Biologie universitaire — 2e année · Bachelor Year 2

8La reproduction sexuée des mammifères

Un ovocyte humain mesure un dixième de millimètre de diamètre : c’est la plus grande cellule du corps ; un spermatozoïde est un noyau muni d’une hélice, l’un de trois cents millions libérés en même temps, dont quelques dizaines atteindront l’ovocyte et un seul y entrera. En une semaine, l’œuf fécondé est devenu une sphère creuse qui s’enfouit dans la paroi de l’utérus et construit, à partir de ses propres cellules externes, un organe — le placenta — par lequel sa mère le nourrira pendant neuf mois. Puis il naît et se nourrit de lait. Tous les mammifères font cela ; aucun autre animal ne fait tout cela. Ce chapitre suit les gamètes jusqu’à la fécondation, l’embryon jusqu’à la nidation, et l’organisme au fil de la gestation, de la naissance et de la lactation, et se termine sur la façon dont se construisent les deux sexes.

8.1 Gonades et gamètes

Définition 8.1 (Le testicule et la spermatogenèse)

Le testicule est une masse de tubes séminifères, longs de plusieurs centaines de mètres au total, dont les parois produisent les spermatozoïdes ; entre les tubes se trouvent les cellules de Leydig, qui produisent la testostérone. Dans la paroi du tube, les spermatogonies situées à la périphérie se divisent par mitose, entretenant une population souche et envoyant des cellules vers l’intérieur ; celles-ci grossissent en spermatocytes primaires, qui subissent la méiose I (et donnent deux spermatocytes secondaires) puis la méiose II (et donnent quatre spermatides haploïdes) ; les spermatides perdent la plus grande partie de leur cytoplasme, condensent leur noyau, développent un flagelle et coiffent le noyau de l’acrosome, une vésicule d’enzymes, pour devenir des spermatozoïdes libérés dans la lumière. De grandes cellules de Sertoli traversent la paroi, nourrissent les cellules germinales et forment, par les jonctions serrées qui les unissent, une barrière hémato-testiculaire qui tient le système immunitaire à l’écart de cellules apparues seulement à la puberté. La séquence entière dure environ $64$ jours chez l’homme et fournit quelque $10^{8}$ spermatozoïdes par jour, de la puberté à la vieillesse. Les spermatozoïdes quittent le testicule immobiles et mûrissent pendant deux semaines dans l’épididyme.

Un tube séminifère en coupe transversale. Les cellules germinales mûrissent de la paroi externe (spermatogonies) vers l’intérieur (spermatocytes, spermatides, spermatozoïdes dans la lumière), soutenues par les cellules de Sertoli ; les cellules de Leydig, entre les tubes, produisent la testostérone.

À gauche : tubes séminifères en coupe, les cellules germinales étagées de la paroi à la lumière. À droite : spermatozoïdes au microscope électronique à balayage, la coiffe acrosomique visible sur les têtes.

Définition 8.2 (L’ovaire et l’ovogenèse)

L’ovogenèse est presque en tout point l’image inversée de la spermatogenèse. Les ovogonies ne se multiplient que chez le fœtus : à la naissance, une fille possède un stock d’environ un million d’ovocytes primaires, chacun bloqué en prophase I de méiose et entouré d’une seule couche de cellules — un follicule primordial — et il ne s’en forme jamais de nouveaux. À partir de la puberté, chaque mois, une cohorte de follicules se développe : l’ovocyte grossit, les cellules de la granulosa qui l’entourent se multiplient en plusieurs couches, une thèque externe se forme, une cavité remplie de liquide s’ouvre (le follicule de De Graaf, de deux centimètres de diamètre), et en général un seul atteint l’ovulation : l’ovocyte, qui achève seulement alors la méiose I et se bloque de nouveau en métaphase II, est expulsé dans l’oviducte avec sa couronne de cellules de la granulosa. Le follicule vidé devient le corps jaune, une glande temporaire qui sécrète la progestérone. La méiose produit un ovocyte et trois minuscules globules polaires — tout le cytoplasme va à une seule cellule — et la méiose II ne s’achève que si un spermatozoïde entre. Sur le million d’ovocytes, environ $400$ sont ovulés au cours d’une vie ; les autres dégénèrent (atrésie), et lorsque le stock est épuisé, vers cinquante ans, les cycles s’arrêtent : c’est la ménopause.

Les deux gamétogenèses dans le temps. Les ovocytes sont tous formés avant la naissance et libérés un par un à partir d’un stock fini ; les spermatozoïdes sont produits en continu à partir de cellules souches pendant toute la vie adulte.

Un ovocyte ovulé : la cellule, son enveloppe transparente (la zone pellucide), et le nuage de cellules de la granulosa qui a quitté le follicule avec elle.

