動物界的禁慾者:輪蟲的奇幻無性生活

作者 | 發布日期 2016 年 04 月 30 日 0:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly

孔子說:食色性也。世界上的生物,為了自身的生存,必須透過進食來維持生命,而為了延續下一代的生命,則要藉由性的過程,來孕育新的生命。為了達成基因重新組合而產生多樣性,以利各種生物在天擇的過程中不被淘汰,有性生殖一向被視為是不可或缺的。不過,一種只有透過顯微鏡才看得見的微小生物──輪蟲,卻徹底顛覆了這個觀念!



數百萬年以來,牠們從來沒有進行過有性生殖,卻能戰勝演化的洪流,在生物圈保有一席之地。照理來說,這種缺乏有性生殖的生物早該滅絕了,究竟牠們有什麼妙招,能讓自己在演化上立於不敗之地呢?透過 DNA 的定序,科學家發現牠們藉由混併來自其他輪蟲個體、不同種的輪蟲,甚至是真菌或是細菌的基因,來彌補缺乏有性生殖這項重大缺點。

你可以在池塘、小水坑,甚至是潮濕的土壤中找到輪蟲這種奇特的小生物。透過顯微鏡觀察牠們,你會發現牠們十分小巧可愛,是一種長度通常不到 1 公釐的多細胞無脊椎動物,當牠移動的時候,簡直就像一艘超迷你的輪船。牠藉由轉動位於頭部周圍的纖毛來移動牠的身體,同時也可以把水中的小型藻類與有機質碎屑掃進口中大快朵頤,活像是現今的熱門家電──掃地機器人。

當輪蟲所棲息的水塘乾涸時,牠們會縮成一個脫水的小顆粒,看起來像是皺巴巴的桶子。牠們能夠以這個狀態度過數年,並且隨風傳播到新的池塘。到達適合生長的新天地後,牠們只需幾個小時就能吸飽水分,同時能有效地修補因乾燥而傷痕累累的 DNA 。這個不起眼的生物讓我們不禁重新思考起,生物學上最古老的謎團:動物為何會有性的過程呢?

 

非性不可?

性其實是一種很沒有效率的行為,動物們投入了大量的時間與精力去追求並維持穩定的伴侶關係。更糟的是,同一族群中會有一半的個體,因找不到伴侶而無法繁衍後代。早在 150 年前,演化之父達爾文就已經對性的必要性提出質疑。長久以來,演化學家一直都在思考,為何有性生殖在演化上的優勢總是大大勝過無性生殖?

數十年來,科學家們已提出許多理論,並且經過反覆的爭辯。其中最廣為接受的說法是:性有利於重新組合雙親的基因體,藉此產生全新的基因組合,這樣一來,能使動物們具有適應環境變遷的能力,並且能在新的生態棲位落地生根。更重要的是,這些新創造出來的基因組合,還能使動物們免於遭受各種病原體的侵害,縱使有部分個體會因被感染而犧牲,但總會有一些個體具有抵抗力。對病原菌來說,這些動物就像一閃而過的移動靶一樣難以命中!

對哺乳類而言,有性生殖是不可或缺的,所謂的處女懷胎這種事,只存在於神話中。而在脊椎動物中,只有極少數的爬蟲類與蛙類能夠進行孤雌生殖,牠們的雌性個體,能產下與母體的基因組合完全相同、內含雙倍體的卵。不過,這些由未受精的卵發育而成的後代,其適應環境的表現還是比經由有性生殖產生的後代差。因此,行無性生殖的物種通常無法存續很久,一不小心就會消失在演化的洪流中。

許多無脊椎生物不但可行有性生殖,也可以進行無性生殖,而有一些物種,比方說蚜蟲,絕大多數都時間都是行孤雌生殖,只有在感受到環境壓力時,才會進行有性生殖。不過,卻沒有任何一種動物,從來不進行有性生殖,唯一的例外,就是 bdelloid 輪蟲。自從荷蘭科學家 Antonie van Leeuwenhoek 第一次用自己發明的顯微鏡發現這種輪蟲以來,數百年間,從來沒有人看過任何一隻雄蟲。

牠們的雌性個體會產下未經減數分裂的卵,因此牠的卵所含的基因體,與母體的完全相同。bdelloid 輪蟲本身的基因體也很奇妙,就常理來說,它應該具有兩套相同的基因,就如我們一般所熟知的雙倍體,但是它們卻是截然不同。這表示這兩組基因體是源自於兩個物種間的混成,而這兩個物種的基因與基因體早在六千萬年前就已在演化上分歧。牠們的同源染色體已經過不同方式地重組,因此它們無法在減數分裂時進行配對。由此可知,六千萬年來,這種輪蟲從來沒有進行過有性生殖。

 

輪蟲獲取新 DNA 的方式

將 bdelloid 輪蟲的基因體定序後,科學家發現了另一項驚人的事實:其中竟然有 8% 的基因是外來的!其中有些基因還是存在於真菌或細菌體內的典型基因,這些基因賦予輪蟲某些重要能力,例如分解毒素及消化特殊食物。這種輪蟲與其他生物間的水平式基因轉移,從遠古時期就存在了,而且現在還在持續進行。

透過徹底地檢視,我們可以發現外來的 DNA 遍布於輪蟲的基因體上。那麼,這些基因又是如何進入輪蟲的基因體呢?極有可能是輪蟲在遭遇乾旱逆境時,在身體脫水的過程中,造成其細胞膜產生裂縫,外來的 DNA 便由此進入其細胞中。而輪蟲修復 DNA 雙股螺旋構造的機制會在其脫水時受到破壞,為外來 DNA 混入其基因體提供絕佳的機會!

此外,更令人吃驚的是,在這類輪蟲取得其他輪蟲個體或是另一種輪蟲 DNA 的過程中,這些 DNA 並不是隨機的混併入其基因體中,而是會先抵達合適的 DNA 序列位置,再進行重組,這就表示某一種新型的特定基因能夠取代舊有的對應基因,達成跟進行有性生殖同樣的效果!

 

細菌也有自己的一套

從周遭環境取得 DNA 並加以利用的情形,並不只出現在輪蟲身上。細菌透過分裂生殖來產生基因完全相同的個體,但它們也能取得其他菌系的 DNA ,並與自身既有的基因做替換,藉此產生更強的抗性來適應環境。而正是這種 DNA 改造(DNA transformation)的過程,讓生物學家首度證實了基因是由 DNA 組成的。 DNA 改造只是細菌用來獲取多樣性基因的其中一個手段而已,細菌還可以透過病毒來取得其他細菌的基因;有些細菌則能夠透過特殊的管狀構造,進行長鏈 DNA 分子,甚至是整個基因體的交換,這種結合看起來幾乎跟有性生殖沒什麼不同。

在沒有數量龐大的基因型的前提之下,不論對脊椎動物或是非脊椎動物而言,有性生殖看起來還是最佳選擇,因為這樣能為族群創造高度的歧異性。而對無法進行有性生殖的生物來說,牠們就必須另尋其他途徑,來提高其基因庫的含量。無論能否進行有性生殖,要在演化上取得優勢,基因變異是必要的條件,輪蟲就是最好的證明。

(首圖來源:Flickr/Ian Sutton CC BY 2.0) 

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