遗传规律令人大跌眼镜,八一八雌雄同体2

日期:2019-08-08编辑作者:生命科学

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再来说说动物。

研究人员发现了一种十分独特的蠕虫,它们的遗传方式与“普遍规律截然不同”。这类线虫是一种“三性别”生物,既有雄性、雌性,还有雌雄同体的情况。不过,它们最特殊的还要数繁殖方式。

其实最早提出这个雌雄同体的概念应该就是针对动物来说的(请见文章开始对于英文词的解释),引申到植物上面应该是后面的事情了。毕竟身为动物的人类,对于身边能够行动的生物个体的认识应当是更为深入和久远的,而且也是更加感同身受的。

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这里先普及一个概念——脊索(spinal chord)。在整个动物界(Animalia)之中,有无脊索是一个重要的分类概念,有脊索的动物自然是更高等,而没有则比较低等。你肯定又会问,脊索难道不是脊椎?简单拿人来说吧,脊索就是你脊椎骨包裹着的脊髓,而脊椎仅仅只是在高等动物中支撑包裹脊索的骨骼结构。解剖学上来说,脊索是中枢神经系统(CNS, Central Nervous System)的重要组成部分,主要负责躯干反射弧神经冲动的出入,控制一些非神经自主性的一些行为,比如膝跳反射、汗腺分泌、肠道/尿道括约肌收缩,还有性高潮反应如射精等等。那么这自然就决定了雌雄异型在高等动物中的生理学机制;换句话说,雌雄个体间的性行为模式是生理上确定的,单独的个体无法同时体会到两种性别高潮带来的快感。

根据普通遗传规则,拥有XX染色体的雌雄同体线虫应该能生成分别含有一条X染色体的卵子和精子。但研究人员发现,它们产生的精子中有两条X染色体,卵子中却一条都没有。

由于脊索这一较高等级结构的存在,动物界中的所有动物其实可以分成两大类——有脊索结构存在的脊索动物(脊索动物门Chordata,广义来讲可以包括半索动物Hemichorda)和其他。这里的其他,指的是没有脊索结构存在的。在脊索动物门之中,脊椎动物亚门Vertebrata(Vertebrates)的动物就是我们平时理解中的存在包裹脊索的脊椎骨的所有高等动物,包括鱼、两栖类、爬行类、鸟类及哺乳类等等,这个大家应当都比较熟知了。

三性别生物其实并不像你以为的那样罕见。“这在无脊椎动物中其实相当常见,”威廉玛丽学院生物系教授戴安·谢克斯指出。

在刚才讲过的所有动物类群之中,无脊椎动物(Invertebrates,不存在脊椎的动物,注意不同于无脊索动物)中的雌雄同体现象是普遍发生的,如软体动物(Mollusca)中的很多物种如蜗牛snail、鼻涕虫slug等等都是雌雄同体。而从脊椎动物阶段开始向上,各种动物基本已经摆脱了雌雄同体,而使用雌雄异体、异体受精(交配)的形式进行生殖。

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为什么要这样呢?离开雌雄同体进行交配繁殖的好处是自然而然的,因为都是单独的性别负责单独的任务。这里插几句关于动物性行为的说明。动物的性行为包括很多方面,比如求偶、婚飞、比武、交配等等。对于高等动物如人来说,这个流水线的焦点集中在了两个地方,一是求偶行为(男女通过颜值、身体强壮程度、学历高低等等……彼此吸引),二是交配行为(用各种姿势啪啪啪)。对于雄性来说,或者说是大多数物种的雄性来说,彼此通过外貌、身材、性格等等来竞争已获得雌性的芳心;而不同的雌性也通过增加自己的吸引力(如美貌和好身材)来获得雄性的青睐。这样做的最终目的只有一个,那就是优生(eugenics);换言之,通过各种行为上的选择达到后代遗传特性的优质化(genetic prioratization)。这种选择在达尔文的理论中是被归为进化的动力之一——性选择(sexual selection),其提供的动力能够保证种群在后代的发展过程中紧跟时代的步伐,去除竞争力较弱的个体,达到对于周围环境的适应。

对这种名为Auanema rhodensis的线虫而言,雌性和雌雄同体线虫都有XX染色体,雄性则只有一个X,没有Y染色体。

那么雌雄同体的好处在哪里?最大的优点应当是较高的繁殖效率。不过,者应当是建立在生殖方式的不同上来讲的,也就是说,雌雄同体的动物还要区分是自体受精还是异体受精。前者自产自销,却同时能代表两种性别进行各种行为。当然,对于低等动物来说,性快感这个东西存不存在是有待研究的(不过大部分情况应该是并不存在),因为对于它们,性行为的主要目的只有一个,那就是繁衍后代。最常见的一个例子,鱼类都只是雌雄个体在特定的地方分别排出精子和卵子,然后让它们自己融合受精发育(当然很多鱼类也是存在哺育后代的行为的);那么对于更低等的动物来说,交配行为本身如果不是为了传输精子的话,那么是不存在任何生物学意义的。

