【公母】雌性和雌性交配叫性吗？不要被教科书限制想象力

质量状态rotiper(照片来源：迭戈方塔网)

自然界大部分动物都是通过性繁殖的，但有特例——阴道状态洛蒂虫。虽然“禁欲”了几千万年，但仍然顽强地生存着，包含着丰富的遗传多样性。(威廉莎士比亚、温斯顿、禁欲、禁欲、禁欲、禁欲、禁欲)如果研究质量状态Lotifer，“性，为什么那么重要？”可以说。

如果从所有动物身上总结出自然界中长期生存的法宝，那无疑是一个字：性。据估计，自然界约有800万种动物，除了丧失交配能力的物种外，其馀动物都通过性繁殖。“毫无疑问，性很重要。如果你没有姓，你就会走向灭绝。”美国伍兹霍尔海洋生物学研究所的生物学家大卫马克韦尔奇(David Mark Welch)说。

然而，性是动物繁殖的主要方法，但科学家们一直不知道这种现象存在的原因。马克韦尔奇估计，研究人员提出了至少50到60种不同的假设，其中一些甚至争论了一个多世纪。

为了解释流星繁殖广泛存在的原因，对特例的研究可能是一个可行的想法。特殊情况之一是质量状态罗提弗。大约1-4千万年前，这种小生物从进行性繁殖的祖先中分离出来，形成了独立的东西，至今仍维持着“禁欲”的生活。

在充满性欲的动物世界里，阴道状态rotiper是“幸存者”。它不仅总是保持“纯洁”，还能忍受各种极端环境。在所有接受辐射测试的动物中，阴道状态rotiper对辐射的耐受力最强。另外，不管是茎上潮湿的苔藓还是即将干涸的小水槽，都能在湿润的表面生存。(威廉莎士比亚，哈姆雷特，)没有水的时候，他们会让自己完全脱水，进入休眠状态，直到一滴水再次苏醒。

大卫马克韦尔奇正在观察质量状态罗蒂法。(图片来源：凯瑟琳纽霍尔)

最近对阴道状态Rotifer基因组的研究表明，无性繁殖可以模仿有性生殖中DNA的交换过程，无性繁殖在这方面可能更有效率。事实上，根据这项研究，质量状态rotiper非常擅长创造基因层面的多样性，因此一些研究者现在开始考虑重新定义“性”。一些学者认为，“性”可能不需要遗传物质交换过程。另一些人认为，即使不改变对性的现有定义，阴道状态罗蒂虫产生遗传多样性的独特方法也有助于阐明性繁殖广泛存在的原因。马克韦尔奇从20世纪80年代开始研究质量状态罗蒂法。他这样说。“如果我们能知道阴道状态rotiper是如何产生丰富的遗传多样性的，我们就能理解为什么性是重要的。(大卫亚设，北方专家。)

姓氏的含义

本质上，性是DNA交换的过程。DNA交换的核心在于减数分裂。细胞减数分裂时，爸爸和妈妈的染色体之间随机交换碎片，形成重组的染色体。如果这些染色体传给子细胞，子细胞就会拥有与父母不同的基因组。

染色体交换的好处是显而易见的。一个世纪前，德国生物学家奥古斯特魏斯曼(August Weismann)提出，增加生物多样性，使生物群体能够更好地应对外部环境的变化。

但是从进化的角度来看，性也有明显的弊端。第一，性繁殖的生物只能将基因组的一半传递给子代，另一半不能继承。这完全违背了生物的“自私”本性。第二，染色体重组会扰乱原来的DNA序列，损害基因的功能。另外，找到合适的配偶不是一件容易的事，对配偶来说，拥有各种病原体更不用说，要消耗大量的时间和精力。(大卫亚设)。

这也是进化学家们困惑的地方。既然有性繁殖有这么多弊端，为什么大部分动物还是选择了有性繁殖？经过数百年的探索，我们仍然不知道城堡为什么如此重要。"马克韦尔奇说。"矛盾的地方是，从长期来看，性繁殖更有利，但无性繁殖具有明显的短期优势。——这些动物为什么不选择无性繁殖？" "

质量状态rotiper(视频来源：akira Flickr)

在生物学家提出的所有假设中，魏斯曼的假设仍然处于主导地位。自从提出这个假说以来，许多理论生物学家一直在设想不同的机制来解释这个假说。例如，如果有些动物能经受高温，而其他动物能抵抗某些毒素，那么性就能把这两种重要适应性的进化联系在一起。

