La reproduction : la nécessité des spermatozoïdes pour la fécondation
Les premières observations anatomiques sur l’appareil génital ont été réalisées par le médecin grec Claude Galien (131-201) à partir de dissections de différents mammifères. Dans son ouvrage De uteridissectione (151), il identifia les ovaires, qu’il nomma «testicules féminins » : « Une membrane particulière et mince enveloppe chacun d’eux, comme chez l’homme le “dartos”; mais les testicules féminins ne possèdent pas de bourse […].» Il décrit également l’utérus : «La Nature a établi les matrices au-dessous de l’estomac, région qu’elle avait connue comme la plus propice à la copulation, à la réception du sperme et encore à V accroissement de l’embryon […] étant susceptible de se distendre considérablement et sans difficulté. »
Mais avec les interdits portés sur la dissection des cadavres qui perdurèrent pendant tout le Moyen Age, les études anatomiques ne reprirent réellement leur essor qu’à la Renaissance, en particulier en Italie. C’est ainsi qu’André Vesale (1514-1564) publia, en 1543, son traité d’anatomie De humani corporis fabrica, dans lequel il fit réaliser des planches anatomiques extrêmement précises des appareils génitaux de l’homme et de la femme.
La physiologie de la reproduction fut quant à elle fortement marquée, jusqu’au milieu du XVIIIe siècle, par l’influence de théories inspirée pour l’essentiel par Aristote (384- 322 av. J.-C.) et Galien: « [Ces théories] supposaient qu’il y avait dans l’utérus un mélange des semences mâle et femelle […] et qu’à partir de cette substance, au départ homogène, l’embryon se formait progressivement, organe par organe […]. Pour expliquer la formation d’une structure aussi élaborée qu’un être vivant à partir de cette matière indifférenciée, on invoquait une finalité intrinsèque de la matière, ou l’intervention ‘d’âmes » de nature peu claire, ou encore celle de Dieu.
Ce mode de formation peut être appelé “epigenèse”, bien que le mot n’ait été introduit qu’en 1651 par Harvey.»
(S. Schmitt, Aux origines de la biologie, Belin, 2006).
Dans la seconde moitié du XVIIe siècle, les follicules ovariens furent identifiés, en 1672, par le médecin et anatomiste hollandais Régnier de Graaf (1641-1673), qui les assimila par erreur à des œufs (il faudra attendre 1827 et les travaux du biologiste allemand Karl Ernst Von Baer [1792-1876], père de l’embryologie, pour que soit découvert l’ovocyte des mammifères) et les spermatozoïdes humains furent décrits en 1677 par Anton van Leeuwenhoek, un drapier hollandais qui fut à l’origine de l’utilisation du microscope en biologie. A la suite de ces observations, une autre théorie, celle de la préformation, émergea :
«[…] selon [cette théorie], un individu extrêmement petit (et donc invisible) était déjà parfaitementformé, soit dans l’œuf pour les uns (les “ovistes”, majoritaires), soit dans les animalcules [spermatozoïdes] pour les autres (“animalculistes”, minoritaires). Ce petit individu n’avait Portrait d’André Vésale (1514-1564) qu’à grandir pour former l’embryon, puis l’adulte. »
(S. Schmitt, op. cit.).
Au XVIIIe siècle, les premières études expérimentales de la «génération des animaux» furent entreprises sur les amphibiens par deux savants français, l’abbé Jean-Antoine Nollet (1700-1770) et René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). Mais c’est surtout un physiologiste italien, l’abbé Lazzaro Spallanzani (1729-1799), qui publia les premiers travaux les plus complets sur la reproduction animale.
