性之谜团：植物、原生生物与人类无处不在的性行为

制作人:新浪探索《科学好故事》第五期

编译:树叶

性可能是生物学中最难解开的谜团之一。有性生殖的弊端无法反驳:生物个体必须有两个，每个个体只能遗传自己基因组的一部分。在性交过程中，双方都需要密切接触，因此容易受到对方的身体伤害或感染。但是无性繁殖没有这样的缺点，它可以随时随地进行，它的所有基因都可以遗传给后代。

然而，尽管有这么多优点，无性生殖在真核生物中是“异质的”和异常的。例如，在植物中，不到1%的品种经常无性繁殖。在动物中，只有千分之一的已知物种只进行无性繁殖。几百年来，这个明显的矛盾一直困扰着生物学家。

1932年，遗传学家赫尔曼·马勒认为他已经找到了答案。“遗传学终于解开了性存在的谜团。通过基因重组，性可以最大化遗传变异的可能性。”换句话说，性的目的很简单:增加后代的遗传多样性。这种多样性可以使后代更强壮，移动更快，对寄生虫有更强的抵抗力，或者有更好的适应性。

马勒不是第一个提出这一观点的生物学家，但他的影响力最强，所以他的名字与这一观点紧密相连。直到今天，这种观点在生物学上还是很流行的。但是这种观点本身还是值得商榷的。毕竟多样性不断增加的说法并不能解释单细胞生物为什么以及如何进化出其中一个性过程:减数分裂，也就是把基因组分成两半，形成卵细胞和精子的过程。

性选择和假设的重点往往是生物的后代。在对性行为进化史的研究中发现的证据表明，“什么对后代和整个物种最有利”的理论是不全面的，研究总是忽视性给个体带来的直接利益。

研究人员正在重新检查性行为和相关的细胞和生理过程对生物个体的影响。他们的研究结果表明，生物学家之所以找不到可以解释行为的统一理论，是因为根本没有这样的理论。相反，性行为能给生物提供的好处可谓是多种多样，生物会从最有利于自己的原因出发进行性行为。

无处不在的性行为

从某种意义上说，“性”无处不在。几乎每个真核生物都有性交，但每个物种都有独特的性经历。对于植物、单细胞原生动物、果蝇和人类来说，从事性行为的方式是非常不同的。

但并不是所有的真核生物都把繁殖作为性交的目的。比如有一种藻类，它不会为了繁殖而性交，但是它的无性繁殖会更好。这个物种可以选择是克隆自己还是与其他物种发生性关系，而在选择后者时，往往是为了提高自己的生存概率。

按照人类的标准，这些藻类只有半个基因组。它们只有一条染色体，所以是单倍体。在这种状态下，它们可以进行有丝分裂，并以这种方式克隆自己。首先，它们的每一条染色体都会被复制成两条；然后，这些复制的染色体会沿着细胞的中线排列，然后被拉入新形成的与母细胞完全相同的子细胞中。

但当环境温度过高或缺氮时，藻类会改变繁殖方式。一个单倍体原甲藻会与另一个原甲藻融合。这样，每组染色体就变成了两组，藻类就变成了和我们一样的二倍体。

但这种藻类只有在生存环境变得艰难的时候才会选择有性繁殖。内德库和他的同事发现，如果他们能缓解生理压力，比如在水中加入抗氧化剂，他们就不会有性繁殖。基于此，研究人员得出结论，对于这些藻类来说，性交的主要目的不是为了生下后代，而是为了增强它们的生存能力，更好地应对这些压力。

对于这种藻类来说，性最直接的优势就是它成为了一种抗性很强的多倍体，能够承受更严峻的环境挑战。当环境改善后，二倍体藻类细胞会通过减数分裂回到单倍体状态。但是减数分裂的过程不仅增加了基因的多样性，也为基因组的改进提供了独特的机会。

像所有多细胞生物一样，这些藻类也可以尝试纠正DNA中的微小缺失或错误，但如果DNA损伤太严重，这种机制很难准确修复。在这种情况下，如果有第二条DNA链作为复制模板，我们就可以扭转局面。

但在单倍体细胞中，由于只有一条染色体，一般不可能通过复制粘贴修复受损的DNA。但也有例外:在减数分裂过程中，当一组新配对的染色体排列在一起，还没有拉入子细胞时，受损的DNA会得到修复的机会。

在减数分裂过程中，来自两个单倍体母细胞的染色体将被排列在一起，在此期间它们可能相互交换成分。这个过程叫做“重组”，可以大大增加基因多样性，但更重要的是，它为染色体复制粘贴其他单倍体基因提供了机会，可以完成自己无法完成的DNA修复。

早在几十年前，科学家就已经知道减数分裂的DNA修复功能。一些早期研究表明，这可能解释了为什么有害突变没有我们预期的那么普遍。但指出这种功能可能在性功能进化中起重要作用。由于上述藻类属于最古老的真核生物谱系之一，这可能表明“性的最初目的不是繁殖”。相反，“生物进化出性别，也许是为了增强它们适应压力的能力。”

植物、原生动物和人类

这不是什么新想法。早在20世纪80年代，亚利桑那大学细胞生物学和解剖学教授哈里斯·伯恩斯坦(Harris Bernstein)和卡罗尔·伯恩斯坦(Carol Bernstein)就提出了这一理论。但这一观点自提出以来，从未受到主流进化生物学的重视。