8.2 La fécondation

Proposition 8.3 (Les étapes de la fécondation)

Les spermatozoïdes déposés dans le vagin — quelque $3\times 10^{8}$ — traversent la glaire cervicale, sont entraînés vers le haut de l’utérus par ses contractions, et quelques centaines atteignent en une heure l’ampoule de l’oviducte, où l’ovocyte attend pendant une journée. En chemin, les spermatozoïdes subissent la capacitation : les sécrétions des voies génitales femelles débarrassent leurs membranes de protéines de revêtement et les rendent hyperactifs. Au contact de l’ovocyte, un spermatozoïde traverse les cellules de la granulosa, se fixe à une glycoprotéine de la zone pellucide et subit la réaction acrosomique, qui libère des enzymes creusant un passage à travers la zone ; sa membrane fusionne avec celle de l’ovocyte, et le noyau du spermatozoïde entre. L’ovocyte répond en quelques secondes : une vague de calcium le parcourt, et des granules corticaux libèrent des enzymes qui durcissent la zone et en détachent les récepteurs des spermatozoïdes — c’est la réaction corticale, le blocage de la polyspermie. L’ovocyte achève la méiose II, expulse le second globule polaire, et les deux pronucléus haploïdes répliquent leur ADN, se rapprochent et entrent dans la première mitose : le zygote a un jour. La spécificité d’espèce réside dans les protéines de la zone, ce qui explique qu’un spermatozoïde de souris n’entre pas dans un ovocyte humain.

Faits expérimentaux. Edwards et Steptoe (1978) fécondèrent dans une boîte, avec des spermatozoïdes capacités, un ovocyte humain prélevé dans l’ovaire peu avant l’ovulation, cultivèrent l’embryon jusqu’au stade huit cellules et le replacèrent dans l’utérus, où il s’implanta et naquit : c’était la fécondation in vitro. Chaque étape de la séquence ci-dessus avait d’abord été établie chez l’oursin et la souris, où l’on peut observer la fusion, la vague calcique et la libération des granules corticaux ; chez la souris, la suppression par mutation d’une glycoprotéine de la zone (ZP2 ou ZP3) donne des ovocytes auxquels les spermatozoïdes ne peuvent pas se fixer. ∎

Théorème 8.4 (Pourquoi un ovocyte a besoin de millions de spermatozoïdes)

Si, sur $N$ spermatozoïdes déposés, chacun atteint la surface de l’ovocyte indépendamment avec une faible probabilité $\pi$ , le nombre de ceux qui arrivent suit une loi de Poisson de moyenne $m = N\pi$ , et la probabilité qu’au moins un arrive vaut

P = 1 - e^{-m}.

Avec $N = 3\times 10^{8}$ et $\pi \approx 10^{-8}$ , $m \approx 3$ et $P \approx 0.95$ ; avec $N = 2\times 10^{7}$ (le seuil clinique d’oligospermie), $m = 0.2$ et $P = 0.18$ . La même arithmétique montre pourquoi le blocage de la polyspermie est indispensable : lorsque $P$ est élevée, plusieurs spermatozoïdes arrivent à quelques secondes d’intervalle, et un ovocyte pénétré par deux d’entre eux serait triploïde et mourrait.

Démonstration. Chaque spermatozoïde est une épreuve indépendante de probabilité de succès $\pi$ ; le nombre de succès suit une loi binomiale, qui, pour $N$ grand et $\pi$ petit, est une loi de Poisson de moyenne $N\pi$ . La probabilité d’aucun succès vaut $e^{-m}$ , celle d’au moins un $1 - e^{-m}$ ; la probabilité de deux succès ou plus vaut $1 - e^{-m}(1 + m)$ , environ $0.8$ pour $m = 3$ . ∎

La fécondation en quatre étapes : fixation à la zone, réaction acrosomique, fusion et vague calcique, et réaction corticale qui ferme l’ovocyte aux autres spermatozoïdes pendant qu’il achève sa méiose.

8.3 La nidation et le placenta

Définition 8.5 (Segmentation, blastocyste, nidation)

Le zygote se divise toutes les douze à vingt heures sans croître (c’est la segmentation) tandis qu’il descend l’oviducte : deux cellules, quatre, huit, une boule compacte de seize (la morula), et au cinquième jour un blastocyste d’une centaine de cellules : une couche externe, le trophoblaste, autour d’une cavité, avec un amas de cellules d’un côté, la masse cellulaire interne. Le trophoblaste construira le placenta et les annexes ; la masse cellulaire interne deviendra l’embryon — et, prélevée à ce stade, fournit des cellules souches embryonnaires. Au sixième jour, le blastocyste s’échappe de sa zone pellucide, adhère à la muqueuse utérine, et le trophoblaste l’envahit : des cellules fusionnent en un front plurinucléé qui digère le tissu maternel et ouvre des capillaires maternels, si bien qu’au douzième jour l’embryon est enfoui dans la paroi et baigné de sang maternel. C’est la nidation. Elle ne réussit que dans un utérus préparé par la progestérone, pendant une fenêtre de quelques jours ; environ la moitié des conceptions humaines échouent avant cette étape ou à ce moment, le plus souvent à cause d’erreurs chromosomiques de l’ovocyte.

Un blastocyste au cinquième jour : le trophoblaste externe autour de la cavité, et la masse cellulaire interne — le futur embryon — d’un côté.

