时空手记

我是谁?我从哪里来?我要到哪里去?

进化生物学中的问题女王——有性生殖

| 暂无评论

超视儿

性的起源是进化生物学家一直既感兴趣又很困惑的问题。从生命在地球上诞生(35亿年前)算起,差不多有20亿年的时间里,所有的生命形式(包括原核生物和真核生物)在繁殖时都采用了无性生殖。直到今天,地球上大多数生物仍然采用无性生殖方式,只有真核生物中的一部分采用有性生殖。

无性生殖

简单来说,无性生殖指的是,有机体在自我繁殖时,不经过两性生殖细胞的结合,直接进行自我克隆产生新的个体,只要不发生DNA突变,这两个有机体在基因上就是相同的。有性生殖指的是,来自不同类型(性别)的有机体产生有性生殖细胞,两性的生殖细胞结合起来,产生具有独特遗传特征的新个体。

有性生殖

有性生殖可能起源于10亿年前甚至更早的时候。根据”内共生理论”,在食物缺乏的环境中,真核生物会吞食同类,由于二者的基因高度相似,吞食者很难彻底消化被吞食的一方,这样会导致两个个体的细胞核发生融合,最后发展成双倍体生殖。双倍体生命与单倍体相比,对恶劣环境有更强的抗性和生存优势。

有丝分裂和减数分裂

有性生殖相较于无性生殖,带来了遗传的多样性,但是其付出的代价也是很大的:有性繁殖让生殖速度降低了(有性生殖需要双亲相互配合产生后代,而无性生殖只需要单个个体即可以产生后代);并且亲代付出了生命的代价——除了成功繁殖出新机体的细胞之外,其它细胞都会死亡。

有性生殖作为一种低效又近乎自杀式的生殖生殖方式为什么会延续下来,并成为高级动植物的主要生殖方式呢?生物进化论者有着不同的假说:

DNA修复假说(the DNA Repair Hypothesis)

DNA修复假说

DNA修复假说认为,有性生殖的主要功能是修复生殖系的遗传物质。电离辐射、致突变化学物质、遗传信息自我复制发生错误,都可能造成DNA受损。在无性生殖的有机体中,亲代中发生的任何突变都会自动传递给下一代,随着后代们的基因突变不断积累,生命最终可能被置于既无法繁殖又无法生存的境地。如果无性生殖“进化”为有性生殖,则有助于解决这个问题,因为基因突变虽然可能仍会传给下一代,但是不代表一定会在下一代表达(突变必须同时出现在双亲的基因中才能在后代中表达)。
不过,这一理论并非没有问题,其中一个问题就是:我们不确定有性生殖是否真的可以清除遗传给后代的不良基因。有证据表明,DNA修复假说本身就需要“修复”。

彩票原理(the Lottery Principle)

彩票原理

彩票原理是由美国生物学家乔治·威廉姆斯提出的:无性繁殖就像你买了大量的彩票,却全是相同的号码,而有性生殖则像是购买少量的彩票,但每一张的号码都不同。对于无性生殖来说,由于后代完全是父母的复制品,天生具有较少的遗传变异,因此没有适应迅速变化环境的能力;而有性繁殖则因为结合了不同的基因,其后代引入了基因多样性,所以更容易适应各种新的环境。
依据彩票原理,在多变的环境中,有性生殖应该是更为受欢迎的繁殖方式,然而近年的研究发现,在环境稳定的地方,有性生殖是最常见的;相反,在环境不稳定的地区,无性生殖是普遍的。彩票原理因此陷入了困境。

树木交错的河岸假说(the Tangled Bank Hypothesis)

树木交错的河畔

“树木交错的河岸”一词来源于达尔文的《物种起源》:“各种各样的生物,都在‘树木交错的河岸’里争夺光和食物”。根据这个假说,一个只为某一生态位而存在的生命,经过无性生殖产生的后代,也只能适应同一种生态位,而有性生殖则可以改变后代的基因组合,让其有了不同的选择,可以更广泛地利用这个生态位中不同的资源。因此,在任何对空间、食物和其他资源存在激烈竞争的环境中,多元化是一种优势。
由于“树木交错河岸假说”的数学模型适用性有限,也没有证据表明同胞(兄弟姐妹)的竞争会让有性生殖获得更大的优势,许多学者渐渐放弃了这一假说,转而支持“ 红皇后假说 ”,该假说侧重于时间环境变化,而不是空间的变化。

红皇后假说(the Red Queen Hypothesis)

红皇后假说

在英国作家路易斯·卡洛尔的《爱丽丝镜中奇遇记》中,红皇后对爱丽丝答道:“在这个国度中,必须不停地奔跑,才能使你保持在原地。” 进化生物学家利·范·瓦伦于1973年借用这句话提出了“红皇后假说”。该假说认为,生物灭绝的可能性与它们存活的时间无关,因为生存而斗争从未变得容易,物种不仅要适应环境,还要适应其他物种。 无论一种生命如何适应环境,它仍然存在与新生物种同样的灭绝的几率。因此,自然界中的生存竞争法则是:不进则退,停滞等于灭亡。有性生殖正是为了让本物种进化的比其他物种更优秀而延续下来的。
这个假说似乎是全世界进化论者的最爱,因为它不仅解释了生物学领域的问题,也揭示了人类世界的规律——你当前的境况是不是最好的不重要,比其他人跑得快才重要,否则,恐怕你连留在原地都很难做到。

欢迎关注时空手记

发表评论

*为必填字段!