探索生命的奧秘:繁殖究竟有幾種不同方式?

2020-12-05 第一財經

無論是千年王八還是萬年的龜,始終都要面臨死亡。生命的過程是有限的,而多種多樣的生殖方式保證了生命的綿延不息。

生物由簡單到複雜,由單細胞到多細胞進化。大多數單細胞生物,比如細菌,採用一分為二的所謂二裂法進行繁殖,細胞在分裂前將所有的東西進行複製產生大約雙份的量然後分開。不是象掰饅頭那樣,雖然分成了兩半但形狀外觀已不再似從前,而是類似於將一個麵團從中間慢慢拉開最終形成兩個麵團。在單細胞向多細胞進化的過程中,細胞之間的功能也會發生變化。便會形成一些專門負責生殖的細胞。有些真菌象根黴和青黴,產生孢子,是一種負責生殖的細胞,最終由孢子變成多細胞體。這個過程類似於孫悟空拔下一根猴毛輕輕一吹變成了一個猴子。而真正的過程卻不是輕輕一吹那麼簡單的事。多細胞生物慢慢由簡單向複雜進化,生殖方式也發生變化。似乎不再象進化的規律那樣向著複雜的方向發展,個體的形狀組成倒是複雜了而生殖過程反而看似簡單了。水螅會在母體上直接長出一個小個體再脫落,單細胞的出芽酵母也是採用這種方式。無心插柳柳成蔭,一根枝條便可長成參天大樹。秋海棠的一片葉子,草莓的匍匐莖,薊的根都可以長成和親本一樣的個體。

生命的奧秘已經無法用一個規律來統籌,不同的問題需要不同的原則。個體為了更好地應對環境變化,需要進化出多種功能的細胞。而對於繁殖方式來講則要越簡單越好,只有這樣才能保證生命的快速延續。

以上介紹的都是無性生殖,在自然界中還存在另一種主要的生殖方式-有性生殖。有性生殖通過兩個不同性別的細胞(通常來源於不同性別的個體)發生融合,在此過程中兩種細胞內的遺傳物質發生交換組合從而產生出不同於兩個親本的個體,這樣的個體產生之後便有可能利用自身變異獲得的優點去適應變化的環境。物競天擇,適者生存。高等植物和多數動物都採用這種方式進行生殖。由此看來為了適應環境的變化,一味地向著簡單的原則靠攏是無法解決問題的,因此關於生殖的進化不是三言兩語便可以總結的。

話又說回來了,有性繁殖可以很好的解決變異的問題,那無性繁殖在複雜多變的環境中為何還能如此壯觀繁衍不息呢?其實細胞內的遺傳物質在不斷的複製過程中可以產生一定的錯誤率,這種錯誤率很小,只有2x10-4-10-6 ,這樣的變異相對有性生殖產生變異的幅度是很小的,但是採用無性生殖的生物往往繁殖速度快,產生個體數目很多,大腸桿菌的繁殖一代需要20分鐘,以此計算,在最佳條件下8小時後,1個細胞可繁殖到200萬上,10小時後可超過10億,24小時後,細菌繁殖的數量可龐大到難以計數據和程度。如此快的繁殖速度篩選出適應變化的環境的變異的個體也是輕而易舉的事情了。這就有些類似生態學上提出的R策略,保證量而不注重質。對於有性生殖的生物來講,常常採用K策略,減少數目節約能量從而保證質量。

那究竟有性生殖好還是無性生殖好呢?哪種生殖方式才是生物進化的方向?得到答案是非常困難的,因為要在相同條件下比較有性生殖和無性生殖的效率,這樣的實驗非常難做。但是2005年紐西蘭奧克蘭大學的Matthew Goddard,以及他在英國帝國理工學院的合作者,成功地用酵母進行了這樣的實驗。正常的酵母既可以分裂出遺傳上幾乎完全相同的新細胞,進行無性生殖;也可產生只帶有母體一半染色體的孢子,與其它孢子「交配」,進行有性生殖。科學家對酵母進行遺傳改造,使其失去有性生殖能力,然後與普通酵母進行對比發現,在生存壓力不大的環境中,普通酵母和改造後的酵母生長速度相同。但如果提高溫度、向培養基中加鹽,使生存環境變得惡劣起來,有性生殖的酵母就比無性生殖的那些生長得更快。在地球上生物進化的30餘億年中,前20餘億年生命停留在無性生殖階段,進化緩慢,後10億年左右進化速度明顯加快。除了地球環境的變化(例如含氧大氣的出現等)外,有性生殖的發生與發展也是一個主要的原因。現存150餘萬種生物中,從細菌到高等動植物,能進行有性生殖的種類佔98%以上。似乎也說明了有性生殖的優勢。

那為何無性生殖的生物幾十億年之後依然如此強盛,無絲毫衰減之意這個問題。關於進化還有一個很有名的假說-紅皇后假說,說的是無論你怎麼努力你都會發現你的生存對手對你造成的威脅還是那麼大,因此為了生存下去你要不停地奔跑。理解這個假說不難,因為為了生存,獵食者要跑得更快才能抓住獵物,而為了逃避追捕被捕食者也要跑得更快,只有這樣才能保住生命。這樣下去雙方都會更強,因此每個物種滅亡的機率總是保持不變的。這個假說認為對宿主來講,細菌,病毒,還有其他一些寄生蟲都是威脅,有性生殖的產生則是宿主為躲避傷害進化出來的。通過這個假說我們也可以理解作為細菌主要繁殖方式的無性繁殖的存在,所謂存在的就是合理的,無性生殖必然有其厲害之處,何況一些高等植物也可以採取這種方式生存,至於這其中的原因機制還要依靠不斷的科學研究一步一步為我們揭開謎底。

