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我们为什么要有“性”?

(2009-11-05 11:47:09)
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it

分类: 封面故事

“性生活”由何而来?早先假说获得生物界实际例证
原来真的有“红色皇后”

 

 

http://www.victorianweb.org/art/illustration/tenniel/lookingglass/2.4.jpg

《爱丽丝镜中奇遇记》的插画,内容正是“红色皇后”。


  
同一个湖中的小小螺蛳,有的像其他复杂的动物一样男欢女爱,有的却在“女儿国”里“自力更生”,它们为什么会出现这样的差别?近日,权威科技网站“Livescience”报道了美国科学家柯蒂斯·莱弗利(Curtis M.Lively)、朱卡·乔克拉(Jukka Jokela)和马克·戴达(Mark F.Dybdahl)的研究成果,这种名为“新西兰泥螺”的动物奇怪繁殖行为可能为性起源的“红色皇后”假说提供直接的证据。

 

“好色客”和“女儿国”

 

这种新西兰泥螺学名叫Potamopyrgus antipodarum。属于软体动物门、腹足纲、吸螺目。它的体长只有5-12毫米。和我们熟悉的田螺一样,这种螺在螺壳开口处有个“盖”,在身体缩进去的时候有一片甲壳封住入口。在这些泥螺的故乡新西兰的湖泊里,它们用两种完全不同的方式进行生殖:有的不用交配,可以“克隆”出小螺,就像我们吃的螺蛳一样,有时候打开螺壳会出现一堆小螺蛳,卵在母螺蛳体内就已经孵化了。但这种螺也有两性的分别,有的雌螺会和雄螺交配,然后带着“幸福的种子”生下小螺。换句话说,这些螺有的像复杂的动物一样“好色”,有的却完全“自给自足”。这么一来,新西兰泥螺就分成两类群体,一类是完全无性生殖的群体,而另一类是有性生殖和无性生殖混合的群体。

 

http://epaper.bjnews.com.cn/images/2009-11/01/B10/b10b01cb002.gif 
对这种新西兰泥螺的实验证实了“红色皇后”理论。

 

看到新西兰泥螺的这种奇怪情形,印第安纳大学的莱弗利教授等人雪亮的眼睛闪出光芒:科学家们正在寻找无性生殖和有性生殖共存的群体,泥螺正是如此。

 

原来,科学家们一直试图了解“性行为”究竟是如何起源的。相对于有性生殖,无性生殖的好处是显而易见的:不用找对象交配,省了能量又减少了危险;只有雌性没有雄性,全体都能生育;子女基因除突变因素之外全部是自己的,没有“像爸还是像妈”的问题。那么,有性生殖的好处是什么呢?科学家们推测有性生殖可以混和父母双方的基因,这样生下的每个子女的基因型都是不同的,有利于适应更多变的环境。无性繁殖产生“随大流”的基因型,而有性繁殖产生“有个性”的基因型。对于适应不断变化的环境来说,“有个性”比“随大流”要好。但是,有性生殖的这个很“有战略眼光”的优点能抵消无性生殖的优势吗?为什么有性生殖在生物的生存竞争中最终占据优势,以至于现在地球上绝大多数真核生物都是采取有性生殖呢?为解决这个问题,有科学家提出了“红色皇后”理论。

 

“红色皇后”登场

 

“红色皇后”理论的名字取自英国作家、数学家卡洛尔所著的儿童文学名著《爱丽丝镜中世界奇遇记》。这本书是《爱丽丝漫游奇境记》的后续之作。在这本书里,有一枚国际象棋棋子“红色皇后”。她带着爱丽丝一阵疯跑,看起来是不断前进,其实却一直停留在原地。“红色皇后”理论与书中人物的经历很相似:生物群体长期经受寄生生物的压力,两者不断“赛跑”。正是这种压力抵消了无性生殖的优势,让有性生殖占了上风。

 

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感染了寄生虫的新西兰泥螺(上)和健康的个体(下)。

 

这种理论很漂亮,但是一直苦于缺乏例证,新西兰泥螺有性生殖和无性生殖共存的种群正好给了科学家们绝好的研究对象,而恰好这种生物提供了“三段式”一样的绝好证明。

 

在过去20年的时间里,莱弗利和同事们一直在研究新西兰泥螺。他发现有性生殖和无性生殖混合的群体里存在着严重的寄生虫感染,至少有11种“吸虫”类的寄生虫会感染新西兰泥螺,吸取它们身上的营养,让它们产生大量的囊胞,严重影响它们寿命和生殖能力。莱弗利认为有可能正是这些吸虫和泥螺共同演化,不断淘汰“随大流”的基因型,从而产生了“红色皇后”效应,控制无性生殖的泥螺的数量,让它们不能完全取代有性生殖的泥螺。为证明这一点,莱弗利和同事们集中研究新西兰的亚历山德里娜湖和卡尼尔湖中的泥螺。

