饭特读 | 为什么“性”会让生命充满欢喜?-《生命的跃升》

 2019年03月13日  102 次 0 条 1  


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  本文共2924个字,预计阅读时间需要8分钟。

今天为大家介绍一本获得过英国皇家学会科学图书大奖的科普著作——《生命的跃升》。

这本书聚焦于演化史上的十个重大命题,用严谨的论证和精彩的细节清晰地重现了地球生命的演化历程。

饭特读 | 为什么“性”会让生命充满欢喜?-《生命的跃升》 百科知识 第1张

今天我们挑出其中的一个命题,为大家做一个简单介绍,这个命题就是:

我们为什么选择有性生殖?



图文版

性:基因随机生成器

有这样一则名人轶事,说的是一位漂亮的女演员在一场宴会上向萧伯纳求婚。

她说:“我们应当生个孩子,这样他就会同时继承我的容貌和你的头脑!”

结果萧伯纳十分耿直地回答道:“可要是这孩子继承的是我的容貌和你的头脑,那怎么办?”

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嗯……这个故事的真实性不可考,不过确实讲出了一个科学道理,那就是:有性生殖是随机生成基因组合的。

这种随机性在我们普通人看来倒是没啥,但在遗传学家眼里可以说就是危机重重了,因为基因的随机组合可能会直接导致痛苦、疾病甚至死亡。

举个例子,镰刀型细胞贫血症(注1)是一种严重的遗传病,病因是患者从双亲处继承了一个基因的两份“坏”的版本(SS)。但是,如果从双亲处继承的是这个基因的两份“好”的版本(AA),这个人又有很大的风险感染疟疾。

所以,一好一坏的杂合子型(AS)才是最好的搭配。

但即使父母都拥有这个最佳配置,他们生出来的小孩却只有一半的概率能继承这个基因型:

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像上图那样,1/4的可能他会患上镰刀型细胞贫血症,还有1/4的可能他会特别容易感染疟疾。

你想想,如果一个杂合子型个体能通过无性生殖的方式,把自己100%的基因传给所有的后代,她的小孩儿就不会这么倒霉了。

所以,性所带来的多样性也许会让生命直接遭殃:它可能摧毁那些最成功的基因组合,并迫使生物背上寻找配偶的沉重负担,甚至还会传播各种可怕的生殖疾病。

但是,即使有这么多坏处,性却还是成为了地球上占据绝对主流的生物生殖方式。

到底它有什么巨大的优势,足以抵消上述种种缺点呢?

性的巨大优势?

从达尔文开始,生物学界对性的探究就从未停止。很多优秀的生物学家们都曾经和这个问题做斗争,他们提出了种种假说,想解释清楚性的优势:

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如上图所示,英国统计遗传学家费希尔则在1930年指出,性能让不同的基因突变有机会进入同一个个体,从而加速演化

而美国遗传学家穆勒在实验中发现绝大多数基因突变都是有害的,所以他发展了费希尔的观点,指出无性生殖种群容易积累有害突变,而性有机会把种群内分散的未突变基因集合到一起,重新创造出完美无瑕的个体,从而挽回种群衰败的命运

当然,有性生殖也有可能把各种有害突变集合到一起,所以苏联演化遗传学家康德拉肖夫据此提出,性能够集合多种有害突变,然后利用自然选择一次性消灭它们

此外,还有学者根据红皇后假说(注2)提出,性存在的目的是抵御寄生虫的入侵

但以上这些假说在解释性的优势方面都各有片面之处。从20世纪90年代中期开始,研究者们就试图把包括上述假说在内的各种理论综合起来,建立更加具有包容性的理论模型。这个新的理论模型叫作【选择干扰假说】

选择干扰假说

刚刚我们已经说过,基因会发生突变,并且绝大多数的突变都是有害的,只有少数突变称得上是有益的。

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同一条染色体上的基因们组成了命运共同体,所以,有害突变的产生和积累肯定会让染色体的整体水平变差。

那么有益突变的产生能不能挽回一下局势呢?并不能。选择干扰假说认为,当有益突变产生的时候,偏好这个有益突变的自然选择可能会被不偏好这条染色体上其它基因的自然选择抵消掉,导致这个有益突变无法在种群中传播。

