為什麼感覺不少雄性動物都是排洩和生殖共用一個器官,有沒有更優的進化方案?

2021-01-14 稻田報告

汪醫生小課堂  上海交通大學醫學院附屬寧波醫院外科執業醫師


人體有八大系統,而泌尿系統經常和生殖系統並稱為泌尿生殖系統,我們應該知道,在女性,泌尿道和生殖道雖然距離很近,但是確實是分開的2個器官(尿道和陰道),它們能各司其職,而在男性,尿道同時發揮著排尿和射精的作用。



為什麼感覺不少雄性動物都是排洩和生殖共用一個器官,有沒有更優的進化方案?

確實,與人類相似,很多雄性動物都是排洩和生殖共用一個器官。我是泌尿科醫生,還是對人體比較熟悉,就拿人類來分析。首先從遺傳和進化角度看,這已經是一種優選的方案了,能一起共用的就一起共用體現了簡併和高效的原則,因為多一個器官就可能耗費更多的能量,也會出現相應的疾病。而且,在一起共用完全能達到想要的目的。

比如男性在排尿和射精雖然有共用的器官(陰莖,尿道和前列腺),但這兩種行為並不會同時發生,也就是說排尿時不會射精,射精時也不會排尿。射精管位於尿道前列腺部,前有尿道膜部的尿道外括約肌,後有膀胱頸的尿道內括約肌,在性活動時兩扇門都是關閉的,射精時前門打開即可,後門仍然緊閉,也就不會排尿。身體的結構是如此精巧,我們不得不讚嘆它的神奇。至於有沒有更優的方案,我想不太到,進化的過程是緩慢的,這種結構應該會繼續保持下去吧。


生命科學探究 科學領域創作者

這個答案可以說的很簡單,按照當今生物學的主流觀點,生命最早出現在海洋裡,我們擁有共同的祖先,有性繁殖最早可能是偶然出現的。在海洋裡,無性繁殖的生物先擁有了排洩器官,排洩器官早於生殖器官出現,最早的遺傳物質是從排洩器官中排出體外的。你要知道有性繁殖最早不是體內性交,不需要接觸性器官,排洩器官也沒有尿道和肛門之分,這些遺傳物質被排出到海洋中與其他生物的遺傳物質結合,從而變成新的個體。

我們參照生物分類,一樣一樣打臉(連題主一起打!)先來,古菌域的研究還不甚清楚,細菌域的「性」更接近於一種「傳染病」(F質粒),和配子生殖的「有性生殖」可以說毫無關係,我們不管。再說,細菌用於排洩的是啥?應該是細胞膜吧。哦,插一句,朊病毒和病毒之類,咱也先放一放吧?好吧,我們來看豐富多彩的真核生物域。先說一個關鍵詞:「排洩」。「排洩」的定義是「生物將水分、氣體等代謝廢物排出體外」。值得注意的是,消化產生的食物殘渣不是生物的代謝廢物(從未進入體內,何談代謝?),這個過程叫做排遺。同學所說的「排洩器官,應該指的是」排遺器官「吧?所以植物有沒有排洩呢?有。落葉、蒸騰等等都是植物的排洩,植物沒有專門的「排洩器官」。同時,植物是沒有排遺的,因為植物沒有攝食(也許捕蠅草算吧,但是也沒有「排遺器官」)。除動物界、植物界以外的所有真核生物,包括部分單細胞行有性生殖的植物界生物,直接生活在海水環境中的部分,其排洩是直接通過膜的;生活在淡水中的部分,為了維持高於環境的細胞內滲透壓,需要專門的細胞器來排出水分(例如的伸縮泡)。能夠攝食的變形蟲沒有攝食結構,往往也沒有排遺結構;而諸如草履蟲等生物,具有口溝且往往具有胞肛作為排遺結構。而這些生物的有性生殖,通常是由兩個不同「性別」的個體接合,進行融合、減數分裂、染色體數恢復進行的。性器官?你指的是細胞整體嗎?我們再來聊一下「器官」一詞。「器官」是「由不同細胞和組織構成的用於完成特定生物學功能的生物結構」。換句話說,只有多細胞生物才具有器官。前面說的「胞肛」、「伸縮泡」,叫做細胞器。而具體到題主的問題,我們可以把「大多數生物」局限到「大多數動物」了吧?有性生殖早於多細胞生物出現,生殖器官是早於排遺器官出現的,而排洩器官則是生物進軍陸地才產生的結構,何談「排洩器官早於生殖器官出現,最早的遺傳物質是從排洩器官中排出體外的」,和「排洩器官也沒有尿道和肛門之分」呢?即使說「排遺器官一出現就附到了生殖器官上」,也是不對的,一張圖打臉:

