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为什么地球上的大多数生物只有两种性别?

2017-06-05  |  famorby 原创 独家 收藏(198)  | 

随着文明的发展,如今人们对多元性别越来越包容与认可,有更多地人同意社会性别(gender)和生物性别(sex)是不同概念,人的生物性别由染色体决定,而社会性别取决于人格、自我认同或主观意愿。但如果只讨论生物性别的话,在染色体正常、胚胎发育正常的情况下,人先天只有两种性别,男和女。

再想想我们周围的世界,常见的飞鸟、走兽、鱼虾、昆虫,几乎都有且只有雌雄之分。植物的情况稍微复杂一些,有些分雌株和雄株,有些雌雄同株但是分雌花和雄花,还有些则是在一朵花里藏着雌蕊和雄蕊,但从生殖细胞的角度来说,也都是精卵两种。当然,那些简单的生物,比如细菌、病毒,没有性别之分,但好像稍微复杂一点的生物,可以说都是分两个性别的。这是为什么?为什么不能有三种、四种或者更多种性别呢?

关于这一问题,已经有了不少的推测,下面就来介绍几种较受认可的原因。



原因一、效率最高原则

分裂生殖、出芽生殖、孤雌生殖等单性繁殖方式的优点在于简单,不愁找不到另一半,不必消耗额外的能量用于交配,也不怕交配时行动不便被天敌突袭。

而有性繁殖的优点在于可以有基因交流,增加后代的遗传多样性,使后代的性状更加丰富多彩,从而确保种群在复杂多变的环境中能得以延续。

简单来说,单性繁殖能确保产生大量后代,靠后代数量多,来争取有更多后代幸存;而有性繁殖能加速进化,靠后代有多种多样的表现,来争取香火不断。

在生命演化历史中,植物新物种的出现速率一直是动物的两倍以上,而多细胞真核生物产生新物种的速率几乎是单细胞真核生物和原核生物的10倍,这正是有性繁殖的功劳。


可是如果性别增加到三个、四个,情况就变得复杂了。假设生物的性别有三种,那么势必出现下面三种可能性中的一种——

第一,必须集齐所有性别的个体才能繁殖,这样繁殖的难度就太大了,大自然如此严苛,要想完成组队没那么容易,这么玩很容易玩脱走向灭绝。

第二,AB、AC可以繁殖,BC不能繁殖。这样一来,本质上就成了A是一种性别,BC是另一种性别,于是还是回到了双性别体系。

第三,AB、BC、CA任意两两组合都可以繁殖。

事实上,很多单细胞低等生物就是这么做的,例如四膜虫有7种不同的交配型,任意一种都可以与其他6种交配型的四膜虫进行接合生殖。很多进行孢子生殖的真菌也有2种以上的交配型,单倍体孢子不能跟交配型一样的孢子结合,必须与不同交配型的孢子结合,形成二倍体。还有人把各种真菌的交配型简单相加,创造出了“蘑菇有36000种性别”这么一句耸人听闻的话,其实每种真菌的交配型也只有2种或少数几种,就像人、黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩分别有2种性别,也不能得出“人亚科有8种性别”。

但是3种或更多交配型只在低等生物中存在,对于机体复杂、有多个器官分化、生活史较长的多细胞生物(尤其是脊索动物和绿色开花植物)而言,要进化出一整套具有完整功能的三性别体系,是很麻烦的事情,涉及到生殖系统、内分泌系统的巨大改动。

任意两两组合都可以繁殖的做法,找到另一半的难度似乎降低了,但既然是两个生殖细胞形成后代,那么两种性别就完全能够满足要求了。高等动物通过行动能力和感官来寻找伴侣,高等植物通过发展风媒、虫媒或自花授粉的技巧来增加传粉机会,从进化角度来说,都比增加一个性别要容易得多,而取得的“增加繁殖机会”的效果甚至更好,双性别体系自然就成了绝对的主流。

(两只四膜虫在进行接合生殖)