雌雄同体的线虫既能自体繁殖,也能和雄性或雌性线虫进行异体繁殖。而在异体繁殖时,产生的后代均为雄性,这无疑与正常的遗传规律大相径庭。

这就要再啰嗦两句关于不同动物结构方面的问题。不同的动物有不同的生殖系统,拿节肢动物中的昆虫来打个比方,雌性体内存在一个叫做储精囊的结构。这个结构的作用就是在于雌雄交配之后将来自于雄性的精子囊存储起来,在合适的时间同自己排出的卵子结合,产生受精卵并排出体外进行发育。这在高等动物中是绝对没有的!这样做的好处在于即便只有一次交配的机会,雌性也能够获得足够的精子来进行受精和繁殖的,从而保证了后代的存活。

三性别生物其实并不像你以为的那样罕见。

关于人类的雌雄同体现象,最著名的例子就是所谓的克氏综合症(Klinefelter Syndrome)。导致这种不正常现象的原因在于雌性卵细胞分裂的时候X染色体没有分开,从而形成了XX型卵子,最终同Y型精子结合形成XXY型受精卵。这样的个体发育后会同时体现出男性和女性的特质,可以被认为是某种意义上的雌雄同体。

“这在无脊椎动物中其实相当常见,”威廉玛丽学院生物系教授戴安·谢克斯指出,“真正罕见的是能够自体繁殖的雌雄异体生物。比如说,蚯蚓就属于雌雄同体,但仍然要两条蚯蚓才能进行繁殖。这是由蚯蚓的繁殖方式决定的,它们并不是自育生物。”

好了,关于雌雄同体的那些事儿,我们就先说到这儿吧!

谢克斯还补充道:“在有些生物中,如果‘配对中占领导位置的生物死亡’,另一方就会转换性别,成为新的‘领导’。”

对这种名为Auanema rhodensis的线虫而言,雌性和雌雄同体线虫都有XX染色体,雄性则只有一个X,没有Y染色体。

“它们有三种性别,”谢克斯指出,“有雄性,雌性,还有雌雄同体。雌雄同体的线虫身体结构与雌性相仿,但既能产生卵子,也能产生精子。”

研究人员称,A。 rhodensis线虫显然不遵从孟德尔提出的传统遗传规则。

“我们发现A。 rhodensis线虫的遗传方式与普遍规则大相径庭,尤其是它们处理X染色体的方式。”

谢克斯和同事们此前发现,雄性A。 rhodensis线虫负责产生精子的细胞能够设法只生成携带X染色体的精子。因此当雄性与雌性线虫交配时,后代均为雌性。

“这还不算最疯狂的。在本次新研究中,我们发现雌雄同体的线虫也有一套极为独特的遗传规律。”谢克斯指出。

根据普通遗传规则,拥有XX染色体的雌雄同体线虫应该能生成分别含有一条X染色体的卵子和精子。但研究人员发现,它们产生的精子中有两条X染色体,卵子中却一条都没有。

“我们还不清楚它们是怎么做到的,但这种遗传原理非常有意思。”谢克斯说道。

“这样一来,当雌雄同体的线虫进行自体繁殖时,它们的后代便主要是拥有XX染色体的雌性和雌雄同体线虫。”

“然而,如果雌雄同体的线虫与雄性线虫交配,它们产生的无X染色体的卵子与雄性线虫产生的含有1条X染色体的精子结合,生出的后代便只能为雄性。”

研究人员称,这种独特的线虫或许有助于人类基因学取得重大突破。例如,它可以帮助我们更好地理解染色体分离机制,甚至研究癌细胞的行为表现。

“如果染色体分离出现异常,大多数情况下都会导致胚胎在受孕前几周自然流产。”谢克斯说道。

“有时这样的胚胎也能存活下来、成功分娩。最着名的当属唐氏综合征,即患儿体内多了一条染色体。”

虽然雌雄同体拥有独特的优势,但研究人员表示,它们也存在一定局限。比如,自体繁殖的雌雄同体线虫无法像异体繁殖的生物那样,实现基因多样性。对线虫而言,这会使其幼虫期延长,性成熟也会因此推迟整整一天。

“考虑到整个过程不过三四天,一天算得上很长了。”谢克斯说道。

拥有三种性别还可帮助该物种适应多种环境。

在环境严苛时,它们会倾向于繁殖更多雌雄同体线虫,因为它们生存能力更强,可以在其它有食物的地方建立新的领地。

谢克斯表示,人们只在野外观察到过两次这种线虫,一次是在康涅狄格州,另一次是在弗吉尼亚州的阿巴拉契亚山脉。

“有意思的是,我们并不清楚它们在野外环境中会做些什么,”谢克斯说道,“这方面的研究并不多,但有一些迹象表明,它们在野外环境中会产生更多的雌雄同体。”

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