci. Un intermédiaire est donc nécessaire pour soulever cette membrane et déposer le pollen au bon endroit.
Dans son aire d’origine, ce service est rendu par des abeilles sauvages, dont l’identité précise reste discutée par les spécialistes. Transportée au XIXe siècle vers les îles de l’océan Indien, la liane y prospéra et fleurit abondamment, sans produire la moindre gousse : le pollinisateur, lui, était resté en Amérique.
Le botaniste belge Charles Morren obtint une fécondation artificielle en 1836 par un procédé délicat. La méthode qui rendit la culture possible fut mise au point en 1841 à l’île Bourbon, l’actuelle île de La Réunion, par un jeune horticulteur nommé Edmond Albius : un geste simple, exécuté avec une pointe fine, qui écarte le rostellum et presse l’anthère contre le stigmate. Ce geste demeure aujourd’hui la méthode employée dans les plantations, fleur par fleur, chacune ne s’ouvrant que durant une journée.
🔬 Une observation réalisable : compter les visiteurs
Ce protocole se pratique au printemps ou en été, par temps calme et ensoleillé, dans un jardin ou un parc.
- Choisir deux plantes en fleurs bien différentes : une graminée montée en épi et une plante à fleurs colorées, lavande ou trèfle par exemple.
- Observer chacune pendant dix minutes, à un mètre de distance, sans la toucher. Noter chaque visite d’insecte et, lorsque c’est possible, sa catégorie : abeille, bourdon, syrphe, papillon, coléoptère.
- Répéter l’observation à un autre moment de la journée, puis comparer les totaux obtenus pour les deux plantes.
- Rapprocher enfin les résultats du tableau ci-dessus : le nombre de visites correspond-il à l’aspect des fleurs ?
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 5
- Le pollen est immobile : son transport dépend du vent ou d’un animal.
- La pollinisation par le vent est peu précise ; la plante compense par des quantités de pollen considérables.
- La pollinisation par les animaux est ciblée ; la plante paie ce service en nectar, en couleurs et en parfum.
- L’aspect d’une fleur renseigne sur son mode de pollinisation.
- La disparition d’un pollinisateur peut suffire à empêcher la formation des fruits, comme le montre le cas de la vanille.
🌰Du fruit à la graine, et de la graine au nouveau milieu
La fécondation a eu lieu au fond de l’ovaire. La fleur, dès lors, n’a plus d’utilité : ses pétales se fanent et tombent, ses étamines se dessèchent. Ce qui reste, en revanche, se transforme en profondeur.
📘 Définition
- Le fruit provient de l’ovaire de la fleur, qui grossit après la fécondation.
- La graine provient d’un ovule fécondé. Elle contient un embryon de plante et des réserves nutritives, protégés par une enveloppe.
- La dissémination est le transport de la graine loin de la plante mère.
- La germination est la reprise du développement de l’embryon, lorsque les conditions du milieu le permettent.
Une conséquence pratique découle de ces définitions : le nombre de pépins d’un fruit correspond au nombre d’ovules fécondés dans l’ovaire dont il provient.
La graine, un embryon qui sait attendre
Une graine mûre n’est pas une plante endormie par hasard : c’est un dispositif de survie. L’embryon y est déshydraté, entouré de réserves et enfermé dans une enveloppe résistante. Sous cette forme, il traverse des conditions qui tueraient une plante ordinaire : gel de l’hiver, sécheresse de l’été, absence prolongée de lumière.
Cette capacité d’attente joue un rôle décisif dans l’occupation des milieux. Une plante annuelle disparaît chaque automne, mais ses graines demeurent dans le sol et repeuplent le terrain au printemps suivant. La terre d’une prairie contient ainsi une réserve considérable de graines en attente, invisible à l’œil.
Quitter la plante mère
Une graine tombée au pied de sa plante mère se retrouve dans une situation difficile : elle grandirait à l’ombre de celle-ci, en concurrence directe avec elle pour l’eau, la lumière et les sels minéraux. La dissémination répond à ce problème. Les fruits présentent donc des formes qui correspondent à leur mode de transport.
| Transporteur | Forme du fruit ou de la graine | Exemples |
|---|---|---|
| Le vent | Aile plate, ou aigrette de poils fins | Érable, frêne, pissenlit, chardon |
| Un animal, à l’extérieur | Crochets et aspérités qui s’accrochent aux poils | Bardane, gaillet, carotte sauvage |
| Un animal, à l’intérieur | Chair sucrée entourant des graines qui résistent à la digestion | Cerise, sureau, gui, mûre |
| L’eau | Enveloppe imperméable renfermant de l’air | Noix de coco, nénuphar, aulne |
| La plante elle-même | Fruit sec qui se fend brusquement et projette ses graines | Genêt, balsamine, violette |
📜 Une histoire vraie : le fruit qui a inspiré une fermeture
En 1941, l’ingénieur suisse George de Mestral rentre d’une partie de chasse. Son pantalon et le pelage de son chien sont couverts de fruits de bardane, ces petites boules qui s’accrochent à tout ce qu’elles touchent. La réaction ordinaire consiste à les arracher en maugréant ; celle de Mestral consiste à en placer un sous son microscope.
