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"性"的起源与生物演化奥秘

2017-7-15 20:51|加拿大乐活网 Lahoo.ca |原作者: 任天

乐活按语:高度生活周刊 2017年07月14日 第111期
高度生活原创稿件,未经允许请勿转载
无论是鸟类还是蜜蜂,无论是黑猩猩还是人类,这些生命的存在都离不开“性”。但是,很少有人意识到,有性繁殖最初是出现在与我们非常不一样的生物身上。那么,性是怎么开始的呢?鸟类求偶和蜜蜂传粉背后的真实故事是怎样的呢?接下来就带领大家共同探索性的奥秘。


有性繁殖之谜

有性繁殖的出现一直是令科学家迷惑的课题。今天的地球上,99%的多细胞生物——我们眼睛所能看到的众多生物体——都进行有性繁殖。所有这些生物都具有独特的有性繁殖机制,但这一过程的演化包含着许多未解之谜。

即使对于演化论之父达尔文,也同样对“性”感到困惑。他在1862年写道:“我们甚至对性特征的最终起因没有一丁点了解;为什么新生命需要由两种性别要素的结合才能产生?整个问题还隐藏在黑暗之中。”

许多物种是在完全确定了性角色之后,经过漫长的努力才获得交配权。雄性园丁鸟会打造精致的鸟巢以取悦雌性;一些雌性发光昆虫的尾部能发出亮光来引诱雄性;甚至是花朵制造的香味也是吸引昆虫的妙招,后者能够将花粉传播到最近的植株上,帮助它们授粉。

在如此眼花缭乱的多样性背后,所有的有性繁殖生物都遵循相同的基础路径——同一物种的两个成员将它们的DNA结合,产生一个新的基因组。在“性”产生之前,所有的繁殖都是通过无性繁殖完成的,其基本方式是细胞分裂——一个生物体实实在在地分裂成两半,形成两个生物体。

这是一个简单的“复制—分裂”机制,所有的细菌、大部分植物甚至部分动物都具有这种机制,至少在某些时候会这么做。相比有性繁殖,无性繁殖更加有效率,也更 为简单。一个无性繁殖的物种不需要浪费时间和精力去寻找并取悦配偶,它们只需要长大后再分裂成两个。对于有性繁殖的物种,吸引、追求配偶的过程伴随着许多 麻烦,有时候甚至会有生命危险。

还有其他显而易见的“性代价”。两个独立基因组的结合需要完全不同的过程——一颗卵需要和精子结合。它还意味着,每个亲代只将一半的基因传递给下一代。相比 之下,无性繁殖的亲代所产生的后代本质上是自己的复制品。如果说我们的基因都自私地想要确保自己的生存,无性繁殖听上去似乎是更好的方式。

性演化的优势

那么,当有直接路径可供选择时,为什么如此众多的物种会选择更加漫长,更加曲折的有性繁殖策略呢?性肯定能提供某些利大于弊的演化优势。

1886年,德国演化生物学家奥古斯特•魏斯曼(August Weismann)提出,有性繁殖能对基因进行重组,创造出“个体差异”,而这正是自然选择起作用 的地方。本质上,性是同一物种的两个生物体融合各自资源的机会。它们的后代中,有一些会携带来自父母双方的有益基因,这意味着它们能更好地应对环境压力, 而这些环境压力可能会使无性繁殖的物种陷入绝境。事实上,性甚至可能加快演化的节奏——当环境条件快速变化时这是显而易见的优势。

在一些研究中,无性繁殖的物种被诱导进行了有性繁殖,研究的结果提供了最终的证据,证明了上述有性繁殖的优势。原始的单细胞生物通常习惯于无性繁殖,但如果环境压力变大,它们也会转变为有性繁殖物种。环境压力可以是天气的细微变化,也可以是猛烈的陨石撞击。

有性繁殖的起源之所以长久以来令人迷惑不解,部分是因为我们在观察今天的世界时,会发现许多无性繁殖的生物依然活跃,一些同时具有两种繁殖方式的生物似乎还更偏爱无性繁殖。这样的生物包括酵母、蜗牛、海星和蚜虫等。

然而,它们其实是根据周围的环境条件来选择繁殖方式——大部分只在环境压力较大时进行有性繁殖,而在其余时间进行无性繁殖。早期地球的环境比现在恶劣得多,环境条件经常快速变化。在这种情况下,较高的突变率可能会促使无性繁殖的生物变为有性繁殖。

保存在岩石内的化石记录可以告诉我们更多有关有性繁殖起源的信息,但化石很零散,又很难发现,因此很难呈现确切的演化过程。密歇根州立大学的克里斯•阿达米(Chris Adami)从理论的角度分析了这一过程。

阿达米解释称,你可以用信息的方式来看待演化。所谓信息,就是你需要知道的能够确保生存的东西。演化就是“信息保存和信息获取——你知道得越多你就活得越 好”。所以,这是一个“学习”的过程。一个生物会不断“学习”到新的信息,特别是在一个变化的环境中,它再将这些信息(通过DNA)传递给下一代,帮助它们存活下来。

性提供了一种使物种更加容易“记住”有用信息的方式——都保存在基因编码中,从而使这一过程更加高效。这是因为,有性繁殖涉及到选择一位性伴侣,后者本身通过做出正确选择而达到了性成熟状态。性意味着要选择一个好配偶,从而为你的后代选择一个更好的未来。

“信息的获取和维持对于演化的奏效是必不可少的——记住旧的并想象未来。”这种要素的选择可以解释另一个谜题:为什么我们需要雄性?如果你的一半后代——女儿们——能够再产生后代,为什么演化还需要产生儿子呢?为什么不让所有后代都具有繁殖后代的能力?

