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進化的邏輯︱呼喊者與搜尋者:雌雄分化的根源
假如沒有性別之分,世界會是什么樣子?
想來是異常單調的,沒有爭風吃醋、也沒有打情罵俏。沒有雄獅低沉的嘶吼,也沒有花朵絢爛的盛放,蝴蝶消失無蹤,昆蟲在枯葉下潛行。
只有在有性生殖的世界里,才會有動人的吟唱和迷人的舞蹈、醉人的芬芳和魅人的色彩,那是兩性相吸的手段,也是互相炫耀的武器,還是相互陪伴的愉悅。
有性生殖的基礎是雌雄分化,而雌雄分化的基礎是精子和卵子的分化。
所謂分化,就是變得彼此不同。你不像我,我也不像你。
一般推測,地球上35億年前就出現了早期生命,也就是細菌。它們基本沒有性別,或者說沒有嚴格的性別,最多會通過質粒交換一些基因,不會出現復雜的性別斗爭。
在此后的15億年里,所有的生命一直采用無性生殖。它們持續分裂,從一個變成兩個,兩個變成四個,堅持不懈、無止無休。分裂出來的細菌也都差不多,這個跟那個很像,那個跟那個也很像,這就是所謂的同質性。沒有區別,也就沒有分化,當然也就無所謂精子和卵子。
直到20多億年前,真核生物出現時,有性生殖才登上生命的舞臺,但過程仍然相當草率。比如酵母菌,平時進行出芽生殖,就是先長出一個球狀的小芽,然后小芽脫落,變成一個新的酵母菌。沒錯,這是一種無性生殖,也是酵母菌常用的生殖方式。
只有環境惡化時,酵母菌才會改變策略——它們需要以變化來應對變化,否則就只能在惡化的環境中坐以待斃。這時,兩個酵母菌會互相靠近,通過一個特殊管道結合在一起,細胞核由管道連通起來,互相結合成二倍體細胞。這個二倍體細胞會進行減數分裂,最終變成子囊孢子,重新回歸單倍體。而后子囊孢子會形成新的酵母菌,完成一個輪回。
盡管上述過程無所謂雌雄,因為兩個酵母細脆都差不多,并沒有精子和卵子的分化,但其間確實出現了不同個體的基因重組,可以看作是有性生殖的原始形態。
原生動物也沒有典型的精子和卵子,生殖細胞只是大致區分不同的交配型。總的來說,這些原始的有性生殖方式相對公平,雙方付出的營養物質都差不多,無所謂誰吃虧誰上當。當生物學家看不出生殖細胞的區別時,就索性用“配子”這個中性詞匯加以代替。
不過,配子之間的平衡非常脆弱。就像走鋼絲,一段時間內維持平衡不成問題,但要一直走下去,總有失去平衡的時候。隨著時間的推進,均一配子之間必然失去平衡,有的配子體積相對較大,有的相對較小。平衡一旦被打破,就會一發而不可收拾。正如蹺蹺板一端被壓了下去,另一端就很難再有機會扳平。
而這就是雌雄分化的起點。
從進化的角度來看,不平衡狀態反倒更容易維持。
這是一個簡單的物理問題,大配子含有更多的營養物質,可以為后代提供強大的物質保障,從而提高后代的生存率。按照這個邏輯,所有配子都會在體積方面展開競爭,你的體積比較大,我要比你還大,否則后代就沒有競爭力。如此競爭的結果,必然導致配子體積越來越大,成本也越來越高,當超出機體承受能力時,就會有一些配子反其道而行之,它們不再尋求體積變大,而是轉而縮小體積。
在滿是大配子的世界里,小配子一旦出現,就會占盡便宜,表現出極大的優勢。因為制造小配子的成本更低,用相同的資源可以生產更多小配子。而且小配子行動靈活,便于主動出擊,獲得更多與大配子合作的機會,留下更多后代。
大小差異的進化策略一旦出現,就會互相促進,推動配子不斷離開平衡點,向著或大或小兩個方向進化。大配子會盡量增大,小配子會盡量變小。最終的結果,就是我們看到的精子和卵子。
精卵分化一旦完成,就會引發一系列連鎖反應。
由于精子成本較低,可以大批量生產。與此對應,卵子成本較高,產量必定受限。由此形成了一個基本格局——精子又小又多,卵子又大又少。凡實行有性生殖的生物,無不遵循這一基本原則,并在此基礎之上構建兩性博弈的底層邏輯。
為了便于理解這個邏輯,讓我們假設有三個游戲小組,每個小組兩個人,分散在黑暗森林里玩搜尋游戲,率先找到對方的一組獲勝。
第一組為了保持體力,兩人都不愿意大聲喊叫,只在黑暗中默默搜尋對方。可以想像,他們找到對方的可能性非常低,幾乎肯定落敗。
第二個小組更換了個策略,兩個人都耗費大量能量大聲喊叫。由于在喊叫時能量消耗過快,以至于無力移動,盡管他們可能都聽到了對方的呼喊,卻很難趕到對方身邊,甚至可能因為能量耗盡而永遠無緣相見。所以這種策略也不理想。
第三個小組采用了全新的策略,其中一人呆在原地不動,將移動的能量節省下來用于大聲喊叫,給對方提供足夠的信息指引,靜等對方找上門來。另一人則停止喊叫,只是努力監聽對方的聲音,然后輕裝上陣,以最快的速度向對方靠近。
不難看出,第三組很容易勝出。如果增加移動搜尋的人數,找到目標的概率更高,那正是精子和卵子采用的策略。這也是經過億萬年的自然選擇篩選出來的優勝策略——精子和卵子分別扮演搜尋者和呼喊者。
卵子呆在原地發送位置信息,只不過從聲音信息改成了激素信息。信號越強,被對方找到的機會就越大。為了發出強大的激素信號,卵子就必須足夠大,以便攜帶足夠多的信號。由于不需要移動,卵子體積大一點也未嘗不可。
精子負責接收信號并快速向對方靠近。為了提高搜索成功率,雄性往往會派出大量精子執行搜索任務,它們需要輕裝上陣,迅速向卵子靠近。所以精子細胞除了保留細胞核以外,幾乎放棄了所有不必要的裝備,其中包括細胞質中的線粒體。
精子和卵子就這樣變得完全不同,出現了典型的精卵分化。有了精卵分化之后,雌雄分化也就是水到渠成的事情了。
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史鈞,生物學博士,專注于進化論領域的科普寫作,已出版多部科普作品,其中《其實你不懂進化論》獲得第十六屆文津獎,并入圍2020年中國好書。生命的進化是符合邏輯的過程,底層邏輯就是自然選擇,在此基礎之上,又衍生出了許多其他邏輯,共同構成了一個復雜的理論體系。本專欄將對這一理論體系進行深度梳理,詳細介紹其中的各種邏輯關系,討論生命的本質,理解生命的意義。





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