Les expériences de spallanzani (1780-1785):
Lazzaro Spallanzani observe, chez la grenouille, une liqueur limpide émise par le mâle lors de l’accouplement et suppose qu’elle est impliquée dans la fécondation. Il s’interroge alors sur les modalités de la fécondation externe :
«Mais si la fécondation se fait hors du corps de notre grenouille, comment s’opérera-t-elle ? Pour parvenir à la connaissance de ce phénomène, […] j’imaginai de placer, dans des vases sans eau, quelques grenouilles accouplées, qui commençaient à se débarrasser de leurs œufs […]. Je revis donc cette petite pointe gonflée près de l’anus [du mâle], et j’en vis jaillir un petit jet d’une liqueur limpide, qui se répandit sur les œufs sortis hors de l’anus de la femelle […]. Comme ces œufs, après avoir été mis dans l’eau, ne tardèrent pas à éclore, je ne doutais pas que la liqueur jetée par le mâle sur eux ne fut la vraie liqueur séminale fécondante. »
Spallanzani corrèle donc la présence de la liqueur séminale du mâle avec l’éclosion des œufs. Il habille alors les grenouilles mâles de caleçons de taffetas cirés étanches, ce qui lui permet de conforter son hypothèse :
« […] les mâles ainsi habillés s’accouplèrent, mais les suites de l’accouplement furent telles qu’on devait les attendre, aucun des œufs ne put éclore, parce qu’aucun d’eux ne put être humecté par la liqueur spermatique, dont j’observai des petites gouttes très visibles dans les caleçons; ces petites gouttes étaient la vraie liqueur séminale de la grenouille. »
Spallanzani cherche néanmoins à confirmer en réalisant des fécondations artificielles :
«Ayant détaché un crapaud mâle accouplé de la femelle, lorsqu’elle était sur le point d’accoucher de ses têtards [Spallanzani emploie ici le terme «têtard» pour «ovocyte»], comme je m’en aperçus par le gonflement du ventre, je la mis solitaire dans un vase plein d’eau, où quelques heures après elle commença à faire paraître hors de son corps deux cordons visqueux; quand ils eurent la longueur d’un pied, je les coupai près de l’anus ; j’en laissai un dans le vase et je pris l’autre pour le baigner avec la semence du mâle […].»
C’est avec ces cordons d’ovocytes que Spallanzani réalise une série de fécondations in vitro. Il n’observe le développement des têtards qu’en présence de la semence du mâle, confirmant ainsi la nécessité du sperme pour la fécondation.
Spallanzani se livre également à des expériences de filtration de la «liqueur séminale »:
« Si on filtre cette eau [sperme dilué] au travers de deux papiers, et si l’on féconde les têtards [ovocytes] avec l’eau filtrée, il n’en naît pas autant que lorsqu’elle n’est pas filtrée. Ils naissent encore en moindre nombre si on la filtre au travers de trois papiers, la diminution des naissances augmente si on filtre cette eau au travers de quatre papiers ; enfin la filtration opérée au travers de six ou sept papiers, empêche la naissance des têtards fécondés par cette eau. Le papier où avait été fraîchement filtrée l’eau spermatisée [sperme dilué], ayant été exprimé dans l’eau pure où l’on met des têtards non fécondés, ceux-ci naquirent fort bien : ce qui prouve que la filtration ôte à l’eau spermatisée la vertu fécondante […]… »
Tout physiologiste du XXIe siècle aurait naturellement déduit des résultats expérimentaux de Spallanzani la nécessité des spermatozoïdes pour l’obtention des têtards. Mais, en dépit de l’exploitation scientifique rigoureuse des nombreuses expériences auxquelles il se livra, l’abbé italien ne se départit pas pour autant de ses convictions d’oviste : pour lui, la « liqueur séminale » ne fait que stimuler le développement de l’individu préformé dans l’ovocyte (le «têtard»). Il conclut son volume à!Expériences pour servir à l’histoire de la génération des animaux et des plantes» de la façon suivante :
« Le premier et le second mémoire de ce volume remplissent, jusques à un certain point la promesse que j’avais faite dans l’esquisse sur les reproductions animales que je publiais à Modène en 1768, où j’annonçais ma découverte de la préexistence du fœtus à la fécondation dans une espèce de Grenouille […]. J’ai pu observer […] plusieurs autres animaux qui m’ont fourni les mêmes résultats, et qui m’ont fait présumer avec plus de fondements, que la préexistence des foetus à la fécondation, dans les femelles, était une des lois les plus générales de la Nature.»