你告訴我,怎麼就是從排洩器官裡出去的了?在動物當中,由於演化的壓力,下面幾個結構或者特徵獨立演化出來了很多次:頭、兩次對稱、中樞神經、分節、強大的攝食器官其實很好理解,動物能夠運動,攝食和躲避攝食就必然成為了演化鼓勵的方向。有一個感覺器官集中的頭端引導運動的方向、有方便調整運動方向的兩側對稱(相對於輻射對稱)、有一個集中調控而發達的神經中樞統籌調控、有各司其職分工明確的體節、張著血盆大口的生物,當然會成為優勢的類群。動物演化的路徑上,紛紛出現了「頭」這樣一個部位。而「頭」的出現,相對性的使生殖孔和排洩孔集中到了後端。但是不是結合到了一起呢?並不是這樣,看看櫛水母動物門(?)→扁形動物門→環節動物門→節肢動物門這一條路線(含軟體動物和線形動物等的盲端分支)你就會發現,消化道開口、氮素排洩的開口和生殖孔的位置並沒有什麼聯繫。他們只是隨著頭端的集中而相對集中到身體後段了而已。實際上你會發現他們的生殖孔更靠近頭端。

為什麼呢?因為他們是原口動物。簡單來說這群動物的祖先是沒有肛門的(吃進去消化完了吐出來),演化出來的肛門是消化道「擊穿」身體另一側形成的。胚胎發育時內吞卵黃的凹陷就是他們的「口」。而胚胎發育就那麼點地方,生殖腺的開口在腹側靠近原口的地方,發育出來自然就更靠近頭部一些。至此,我們可以把「大多數動物」進一步限定到「大多數後口動物」了。與「原口動物」相反,「後口動物」的「口」是卵黃腔對側「專門」凹陷形成的構造。因此,在後口動物中可以廣泛的看到生殖腺開口在肛門附近。但二者之間並沒有什麼聯繫!生殖腺開口從來和排遺的消化道開口是不相干的!沒看明白翻回去複習一下「排洩」和「排遺」。值得注意的是,原口動物和後口動物在演化上分開的相當早,二者無論是系統發生還是胚胎分裂上都有巨大的差異。後口動物的生殖腺與腎臟同源,因此,後口動物與生俱來就有「洩殖孔」這樣獨特的結構來同時排出多餘水分和生殖細胞。原因嘛,通俗一點說就是:腸道細胞是幹「吸收」的活的,泌尿細胞是幹「分泌」的活的,要分出來生殖細胞,你說打哪出來?注意觀察會發現魚類肛門和洩殖孔大多是分開的,而兩棲類和爬行類則大多是合到一個孔的。很顯然,共用是「減少水分散失」的演化結果。接下來的部分好交配器出現blabla……其實也不是……很多爬行類和親緣很近的鳥類的交配器專司生殖(例如鴨),尿液(或尿酸結晶)是直接排入腸腔末端的……


痴迷哥德爾不完備定理 武安市第三中學教師 

確切地說,共用的只是尿道而已,它既能排尿也能排精,但雄性動物的泌尿和生殖兩套系統的主體結構(腎臟、睪丸)還是分開的。其實雌性動物身上也有這種器官共用現象,比如鳥類的洩殖腔,既能下蛋又能排大便,這就是為什麼你有時會在買來的新鮮雞蛋外殼上發現雞屎……

這類現象在生物學上很常見,被概括為「簡併原則」,即相近、相似的功能都儘可能地集中到一個組織或器官中完成,以節約資源。排洩和生殖在功能上都是把體內產生的「異物」排出體外,很類似,於是便在同一個管道中進行了。

讓動物們維護一個管道,肯定比同時維護兩個管道要省事,除非那兩個管道功能差異太大,實在合併不到一起。生物體在進化中總是儘可能地堅持「簡併原則」,這樣才能以有限的身體結構發揮最大功用,提高機體利用率和性價比——這可是一項極為重要的生存優勢。所以,從進化學的角度來看,雄性動物最好還是繼續讓排洩和生殖共用同一個器官(尿道),因為沒有更優的進化方案。