Il découvre alors que ces fruits ne portent pas des épines, mais des centaines de fins crochets recourbés, qui se prennent dans les boucles d’un tissu ou dans les poils d’un animal et se dégagent ensuite sans se briser. Ce dispositif assure la dissémination de la plante : le fruit voyage sur le dos d’un animal et se détache plus loin.
Mestral entreprend de reproduire le principe avec deux bandes de tissu, l’une garnie de crochets, l’autre de boucles. La mise au point est laborieuse : le coton s’use trop vite, et il faut plusieurs années pour trouver dans le nylon traité à chaud la matière convenable. Le brevet suisse est déposé en 1951 et délivré en 1954. Le nom retenu, formé sur « velours » et « crochet », s’est depuis répandu bien au-delà de la marque.
💡 Le savais-tu ? Une graine germée après deux mille ans
Dans les années 1960, des fouilles menées dans la forteresse de Massada, en bordure de la mer Morte, mettent au jour des graines de palmier dattier conservées dans un climat très sec. Elles restent des décennies dans une collection, jusqu’à ce qu’une chercheuse tente l’improbable : les réhydrater et les planter.
En mars 2005, l’une d’elles germe. Une datation au carbone 14, méthode qui mesure l’âge des restes d’origine vivante, attribue aux graines du même lot un âge d’environ deux mille ans. Le jeune palmier reçoit le surnom de Mathusalem. Le précédent record connu appartenait à une graine de lotus âgée d’environ mille trois cents ans.
Ces cas exceptionnels reposent sur des conditions de conservation très particulières : sécheresse, obscurité, température stable. Ils confirment cependant le principe général : une graine est un embryon capable de suspendre son développement, parfois pour très longtemps.
🔬 Une expérience réalisable : réveiller des graines
Cette expérience demande une semaine et du matériel de cuisine. Elle isole les conditions nécessaires à la germination.
- Préparer quatre pots identiques contenant chacun dix graines de haricot ou de lentille posées sur du coton.
- Pot A : coton humide, à température ambiante, à la lumière. Pot B : coton sec, à température ambiante. Pot C : coton humide, placé au réfrigérateur. Pot D : coton humide, à température ambiante, enfermé dans une boîte opaque.
- Observer chaque jour pendant sept jours et noter le nombre de graines germées dans chaque pot.
- Comparer les pots deux à deux. Le pot B renseigne sur l’eau, le pot C sur la température, le pot D sur la lumière. Le résultat concernant la lumière surprend souvent : de nombreuses graines germent sans difficulté dans l’obscurité, car l’embryon vit d’abord sur ses réserves.
Le milieu commande le calendrier
Un dernier point relie ce chapitre aux précédents. La reproduction ne se déclenche pas au hasard : elle répond aux conditions du milieu. Les grenouilles rousses gagnent les mares dès la fin de l’hiver, lorsque la température remonte. Les coraux libèrent leurs cellules quelques nuits par an, quand l’eau est suffisamment chaude et que la Lune est dans la phase convenable. Les arbres pollinisés par le vent fleurissent avant l’apparition des feuilles, qui feraient obstacle au passage du pollen. Les graines attendent, dans le sol, une saison favorable.
Cette dépendance explique aussi la fragilité de l’ensemble. Une mare comblée, un printemps trop précoce, la disparition d’un insecte pollinisateur : chacun de ces changements peut interrompre la reproduction d’une espèce dans un milieu donné, alors même que les individus adultes s’y portent bien.
🧵 Fil rouge : la boucle est bouclée
Le cours consacré à la respiration montrait que la répartition des êtres vivants dépend de leur manière de prélever le dioxygène. Celui-ci ajoute une seconde condition, tout aussi contraignante : une espèce n’occupe durablement un milieu que si elle parvient à s’y reproduire. Vivre quelque part et y faire naître la génération suivante sont deux exigences distinctes, et la seconde est la plus difficile à satisfaire.
📋 Ce qu’il faut retenir du chapitre 6
- Après la fécondation, l’ovaire devient un fruit et chaque ovule fécondé devient une graine.
- La graine contient un embryon et ses réserves ; elle résiste aux conditions défavorables et peut attendre longtemps.
- La dissémination éloigne la graine de la plante mère et lui évite d’entrer en concurrence avec elle.
- La forme du fruit correspond à son mode de transport : aile, aigrette, crochets, chair sucrée, enveloppe flottante.
- La germination requiert de l’eau et une température convenable ; la lumière n’est pas nécessaire à la plupart des graines.
- Les conditions du milieu commandent le moment de la reproduction, et donc le maintien de l’espèce dans ce milieu.
❓Quiz : dix questions pour vérifier
Réponds sur une feuille, sans revenir en arrière. Le corrigé se trouve à la suite.
✅ Corrigé
- La cellule reproductrice mâle, appelée spermatozoïde chez les animaux, et la cellule reproductrice femelle, appelée ovule.
- Parce qu’elle contient les réserves nutritives qui alimentent le début du développement de l’embryon, avant que celui-ci puisse se nourrir par lui-même.