什么意思呢,想象一下,假如有一块无性繁殖的水稻田,水稻们都通过自体克隆来产生后代。

某一天,一株水稻的某条染色体上突变出了强力抗旱基因,这个突变可是天大的好事,但不巧的是,同一条染色体上,还有这株水稻从它的亲代继承过来的易染病基因

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等到了大旱天儿,这个强力抗旱基因本应该脱颖而出、横扫稻田,但是……这株水稻一不小心病死了。(而它的克隆后代们可能也逃脱不了同样的命运。)

总之,这个强力抗旱基因被同一条染色体上的易染病基因拖了后腿,根本没法通过自然选择在这块稻田里传播开来。

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也就是说,同一条染色体上不同基因的相互干扰,会遮蔽掉有益突变的好处,从而阻碍自然选择的进行。(注3)

这个时候,水稻搞有性生殖的好处就体现出来了。

在减数分裂的第一步,每个细胞通过复制会拥有四套染色体,这四套染色体之间混合起来,交叉互换(注4),然后七拼八凑生成了四套全新的染色体,每一套都是从未出现过的基因组合↓↓↓

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这种重组,就是性的真正核心。

通过重组,那些“好”基因或者有益突变,就有机会甩掉同一条染色体上的那些拖后腿的同伴,成功在种群中传播开来。

虽然,有性生殖的随机性决定了一千次尝试里可能只有一次成功,但总归比克隆要强得多得多。

所以,作者在这本书里动情地歌颂道:

 

  “如果没有性,我们星球上的生命就只会发育不良、朽败退化,而有了性,生命就充满了欢喜。”

 

不过,也许平常人在谈恋爱的时候,并不会想这么多吧……

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好,那我们总结一下,生物搞有性生殖,优势在于能够让被自然选择偏好的“好”基因(或者有益突变)顺利在种群中广泛传播,实现一种演化上的“进步”

不过人类文明发展到今天,性已经成为了一种特殊的文化。它不再必然跟生殖挂钩,也有了自己独特的注解。

谁又能说这不是一种“进步”呢?

不过,脱离文化的影响,纯粹从大自然的角度去看待问题,我们往往能发掘一些冷门而有趣的视角。这大概就是生物学的魅力所在吧!

总之,如果你对生命充满好奇,请一定要打开这本《生命的跃升》,还有更多有趣的问题在等着你去探寻呢~

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记得看注释哦!

注1.镰刀形细胞贫血症(Sickle Cell Anemia)是一种常染色体隐形基因遗传病,患病者的血液红细胞在某些特定的情况下(通常是缺氧状况)会变成坚硬的镰刀型,阻塞毛细血管,引起局部组织器官缺血缺氧,产生脾肿大、胸腹疼痛等临床表现。

注2.红皇后假说是一个关于生物协同进化的假说,取名灵感来源于《爱丽丝漫游仙境》中红皇后的著名台词:“你必须拼命奔跑,才能够留在原地。”物种之间的竞争会导致相互追赶的协同进化,而在讨论到性时,这种永恒的竞争发生在寄生虫和宿主之间。寄生虫演化速度很快,能在很短的时间内适应宿主的身体条件并生长繁殖。如果宿主的种群全部拥有相同的遗传特征,一个成功的寄生虫就能轻易肆虐整个种群,甚至彻底摧毁该种群。而有性生殖使得种群成员之间有所差异,从而更容易抵御寄生虫的入侵。

注3.在关于克隆水稻的例子中,即使这个被易染病基因拖了后腿的强力抗旱基因由于十年大旱而艰难地横扫整块稻田,它也会在取代本基因的其它版本的同时,消灭掉同一条染色体上其它基因在种群中的所有变体(因为该强力抗旱基因所在的x号染色体会在强自然选择的作用下,取代种群中所有其它版本的x号染色体),致使这块稻田的遗传多样性遭受到毁灭性的打击。事实上,任何足够强的选择作用(寄生虫、气候变化、饥荒或者迁徙)都可能会导致无性生殖种群中出现某个基因的“选择横扫”,因此选择干扰假说和红皇后以及其它和性相关的理论都接得上。

注4.【交叉互换】:减数第一次分裂前期同源染色体联会时,同源染色体上的非姐妹染色单体之间会相互交换一部分染色体片段。

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