另外,「簡併原則」在生物進化過程中是和另一個「冗餘原則」緊密結合在一起的,動物身體結構高度簡併的同時,總是保留著很大的功能冗餘度作為戰略緩衝,比如肺泡,腎小球,腸絨毛等,在數量上都是嚴重過剩的,其意義是傷害預防,類似於國家的戰略物資儲備,當身體遇到傷害局部功能受損時,能及時找到替補。如果說簡併是讓資源利用更高效,那麼冗餘則是讓機體的抗風險能力大大增強。因為有了簡併,所以生物體才有足夠的剩餘資源去實現冗餘,增加生存保障;因為要預留冗餘以防不測,所以生理結構功能必須簡併。簡併+冗餘,兩者相輔相成,共同為物種的生存保駕護航。

把這個冗餘原則也考慮進去的話,雄性動物現有的設計方案(排洩和生殖簡併於尿道,以此為前提預留腎小球冗餘和精原細胞冗餘)就更沒必要改了,因為它是大自然在生命體設計製造過程中的核心原則的一種體現,改了,也就背離生命進化的基本方向了。



純野生科學家 北京京源水務有限公司蘇村取水站職員 

確實是這樣的,幾乎所有雄性高等動物都存在尿道和生殖腺開口共用的情況,只有鯊魚和幾種蜥蜴是例外(鯊魚沒泌尿系統,人家用皮膚尿尿)。不過,這已經是自然選擇機制通過幾億年篩選得到的最優方案了。

「人體公司」的演化方式

我們的身體就是一個公司,八大系統就是八個部門,大腦是經理,但決定公司演化走向的不是他,而是董事長——自然選擇先生。這位「自然選擇先生」是一個標準摳貨,人稱「自扒皮」。他的理念只有一條:用最少的部門最少的人手完成儘可能多的工作。
圖:人體八大系統

自打單細胞生物演化成魚類以來,「自然選擇先生」就再也沒有主動添加一個部門,他不允許加法式的演化。魚登上陸地需要呼吸空氣?行!「消化系統嗎?讓食道加一個囊。循環系統嗎?拿毛細血管把這囊包上,就在這兒進行氣體交換」!「啥?需要牙齒,申請成立食物預處理部門???不行!秘書,把魚鱗的DNA段落改一下送口腔去」!「要咀嚼食物需要下頜?來秘書,腮弓不是用不著了嗎,把第三對改一下弄成下巴」!「生殖系統想要一個單獨出口?你咋不上天呢?滾回去繼續跟泌尿共用出口,再廢話把你弄肛門裡去」!

瞧,在缺少相應部門時,他總是讓現有員工去培訓,增加新技能。能省就省,力求簡單高效。如果不是生存環境發生根本性改變,他是不會考慮增加人手的,就更別說增加部門了。

減法式演化的好處

高等生物的演化總是趨向於讓身體更簡潔更高效。這並不難理解,部件越多,能量消耗越高;組件越複雜,胚胎發育中出現錯誤的可能性就越高。如果想形成有全新功能的器官,就需要通過突變在DNA分子中增加新鹼基,這是一個相當危險的過程,獲得有益突變的概率並不高。
圖:有益突變
圖:有害突變😂

在我們的DNA中,核苷酸分子裡鹼基的排列順序構成了遺傳信息。這些遺傳信息可以通過轉錄過程形成RNA,再通過翻譯產生多肽,最終形成蛋白質,構建我們的器官。減法式演化通過抑制某些基因段的表達來實現,也就是用一種叫「dsRNA」的東西參與染色體的修飾,使其中的組蛋白和DNA發生甲基化作用。
圖:DNA甲基化示意圖

甲基化可以讓相應基因段不能被轉錄,從而導致受阻基因不能表達,讓這些器官不能發育完全或者根本不發育。比如馬的其它四個腳趾,比如我們的尾巴。

部件的增加很困難,但減少很容易。所以從魚類開始,動物們實際上並沒有增加什麼新組件,我們身上的器官幾乎全是魚類已有器官的特化、分化和增強版。泌尿生殖兩系統共用一個出口也沒什麼不好,冒著突變失敗的風險再長出個專用於尿尿的開口來?不嫌褲衩勒得慌?


