增加多样性并不能解释为什么单细胞生物以及如何进化出性的过程之(如何增加基因多样性)

制作：新浪探索 《科学好故事》第五期

编译：叶子

性大概是生物学中最难解的谜团之一。有性生殖的弊端不容反驳：必须要有两个生物个体，并且每个个体都只能将自己的一部分基因组遗传下去。性交过程中，双方需要亲密接触，因此很容易受到对方的身体伤害、或感染疾病。而无性繁殖（即自体克隆）就没有这些弊端，可以随时随地进行，还可以将自己的全部基因传给后代。

然而，无性生殖虽然有很多优点，但属于真核细胞生物“异类”、非常态。例如，在植物中，只有不到1%的品种经常进行无性繁殖。在动物中，只有千分之一的已知品种进行无性生殖。几百年来，这种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（Hermann Muller）我想我找到了答案。“遗传学终于解开了性存在(即功能)之谜。基因变异的可能性可以通过基因重组最大限度地利用。”换句话说，性的目的其实很简单：为了增加后代的基因多样性。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，或适应性更强。

马勒并不是第一个提出这一观点的生物学家，但他的影响力最大，所以他的名字与这一观点密切相关。直到今天，这一观点在生物学界仍然很流行。但这一观点本身仍有待商榷。毕竟，增加多样性并不能解释为什么单细胞生物以及如何进化出性的过程之一：减数分裂，即基因组分成两半、形成卵细胞和精细胞的过程。

性选择和性假说的重点往往集中在生物后代上。研究性行为进化史发现的证据表明，只关注“什么对后代和整个物种最有利？”理论不全面，研究总是忽略了性交给个人的直接好处。

研究人员正在重新审视性行为以及相关细胞和生理过程对生物个体的影响。他们的研究结果表明，生物学家找不到解释性行为的统一理论，因为根本没有这样的理论。相反，性行为可以为生物提供各种好处，生物会从最有益的原因开始发展性行为。

性行为无处不在

从某种意义上说，“性”它无处不在。几乎每个核心生物都有性交，但每个物种都有独特的性体验。对于植物、单细胞原虫、果蝇和人类来说，性行为的方式是非常不同的。

但并非所有真核生物都将繁殖看作性交的目的。例如，有一种藻类就不会为了繁殖进行性交，它们进行无性繁殖的效果反而更好。这种团藻可以自行选择是进行自体克隆、还是与其它团藻性交，而当它们选择后者时，往往是为了提高自己的生存概率。

根据人类标准，这些藻类只有一半的基因组。每个染色体只有一个，所以属于单倍体。在这种状态下，它们可以通过这种方式进行有丝分裂和克隆自己。首先，它们的每个染色体验被复制为两个；然后，这些复制的染色体验沿细胞中线排列，然后被拉入与母细胞完全相同的新形成的子细胞。

然而，当环境温度过高或缺乏氮时，藻类会改变繁殖方式。单倍体藻类与另一组藻类结合。这样，每组染色体变成两组，藻类变成像我们这样的双倍体。

然而，只有当生活环境变得困难时，这种藻类才会选择性繁殖。内德尔库和他的同事发现，如果他们能缓解生理压力，比如在水中添加抗氧化剂，他们就不会进行性繁殖。研究人员得出结论，对于这些藻类来说，性的主要目的不是生育，而是提高他们的生存能力，更好地应对这些压力。

对于这种藻类来说，性最直接的好处是使它们成为具有较强抵抗力的多倍体，能够承受更严峻的环境挑战。当环境改善时，双倍体藻细胞通过减数分裂回到单倍体状态。然而，减数分裂不仅增加了基因多样性，而且为基因组提供了独特的改进机会。

就像所有的多细胞生物一样，这些藻类也可以修正DNA微小缺失或错误，但如果DNA如果损坏太严重，这种机制很难准确修复。在这种情况下，如果有第二条DNA作为复制模板，链条可以扭转局面。

在单倍体细胞中，由于只有一个染色体，受损的损伤通常无法通过复制粘贴来修复。DNA。但也有例外:在减数分裂期间，当一组新配对的染色体排列在一起，尚未被拉入子细胞时，就会被破坏DNA就得到了一个修复的契机。

减数分裂时，两个单倍体母细胞的染色体会排列在一起，组成部分可能会相互交换。这个过程叫做“重组”，它可以大大提高基因多样性，但更重要的是，它为染色体提供了复制和粘贴其他单倍体基因的机会，可以完成自己无法完成的事情DNA修复。

早在几十年前，科学家就知道减数分裂DNA修复作用。一些早期研究提出，这可能会解释为什么有害变异比我们预期的要少。但研究指出，这一功能在生物进化出性功能中或许扮演了重要作用。由于上述藻类是最古老的核生物系统之一，这可能表明“性的最初目的不是繁殖”。相反，“可能是为了增强对压力的适应性。”

植物、原生生物和人类

这不再是一个新的想法。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）它提出了这一理论。但自提出这一观点以来，主流进化生物学从未受到重视。

科学家们在研究一种叫做草履虫的原始昆虫时遇到了这个问题。草履虫是一种覆盖着小纤毛的单细胞生物，可以在淡水中游泳。当他们感到压力时，他们也会使用性繁殖。当草履虫选择性繁殖时，性交的对象通常是他们自己。