Définition 8.6 (Le placenta)

Le placenta est un organe construit conjointement par l’embryon (le chorion, issu du trophoblaste) et par la mère (la muqueuse utérine). Des villosités choriales en forme de doigts, ramifiées jusqu’à former à terme une surface de quelque $12\,\mathrm{m}^{2}$ , plongent dans des lacs de sang maternel alimentés par les artères utérines à raison d’un demi-litre par minute ; à l’intérieur de chaque villosité courent des capillaires fœtaux, reliés au fœtus par les deux artères et la veine du cordon ombilical. Les deux sangs ne se mélangent jamais : ils sont séparés par la paroi de la villosité, quelques micromètres de trophoblaste et d’endothélium capillaire, à travers lesquels diffusent le dioxygène, le $\mathrm{CO_2}$ , l’eau, l’urée et les molécules liposolubles, tandis que le glucose et les acides aminés sont pris en charge par des transporteurs et que les anticorps maternels (IgG) sont transférés par un récepteur, ce qui donne au nouveau-né ses premiers mois d’immunité. Le placenta est aussi une glande : dès les premiers jours, le trophoblaste sécrète l’hormone chorionique gonadotrope (hCG), qui maintient la production de progestérone par le corps jaune, et à partir du troisième mois le placenta produit lui-même la progestérone et les œstrogènes qui maintiennent la grossesse (Chapitre 9). C’est en somme un poumon, un intestin, un rein et une glande endocrine qui croissent pendant neuf mois et sont rejetés à la naissance.

Le placenta : les villosités fœtales, qui portent des capillaires fœtaux, plongent dans un espace rempli de sang maternel provenant des artères spiralées. Les deux sangs échangent à travers la paroi des villosités et ne se mélangent jamais.

Théorème 8.7 (Les échanges à travers le placenta)

Un gaz qui traverse une membrane de surface $A$ et d’épaisseur $d$ passe à un débit $J = K\,A\,\Delta P/d$ , où $\Delta P$ est la différence de sa pression partielle et $K$ la perméabilité du tissu. Pour le dioxygène dans un tissu, $K \approx 3 \times 10^{-8}\,\mathrm{mL}/(\mathrm{cm}\,\mathrm{min}\,\mathrm{mmHg})$ ; avec $A = 12\,\mathrm{m}^{2}$ , $d = 3.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ et $\Delta P = 20\,\mathrm{mmHg}$ ( $40\,\mathrm{mmHg}$ côté maternel dans la chambre intervilleuse contre $20\,\mathrm{mmHg}$ dans l’artère ombilicale), le placenta pourrait laisser passer environ $200\,\mathrm{mL}$ de dioxygène par minute, quelque huit fois les $25\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ que consomme un fœtus à terme. Le transfert du dioxygène est donc limité non par la diffusion mais par le débit sanguin ; le fœtus fonctionne à basse pression de dioxygène et compense par une hémoglobine de plus grande affinité et un nombre d’hématies plus élevé.

Démonstration. La loi de Fick énonce que le flux est proportionnel au gradient $\Delta P/d$ et à la surface ; la constante $K$ intègre la solubilité et le coefficient de diffusion du gaz dans le tissu. Numériquement : $3\times 10^{-8}\times 1.2\times 10^{5}\times 20/(3.5\times 10^{-4}) = 206\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ avec $A$ en $\mathrm{cm}^{2}$ et $d$ en $\mathrm{cm}$ . La demande fœtale est d’environ $7\,\mathrm{mL}$ par kilogramme et par minute pour $3.5\,\mathrm{kg}$ . ∎

8.4 Gestation, naissance et lactation

Proposition 8.8 (Gestation et naissance)

La gestation dure $20$ jours chez la souris, $280$ chez l’être humain, $660$ chez l’éléphant — à peu près comme la puissance un quart de la masse corporelle, les primates étant lents pour leur taille. Elle est maintenue par la progestérone, qui garde le muscle utérin au repos et le col fermé. La naissance (parturition) est déclenchée par le fœtus lui-même : son cortisol surrénalien, qui augmente à terme, fait passer le placenta de la progestérone aux œstrogènes, lesquels dotent l’utérus de récepteurs à l’ocytocine et de jonctions communicantes et déclenchent la libération de prostaglandines. Une rétroaction positive prend alors le relais : la tête appuie sur le col, des nerfs sensitifs informent l’hypothalamus, l’ocytocine est libérée par la neurohypophyse, l’utérus se contracte, la tête appuie plus fort ; la boucle s’emballe jusqu’à l’expulsion, après quoi le stimulus disparaît et la boucle s’arrête — l’une des rares rétroactions positives de la physiologie, et l’une de celles qui doivent aboutir à un événement. Le placenta est expulsé quelques minutes plus tard.