达尔文对雄性谜题的解答是,自然选择不是唯一在有性繁殖中起作用的演化压力。还有一些事情在不断进行着,达尔文称之为“性选择”。本质上,这是指一个性别对另一性别某些特性形状的偏爱。

发表于2015年的一项研究发现,雄性对交配权的竞争,以及雌性在这些竞争雄性之间的选择都是非常重要的。性选择通过两种性别的存在来维持种群健康并防止灭绝。性选择能帮 助保持种群中的良性基因变异。如果想要在竞争中胜出,或者要吸引异性以进行繁殖,生物个体必须在大部分事情上表现良好。因此,性选择提供了一种重要、高效 的过滤手段,能够维持并改善种群的健康。

这些发现解释了为什么性会持续成为繁殖后代的主要机制。性最终决定了谁有机会将自己的基因传递给后代。性是一种广泛存在,并且非常强大的演化驱动力,但性的演化到底是怎么发生的,哪些生物是最开始进行有性繁殖的呢?

大部分理智的人都接受演化论,即人类与其他类人猿从一个共同祖先演化而来,而这个共同祖先又是从更加原始的生物演化而来。这些思想可以追溯到达尔文于1871年出版的《人类的由来及性选择》。

据我们所知,性的演化其实可以追溯到比我们的猿类祖先更早的生物:一种被称为“小肢鱼”(Microbrachius dicki)的原始鱼类,其化石证据发现于苏格兰,距今已经有3.85亿年历史。“Microbrachius”的意思是“小肢”,但直到近期科学家才明白这些小肢的真正作用。在小肢上长有小吸盘,而对化石的细致分析发现,雌性小肢鱼具有的小吸盘能将雄性的吸盘固定住。这一发现表明,这些小肢与有性繁殖有关。

科学家还发现,这些鱼是已知最早通过体内受精进行繁殖的脊椎动物,与我们人类一样。它们还是第一个呈现“两性异形”的物种,即雄性和雌性具有不同的外形。今 天大部分鱼类是通过将卵和精子释放到体外进行繁殖的。研究者还不清楚小肢鱼发展出体内受精系统的原因,但这确实是它们最常见的有性繁殖方式。

有性繁殖的起源

为了了解有性繁殖的真正起源,我们需要追溯到更早的时期。我们知道,所有的有性繁殖生物都来自同一个共同祖先,因此通过分析化石证据里保存的线索,我们就能知道这一共同祖先生活的年代和地点。

加拿大北极地区的岩石中保存着科学家所要寻找的线索。12亿年前,这些岩石处于海洋潮间带环境中,岩石中保存的化石能够告诉我们关于有性繁殖最早的证据。在化石中,科学家发现了一种进行有性繁殖的多细胞生物Bangiomorpha pubescens,这是最早的有性繁殖化石记录。Bangiomorpha pubescens不是鱼,甚至不是动物,它是一种红藻,已知第一种有性繁殖的海藻。

这些生物进行有性繁殖的证据来源于它们产生的孢子,即生殖细胞,这些细胞呈现出雄性和雌性两种形态。今天我们知道,红藻缺少能够自由游泳的精子,它们依赖水流来运送生殖细胞。过去12亿年来它们可能都一直这么做。

红藻是最大和最古老的藻类门类之一,具有5000到6000个主要的多细胞海洋藻类物种,包括许多值得注意的海藻。红藻非常多样,而且在外观上与12亿年前的祖先十分相似。换句话说,它们可以被称为“活化石”。它们是过去历史的遗存,提醒着我们从哪里来。

Bangiomorpha pubescens生活在严酷并且变化无常的环境中,这可能促使它们在12亿年前演化出了有性繁殖。加拿大麦吉尔大学的加仑•霍沃尔森(Galen Halverson)解释道:“就气候而论,Bangiomorpha pubescens化石出现的时期,似乎正是数亿年相对稳定环境终结的时候。我们发现了这一时期碳和氧含量的巨大变动,显示了重大的环境变化。”

在这一时期,性对多细胞生物的成功延续和演化是至关重要的。这些化石因此也标志了生命演化中重要的突破。霍沃尔森补充道:“有性繁殖、多细胞分化、氧化作用,以及全球碳循环之间的联系依然模糊不清,但很难不去假设:这些事件之间具有紧密的联系。”

对这些岩石的研究有助于我们了解性演化产生的环境条件,并且必然地,我们能更进一步了解地球上多细胞生物的起源。这不仅能告诉我们过去发生的事情,以及我们来自哪里,还能为研究其他行星上的生命演化提供启示。很难想象这些海藻就是有性繁殖的发起者,但正是它们在12亿年前进行的这场“演化变革”,造就了我们现在所知的生命世界。
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