陸珊玲怕懷孕

更優的方案是男性也把兩個器官分開,生殖器官不變,泌尿器官改為跟女性一致。

這樣可以和女性接近,上廁所方式一致了,缺點,容易廁所排長隊,進而憋不住只好尿褲子。



柯樂阿堅

因為你的生殖系統不是天天使用,所以從部門優化方面考慮,排洩和生殖部門合用一個系統比較省空間。想想看,如果你的生殖系統和排洩系統分成兩個部門是否看起來很有笑感!



天馬行空

你真敢瞎想,如果再開一個孔的話,在哪開合適,肚擠眼還是胳膊窩。還是再長一根,前面一根,後面一根。沒見雞鴨三孔合一,也照樣暢通無阻,沒有堵過車嗎?你擔心的太多了。



青山紅豆心  平遠縣東石中心小學語文高級教師 

更進化的方案肯定有的,各種生物一直都在進化著。

目前為止,大部分雄性動物的生殖和排洩都共用一個器官,這是幾十萬年來逐漸形成的。以後的進化結果如何,同樣得經過漫長的時間,我們這一代人或以後幾代人都不可能見到這種新的更進化的雄性奇觀。

我樂觀認為,進化初步設想是雄性享有兩套工具。即每個雄性將同時擁有兩條長把,一條負責排尿,另一條負責生殖。兩套工具獨立使用,一套與膀胱、前列腺、尿道相通,另一套與精囊、射精管相連,各自功能將進一步提升,如持續時間更長等。

目前為止,地球上同時擁有雄性和雌性器官的動物,如福壽螺一類,它們可以同時與另一個或兩個以上同類性交;地球上也有可以隨環境變化而改變性別的動物如黃鱔一類,它們可以根據現實環境如水溫、PH值的改變、光照時間等因素影響下可變性。上述情況俗謂「雌雄同體」。

同時擁有兩套傢伙式的雄性,目前為止沒有。什麼時候有,目前很難說。

到那時,天下每個男人將同時擁有兩條大鞭,是進化史上的奇觀!但是在兩條大腿中該如何安放,工具使用時如何協調操作等,目前還是個未知數,等慢慢進化吧。

本方案純屬於科幻想像,屬個人大膽想法,針對有人提出這問題而設想。



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  • 除了獅虎獸,你還知道哪些突破生殖隔離而誕生的動物?
    比如獅子、老虎和熊,它們的共同祖先是一種叫做Dormaalocyon latouri的史前哺乳動物,在進化的過程中,它們會經過3個階段:①基因突變、染色體變異和基因重組,直至產生可遺傳的變異;②自然選擇作用於可遺傳的變異;③由於地理隔離和生態隔離加深了形狀分歧,逐漸形成亞種,一旦出現了生殖隔離,亞種就變成了新種。這是進化的充分條件。
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    按照達爾文的生物進化學說,生物的都存在基因變異或者突變的可能性,這是進化的內因。其次在不同的環境下會選擇出不同形狀的個體種群,這是進化的外因。直到有一天曾經是同一個物種的兩個種群,因為基因突變被不同環境選擇,導致兩個種群之間出現了生殖隔離,那麼這也就意味著新物種的出現。
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    當然,這一切都是有原因的。如此大規模的動物進化活動是如何發生的?今後會不會再出現這樣的情況?交配是解答這些問題的關鍵。根據傳統的進化論觀點,「有利於生存」的基因能遺傳給下一代是因為它們能幫助動物在特定環境中掌握生殖優勢。這就是自然選擇。研究交配和繁衍問題時,科學家尤其喜歡使用性選擇理論:動物性狀的進化與配偶選擇和交配習慣有關。
  • 船蛸長有可分離的陰莖,雌性比雄性大18倍,雄性交配之旅即永別
    分布於世界各大洋和海域的熱帶和亞熱帶水域,浮遊生活,有時大規模集群,在近岸易見。船蛸會通過自己身體分泌液給自己建造一個漂亮的外殼,人們經常會看到船蛸從漂亮且薄如紙的外殼中伸出優雅的觸手,因此也獲得了一個漂亮的名字:紙鸚鵡螺,其實船蛸可以自由地離開它的外殼,可能它覺著自己的外殼太漂亮,一般它們不願意離開。