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神奇的设计-为什么有性繁殖的物种数量远多于无性繁殖的物种数量(系列之25)

已有 884 次阅读 2023-9-24 17:25 |个人分类:先哲也闲着|系统分类:科普集锦

   “性”本质上是通过两个性别的个体把单倍体的基因组恢复成含有两套染色体的基因组,即二倍体基因组,的“种子”细胞以繁衍后代个体的一种方式,又称“有性繁殖”,而对应有性繁殖的另一种繁殖方式则相应被定名为“无性繁殖”。

   实现有性繁殖的第一位前提条件是形成“性细胞”,手段是在特定性有关的器官中进行“减数分裂”,把二倍体(含有两个完整基因组)的细胞分裂为只含有一套基因组的性细胞,这个过程发生基因组的重新“洗牌”,方式之一是在染色体分子水平上的“减数分裂重组”,一种是依照孟德尔神父提出的遗传学定律中的染独立分配和自由组合定律,把已经多样化的染色体随机分配到性细胞内,这是减数分裂的本质。减数分裂重组和染色体的独立分配和自由组合会进一步倍增(由染色体数减半,产生2个细胞,在姐妹染色体(染色单体)水平存在基因型差异)减数分裂重组增加两种基因型染色单体,,有半数的性细胞含有与父母亲染色体基因型不同基因型的性细胞(四分子体/四个性细胞),促进基因多样化(基因库得到扩增),接下来就是“有性繁殖”

   首先由两性的性细胞(包括所有有性繁殖的生物物种)成受精卵,然后经过一系列的演化形成胚胎/种子。以人为例,受精卵是两个性细胞形成的一个细胞,这个过程中又进一步扩增基因多样化细胞,组合成多样化的兄弟姐妹受精细胞,着床之后(第一选择)以指数方式不断进行“有丝分裂”以增加细胞数量,依据指数级分化,即1个变成2个,2个变4...,最终形成一个含有约10的12次方的“胎儿”,这个过程中最关键的是细胞依据不同的基因表达模式分化出200种左右的细胞类型,并经过有丝分裂长成具有功能的组织和器官。

   之后,经过近20年的“成长”,细胞数从出生时的10的12次方通过有丝分裂至发育成熟后的10的14次方个细胞,也就是说20年间细胞数增加了100倍左右(有数据认为染色体复制了150倍,这些应该是算上受精卵到胎儿的分裂,都是估计数据,没有准确数据)。在这个过程中,女性胎儿的第5个月前后开始了性细胞的分化(历经22次有丝分裂),进行减数分裂重组和染色体的独立分配和自由组合的关键过程,经过1次减数分裂停止等待成年后“受精”刺激其后的第2次减数分裂(本质上是有丝分裂,分开经过复制的姐妹染色体,推测历经22次有丝分裂加1次减数分裂),即前面说的形成单倍体性细胞,这个过程需要把同源染色体(父亲和母亲的染色体)上的基因加以重组和自由组合和独立分配,通过减数分裂把染色体数减半,而由DNA复制形成的“姐妹染色体(基因相同)”数增加1倍的性细胞。在这个过程中,第一次减数分裂生产的2个性细胞1个变成极体(黄体),1个变成卵子,其中的卵子在受精刺激过程进行的第2次减数分裂(本质上是有丝分裂)中形成1个受精卵,1个极体(这是第2个极体),这个过程完成后形成的受精卵中的基因按特定模式表达,分化成为胚胎...

  在男性性细胞产生过程与女性不同,见附图。



有丝分裂和减数分裂

   通过上述描述,可见有性繁殖过程的复杂和耗能,其中任何一个环节出问题都会无法繁育成后代!那为什么现在的物种依然倾向利用这个复杂的生殖方式?有人觉得是“性”给人的快感使人依据“用进废退”选择了“有性繁殖”!那么为什么除人之外的其他生物也选择了有性繁殖?特别是显花植物也采取有性繁殖?植物受粉的花蕊也分成雌蕊和雄蕊,而且有雌雄同花、雌雄异花,(雌蕊和雄蕊位于同一朵花或同一株植物中;只有雄蕊或雌蕊的花是雌雄异花);雌雄同株(一株植物上同时具有雌雄两种花叫雌雄同株);雌雄异株(单株都是雄性花或都是雌性花属于雌雄异株)那植物受粉的也是因为快乐?

显然,动物性交过程中的“快感”实质上等同于花粉受精时所需要的“媒介”,如所需要的风,昆虫等等的作用,主要是帮助排卵和射精。因此,即使是性交所产生的快感也应该算作是一种特定的设计!

    那么为什么还要有性繁殖?从进化的观点看,有性繁殖是适应环境的需要,特别是一个有限数量个体的群体,有性繁殖可以充分形成基因多型化,尽可能满足环境的选择,这样就会因适应环境生存下去,并有可能最终增加群体规模和个体数量,当这个群体中的个体数量近乎无限多时,那么环境给个体造成的基因突变就会越来越多,而在这种情况下,更加有助于透过有性繁殖方式增加基因的多样化,就更能应付环境选择,更有力繁衍生息!

   有意思的时,一些微生物和昆虫,比如酵母和蚜虫,当环境变的不利于生存时,它们会从无性繁殖转为有性繁殖,而当环境变好之后,又会选择经济节省的无性繁殖。

结语

    有性繁殖的设计总体而言是挖掘基因的多型,重组出含有更多基因差异的个体参与选择。这是一种有意图的设计,关键手段包括:减数分裂,其中同源染色体“联会”(分别派对儿,父亲和母亲的对应的染色体派对),发生受严格控制的“减数分裂重组”,而且最终倾向于产生“交叉”的杂合染色体,再之后,遵循孟德尔经典遗传定律(显性/隐性,分离(segregation)和独立分配,又进行另一个层面的组合),以尽可能多的基因型接受“选择”。



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