Les expériences de Dumas et Prévost (1824):
Près de 40 ans après les expériences de Spallanzani, le biologiste suisse Jean-Louis Prévost (1790-1850) et le chimiste français Jean-Baptiste Dumas (1800-1884) établissent le rôle essentiel des animalcules spermatiques (spermatozoïdes) contenus dans le sperme.
Dans le premier des deux volumineux Mémoires sur la génération qu’ils publient en 1824, ils étudient l’appareil génital mâle de nombreuses espèces. Ils réalisent, chez une trentaine d’espèces domestiques ou sauvages (mammifères, oiseaux, amphibiens, reptiles, gastéropodes, etc.), les premières mesures de la longueur des animalcules spermatiques, accompagnées d’une description précise de leur morphologie. Ils prêtent une attention particulière aux d’animaux impubères ou âgés :
« Les animaux impubères sont inhabiles à la reproduction, et l’étude attentive ce leurs organes pouvait nous éclairer sur la cause prochaine de leur incapacité.
Nous pouvons assurer, d’après un nombre d’expériences extrêmement considérable, que les jeunes chiens, chats, lapins, les veaux, les poulains, les ânons, les cochons d’Inde de quelques mois, un grand nombre de surmulots, de souris du même âge, les poulets et les petits canards, enfin les grenouilles jeunes ne possèdent pas d’animalcules spermatiques.
Après une époque de la vie, qui, sans être bien déterminée, varie peu dans chaque espèce, les animaux deviennent stériles […]. Nous avons pu soumettre à l’examen les parties de la génération d’un étalon, âgé de vingt-cinq années, et qui se trouvait hors de service depuis quatre ou cinq ans, ainsi que celles de quelques chiens fort âgés […]. Les organes n’étaient pas dans un état maladif, mais ils se trouvaient dépourvus d’animalcules […].»
Prévost et Dumas établissent ainsi, pour la première fois, une relation entre la capacité de reproduction et la présence de spermatozoïdes dans les voies génitales, comme en témoigne la conclusion de leur premier mémoire :
«Les données que nous venons d’acquérir établissent déjà suffisamment l’importance des animalcules, et montrent qu’il existe une relation intime entre leur présence dans les organes et le pouvoir fécondateur de l’animal. […] Les animalcules spermatiques existent dans le testicule à l’état de perfection complète ; ils sont transmis aux canaux déférents, et n’éprouvent aucune altération dans ce trajet. »
D’autres étapes clés :
En 1837, la production des spermatozoïdes au niveau des tubes séminifères du testicule est démontrée par le biologiste français Félix Dujardin (1801-1860). En 1841, l’anatomiste et physiologiste suisse Rudolf Albrecht von Kôlliker (1817-1905) étudie la structure cellulaire du spermatozoïde et prouve qu’il s’agit d’une cellule différenciée la théorie cellulaire a été formulée en 1839 par Mathias Schleiden (1804-1881) et Theo- dor Schwann (1810-1882).
A partir de 1875 et des travaux de l’anatomiste allemand Wilhelm Oscar Hertwig (1849-1922), l’oursin devient le modèle expérimental de choix pour la fécondation artificielle. C’est grâce à lui que Hertwig démontre, en 1875, que la tête du spermatozoïde donne le pronucleus mâle et se combine avec le pronucleus femelle pour former le noyau du zygote. Il établit ainsi que la fécondation correspond à la conjugaison de deux cellules. La polémique entre préformation et épigenèse cesse peu à peu et l’embryologie expérimentale prend son essor.
La mise en évidence de la fonction endocrine du testicule:
La première moitié du XIXe a été marquée, en Europe, par l’influence d’un célèbre mouvement intellectuel, artistique et philosophique : le Romantisme. La science romantique était un aspect de ce courant de pensée. Elle reposait sur un système philosophique très particulier, la Naturphilosophie, qui s’attachait, en particulier, à établir des rapports entre objets naturels. En biologie, cela eut pour conséquence de promouvoir la recherche de liens anatomiques entre les différentes parties de l’organisme assurés par la circulation sanguine. Voilà qui amena le Danois Arnold Adolph Berthold (1803-1861), professeur d’anatomie comparée et de zoologie à Göttingen, à s’intéresser aux interactions humorales entre les organes. A la suite de l’examen de nouveau nés hermaphrodites, Berthold commença à soupçonner une relation entre les gonades et l’établissement des caractères sexuels secondaires.
