线粒体假说:为什么我们不是雌雄同体呢?
澎湃新闻 2022-09-14 13:59

许多看似平常的现象,其实有着复杂的进化逻辑。比如,人类为什么会有男人和女人两种性别,为什么我们不是雌雄同体呢?

这似乎是一个奇怪的问题,但客观而言,雌雄同体确实“方便”。假设大家都是雌雄同体,彼此可以轻松达成合作协议:你让我受精,我也让你受精。你给我生一个孩子,我也给你生一个孩子。公平公正、合理合法,省去了多少讨价还价的口舌,必定可以大大提高生育效率,大家何乐而不为呢?

这绝非毫无依据的无稽之谈,要知道雌雄同体在生物界非常普遍,现存80%的被子植物都是雌雄同体——既可以产生精子,也可以产生卵子,在植物那里称为花粉和花药。低等动物雌雄同体现象也是随处可见,比如蚯蚓和蜗牛等,全部配置了雌雄两性器官,可以在需要时进行自我交配。部分脊椎动物也有雌雄同体现象,其中以鱼类的表现最为抢眼,有的鱼类甚至可以在两种性别之间来回切换,比如金鲷可以从雄性转为雌性,剑尾鱼可以从雌性转为雄性。

鸟类和哺乳动物情况则有所不同,它们属于恒温动物,很少出现雌雄同体现象。偶尔的基因变异可能导致雌雄同体,但并不足以改变总体格局。人类之所以分为男女两性,就是继承了哺乳动物的雌雄分化策略。造成这一现象的根源,可能与许多因素有关,其中有一种观点认为,线粒体在其中起到了关键作用。

众所周知,在受精过程中,只有精子头部才能进入卵细胞,尾巴被丢在了外面,与尾巴一道丢掉的,还有精子的线粒体。这对于细胞核来说可能不算什么,但对线粒体基因来说,却等于遭到了无情的抛弃。

线粒体就像是寄生在细胞体内的微生物,有着自己的基因和代谢系统,主要负责为细胞提供能量,被称为细胞发动机。从自私的基因的角度来看,线粒体也想把基因传递下去,它们有理由对自己的命运表示不满。

线粒体的麻烦在于,它们的遗传利益似乎与自身的任务相抵触。线粒体在为细胞制造能量时,就像火力发电场一样,生产过程充满了各种危险,导致线粒体内部遍布电子和氧自由基,稍有闪失就会对基因造成严重的伤害,所以线粒体基因的突变率非常高。

自由基不但会对线粒体造成伤害,而且经常发生泄露,祸及细胞质与细胞核,成为机体衰老的罪魁祸首。当陈旧的机体不再适合继续居住时,细胞核内的基因就会设法逃离,逃离的方式就是有性生殖。它们需要重建新的机体,并在其中安顿下来,自我更新之后,再耐心等待下一次逃离的机会。

这就是另一个用于解释有性生殖的假说——线粒体假说。

问题在于,当细胞核基因逃离机体时,精子中的线粒体基因却受到了不公正对待,意外成为推动雌雄分化的重要动力,直到推动人类彻底告别雌雄同体策略。

逻辑是这样的。

在雌雄同体的生物体内,生殖细胞有可能变成精子,也有可能变成卵子。对于细胞核基因而言,两者区别不大。但对于线粒体基因而言,前途却截然不同。精子细胞中的线粒体基因根本没有机会向下传递,变成精子就等于走进了死胡同。只有在卵子细胞中,线粒体基因才有希望。为此线粒体基因会想尽一切办法阻止细胞变成精子——阻止生成精子相关的基因,因而也被形象地称为雄性杀手基因。

雄性杀手基因明显符合线粒体的利益,但却不符合细胞核的利益。核基因更渴望成为精子,那样可以让更多的卵子受精,获取更多的生殖回报。如此一来,核基因与雄性杀手基因就出现了直接冲突。为了确保生殖大业,核基因必须镇压雄性杀手基因,镇压方式就是抑制其活性,并因此影响了线粒体的产能效率,导致雌雄同体的动物体型一般都比较小。

明白了这个逻辑,就能明白为什么恒温动物都已完成了雌雄分化,因为雌雄同体的动物产能效率太低,很难发展出恒温性状。只有雌雄分化之后,核基因解除对线粒体的限制,才能为机体提供充足的能量,维持恒定的体温。

雌雄分化具有自我强化倾向。因为在单独的雄性体内,保留雄性杀手基因等于自杀;而在单独的雌性体内,雄性杀手基因的目标已经消失,因此也失去了存在的价值。雌雄分化就会越来越彻底,越来越纯粹,结果就是雄性是雄性、雌性是雌性。

下面我们以老鼠为例来理解这个问题。

假设有一群雌雄同体的老鼠,只要某个老鼠体内出现了雄性杀手基因,无法再制造精子,就可以节省大量物质和能量用于制造卵子,生育更多的后代。而在它的所有后代体内,都携带着雄性杀手基因。由此造成的结果是,不久整个群体要么是雌雄同体,要么是单独的雌性,绝不会出现单独的雄性。

但这种局面不会持续太久,因为老鼠是体内受精动物,一旦单独的雄性消失,雌雄同体的老鼠就成了稀缺资源,它们必然趁机制造大量精子,以此留下更多的后代,雌雄同体的老鼠为此甚至会进化出雌性杀手基因,把体内的雌性生殖细胞给干掉,以免影响生产精子的效率,从而变成专一的雄性。

只要雌性杀手基因出现,同样也会得到快速传播,制造大批完全雄性的个体。最终的结果就是,群体中会出现大量单独的雌性和单独的雄性,所有雄性都带有雌性杀手基因,所有雌性都带有雄性杀手基因,雌雄分化就此完成。雌性专门制造卵子,雄性专门制造精子,效率更高,质量更好,最后将雌雄同体彻底碾压出局。

体内受精动物更容易出现雌雄分化,因为它们的精子和卵子很难出现广泛的接触,否则情况就会出现反转,植物就是极佳的反证。

植物与动物不同在于,植物的雄性被杀死以后,由于花粉漫天飞舞,你没有花粉,总有植株会借给你花粉。雌性反倒可以节省能量生产更多的种子,因此雄性不育株往往是高产株。我们现在吃的水稻和玉米,基本上都是雄性不育株。实在没有花粉时,还有人类替它们授粉。

由于这个原因,完全雌雄分化的植物要比动物少得多。特别是体内受精的高等动物,很难让精子漫天飞舞去给卵子受精,所以它们有着强烈的雌雄分化动机。

人类分为男女两性,就是这一动机的终极结果。

编辑/范辉

相关阅读
科普|银杏不是黄的吗?为什么叫“银”杏?
中国科普博览 2024-11-13
新知|动物界的性别可以有多难以想象?
北京青年报客户端 2024-10-17
新知|动物界的性别可以有多难以想象?
北京青年报客户端 2024-10-17
酸儿辣女是真的吗?孩子的性别早在这个时候就确定了......
科学辟谣 2024-09-22
同样举铁三个月 为什么别人成了大力水手 我却毫无变化?
北京青年报客户端 2023-11-15
生孩子要趁早,好生还恢复快,是真的吗?
北京儿童医院顺义妇儿 2023-08-23
再啸山林不是梦 研究显示华南虎种群恢复潜力较好
科技日报 2023-05-19
新知 | 为了求偶,它们可谓是煞费苦心
科普中国 2023-03-27
最新评论