原因二、共同祖先假说

现存的动物和植物,都源自共同的单细胞真核生物祖先,区别只是在于植物的祖先俘获了可以进行光合作用的细菌,并逐渐通过内共生形成叶绿体,从此植物走上了光合自养的道路,动物则继续靠异养过活。

于是,祖先决定接合型的基因被代代相传,逐渐变成了决定产生何种配子的基因,这一假说在藻类上得到了验证。

当年,随着生物的不断进化,多细胞生物开始登上了舞台,一种名为强壮团藻(学名Volvox carteri)的藻类就是最原始的多细胞生物之一。2014年的一项针对强壮团藻的研究,揭示了从“交配型”到“雌雄两性”的演化历程。

强壮团藻有一种MID基因,具有这一基因的个体产生精子,而缺少这一基因的个体则产生卵子。在另一种与强壮团藻亲缘关系较近、但进行接合生殖的单细胞藻类中,MID基因决定的是接合生殖时这个细胞所表现出的交配型。可见,具有差异性的交配型正是性别的始祖。

基于此,有人推测,现存的高等动植物都源自于共同的单细胞祖先,而祖先所具有的2种交配型,就成为了后来的2种性别的雏形。

(强壮团藻)


原因三、避免疾病扩散

在漫长的生物进化路上,每一次基因突变都是偶然、随机发生的。

有些突变恰好是同义密码子或发生在非编码区,不会改变什么;有些突变会导致重要的蛋白质改变,使生物直接早期死亡,这一突变也就无法被保留下来;还有些突变则会带来崭新的性状,让同种生物个体之间产生差异。

与生存和繁衍无关的差异,各个选项都可以保留下来,例如A型血和B型血。可一旦这差异涉及到是否容易让天敌或猎物发现自己、是否能适应当地的气候条件、是否受到异性的青睐、是否能够打赢竞争者等等,那么各个选项就有了优劣之分,占优的选项能得到更多的机会被遗传下去,逐渐成为主流。

在生存和繁衍的压力下,偶然、随机发生的突变,能不能被保留下来,成了近乎于必然的事情。


大自然似乎有着它自己独特的智慧,多种交配型且可以任意两两组合产生后代的繁殖方式,固然增加了交配的概率,却也让基因缺陷造成的遗传病、线粒体异常造成的代谢疾病和病原体造成的传染病有了更多扩散的机会。

一项针对瘿小鼓翅蝇(学名Sepsis cynipsea)的研究证明了这一推论,研究者将鼓翅蝇分为几组,每一组的雌虫可供选择的雄虫数量各不相同,最多的一组有10只雌虫和90只雄虫,最少的则是人为配对,毫无选择余地。之后,让这些鼓翅蝇的后代进行近亲繁殖,结果证明,当雌虫有选择时,后代可以近亲繁殖20代以上,而雌虫毫无选择的组的后代,只繁殖了10代就灭绝了。这是因为在毫无选择余地的情况下,即使是正常来说不会被雌虫看上的“残次”雄虫也获得了交配的机会,它们基因组中的严重有害突变也得以传播给后代,进而在近亲繁殖的过程中迅速积累,导致了“团灭”。

当繁殖具有一定难度,就形成了性选择,在大多数有性繁殖的物种中,都是由雌性选择优秀的雄性交配,基因有缺陷的雄性不容易获得交配的机会,这样就能让那些不利于生存的突变被筛选掉。

同样的,携带病原体或是线粒体异常的个体,在较高的繁殖压力下,也会因为得不到交配机会,而无法将疾病传播给同类和后代。

(瘿小鼓翅蝇)


【参考文献】

1. Matt Gage. Evolution: sexual arms races. Curr Biol. 2004 May 25; 14(10): R378-80.

2. Joshua P Scholl, John J Wiens. Diversification rates and species richness across the Tree of Life. Proc Biol Sci. 2016 Sep 14; 283(1838). pii: 20161334. doi:10.1098/rspb.2016.1334.

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免疫学、血液、病毒专业科研工作者

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