Faits expérimentaux. Ferguson (1941) montra chez la lapine que la distension du col provoquait des contractions utérines et que la section de la moelle épinière ou l’ablation de la neurohypophyse supprimait la réponse : un réflexe neuroendocrinien allant du col à l’hypophyse puis à l’utérus. L’ocytocine, isolée et synthétisée par du Vigneaud en 1953, est aujourd’hui le médicament de référence pour déclencher le travail. ∎

Proposition 8.9 (La lactation)

La glande mammaire, une glande sudoripare modifiée, se développe pendant la grossesse sous l’effet des œstrogènes, de la progestérone et de la prolactine, mais la progestérone l’empêche de sécréter ; lorsque le placenta est expulsé, la progestérone chute et, sous l’effet de la prolactine antéhypophysaire, les alvéoles commencent à produire du lait. Deux réflexes pilotent le processus : la tétée stimule la libération de prolactine (qui entretient la synthèse et supprime l’ovulation) et celle d’ocytocine (qui contracte les cellules entourant les alvéoles et éjecte le lait). Le lait humain contient environ $7\,\%$ de lactose, $4\,\%$ de lipides, $1\,\%$ de protéines et apporte $2.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mL}$ ; le colostrum des premiers jours est riche en anticorps (IgA) qui tapissent l’intestin du nourrisson. Une mère produit environ $750\,\mathrm{mL}$ par jour, pour un coût de quelque $2.5\,\mathrm{MJ}$ — le quart de sa nourriture — pendant des mois ; la lactation est la partie la plus coûteuse de la reproduction des mammifères, et celle qui donne son nom à la classe.

8.5 La construction des deux sexes

Proposition 8.10 (Détermination et différenciation du sexe)

Jusqu’à la sixième semaine, un embryon humain des deux sexes possède le même équipement : une gonade indifférenciée, deux paires de canaux (les canaux de Wolff et de Müller) et des organes génitaux externes neutres. Le gène SRY, porté par le chromosome Y, s’active dans la gonade et la transforme en testicule ; en son absence, la gonade devient un ovaire. Le testicule fœtal fait alors deux choses : ses cellules de Sertoli sécrètent l’hormone antimüllérienne, qui fait régresser les canaux de Müller, et ses cellules de Leydig sécrètent la testostérone, qui maintient les canaux de Wolff (futurs épididyme, canal déférent, vésicules séminales) et, convertie en dihydrotestostérone, façonne les organes génitaux externes en pénis et scrotum. En l’absence de ces deux signaux, les canaux de Wolff régressent, les canaux de Müller deviennent les oviductes, l’utérus et la partie supérieure du vagin, et les organes génitaux se développent selon le type femelle. La voie femelle est celle qui est prise quand rien n’est dit : la voie mâle doit être activement imposée par le testicule, et chaque étape où cette imposition échoue — un SRY mutant, un récepteur hormonal absent — donne un individu XY au corps féminin ou intermédiaire.

Faits expérimentaux. Jost (1947) retira les gonades de fœtus de lapin dans l’utérus, avant la différenciation de leurs canaux : les fœtus castrés, quel que soit leur sexe chromosomique, développaient un utérus, des oviductes et des organes génitaux femelles. Un cristal de testostérone implanté chez un fœtus castré maintenait les canaux de Wolff du côté concerné mais n’éliminait pas les canaux de Müller ; un testicule fœtal greffé faisait les deux, de son côté : le testicule devait donc produire un second facteur, alors inconnu, pour supprimer les canaux femelles, identifié trente ans plus tard comme l’hormone antimüllérienne. Plus tard, l’effet d’inversion du sexe d’un petit fragment du chromosome Y permit de localiser l’interrupteur sur SRY (1990), et une souris XX dotée du seul gène Sry se développa en mâle. ∎

La différenciation sexuelle : le testicule, formé sous l’action de SRY, impose la voie mâle au moyen de deux hormones ; en leur absence, le corps se développe selon le type femelle. — La différenciation sexuelle : le testicule, formé sous l’action de *SRY*, impose la voie mâle au moyen de deux hormones ; en leur absence, le corps se développe selon le type femelle.

8.6 Exercices

Exercice 8.1 ★

Comparer spermatogenèse et ovogenèse : quand les cellules souches se divisent, combien de gamètes donne une méiose, combien de temps prend la formation d’un gamète, où se situent les blocages, et combien de gamètes sont produits au cours d’une vie.

Solution

Solution de Exercice 8.1.

Les spermatogonies se divisent de la puberté à la fin de la vie ; les ovogonies seulement chez le fœtus. Une méiose donne quatre spermatozoïdes, mais un seul ovocyte (et trois globules polaires). Un spermatozoïde demande environ 64 jours, plus deux semaines de maturation ; un ovocyte reste bloqué en prophase I d’avant la naissance jusqu’au mois de son ovulation — des décennies — puis de nouveau en métaphase II jusqu’à la fécondation. Un homme produit $10^{8}$ spermatozoïdes par jour, quelque $10^{12}$ au cours d’une vie ; une femme ovule environ 400 ovocytes.

Exercice 8.2 ★

Énumérer les étapes de la fécondation, de l’arrivée d’un spermatozoïde à la zone pellucide jusqu’à la première mitose, et indiquer quelle étape bloque la polyspermie.

Solution

Solution de Exercice 8.2.