 

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实验展开的场所:新西兰的亚历山德里娜湖


简单实验证明假说

 

他们发现,在浅水中有性繁殖的泥螺比较繁盛,而在超过4米的深水中,则是无性生殖的泥螺的天下。科学家们认为,这可能是因为浅水适合寄生虫生活,在这里寄生虫和泥螺共同演化,从而控制了无性生殖个体的数量。而之所以浅水适合寄生虫生活,是因为寄生虫必须在最终寄主———野鸭身体内完成最后的生命循环,而野鸭只在浅水中取食。

 

还有另一种可能的解释:生活在浅水的蜗牛因为某种原因就是比较容易感染寄生虫。所以科学家们必须要搞清楚生活在浅水的蜗牛是只对当地的寄生虫有易感性,还是对所有湖中的寄生虫都有易感性。如果是前者,就说明生活在浅水中的蜗牛易感染寄生虫是和本地寄生虫共同演化的结果。

 

科学家们设计的实验非常简单,让浅水中混合生殖的泥螺群体和深水中的无性生殖的泥螺群体同时暴露在同一个湖,以及另外一个湖中收集来的寄生虫面前,结果得到了两个有趣的结果。

首先,混合生殖的泥螺群体更容易感染寄生虫,这说明寄生虫和混合生殖的泥螺群体共同演化,所以完全无性生殖的泥螺群体不对它们的“口味”;第二,无论是无性生殖的泥螺还是混合生殖的泥螺,对来自别的湖的寄生虫都完全免疫。只有混合生殖群体容易感染当地的寄生虫。

 

实验证实了之前的假设:无性生殖有繁殖快的优势,如果没有寄生虫的威胁,世界将是无性生殖的天下;但在有寄生虫共同演化的环境中,有性生殖会显示出它的优势。特别值得一提的是,作为一个入侵物种,新西兰泥螺在欧洲和美国泛滥成灾。它们一年可产下230个小螺。在欧洲的苏黎世湖,仅仅用了7年时间,新西兰泥螺的密度达到每平方米80万个!因为在欧美没有遇到特定的寄生虫,在这里,所有新西兰泥螺都是无性生殖的!

 

 


从“红色皇后”到“布雷的牧师”,两种理论全面解释
“红色皇后”破解性的起源 

  

因为一堆新西兰的螺蛳,“红色皇后”理论又成了演化论学者热议的话题。这个“皇后”说话很简洁,但却是解决生物世界最大谜团的一把钥匙,这个谜团就是:“性”有什么用?

 

1 生物也有军备竞赛

 

“红色皇后”(red queen)的中文译名有好多种,比如“红色皇后”理论、“红色皇后”假说、“红色皇后”竞赛或者“红色皇后”效应。这个词取自英国数学家、作家刘易斯·卡洛尔(Lewis Carroll)的儿童文学名著《爱丽丝镜中奇遇记》。注意,不要把这“红色皇后”和卡洛尔的另一名作《爱丽丝漫游奇境记》中的“红桃皇后”搞混了。红色皇后是国际象棋里的一个棋子,而红桃皇后说的则是扑克牌。在《爱丽丝镜中奇遇记》中,爱丽丝和红色皇后在高山低谷中奔跑,可是却总是停在原地,听上去很像“跑步机”。跑步机最早出现于1817年,最初是用来整治监狱里的服刑者的。1894年这种机器被开始用于体育锻炼。不知道卡洛尔是否受到它的启发。在书中,红色皇后说:“你能跑多快就跑多快,这样你才能停在原地。”

 

而作为演化生物学的一个重要理论,“红色皇后”理论可以如下表述:“对于一种生物来说,它的演化速度一定要和共同演化的系统保持一致。”

 

这个假说开始用来解释竞争物种之间的“军备竞赛”。1973年,冷战正打得热火朝天的,“军备竞赛”这个词被美国芝加哥大学的演化生物学家范·瓦伦引入了演化生物学。范·瓦伦也是“红色皇后”假说的提出者,他认为这可以解释他观察到的生物灭绝现象。范·瓦伦通过研究,发现一个家族的有机体的生存能力并不会随着时间而增强,相反,各个家族的有机体灭绝的可能性是随机的。比如说,因为一种生物的适应性的改善会导致这种生物数量的增加,那么对生活在同一环境中的其他生物就会造成很大的压力,如果要生存下来,其他生物也必须进行相应的演化,这样几种生物就较着劲,结果可能越走越远,实际上每种生物的生存能力都并没有增加。

 

我们为什么要有“性”?