另一个被称为红皇后的假说有时被认为是魏斯曼假说的变体。它指出性可以帮助动物抵抗病原体的渗透。因为有性繁殖可以产生大量不同的基因组，所以可以迅速进化成具有病原体抗性的物种。

20世纪60年代遗传学家赫尔曼·穆勒（Hermann Muller）曾提出了一个被称为“穆勒的棘轮”（Muller’s ratchet）的假说。该假说认为在有性繁殖中，染色体重组能够消除基因组中的错误。而在无性繁殖中，突变基因只能在后代中不断地累积，直至这个物种最终灭绝。该假说的名字也很好地反映了这一特点，因为棘轮只能向一个方向运行，没有回头的余地。

尽管每一种假说都有相应的支持证据，但是研究人员却很难直接证明它们。蛭态轮虫则为科学家提供了新思路。“理解蛭态轮虫如何通过无性繁殖存活上千万年，有助于我们理解为什么性如此重要。”意大利生态系统研究所的生物学家迭戈·丰塔内特（Diego Fontaneto）表示。

乱七八糟的染色体

早在1696年，蛭态轮虫就已经活跃在科学家的显微镜下。但直到如今，也没有人发现过雄性的蛭态轮虫。事实上，在将近200年的时间里，蛭态轮虫一直无人问津，直到生物学家开始研究动物的无性繁殖。

但仅仅是雄性蛭态轮虫的缺失，还无法确切地证明蛭态轮虫进行的是无性繁殖。此前，也有一些生物被认为进行无性繁殖。但后来发现，它们在少数情况下也能进行交配，并且这往往是由压力所引发的。

20世纪80年代，哈佛大学著名的生物学家马修·梅塞尔森（Matthew Meselson）表示，或许能够通过蛭态轮虫的基因组来判断它是否进行无性繁殖。这是因为进行有性繁殖的生物，在减数分裂时两条同源染色体之间会配对并重组。在长期的演化过程中，这种信息上的交换，会导致其两条同源染色体上往往具有同一个等位基因。但对于无性繁殖的生物来说，由于没有重组的过程，因此两条同源染色体上的基因应该完全保持独立。

就在2000年人类基因组计划草图完成的同时，梅塞尔森和他的学生马克·韦尔奇共同发表了他们关于蛭态轮虫基因组的第一批研究成果。他们发现蛭态轮虫的同源染色体上往往具有两个完全不同的等位基因。

随着对蛭态轮虫的进一步研究，科学家发现了更多有趣的现象。人类每个基因有2个拷贝，但蛭态轮虫却有4个！于是，研究人员猜测，在蛭态轮虫的演化历史上，或许曾经发生过基因组的复制，这让它们多出了一套染色体。

这些“多余”的染色体有什么功能吗？研究人员决定对蛭态轮虫的整个基因组进行研究。2009年，包括马克·韦尔奇和比利时那慕尔大学的生物学家卡里宁·范多尼克（Karine Van Doninck）在内的一个研究团队，在资金支持下正式开始了这项工作，而他们的发现远超他们的想象。

卡里宁·范多尼克和她的学生鲍里斯·埃斯佩尔（Boris Hespeels）（图片来源：那慕尔大学）

在蛭态轮虫的基因组中，充满了大量的外来基因。将近10%的蛭态轮虫基因都来自除动物外的其他生物，例如真菌、植物和细菌。这个比例远远高出其他动物中外来基因的占比。从这个角度来看，蛭态轮虫更像细菌：依靠一种被称为基因水平转移的现象，细菌可以频繁地将外来基因整合到自身的基因组中。

而且，蛭态轮虫的染色体组成十分混乱。大量的染色体片段四处移动，并插入到另一条染色体中，这让蛭态轮虫的染色体看起来就像一套胡乱拼接的拼图。“我们没有想过，它们会拥有如此高度重组的染色体，”艾奥瓦大学的演化生物学家约翰·洛格斯登（John Logsdon，未参与研究）表示，“这十分不同寻常。”

大自然有时也会随机重排染色体，但是有性繁殖中染色体配对的过程，让这些不幸被重排的个体无法繁殖下一代，从而避免了大量重排染色体的累积。例如，如果从母亲中遗传来的染色体结构为A-B-C，从父亲处遗传来的染色体结构为A-C-B，那么这两条染色体就无法进行配对，也就无法正常地进行减数分裂。一些杂交的品种，例如马骡，也是因为相同的原因不能生育：马骡中来自母马的染色体和来自公驴的染色体不能正常配对。