Fixation à la zone pellucide ; réaction acrosomique et digestion d’un passage ; fusion des membranes et entrée du noyau du spermatozoïde ; vague calcique et réaction corticale (durcissement de la zone, perte de ses récepteurs : le blocage de la polyspermie) ; achèvement de la méiose II et expulsion du second globule polaire ; formation des deux pronucléus, réplication de l’ADN, première mitose.

Exercice 8.3 ★

Nommer les deux populations cellulaires du blastocyste et le devenir de chacune. Quel jour commence la nidation, et quelle hormone doit avoir préparé l’utérus ?

Solution

Solution de Exercice 8.3.

Le trophoblaste (couche externe) forme le placenta et les annexes ; la masse cellulaire interne forme l’embryon. La nidation commence le 6^e ou le 7^e jour après la fécondation, dans une muqueuse utérine préparée par la progestérone du corps jaune.

Exercice 8.4 ★

Pour chacun des éléments suivants, dire s’il traverse le placenta et comment : dioxygène, glucose, hématies maternelles, anticorps IgG, urée, alcool, la plupart des bactéries.

Solution

Solution de Exercice 8.4.

Dioxygène : diffusion. Glucose : transport facilité. Hématies maternelles : ne traversent pas (les sangs ne se mélangent jamais). IgG : transport par un récepteur. Urée : diffusion, du fœtus vers la mère. Alcool : diffuse librement. Bactéries : la plupart ne traversent pas (certaines, comme celles de la syphilis et de la listériose, le font).

Exercice 8.5 ★★

Avec $\pi = 10^{-8}$ par spermatozoïde, calculer la probabilité de fécondation pour des nombres de spermatozoïdes de $3\times 10^{8}$ , $10^{8}$ , $4\times 10^{7}$ et $10^{7}$ . À partir de quel nombre passe-t-elle sous la moitié ? Qu’en déduire sur la forme de la relation dose–réponse entre fertilité et nombre de spermatozoïdes ?

Solution

Solution de Exercice 8.5.

$m = 3, 1, 0.4, 0.1$ : $P = 0.95, 0.63, 0.33, 0.095$ . Sous la moitié lorsque $m < \ln 2 = 0.69$ , c’est-à-dire en dessous de $7\times 10^{7}$ spermatozoïdes. La courbe sature : au-dessus d’environ $10^{8}$ , des spermatozoïdes supplémentaires n’ajoutent presque rien ; en dessous, la fertilité diminue presque proportionnellement au nombre.

Exercice 8.6 ★★

Une fille naît avec $10^{6}$ ovocytes, en a $300\,000$ à la puberté (13 ans) et environ $1000$ à 50 ans, après en avoir ovulé $400$ . Calculer le rythme moyen d’atrésie (ovocytes perdus par jour) avant et après la puberté, et le comparer au rythme des ovulations.

Solution

Solution de Exercice 8.6.

Avant la puberté : $7\times 10^{5}$ perdus en 13 ans ( $4750$ jours) : environ 150 par jour. Après : $299\,000$ perdus en 37 ans ( $13\,500$ jours) : 22 par jour ; ovulation $400/13\,500 = 0.03$ par jour. L’atrésie l’emporte sur l’ovulation à sept cents contre un ; le stock ne s’épuise pas par les ovulations mais par la mort des ovocytes.

Exercice 8.7 ★★

L’hémoglobine fœtale a une pression de demi-saturation $P_{50} = 19\,\mathrm{mmHg}$ , l’hémoglobine adulte $27\,\mathrm{mmHg}$ ; on prendra pour saturation $S = P^{n}/(P_{50}^{n} + P^{n})$ avec $n = 2.7$ . Calculer les deux saturations à $30\,\mathrm{mmHg}$ , la pression dans la veine ombilicale, et expliquer l’avantage.

Solution

Solution de Exercice 8.7.

Adulte : $(30/27)^{2.7} = 1.33$ , $S = 1.33/2.33 = 0.57$ . Fœtale : $(30/19)^{2.7} = 3.4$ , $S = 3.4/4.4 = 0.77$ . Aux basses pressions du placenta, le sang fœtal se charge d’un cinquième de dioxygène de plus que ne le ferait le sang adulte, et le libère dans les tissus à des pressions où l’hémoglobine adulte serait déjà à moitié vide.

Exercice 8.8 ★★

L’hCG apparaît dans le sang maternel à la nidation (7^e jour après la fécondation) à environ $1\,\mathrm{IU}/\mathrm{L}$ et double tous les deux jours ; un test de grossesse détecte $25\,\mathrm{IU}/\mathrm{L}$ . Quel jour après la fécondation le test devient-il positif ? Quel jour après les dernières règles (ovulation au 14^e jour) ?

Solution

Solution de Exercice 8.8.

$2^{k} = 25$ : $k = 4.6$ doublements, $9.3\,\mathrm{d}$ : jour 16 à 17 après la fécondation ; jour 30 à 31 après les dernières règles — à peu près le jour où les règles manquent.

Exercice 8.9 ★★

Recalculer le transfert placentaire de dioxygène du théorème pour un placenta de $6\,\mathrm{m}^{2}$ dont la paroi des villosités mesure $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ , comme dans certaines pathologies, et le comparer à la demande fœtale. Qu’arrive-t-il au fœtus ?