L’expérience de Berthold (1848):
Berthold réalise des expériences de castration et de greffe sur des coqs. On notera que la castration de jeunes coqs, ou chaponnage, est une pratique zootechnique courante qui permet de produire des volailles avec une chair plus abondante et plus tendre.
« Le 2 août de cette année 1848, j’ai chaponné six coqs jeunes, c’est-à-dire a, b, c, ayant deux mois et d, e, f, ayant trois mois. Chez aucun de ces animaux on n’a enlevé de barbillons, la crête ou les ergots. Chez les coqs a et d on a enlevé les deux testicules. Ces animaux montrèrent plus tard entièrement la nature de chapons, ils se comportaient comme des poltrons et n’engageaient que rarement avec les autres coqs de brefs combats sans énergie, et émettaient le ton monotone bien connu de chapons. La crête et les barbillons devenaient pâles et ne se développaient que peu; la tête restait petite. Lorsque ces animaux furent sacrifiés le 20 décembre, on trouva à la place où les testicules étaient situés une cicatrice peu importante, à peine discernable. Les canaux déférents purent être reconnus comme des filaments minces et grêles. »
Berthold montre que le chaponnage affecte les organes sexuels secondaires (crête et barbillons) ainsi que le comportement général de l’animal, qui perd son agressivité. Il prouve également que les effets de la castration sont réversibles par une greffe de testi-cule réalisée dans la cavité abdominale du coq (greffe ectopique) : en l’absence de toute connexion nerveuse avec le reste de l’organisme, le greffon permet le maintien des caractères sexuels secondaires. Cette expérience pose ainsi les bases de l’endocrinologie et démontre l’existence d’une sécrétion endocrine testiculaire :
« Les testicules appartiennent aux organes transplantables ; ils s’implantent à nouveau après avoir été enlevés du corps ; le testicule peut aussi être transféré d’un individu à un autre, et sa reprise peut se faire aussi bien à l’emplacement où les testicules avaient été enlevés qu’en un autre tout à fait étranger, en
particulier sur les parois de l’intestin. […] Nous trouvons ici la situation identique à celle des plantes où le greffon continue à pousser selon sa propriété spécifique sur le sauvageon et produit des fruits qui correspondent à lui et non pas au sauvageon. […] La curieuse condition consensuelle et antagoniste entre la vie individuelle et la vie de l’espèce, comme elle survient en particulier lors de la puberté et qu’elle continue jusqu’à un âge avancé, ne manque pas non plus lorsque les testicules ont été isolés de leur emplacement initial et de tous leurs nerfs […]. Comme cependant, en des endroits étrangers, les testicules ne peuvent plus être en relation avec leurs nerfs d’origine, et comme […] il n’y a pas [au niveau des testicules transplantés] de nerfs spécifiques réglant la sécrétion, il en résulte que le consensus en question est conditionné par l’état productif du testicule, c’est-à-dire de son influence sur le sang, et ensuite par une influence correspondante du sang sur l’organisme total […].»
Les résultats obtenus par le savant danois avec les castrations unilatérales (coq b) permettent de mettre en évidence le phénomène d’hypertrophie testiculaire compensatrice, qui sera très souvent observé par la suite lors de recherches sur les gonades mâles.
Notons pour finir que les expériences de Berthold ne sont pas les premières du genre, puisqu’en 1767, le chirurgien britannique John Hunter (1728-1793) a réalisé la transplantation d’un testicule de coq dans la cavité abdominale d’une poule. Mais les résultats de cette étude ne furent jamais publiés, car Hunter s’intéressait avant tout à la technique de greffe et non aux effets physiologiques produits.
