既然存在無性生殖,為什麼生物要「有性」?

作者 | 發布日期 2016 年 06 月 12 日 12:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly
FLICKR tamaralvarez

想像一下,當人類不需要透過伴侶就能用「無性生殖」的方式產生後代,那世界會變怎麼樣?在自然界中動物繁衍後代皆以有性生殖為主,但在動物界之外,有非常多物種不必經過有性生殖就能夠產生後代,換言之,他們能以無性生殖的方式產生子代。



這種無性生殖的例子在自然界中非常多,又能依照無性生殖的方式再加以細分,其中一種稱為孤雌生殖(parthenogenesis),partheno- 字根帶有「處女」的意思,再加上字尾 -genesis 則帶有生產的意思,於是便可從字面上來看了解,在進行孤雌生殖的物種中,雌性動物不需要雄性動物就能夠獨立產生子代。雌性動物產下未受精的卵即能發育為成熟個體。這種生殖策略在自然界中並不少見,最為大家熟知例子就是螞蟻和蜜蜂。

在孤雌生殖中,有些物種的雌性動物能夠轉換自身繁衍狀態,也就是她們既可以和雄性動物交配產生子代,在特定狀況中還能夠轉換繁衍策略進行孤雌生殖,這種例子被稱為「兼性的孤雌生殖」(Facultative parthenogenesis)。

有些生物學家認為這種繁衍策略擷取了有性及無性生殖雙方的優點,但如果兼性孤雌生殖真的擁有這麼多優勢,那為什麼在演化之中卻從來沒有成為主流呢?關於這個問題,有許多原因,但總歸一句,這全部都是因為「性」。

 

有性生殖的兩難

兼性孤雌生殖在進行有性生殖的時候,其實是帶有風險的,之所以這麼說,是因為雌性生物必須要耗費至少一半的精力成本來生產雄性子代,但這些雄性子代卻無法獨立產生後代,在這樣的計算之下,雄性個體對於種族延續沒有絕對必要性,生產雄性子代的確就成了一種浪費、不經濟的行為。

相對於雄性來說,雌性個體在兼性孤雌生殖可以獨立產生子代,若是產生子代全部都為雌性,種族依舊能夠延續,在這樣的狀況下,無性生殖的繁衍速度能夠達到有性生殖速率的兩倍。

除此之外,在有性生殖的情況下,雌性動物還得要耗費精力和時間來吸引配偶進行交配,這樣的行為對就繁衍速率來說絕對是不划算的。就算雌性動物不需要耗費心力去尋找配偶,光是交配行為本身就會使雌性動物的壽命簡短,因為她們懷孕生產甚至撫育幼兒的行為,都會使她們被捕食的機率大大提升,更不要提交配所導致的性病散布問題。

在這樣的考量之下,有性生殖似乎是個吃力不討好的繁衍方式,那為什麼能夠進行無性生殖繁衍後代的物種中,雌性個體還是能夠選擇用有性生殖方式繁衍後代呢?雖然人類的性行為早已不只是為了單純繁衍後代而進行,但在動物界中,性行為幾乎只是功能性的,為了繁衍後代而發生。那為什麼還有這麼多物種(包含人類)使用有性生殖來延續族群呢?

 

有性生殖的優勢

有性生殖儘管有那麼多的缺點,做為大多動物使用的繁衍策略,它在自然界中卻依舊佔有重要的地位,因為在很多狀況下,它的優點是無可取代的。有性生殖最大的優勢在於它能夠提供物種內最高的基因多樣性。

多樣性之所以在自然界中如此重要,原因在於能夠讓物種快速適應變化的環境,當環境產生變化,物種中適合環境的個體有更高的機率存活並且繁衍後代,他們的後代同樣具有適合該環境的基因,使得該物種能夠在變化的環境中存活並延續。

透過有性生殖所產生的子代不會和親代的基因型一模一樣,彼此之間也存在差異,透過交配行為能夠確保雌性動物不會將所有賭注下在同一種基因型上,當生存環境改變,至少會有幾個子代能夠適應並活下去。

除此之外,無性繁殖在複製的時候容易隨著代數增加,越後面的子代累積了前面祖先所帶的有害突變,但有性生殖就不會有這樣的問題了,在基因重組的過程中,有害的突變能夠慢慢的被洗去,同時淡化不良的影響。

總體來說,無性生殖能夠快速地增加子代數量,而有性生殖卻能提升子代品質。那麼如果能夠選擇的話,雌性動物究竟怎麼做選擇的呢?