生物的生殖是一件非常複雜的事。以上講的是兩大分類,可是對於有些物種來講並非拘於某一種形式。比如水蚤,在溫度適宜,食料豐富的良好環境,進行孤雌生殖,即由單性產卵,不受精,可直接發育成蚤。但在不良環境中採用兩性生殖。草莓 既可以利用匍匐莖進行無性繁殖也可產生種子進行有性繁殖。在兩性生殖過程中,卵細胞與精子的結合通常在雌性個體發生,有時也在體外,例如海膽,雌雄個體把生殖細胞產入水中,卵細胞與精子在水中相互識別並結合。說到這或許有人有疑問那水中那麼多生物都在水中生殖不就亂了?這就是大自然的巧妙之處,看似紛繁蕪雜,可相當嚴謹。精子都會用一種酶將卵細胞打開然後進入卵細胞中,而這種酶以及卵細胞上的受體都有很強的物種特異性,只會一一識別,因此在諾大的海洋裡生物的繁殖活動才能有條不紊地進行。通常我們都說母親是最偉大的,因為她們從懷胎到生育都十分辛苦,但對於海馬和海龍來說卻並非如此。當生殖期來臨的時候,雌海馬把它的成熟卵子悄悄地產到了雄海馬的育兒囊內。與此同時也就把自己孵卵撫幼的天職轉嫁給雄海馬了。雄海馬它就帶著這個不大不小的「包袱」艱苦度日,經過20天左右的孕期就能孵化出小海馬來了。

無論無性生殖還是有性生殖都是為了使物種本身的基因遺傳下去,選擇哪些個體的基因遺傳下去,對於無性生殖來說不是什麼難事,對於有性生殖來說就是生殖過程中的重要步驟了。為此同性個體之間為了博取異性歡心紛紛採取各路招數,在追求愛情的道路上展開了激烈角逐。

情人眼裡出西施,不只是人對待配偶有選擇,其他的生物在繁殖過程中一樣有著愛恨情愁。雄孔雀會長出靚麗的羽毛,畫眉則以格鬥的方式,還有一些鳥會發出婉轉清揚抑或高吭豪放的叫聲來吸引異性。為了保證不同基因類型之間的雜交以產生優勢後代,植物形成了一種稱為自交不親和的現象。就是當同一株或者同種基因型的生殖細胞結合時會產生不育。根據East估計有3000種以上的植物存在著自交不親和性,Darlington和Mather估計被子植物中有一半的物種存在自交不親和性。是什麼機制有條不紊地控制著植物的繁殖,哪些蛋白發揮著作用,隨著科學的不斷發展,答案正在被慢慢揭曉。我國科學家在植物有性生殖自交不親和的分子機理研究取得突破性進展,確定了自交不親和的花粉因子AhSLF-S2。把這種蛋白轉移到自交不親和的矮牽牛中使其獲得了自交親和性,從而確定了此蛋白與自交不親和現象的相關性。這一研究成果可謂是為育種專家解決了一大難題,因為篩選到的優勢種常常因為自交不親和而使優勢基因型無法遺傳下去,如果找到了不親和的機制,以後的育種工作將會取得更大進展。

所以生物的繁殖不是僅僅依靠繁殖方式來完成,繁殖前的選擇也至關重要,這決定著什麼樣的基因型可以被遺傳下去,一味地通過變異獲取優勢基因未免是一種很浪費的行為,而遺傳則應是變異之後推動生物的進化的主要因素,這應該也是生物進化的結果。

隨著科學知識的增多和科學技術的進步,科學家們對生物繁殖的機理和過程有了更深的認識,面對日益擴大的飲食,醫療等多方面的需求,將生物繁殖技術運用到爐火純青的地步。細胞融合技術,克隆技術快速發展。科學家們不再滿足于田間地頭的辛勤勞作,利用分子技術實現更高效率的育種。即使是不同種的細胞也可以融合在一起形成一個細胞,蘿蔔甘藍、粉藍菸草、 郎氏菸草、番茄、馬鈴薯等等都是採用這種方式繁殖而成的。克隆技術隨著多莉羊的誕生也逐漸被人們熟悉。將一隻羊的體細胞的細胞核放入另一隻羊的已經被取出細胞核的生殖細胞的細胞質中,再借用第三隻羊的子宮將小羊生出。現在不僅能克隆出羊,克隆兔子、克隆奶牛、克隆豬也都取得了成功,我國科學家還在努力解決克隆大熊貓的難題,這對於保護瀕危野生動物來說具有很重要的意義。

話說到此使我們不得不去思考以後生殖方式又將如何進化?地球上的萬物又將如何生存下去?看過一部電影叫上帝之子,講的是在一個人類失去了生殖能力的未來世界,人們不斷地衰老卻看不到新的生命,生活也變得恐怖和絕望。於是我在想生殖能力到底是大自然賦予生物的禮物還是一根軟肋,人類是自然界的玩物還是自然界的統治者?地球會毀滅嗎?人類會滅亡嗎?生命將向著什麼樣的方式去進化?當環境越來越不利於生存時科技的進步可以彌補生命的缺陷嗎?生命的奧秘需要不斷探索,它輕柔地如微風拂過,細微地如銀針落地,無法觸及,但只要靜下心來,耐心守候無時無刻不在感受它的存在。科學總是讓人充滿期待。

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