D’autres étapes clés :
En 1889, un médecin et physiologiste français âgé de 72 ans, Charles Edouard Brown- Séquard (1817-1894), sans doute inspiré par les travaux de Berthold, mais reprenant aussi des pratiques en vigueur dans l’Antiquité, s’injecte des extraits testiculaires de chien et de cobaye et affirme obtenir ainsi des effets rajeunissants. Cet effet des extraits testiculaires ne sera jamais démontré de manière scientifique…
En 1903, les biologistes français Pol Bouin (1870-1962) et Paul Ancel (1873-1961), embryologistes de renom, découvrent le rôle endocrine des cellules interstitielles du testicule, qui avaient été décrites en 1857 par le zoologiste allemand Franz von Leydig (1821-1908). En 1946, dans le discours qu’il prononce à l’occasion de son jubilé, Pol Bouin déclare :
« C’est lui [son père, vétérinaire] qui, en me faisant part de ses connaissances en pathologie animale, m’apprit le comportement particulier des grands mammifères cryptorchides, la perte chez ces derniers du pouvoir fécondant, et la conservation intégrale des autres caractères sexuels mâles. Ces animaux sont inféconds, mais ils ne sont pas impuissants. Le rapprochement entre cette donnée clinique et la structure des testicules en ectopie intra-abdominale, presque exclusivement réduits à leur glande interstitielle, a été l’étincelle qui a illuminé notre route et nous a montré le chemin à suivre. Nous sommes partis de ce point de départ solide pour avancer peu à peu dans l’étude des complexes structuraux qui engendrent, constamment ou périodiquement, les substances spécifiques masculinisantes.»
En 1931, la première hormone mâle est isolée par le chimiste allemand Adolf Bute- nandt (1903-1995). À partir de 17000 litres d’urine (recueillie chez des policiers), Bute- nandt obtient 50 mg d’androstérone cristallisée. Cette hormone est un métabolite hépatique de la testostérone, la principale hormone androgène. Ce même chimiste a déjà isolé, en 1929, une autre hormone, l’œstrone – l’un des trois œstrogènes physiologiques – à partir de l’urine de femmes enceintes. Il obtient le prix Nobel de chimie pour ses travaux sur les hormones sexuelles en 1939. Les premiers milligrammes de testostérone cristallisée sont obtenus en 1935 par une équipe du laboratoire pharmaceutique Organon aux Pays-Bas.
L’action de la lumière sur l’activité testiculaire:
En conditions de vie naturelle, la plupart des oiseaux présentent une activité sexuelle périodique. Ainsi, dans les élevages avicoles, on sait depuis longtemps prolonger la période de reproduction des oiseaux de basse-cour par l’utilisation de lumière artificielle au cours des nuits d’automne. Au début des années 1930, le zoologiste américain Thomas Hume Bissonnette (1885-1951) remarqua que le début de la période de reproduction de l’étourneau sansonnet (Sturnus vulgaris) correspondait à une augmentation de la photopériode. Il décida alors d’analyser, au laboratoire, les conséquences d’une augmentation de la durée d’éclairement sur le volume testiculaire d’étourneaux sansonnets.
L’expérience de Bissonnette (1932):
Quand il évolue dans son milieu naturel, c’est-à-dire dans le Connecticut, au nord-est des Etats-Unis, l’étourneau sansonnet voit la taille de ses testicules changer au cours de l’année, avec un maximum au printemps puis une régression à partir du mois de juin. Ces modifications touchent également la fonction testiculaire puisque la spermatogenèse est affectée de variations saisonnières identiques. Le facteur environnemental responsable de ces modifications semble être la lumière solaire, dont l’intensité varie au cours de l’année.
Au printemps, la forte proportion de radiations rouges de la lumière solaire reçue par les oiseaux pourrait être l’élément qui détermine la croissance et l’activité testiculaires. C’est pourquoi Thomas Hume Bissonnette décide d’étudier au laboratoire les effets de cette lumière rouge sur la taille des testicules. Pour cela, il répartit 32 étourneaux en 3 lots qu’il soumet à des conditions d’éclairement différentes. L’expérience débute en janvier et les oiseaux sont suivis pendant 3 mois. A intervalles réguliers, des animaux sont euthanasiés et leurs testicules prélevés à des fins d’analyse.