科学家在研究一种叫做草履虫的原生动物时遇到了这个问题。草履虫是一种单细胞生物，身上覆盖着微小的纤毛，使其能在淡水中游泳。他们在感受到压力的时候也会采用有性生殖的方法。而草履虫选择有性生殖时，性交的对象往往是自己。

有证据表明，自花受精是草履虫非常常见的行为，这可能是草履虫遗传多样性低的原因之一。这一事实无疑与“性的好处之一是增强遗传多样性”的主流理论相矛盾。

发现草履虫和上面提到的藻类一样，也可以直接从性交中受益。压力下，自繁草履虫的存活率高于其他草履虫。草履虫，最近刚达到性成熟，会变得更强。这些发现表明，压力不仅诱导性行为，而且激活性行为所需的过程可能有助于草履虫更好地应对压力。性不仅是一个遗传过程，也是一个细胞水平的过程，在这个过程中涉及到许多具有其他细胞功能的基因。

虽然需要进一步的实验来充分验证这一想法，但相关性和应激反应的细胞机制是内在相关的。除了自体受精和性成熟对个体生存能力的好处之外，高温和高压还会激活几个使草履虫达到生殖成熟的基因。即使没有真正发生性行为，仅仅是准备基因组融合就能让草履虫更好的应对压力。

当然草履虫和藻类都不是动物。对于其他生物来说，性不一定有上述好处。即使生物最初进化减数分裂是为了修复受损的DNA，现在性别在生物中的作用可能也不一样了。

但在真菌、植物或动物中，性可能还是有一些与繁殖没有直接关系的好处，比如修复受损的DNA。而且，即使性是动植物繁殖的唯一途径，这些好处也可能影响性发生的原因、方式、时间和频率。

这些间接的好处可能远远超出减数分裂的范围。在分析了从蟋蟀到老鼠的各种生物后，研究人员发现性交可以带来很多意想不到的好处。之所以让人意想不到，是因为与无性生殖相比，有性生殖不仅效率更低，而且对参与性交的生物个体造成了能量负担。合成卵子或精子，寻找配偶，交配...所有这些行为都需要能量和资源。所以生物个体往往要在繁衍后代和其他有助于延长寿命的行为之间做出选择，比如扩大体型或者增强免疫系统。

但我们关于性的成本和收益的知识，很多来自于果蝇等现代生物，从实验动物身上得到的结果也可能是骗人的。自然界的情况可能和实验室有很大的不同，因为环境差异很大。

例如，大多数与果蝇相关的文献表明交配是有代价的。但是在野外环境下研究果蝇，发现实际情况正好相反，要保持“完美身材”是要付出代价的。交配过的雌果蝇比未交配过的果蝇寿命更长。虽然这还没有通过详细的实验得到证实，但可能是因为雌性果蝇可以从受精中获得很多好处。

美国克莱顿大学生殖生理学和行为生态学专家艾米·沃辛顿(Amy worthington)在野生蟋蟀中发现了类似的现象。她原本以为雌蟋蟀交配后用大部分精力产卵，所以更容易得病。但实际上它们交配后会变得更加顽强。“我们在许多物种中发现了这种现象。与未交配的雌性相比，交配的雌性往往具有更强的生存能力和更强的免疫反应。但是，提升的程度有高有低。”

研究人员怀疑一种叫做前列腺素的化合物可能在其中起着关键作用。前列腺素对卵子的形成很重要，但它们也有助于调节免疫系统。我们知道前列腺素主要存在于精液中，女性可能会使用受精时获得的前列腺素，不仅可以提高生殖成功率，还可以提高存活率。

“亲密”的朋友

前列腺素不是蟋蟀或昆虫独有的。几乎所有动物都有。因此，无论是“昆虫、哺乳动物还是两栖动物”，受精都有可能增强个体的免疫系统。

在研究雄性动物的过程中，神经科学家发现事情的真相比这更复杂。2018年发现，交配后，雄性小鼠的大脑免疫力提高，这可能意味着交配帮助它们对抗感染。此外，性可能会改善他们的大脑功能。其他科学家发现，交配后的老鼠在某些认知测试中表现更好，定期交配可以减缓与衰老相关的大脑功能退化。

对目标效益的研究不仅在技术上难以进行，而且容易被误解，造成文化或社会影响。记者们询问，对藻类的研究是否意味着压力会导致人们发生性行为。科学家幽默的回答是:“除非你是单倍体藻类。”

当然，这些影响是双向的。文化信仰和性观念会影响我们对其他物种研究结果的解读，我们对性行为的偏见会从根本上影响我们在动物研究中最重视的方面。

我们对性行为的认知影响了我们对动物行为的理解，比如“正常”的性行为应该是什么样的，个体是否应该有性行为等等。对动物同性恋行为的研究就是这样一个例子。你可能会注意到，对同性性行为的研究往往会做出站不住脚的假设，比如“发生性行为是需要代价的，所以同性之间的性行为肯定会带来一些难以拒绝的好处，比如极大地增加个体生命中的繁衍数量，从而在自然选择中生存”等等。但在很多情况下，性交不需要付出任何代价，收益可能超出我们的理解。

与其去思考生物为什么会进化出同性恋行为，不如去思考为什么不能进化出这样的行为。从这个角度来看，他们意识到同性性行为可能自古就有，但并没有被自然选择淘汰，因为它不需要生物付出太多代价。毕竟，性分化可能发生在减数分裂和配子融合之后。在此之前，生物可能已经学会了如何做准备，尝试与同一物种的任何一个个体交配，并尝到了它的味道。