Solution

Solution de Exercice 8.9.

$3\times 10^{-8}\times 6\times 10^{4}\times 20/10^{-3} = 36\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ contre une demande de $25\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ : la marge passe de huit à un et demi ; le fœtus devient hypoxique au moindre effort supplémentaire, croît lentement et peut nécessiter un accouchement prématuré.

Exercice 8.10 ★★★

Prévoir les canaux génitaux et les organes génitaux externes : (a) d’un fœtus XY dont les cellules sont dépourvues de récepteur à la testostérone ; (b) d’un fœtus XY dépourvu d’hormone antimüllérienne ; (c) d’un fœtus XX exposé à une forte concentration de testostérone d’origine surrénalienne ; (d) d’un fœtus XX portant SRY sur un chromosome X. Expliquer chaque cas à partir des résultats de Jost.

Solution

Solution de Exercice 8.10.

(a) Des testicules se forment et sécrètent les deux hormones ; l’AMH élimine les canaux de Müller, mais la testostérone ne peut pas agir : les canaux de Wolff régressent et les organes génitaux externes sont féminins — une femme pourvue de testicules et sans utérus. (b) La testostérone agit, l’AMH non : un homme pourvu d’épididymes, de canaux déférents et d’organes génitaux mâles, plus un utérus et des oviductes. (c) Des ovaires et des dérivés müllériens (pas de testicule, pas d’AMH) ; les androgènes surrénaliens virilisent plus ou moins les organes génitaux externes. (d) SRY forme des testicules, qui imposent la voie mâle : un homme à deux chromosomes X, stérile car les gènes du Y nécessaires à la spermatogenèse sont absents.

Exercice 8.11 ★★★

Les vrais jumeaux naissent de la séparation d’un embryon en deux. Si la séparation a lieu avant le 3^e jour, les jumeaux ont des placentas et des poches amniotiques séparés ; entre les jours 4 et 8, un placenta et deux poches ; entre les jours 8 et 13, un placenta et une poche ; plus tard, ils sont siamois. Dans une série de vrais jumeaux, $30\,\%$ ont des placentas séparés, $68\,\%$ un placenta et deux poches, $2\,\%$ une seule poche. En déduire à quel stade du développement la séparation a le plus souvent lieu, et expliquer, en termes de blastocyste, quelles structures sont partagées dans chaque cas.

Solution

Solution de Exercice 8.11.

Le cas le plus fréquent ( $68\,\%$ ) est la séparation entre les jours 4 et 8 : après la formation du trophoblaste (d’où un seul placenta), mais avant celle de l’amnios (d’où deux poches). Avant le 3^e jour, chaque moitié forme son propre trophoblaste, d’où deux placentas ( $30\,\%$ ) ; après le 8^e jour, l’amnios est déjà formé et il est partagé ( $2\,\%$ ). La division de la masse cellulaire interne après l’engagement du trophoblaste est manifestement l’événement le plus facile.

Exercice 8.12 ★★★

Les marsupiaux mettent bas au bout de quelques semaines un petit de la taille d’un haricot qui achève sa croissance accroché à une tétine dans la poche ; les mammifères placentaires ont une longue gestation et mettent bas un petit de grande taille. Comparer les deux stratégies en termes de coût maternel, de risque et de capacité de la mère à abandonner une portée lors d’une mauvaise saison, et proposer une raison pour laquelle les placentaires ont supplanté les marsupiaux sur tous les continents sauf l’Australie.

Solution

Solution de Exercice 8.12.

Une femelle marsupiale investit peu avant la naissance : une gestation courte, un petit minuscule et une lactation qui peut être interrompue en abandonnant le petit de la poche si la sécheresse survient ; son risque par tentative est faible et elle peut aussitôt recommencer. Une femelle placentaire investit lourdement dans une longue gestation d’où naît un petit grand et bien développé, qui survit mieux à la naissance, au prix d’une mère engagée pendant des mois et vulnérable entre-temps. Dans les milieux productifs et prévisibles, la meilleure survie des petits placentaires l’emporte ; le climat irrégulier de l’Australie récompense la possibilité d’abandon des marsupiaux, et son isolement a tenu les placentaires à l’écart jusqu’à une époque récente.

8.7 Problème : une grossesse en chiffres

Problème 8.1

Problème du week-end — une grossesse humaine suivie du spermatozoïde au lait, à travers les probabilités de fécondation, le calendrier de la nidation et son hormone, la capacité d’échange du placenta et le coût énergétique de la gestation et de la lactation, jusqu’à la probabilité de fécondation, au jour où le test devient positif, à la marge du placenta en dioxygène et au coût d’une journée de lait