Bissonnette confirme que le développement testiculaire de l’étourneau dépend des conditions d’éclairement. De janvier à mars, la lumière naturelle ne permet pas le développement du testicule. En revanche, la lumière rouge, induit une augmentation du volume testiculaire. Cet effet n’est pas inhibé par la lumière naturelle et il intervient d’autant plus précocement que la durée d’éclairement est longue. Cependant, l’exposition à la lumière rouge n’empêche pas la survenue de la régression testiculaire, qui intervient environ 30 jours après que le volume maximal a été atteint. La durée de la spermatogenèse est donc limitée pour une espèce donnée quelle que soit son exposition à la lumière. Bissonnette évoque l’existence d’un réflexe photosexuel entre l’œil et les appareils génitaux. Il suppose que les voies de ce réflexe impliquent les systèmes nerveux et hormonal.
Les expériences dê Benoît (193S et 1937):
En 1933, Jacques Benoît (1896-1982), un histologiste français devenu neuro-endocrinologue, prend connaissance des travaux de Bissonnette. Deux ans plus tard, il décide de se lancer à son tour dans la recherche du lien entre lumière et activité reproductrice. Il choisit cette fois le canard domestique comme animal modèle, car cet oiseau présente des variations importantes du volume du testicule au cours des saisons.
Benoît étudie pendant 3 semaines 23 canards mâles impubères âgés de 5 à 7 mois, qu’il répartit en 3 lots placés 15 à 18 heures par jour dans un parc éclairé artificiellement. Sont placés dans l’obscurité: soit les animaux entiers, soit leur tête entière, soit leur tête à l’exception des yeux.
Chez les sujets aveuglés, la taille des testicules n’augmente pas, que le corps entier ou seulement la tête soient recouverts d’un manteau noir. Au contraire, les testicules se développent fortement lorsque le dispositif expérimental laisse parvenir la lumière au niveau des yeux. L’expérience montre donc que la lumière exerce son action sur le développement des testicules du canard par l’intermédiaire des yeux.
Dans la foulée de ces résultats, Benoît se livre à une série d’expérimentations ayant pour but de préciser le mécanisme par lequel la lumière stimule l’activité testiculaire. Chez le canard impubère, il pratique soit une section bilatérale des nerfs optiques, soit une ablation des deux yeux. Il expose ensuite, pendant 25 jours, les animaux à la lumière 14 heures par jour.
Il observe que ni la section bilatérale des nerfs optiques, ni l’ablation des yeux ne modifient significativement la surface testiculaire par rapport aux individus témoins. Il montre ainsi que la stimulation du développement testiculaire observée sous l’effet de la lumière n’implique pas les voies nerveuses visuelles, qu’il s’agisse des cellules réceptrices de la lumière ou des fibres nerveuses qui en émergent.
Benoît met alors en œuvre une autre expérience permettant d’identifier la structure qui, par l’intermédiaire des yeux, s’est montrée sensible aux variations d’éclairement dans sa première expérience. Pendant 3 à 4 semaines, il soumet à un éclairage localisé la région orbitaire droite de canards impubères privés de leur œil droit. Soit le fond de l’orbite oculaire droite est recouvert d’un caoutchouc opaque, soit un dispositif permet d’éclairer uniquement la région de l’hypophyse à travers la paroi osseuse crânienne.
L’éclairage de l’orbite vide ou de l’hypophyse à travers la paroi osseuse induit une forte variation de la surface testiculaire. En revanche, cette variation reste modérée lorsque l’orbite est tapissée d’une cupule opaque de caoutchouc noir masquant la région hypothalamique et hypophysaire. Même si l’ensemble du mécanisme gonado-stimulateur n’est pas démonté, cette expérience permet à Jacques Benoît d’affirmer l’implication de l’hypophyse dans l’action stimulatrice de la lumière sur l’activité testiculaire du canard.
Vidéo : La reproduction : la nécessité des spermatozoïdes pour la fécondation