猎豹和瞪羚之间的“军备竞赛”。

 

最明显的例子是捕食者和被捕食者之间的“军备竞赛”。比如猎豹必须抓到瞪羚,否则就会饿死。经过一代又一代的激烈竞争,跑得慢的猎豹饿死了,活下来的都是短跑界的精锐。然而这些最善跑的猎豹捕到的瞪羚却不比祖先多。这是因为猎豹遭受考验的同时,瞪羚也在面临着同样的考验,只有跑得最快的瞪羚才能生存。虽然瞪羚的速度也有很大进步,但能在猎豹爪下生存的瞪羚也没有增加,个中道理跟猎豹面临的情况一样。猎豹和瞪羚都被拴在“红色皇后”的跑步机上。双方不断演化,越跑越快,但它们得到的东西,并没有跑得慢的祖先多。猎豹没有杀绝瞪羚,瞪羚也没有饿死全部的猎豹,虽然它们飞奔如同红色皇后,却始终留在原地。

 

2 “牧师”“皇后”大比拼

 

科学家们认为,有性生殖肯定要强于无性生殖。但在有性生殖的起源问题上,在上世纪60年代之前,生物学界普遍认可“布雷的牧师”(Vicar of Bray)理论。

 

传说,16世纪英国的布雷教区有个牧师,为了保有教职,不断根据当政者的宗教信仰而改变自己的信仰。他先后两次皈依天主教,两次皈依新教。后来,这个词成为英语成语,意思接近“墙头草”。该理论认为,有性生殖的生物演化速度比较快,可以更快地适应环境的变化:在无性生殖的系统中,一个家系中偶然产生了有利的突变,这个突变也不可能传到别的家系中。如果这个家系被全部灭绝了,有利的突变也就被历史抹去了;另一个原因是在有性繁殖的交配过程中,父亲和母亲的基因会进行交换,产生出全新的基因型。

 

开始时,这个理论被大多数演化论学者接受。但是1966年美国生物学家威廉姆斯(George Williams)出版的《适应与自然选择》几乎判了“布雷的牧师”的死刑。因为“布雷的牧师理论”的研究对象是生物群体,它不能解释有性生殖对生物个体到底有什么好处。

 

无性生殖的物种,所有个体均可以产生后代,而有性生殖的个体,只有大约一半个体(雌性)可以产生后代,因此(假设繁殖频率一致)无性生殖物种的后代数会是有性生殖物种的2N倍。这被称为“性的双倍代价”,1971年由英国演化生物学家史密斯(John Smith)提出。既然如此,有性生殖为什么能占胜繁殖速度是它的两倍的无性生殖呢?生物学科普作家里德利写了一本名叫《红色皇后》的书,让有性繁殖的“红色皇后”理论广为人知。

 

其实,“皇后”和“牧师”没什么本质区别,只是它把“环境的变化”具体成了寄生生物的威胁。生物会产生一些变异杜绝它们的寄生,而寄生物种又会产生变异重新“上身”。寄生物的生命周期往往相当短,这就产生了一个转动很快的“红色皇后跑步机”,足以让变化慢的无性生殖者被甩在后面,变化快的有性生殖者才能紧跟环境变化“留在原地”。

 

“红色皇后理论”和“布雷的牧师理论”并没有本质矛盾,现在在不同的场合都会被提起。在个体的尺度上“皇后”上场,而在“物种”的尺度上则要听“牧师”的。

 

3 博弈催生“纯爷们儿”

 

那么,雄性到底是怎么产生的?大家都是“两性个体”,洞房一夜之后各自去生宝宝多好,干嘛要有不直接产生后代的“纯爷们儿”呢?确实,在微观世界里,细菌就有类似于“性行为”的交换基因的行为,交换完了之后就是各自去进行分裂,没有“纯爷们儿”什么事。科学家们认为,雄性是生物的“投资策略”造成的结果。在有性生殖的过程中,交配的双方不但要各出一半的基因,还要分别拿出一些营养物质保证宝宝的健康成长。基因之中的营养物质可以忽略不计,那么剩下的营养各自出多少呢?这就好比现在有个规定,只有两人合资才能办企业,而根据客观需要,至少要投资10000元企业才能生存,那么双方各自出多少呢?各自出50%当然是最理想的,但总是有人想要偷奸耍滑,比如只出49%,如果双方都耍滑,那么企业肯定要倒闭。最后博弈的结果是,有的人一分钱也不出,反正可以找很多人“合资”;有的人出10000元,虽然只能办一个企业,但可以保证成活。雄性就是一分钱也不出的,他们产生大量的精子,里面没有任何营养物质;而雌性就是出一万元的,她们产生少量的卵子,里面包含可供子代成活的营养物质。

 

因为寄生虫的存在,才让多数生物变成了“好色之徒”;而因为不同的投资策略,才产生了“纯爷们儿”,正因为有了性和雄性生物,才有了虫鸣蛙啼孔雀开屏,给我们增加了不少乐趣。

 

新知专题采写/本报记者 刘铮

本专题图片均为资料图片

本专题感谢:

张博然(北京大学元培学院)

陶雨晴(香港浸会大学)
 

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