Données : $3\times 10^{8}$ spermatozoïdes par éjaculat, chacun atteignant l’ovocyte avec une probabilité de $10^{-8}$ ; les spermatozoïdes nagent à $50\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ; l’ampoule est à $15\,\mathrm{cm}$ du col. hCG à la nidation (jour 7) : $1\,\mathrm{IU}/\mathrm{L}$ , doublant tous les $2\,\mathrm{d}$ ; seuil du test $25\,\mathrm{IU}/\mathrm{L}$ . Placenta à terme : $12\,\mathrm{m}^{2}$ , paroi de $3.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ , $K_{\mathrm{O_2}} = 3 \times 10^{-8}\,\mathrm{mL}/(\mathrm{cm}\,\mathrm{min}\,\mathrm{mmHg})$ , $\Delta P = 20\,\mathrm{mmHg}$ ; fœtus de $3.5\,\mathrm{kg}$ consommant $7\,\mathrm{mL}$ de dioxygène par kilogramme et par minute ; débit sanguin placentaire maternel $500\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ , transportant $0.16\,\mathrm{mL}$ de dioxygène par millilitre de sang. Glucose : le fœtus en utilise $5\,\mathrm{mg}$ par kilogramme et par minute ; sang maternel $0.9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ . Lait : $750\,\mathrm{mL}/\mathrm{d}$ à $2.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mL}$ , produit avec un rendement de $80\,\%$ ; le nourrisson gagne $30\,\mathrm{g}/\mathrm{d}$ de tissu, dont le dépôt coûte $6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , et dépense $300\,\mathrm{kJ}/\mathrm{kg}/\mathrm{d}$ pour son entretien, à $4\,\mathrm{kg}$ .

Partie I — La fécondation.

Calculer le nombre moyen de spermatozoïdes qui atteignent l’ovocyte et la probabilité de fécondation.
Calculer la probabilité que deux ou plus l’atteignent, et dire ce qui se passerait sans réaction corticale.
Combien de temps un spermatozoïde mettrait-il à nager jusqu’à l’ampoule ? On en trouve là en moins de $30\,\mathrm{min}$ : qu’est-ce qui les transporte ?
Seules quelques centaines de spermatozoïdes atteignent l’ampoule. Quelle fraction de l’éjaculat cela représente-t-il, et où les autres sont-ils perdus ?
Un ovocyte est fécondable pendant environ un jour, les spermatozoïdes survivent environ trois jours dans les voies génitales. Sur combien de jours du cycle un rapport sexuel peut-il conduire à une conception ?
Le nombre de spermatozoïdes d’un homme tombe à $5\times 10^{7}$ . Recalculer la probabilité de fécondation par cycle, et le nombre attendu de cycles avant la conception (loi géométrique).
Expliquer pourquoi c’est l’ovocyte, et non le spermatozoïde, qui fournit les mitochondries de l’embryon.

Partie II — La nidation et son hormone.

Combien de divisions de segmentation ont eu lieu au 5^e jour si chacune dure $16\,\mathrm{h}$ ? Combien de cellules ?
Quel jour après la fécondation l’hCG atteint-elle le seuil du test ? Et après les dernières règles (ovulation au 14^e jour) ?
Pourquoi l’hCG doit-elle apparaître dans les jours qui suivent la nidation ? Qu’advient-il du corps jaune, et de la grossesse, si ce n’est pas le cas ?
L’hCG culmine vers $1 \times 10^{5}\,\mathrm{IU}/\mathrm{L}$ vers la 10^e semaine, puis diminue. Combien de doublements depuis la nidation cela représente-t-il, et pourquoi peut-elle diminuer ensuite sans que la grossesse soit perdue ?
La moitié des conceptions sont perdues avant la nidation ou à ce moment, le plus souvent à cause d’ovocytes aneuploïdes. Expliquer, à l’aide du calendrier de l’ovogenèse, pourquoi l’aneuploïdie est plus fréquente dans les ovocytes que dans les spermatozoïdes.
Jumeaux : un embryon se sépare au 6^e jour. Dire si les jumeaux partagent le placenta et la poche amniotique.

Partie III — Le placenta.

Calculer le transfert diffusif maximal de dioxygène.
Calculer la demande fœtale en dioxygène et la marge de diffusion.
Calculer le dioxygène apporté par minute au placenta par le débit sanguin maternel. Quelle fraction doit en être extraite pour couvrir la demande ?
Calculer la demande fœtale en glucose en grammes par jour, et le volume de sang maternel qui la contient. Le comparer au débit placentaire maternel journalier.
Le sang du fœtus quitte le placenta à $30\,\mathrm{mmHg}$ de dioxygène. Pourquoi le fœtus ne suffoque-t-il pas à une pression qui ferait perdre connaissance à un adulte ?
Citer deux fonctions que le placenta assure et qu’aucun autre organe de l’embryon ne pourrait assurer à ce moment, et une chose qu’il ne peut pas faire.

Partie IV — La naissance et le lait.

Décrire la rétroaction positive du travail et expliquer pourquoi elle ne s’emballe pas avant le terme.
Calculer l’énergie contenue dans le lait d’une journée et l’énergie que la mère dépense pour le produire.
Calculer le budget énergétique journalier du nourrisson (croissance plus entretien) et le comparer au lait fourni.
Calculer le coût énergétique total, pour la mère, de neuf mois de lactation, et le comparer aux $300\,\mathrm{MJ}$ que coûte la grossesse elle-même.
Expliquer pourquoi la tétée retarde le retour de l’ovulation, et pourquoi cela compte dans les populations sans contraception.
Énoncer le résultat : la probabilité de fécondation, le jour où le test devient positif, la marge du placenta en dioxygène et le coût d’une journée de lait.

