代价昂贵的有性生殖：性的演化动力是什么？

12月30日消息，在任何一位生物学家看来，“性”可能都是一种浪费。这种行为十分昂贵：想想雄性孔雀为了吸引雌性与之交配，需要耗费多少能量，才能发育出如此壮观的尾羽。另一方面，有性繁殖的效率似乎很低，因为只允许我们将一半的基因传递给后代，而且物种中有一半的成员（雄性）不能生育后代。演化是无关感情的，因此这些代价必然意味着某种好处。通常的答案是，有性繁殖通过每一代的基因重组创造了新的基因组合，将有益突变与有害突变分离开来，并赋予物种一定程度的演化灵活性。“性”使基因保存在基因库中，这些基因今天可能没用，但未来可能就会拯救后代，使其免受瘟疫、瘟疫和寄生虫的侵袭。

两性的结合是物种克服不良基因配对的自然方式，而线粒体在其中扮演着重要角色

这种论点可能是对的，但存在一个缺陷：有性生殖的好处往往是微妙的，需要繁殖几代之后才能显现出来，而它的代价却是沉重和直接的。为了完全理解“性”，我们需要一个解释，而这个解释可以追溯到早期复杂生物所生活的“原始汤”，以及它们所面临的即时生存压力。2019年，澳大利亚演化生物学家达米安·道林与同事贾斯汀·哈维尔德和马修·霍尔在《生物短评》（BioEssays）杂志上提出了一个令人惊讶的观点。他们基于一个简单的事实，即单细胞细菌和古菌（都是原核生物）从不有性繁殖。它们有一些类似性的行为，包括通过身体接触来交换基因——有时被称为“细菌性行为”——但它们不会有性繁殖，而是通过分裂成两半来实现增殖。

性是更复杂的真核生物的特权。从变形虫到犰狳再到人类，在繁殖时都是通过减数分裂，形成染色体减半的配子（如精子和卵子），然后再结合形成一个新的生物体。红藻是化石记录中保存完好的最早的真核生物，可以追溯到12亿年前，也是已知最早的有性生殖的例子，化石中配子的存在证明了这一点。真核生物的典型特征是具有高度结构化的细胞，不仅含有细胞核，还包含细胞器——尤其是线粒体，这种奇妙的“生物电池”能为细胞提供赖以生存的能量。达米安·道林在澳大利亚莫纳什大学领导了一个研究小组，他说：“我们的论点很简单：真核生物都具有两个特征——线粒体和性——我们相信这其中存在某种被忽视的联系。”

这种联系的背后，是线粒体不仅仅是“细胞电池”这一事实。数十亿年前，线粒体实际上是独立的有机体。可以说，它们是人体不完全是“人”的一个例子。我们的肠道里充满了数万亿外来的细菌细胞；我们的DNA充斥着古老病毒的片段；甚至我们的细胞都可以认为是一团“原始汤”。科学家越来越认识到，许多疾病并不是外来的攻击，而是我们内部生态系统的失衡。以线粒体为例，这些细胞器包含自己特有且独立的DNA，可能会与细胞核DNA产生冲突。“直到不久前，科学界基本上都忽略了一个事实：我们每个细胞都有两个基因组，”达米安·道林说，“即我们自己的核基因组和线粒体基因组。”

线粒体基因组往往突变迅速，更容易与细胞核中的调节基因不同步，对生物体产生潜在的负面影响。道林认为，性的演化是细胞核与细胞内千变万化的基因突变保持同步的一种方式。他说：“产生能量的线粒体是早期真核生物的关键武器，它们以此建立的‘帝国’正处于危险之中，因为线粒体的突变太频繁了。”通过性，每一代真核生物都能构建新的基因型，并允许细胞核在出现问题时进行补偿。换言之，这是一种恢复平衡、修补内部分歧的方法。与性的其他好处不同的是，这一点对最早的真核生物和它们的后代都同样重要。

大约20亿年前，两种原核生物，或者说两种细菌在原始汤中游动，它们进行了一种可以被认为是“原始性行为”的活动。一个细菌入侵了另一个细菌，但二者都存活了下来，开启了新的故事篇章。随着时间的推移，它们融合在一起，创造出一种非凡的新生物体。这个入侵者——也就是被吃掉的那个细菌——在几百万年的时间里演化成了体积小但功能强大的线粒体，另一个细菌则可能演化成了更大的细胞核。

这种融合导致了一种不可思议的共生现象。线粒体致力于产生能量，效率极高，以至于这个星球上的各个角落很快就出现了复杂生命的大爆发。但是，专门从事能量生产也有一定的代价：线粒体的氧化压力很高，会损害细胞器及其基因。因此，达米安·道林认为，线粒体DNA“注定会积累有害的突变”。快速突变似乎是自身具有DNA的细胞器的普遍问题，不仅会影响线粒体，有时还会影响叶绿体（植物中进行光合作用的细胞器，本身也曾是自由漂浮的细菌）。德国科隆马克斯·普朗克衰老生物学研究所的尼尔斯-戈兰·拉尔森最近的研究表明，线粒体复制在本质上就很容易出错（特化的生殖细胞除外）。

在今天各种各样的物种中，我们都可以看到线粒体的高突变率。在人体以及其他大多数动物体内，线粒体会不断分裂，而随着它们的分裂，其基因突变的速度比细胞核基因要快10到100倍。一个细胞不仅携带着数千个线粒体，而且每个线粒体都包含自身DNA的多个复本。因此，突变的绝对数量是非常惊人的。

尽管线粒体基因组很小，但它对个体的生物化学和健康至关重要

为了解决这个问题，大多数基因在经过数百万年的演化后，都脱离了线粒体，进入更为稳定的核基因组。今天的动物线粒体只有37个基因，全部用于产生能量。线粒体的大部分功能由核基因组中的1000多个基因调节并辅助。但是，放弃基因只能解决部分问题。当这37个基因衰退或改变时，细胞机器就会停止运转。除非调控线粒体的核基因能够适应这种变化，否则细胞就会生病甚至死亡。

（编辑：应用网_阳江站长网）

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