有证据表明，自体受精是草履虫中常见的行为，这可能是草履虫基因多样性低的原因之一。这个事实无疑是和“其中一个多样性的好处之一是”主流理论矛盾。

研究发现，草履虫似乎可以直接从性交过程中受益，就像上面提到的藻类一样。在压力环境下，自体繁殖草履虫的生存率高于其他草履虫。刚刚达到性成熟的草履虫最近也会变得更强壮。这些发现表明，压力不仅可以诱发性行为，还可以帮助草履虫更好地应对激活性行为所需的过程。性不仅是一个遗传过程，也是一个细胞层面的过程，它涉及到许多其他细胞功能的基因。

虽然需要进一步的实验来完全验证这一想法，但针对性和压力反应的细胞机制本质上是相互关联的。除了自体受精和性成熟对个体生存能力的好处外，高温压力还激活了几种使草履虫生殖成熟的基因。草履虫甚至可以更好地应对压力，而无需真正进行性行为。

当然，草履虫和藻类不是动物。对于其他生物来说，性并不一定有上述好处，即使生物最初进化出减数分裂来修复损伤DNA，如今，性在生物学中的作用也可能与当初不同。

然而，在真菌、植物或动物中，性仍然可能有一些与繁殖无关的好处，如修复损伤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的原因、方式、时间和频率。

这些非直接好处可能远远超出了减数分裂的范围。在分析了从蟋蟀到小鼠的各种生物后，研究人员发现性交也会带来许多意想不到的好处。出乎意料的是，与无性繁殖相比，有性繁殖不仅效率更低，而且对参与性交的生物个体造成能量负担。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。因此，生物个体往往需要选择繁殖和其他有助于延长寿命的行为，如扩大体型或增强免疫系统。

然而，我们对性的成本和好处的许多理解来自现代生物，如果蝇，实验室动物的结果也可能是欺骗性的。自然界中的情况可能远离实验室，因为环境非常不同。

例如，大多数与果蝇有关的文献都指出，交配是有代价的。然而，在研究野生环境中的果蝇时，我们发现实际情况恰恰相反。“完璧之身”交配的雌性果蝇比未交配的果蝇更长。虽然这一点尚未通过详细的实验得到证实，但这可能是因为雌性果蝇可以从受精中获得各种好处。

艾米，美国克瑞顿大学生殖生理学和行为生态学专家·沃辛顿（Amy Worthington）野生蟋蟀也发现了类似的现象。她最初认为雌性蟋蟀在交配后将大部分能量用于产卵，因此更容易感染疾病。但事实上，它们在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。与未交配的雌性生物相比，交配的生存能力和免疫反应往往更强。但增强的程度有高有低。”

研究人员怀疑，一种叫做前列腺激素的化合物可能起着关键作用。前列腺素对卵子的形成非常重要，但它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，雌性生物可能使用受精过程中获得的前列腺素，这不仅可以提高繁殖成功率，还可以增加生存概率。

“亲密”的朋友

前列腺素几乎存在于所有动物体内，因为前列腺素并不是蟋蟀或昆虫所独有的。因此，无论是否“昆虫、哺乳动物或两栖动物”，受精可以加强个体免疫系统。

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，研究发现，交配后大脑的免疫力有所提高，这可能意味着交配有助于它们对抗感染。此外，性也许能改善它们的大脑功能。其他科学家发现，交配后的小鼠在特定的认知测试中表现更好，定期交配可以减缓与衰老相关的脑功能退化。

有针对性的好处研究不仅在技术上难以进行，而且很容易被误解，造成文化或社会影响。记者曾经问过，藻类的研究是否意味着压力会诱导人们做爱。科学家们幽默地回答说：“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释，以及我们对性行为的偏见（如什么类型）“正常”、哪些类型“不正常”等等)会从根本上影响我们在动物研究中最重要的方面。

我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”性行为应该是什么样子，某个体是否应该发生性行为等等。研究动物同性行为就是这样一个例子。你可能会注意到，对同性行为的研究往往会产生站不住脚的假设，比如“性交需要付出代价，所以同性之间的性行为肯定会带来一些不可拒绝的好处，比如可以大大增加个人生活中的繁殖量，从而在自然选择中保留下来”等等。但在很多情况下，性交不需要付出任何代价，好处可能是我们无法理解的。

与其思考为什么生物进化出同性行为，不如反过来思考为什么不能进化出这种行为。从这个角度来看，他们意识到同性行为可能自古就存在，但他们没有被自然选择淘汰，因为他们不需要生物付出太多代价。毕竟，两性分化（不同性别的个体之间存在区别、且会产生不同大小的配子）可能是生物进化出减数分裂和配子融合后才出现的。在此之前，生物学可能已经学会了准备几只手，尝试与同一物种的任何个体交配，并尝到了甜味。

甚至有一种可能性：如果性行为造成的身体成本足够低，好处足够大，有时可能不值得找到异性交配对象。如果个体不遵守交配对象的性别，他们可以更早、更频繁地进行交配，这可能会活得更长，遗传更多的基因。由于我们对自己性行为的看法决定了对其他物种性行为的看法，这样的假设很可能无法深入探索。

然而，随着科学家对性对不同生物影响的研究越来越多，他们正在逐渐放弃偏见，不断发现许多积极的性影响。任何影响都可能微妙地决定一个物种发展性行为的方式。只要它能给生物带来一点好处，比如增加后代的数量，提高后代的质量，它就会受到自然选择的青睐。

可以说，性的进化至少在一定程度上是由这些好处引导的。性可能不仅会增加后代的遗传多样性，而且会给个人自身带来直接的好处，这两者并不矛盾。如果性行为可以直接和间接地促进繁殖（如延长个人寿命），从进化的角度来看“双赢”，性在自然界中的普遍存在是有道理的。