Solution

Solution de Problème 8.1.

1. $m = 3\times 10^{8}\times 10^{-8} = 3$ ; $P = 1 - e^{-3} = 0.95$ . 2. $1 - e^{-3}(1 + 3) = 0.80$ : sans le blocage, quatre fécondations sur cinq seraient polyspermiques et l’embryon triploïde. 3. $0.15/5\times 10^{-5} = 3000\,\mathrm{s}$ , cinquante minutes ; ce sont les contractions de l’utérus et de l’oviducte qui les transportent. 4. $300/3\times 10^{8} = 10^{-6}$ : ils sont perdus dans le vagin acide, dans la glaire cervicale, sous l’action des phagocytes de l’utérus, et dans le mauvais oviducte. 5. De trois jours avant l’ovulation à un jour après : environ quatre jours. 6. $m = 0.5$ , $P = 0.39$ ; nombre de cycles attendu $1/P = 2.5$ . 7. Les quelques mitochondries du spermatozoïde, situées dans la pièce intermédiaire, sont marquées et détruites après son entrée ; l’ovocyte en porte cent mille. 8. $120/16 = 7.5$ : sept divisions, $2^{7} = 128$ cellules — environ une centaine. 9. $\log_2 25 = 4.6$ doublements, $9.3\,\mathrm{d}$ : jour 16 à 17 ; jour 30 à 31 après les règles. 10. Le corps jaune régresse une douzaine de jours après l’ovulation, à moins que l’hCG ne le maintienne ; sans elle, la progestérone chute, la muqueuse se desquame et l’embryon est perdu avec les règles. 11. $\log_2 10^{5} = 16.6$ doublements ; vers la 10^e semaine, le placenta produit sa propre progestérone et le corps jaune n’est plus nécessaire. 12. Les ovocytes restent en prophase I pendant des décennies et les cohésines qui maintiennent les bivalents se dégradent : la non-disjonction en méiose I augmente donc fortement avec l’âge maternel ; les spermatozoïdes sont fabriqués en deux mois. 13. Après le trophoblaste (jour 5) et avant l’amnios (jour 8) : un placenta, deux poches. 14. $3\times 10^{-8}\times 1.2\times 10^{5}\times 20/3.5\times 10^{-4} = 206\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ . 15. $7\times 3.5 = 24.5\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ : une marge de huit. 16. $500\times 0.16 = 80\,\mathrm{mL}/\mathrm{min}$ ; extraction $24.5/80 = 31\,\%$ . 17. $5\times 3.5\times 1440 = 25\,\mathrm{g}/\mathrm{d}$ ; contenus dans $28\,\mathrm{L}$ de sang maternel ; débit journalier $720\,\mathrm{L}$ : le fœtus prélève environ $4\,\%$ du glucose qui passe. 18. L’hémoglobine fœtale est saturée à $77\,\%$ à $30\,\mathrm{mmHg}$ , le fœtus a plus d’hématies et un débit cardiaque élevé, et ses tissus sont adaptés à fonctionner à basse pression — il vit, en somme, au sommet de l’Everest. 19. Les échanges gazeux sans poumon fonctionnel, la nutrition et l’excrétion sans intestin ni rein fonctionnels, et les hormones qui maintiennent la grossesse ; il ne peut pas arrêter toutes les toxines — l’alcool, la nicotine et certains virus le traversent. 20. Étirement du col $\to$ hypothalamus $\to$ ocytocine $\to$ contraction $\to$ étirement accru, jusqu’à ce que l’expulsion supprime le stimulus. Avant le terme, l’utérus dominé par la progestérone porte peu de récepteurs à l’ocytocine et pas de jonctions communicantes : les contractions ne se propagent pas et la boucle ne peut pas se refermer. 21. $750\times 2.9 = 2.2\,\mathrm{MJ}$ ; coût $2.2/0.8 = 2.7\,\mathrm{MJ}$ . 22. Croissance $30\times 6 = 0.18\,\mathrm{MJ}$ , entretien $300\times 4 = 1.2\,\mathrm{MJ}$ : $1.4\,\mathrm{MJ}$ , environ les deux tiers de l’énergie du lait ; le reste va à l’activité, à la thermorégulation et aux pertes. 23. $270\times 2.7 = 730\,\mathrm{MJ}$ , deux fois et demie la grossesse. 24. La tétée élève la prolactine et supprime la libération pulsatile de l’hormone qui déclenche l’ovulation : l’ovulation ne revient que des mois plus tard ; sans contraception, cela espace les naissances de deux à trois ans. 25. $P = 0.95$ ; test positif le 17^e jour après la fécondation (31^e jour du cycle) ; marge en dioxygène de huit ; une journée de lait coûte $2.7\,\mathrm{MJ}$ à la mère.

Termes définis dans ce chapitre

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