- Parce que la cellule mâle se déplace en nageant : elle a besoin d’un liquide et se dessèche à l’air libre.
- Avantage : la production d’un très grand nombre d’œufs compense les pertes, sans dépense de temps ni d’énergie pour les protéger. Inconvénient : la très grande majorité des œufs disparaît, dévorée ou dispersée, et la matière qu’ils représentent est perdue.
- Dans un développement direct, le jeune présente déjà les caractères de l’adulte : le poussin, le chaton. Dans un développement avec métamorphose, une forme larvaire très différente précède l’adulte : le têtard avant la grenouille, la chenille avant le papillon.
- L’anthère, située au sommet de l’étamine, produit le pollen. L’ovaire, à la base du pistil, abrite les ovules.
- La pollinisation est le transport d’un grain de pollen d’une anthère jusqu’à un stigmate ; elle se fait par l’extérieur, grâce au vent ou à un animal. La fécondation vient ensuite : elle correspond à l’union de la cellule mâle et de la cellule femelle, à l’intérieur de l’ovule.
- Il conduit la cellule reproductrice mâle du stigmate jusqu’à l’ovule. Il se forme à partir du grain de pollen déposé sur le stigmate et traverse le style.
- Deux caractères parmi les suivants : pétales réduits ou verdâtres, absence de nectar et de parfum, étamines longues et pendantes, stigmate étalé en forme de plumeau, pollen très abondant.
- L’ovaire devient le fruit. Chaque ovule fécondé devient une graine.
✏️Trois exercices de réflexion
Ces exercices demandent un raisonnement rédigé, et non une réponse en un mot. Prends le temps d’écrire des phrases complètes.
Exercice 1 · Une affirmation à discuter
Un élève déclare : « Le vent transporte le pollen gratuitement. Les plantes qui fabriquent du nectar, des couleurs et du parfum dépensent donc de l’énergie pour rien. »
Rédige une réponse argumentée en cinq à dix lignes. Utilise les mots suivants : transport ciblé, quantité de pollen, probabilité.
Exercice 2 · Un décalage de calendrier
Dans un lac, une espèce de poisson pond au printemps, lorsque l’eau atteint douze degrés Celsius. Les larves qui éclosent se nourrissent d’organismes microscopiques dont la population se développe, elle, à mesure que les jours rallongent.
Une installation industrielle réchauffe désormais l’eau du lac de quelques degrés. La ponte se produit trois semaines plus tôt que les années précédentes ; la durée du jour, elle, n’a pas changé.
Explique les conséquences prévisibles pour les larves, puis pour la population de poissons de ce lac.
Exercice 3 · Un pommier sans pommes
Un pommier isolé, planté au milieu d’un grand terrain, fleurit abondamment chaque printemps. Depuis deux ans, il ne donne pourtant pas de pomme, alors que ses feuilles et ses rameaux sont en bonne santé.
Propose deux hypothèses différentes susceptibles d’expliquer cette absence de fruits. Décris ensuite, pour chacune, une observation ou une manipulation qui permettrait de la vérifier.
✅ Éléments de réponse attendus
- Exercice 1. Le vent ne coûte rien, mais il ne vise pas : la probabilité qu’un grain atteigne un stigmate de la même espèce reste très faible, et la distance réellement utile se compte en mètres. Une plante pollinisée par le vent compense donc en produisant des quantités énormes de pollen, ce qui représente aussi une dépense importante de matière. Une plante pollinisée par un insecte paie autrement : elle investit dans le nectar, la couleur et le parfum, mais obtient un transport ciblé, d’une fleur vers une autre fleur de la même espèce, et peut donc produire beaucoup moins de pollen. Les deux solutions ont un coût ; elles le placent seulement à des endroits différents.
- Exercice 2. La ponte est déclenchée par la température, tandis que le développement des organismes microscopiques dépend de la durée du jour, qui n’a pas varié. Les larves éclosent donc trois semaines avant l’apparition de leur nourriture. Une partie d’entre elles épuise ses réserves avant d’avoir pu se nourrir et meurt. Le nombre de jeunes poissons atteignant l’âge adulte diminue, et la population du lac décline, alors même que les adultes vivants ne subissent pas de dommage direct. Cet exemple montre qu’une espèce peut disparaître d’un milieu par échec de sa reproduction, sans que les adultes soient touchés.
- Exercice 3. Première hypothèse : les fleurs ne sont pas pollinisées, faute d’insectes visiteurs, ou en l’absence d’un autre pommier fournissant du pollen à proximité. Vérification : observer les fleurs pendant plusieurs périodes de dix minutes et compter les visites d’insectes ; polliniser quelques fleurs à la main avec du pollen prélevé sur un autre pommier, marquer ces rameaux d’un fil de couleur et vérifier à l’été si des fruits s’y sont formés. Seconde hypothèse : les fleurs sont détruites par le gel avant la fécondation. Vérification : relever les températures nocturnes pendant la floraison et examiner le cœur des fleurs après une nuit froide, un pistil noirci indiquant une fleur gelée. D’autres hypothèses sont recevables, à condition d’être accompagnées d’une vérification réalisable.