蛭态轮虫的全基因组序列直接证明了蛭态轮虫进行无性繁殖，因为拥有如此混乱的染色体，没有任何生物能够进行正常的减数分裂。

蛭态轮虫基因组中的大量外来基因以及DNA重排结构，或许能够解释为什么它们能在无性繁殖的条件下，仍然保持高度的遗传多样性。“无性繁殖的生物可以通过一些策略来回避无性繁殖的缺陷。”亚利桑那大学的演化遗传学家比尔·伯基（Bill Birky，未参与蛭态轮虫测序项目）表示。通过整合外来基因，蛭态轮虫或许可以获得一些新的能力，例如分解一些毒素。而复制及替换染色体片段或许有利于积累有利突变、消除有害突变。这直接驳斥了“穆勒的棘轮”这一假说。

的确，蛭态轮虫可能采取了与细菌相同的演化策略。与蛭态轮虫相同，细菌也进行无性繁殖。并且，无处不在的细菌表明它们是演化过程中的大赢家。“那些从演化角度研究性的重要性的科学家往往容易忽视的一个事实是，进行无性繁殖的细菌成功存活了上百万年。”伦敦大学学院的生物学家让-弗朗索瓦·弗洛（Jean-François Flot，未参与蛭态轮虫基因组项目）表示。

而且蛭态轮虫多出的一套染色体，可能也对其遗传多样性有所贡献。这套染色体提供了新的遗传材料，或许它们还可以承担一些新功能，让蛭态轮虫更好地应对高度变化的环境带来的挑战，丰塔内特表示。

但并不是每个人都确信蛭态轮虫进行无性繁殖。“对我来说，这并不是板上钉钉的事，”洛格斯登表示，“虽然蛭态轮虫的基因组很奇怪，但是我们能说，这与无性繁殖之间有直接关联吗？”尽管很难想象拥有这样的基因组，蛭态轮虫如何进行减数分裂，但是它们或许拥有“某些不同寻常的染色体配对和分离的机制”，洛格斯登表示。

性的新定义

截至目前，蛭态轮虫的基因组表明，它们通过产生高度的遗传多样性，已经成功存活了上千万年。但还没有人能够直接证明这一点，我们甚至不能证明，这种多样性是否足以与有性繁殖产生的多样性相匹敌。“这又回到了我们一直询问理论生物学家的问题——多少性才足够？”马克·韦尔奇说。换句话说，无性繁殖的生物的DNA要达到何种程度的重组，才能够达到与有性生殖相当的效果？要回答这个问题，科学家需要测量蛭态轮虫的遗传多样性，并将其与有性繁殖的生物的遗传多样性相比。

目前，科学家还没有足够的数据，来判断关于性的假说中，哪一个更加正确。或许这几种假说都对蛭态轮虫的长期存活有所贡献。“让理论生物学家沮丧的是，可能很多假说都是对的，”马克·韦尔奇说，“但没有办法，从生物学的角度来说，目前还没有理由去驳斥这些假说。”

比性的重要性更有趣的一个问题或许是，为什么在众多无性繁殖的生物中，只有蛭态轮虫成功了。范多尼克目前正在探究这是否与蛭态轮虫的超强抗旱性有关。当蛭态轮虫脱水时，它的基因组会分解为小片段；当再次处于水环境中时，这些小片段又会重新组装成完整的基因组。这种神奇的DNA修复机制或许可以解释为什么蛭态轮虫的基因组中含有大量的外来基因和重组结构，这也能让蛭态轮虫在无性条件下，高效产生丰富的遗传多样性。通过把蛭态轮虫置于辐射和干燥条件下，并观察其基因组的重组，研究人员希望能够揭晓这一问题的答案。

更早的研究表明，蛭态轮虫还可能从同一物种的其他生物体处窃取DNA。这一点非常重要，因为这模拟了有性繁殖的过程。“如果在同一物种的不同个体间存在遗传信息的交换，那么从某种程度上来说，它们也算是存在交配的过程。”范多尼克说。而且，这并不需要减数分裂。但是范多尼克认为，扩展性的概念是需要时间的。或许，性可以被定义为同一物种不同个体间遗传信息的交换。而蛭态轮虫则是更新性的定义的关键。

撰文：埃米莉·辛格（Emily Singer）

翻译：洪艺瑞 审校：吴非

封面图来源：pixabay

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