 

有性與無性的選擇

在澳洲,有一種常見的家庭昆蟲寵物被稱為多刺竹節蟲(Spiny leaf stick insects),他們是一種十分特別的昆蟲,能夠像無尾熊一樣終生依靠桉樹葉生活。但他們最特別之處是在於他們的繁衍方式,雌竹節蟲可以透過和雄性交配產生子代,但也可以不透過交配行為直接生產未受精的卵,而這些未受精卵在之後會發育成為無性系的雌性子代。

當然,孤雌生殖至今仍被認為是雌性個體在無法找到雄性的狀態下不得已而採取的策略,也就是說,我們普遍認為在雌性竹節蟲能夠找到雄性個體並交配的狀態下,他們就會選擇進行有性生殖。

但在近期發表於動物行為科學期刊的論文中指出,多刺竹節蟲的孤雌生殖策略可能並不是出於不得已,而是真的為了避免在有性生殖上不必要的精力耗費。科學家發現這些雌性竹節蟲甚至會在遇到雄性竹節蟲的時候捲起自己的腹部,並用力踢腿抗拒交配行為。

 

有性生殖是演化的必然嗎?

這項發現使研究團隊重新思考一種令人驚奇的可能性。會不會其實有性生殖成為目前自然界中普遍採用的生殖策略並不是因為它真的比較好,而是因為交配行為的存在令人(或各種動物們)難以抗拒呢?

雌性動物能夠調控自身狀態選擇是否進行有性生殖,或者直接複製自己基因進行無性生殖。但雄性動物就沒辦法了,他們無法選擇,也不能直接複製自己基因進行無性生殖。孤雌生殖策略提供了雌性動物的另一種選項,但卻對雄性動物不太公平。

因此,在這樣選擇不平等的狀況下,一旦族群中有雄性個體存在,有進行交配的可能,就算雌性動物並沒有交配的意願,雄性動物也會嘗試進行交配,誰叫他們沒得選擇,只能依賴交配行為來使自己的基因向下繁衍呢?

有性生殖在自然界中佔有如此穩固的地位,原因之一可能就是因為一但有性生殖的選項存在,雄性生物想要交配延續自身基因的天性就會使用這種生殖策略。

 

這世界真的不需要雄性生物?

如果有性生殖真的是演化導致的必然現象,那麼科學家們在多刺竹節蟲觀察到的現象顯示,至少這個物種能夠某程度的跳脫出必然,因為他們身上還存在著孤雌生殖的機制,並沒有隨著演化而消失。

的確,在能夠進行孤雌生殖的物種中,只要雌性生物完全的避免交配行為,就有可能導致族群中雄性滅絕的狀況,而這樣的趨勢確實存在於某些竹節蟲族群中。

那麼人類呢?人類女性有沒有可能演化到能夠複製自身基因進行無性生殖,跳脫出演化中有性生殖的必然呢?這麼一來男性的存在的重要性就會出現許多不確定。

雖然這樣的現象有非常多可討論的空間,但別擔心得太早,因為人類出現孤雌生殖的可能性非常低。哺乳類動物是唯一沒有發現孤雌生殖現象的動物,之後大概也不太有可能出現;也就是說,不管在生物學的角度上到底值不值得,愛(至少「性」)將會永遠存在人類社會中。

(首圖來源:Flickr/tamaralvarez CC BY 2.0) 

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