2021年09月30日 10:10
【科學快訊】
「蟲片」 圖片來源：pixabay
美國的演化生物學家喬治·C。威廉斯（George C。
Williams）曾說過：「性是一筆不劃算的交易，是我們的祖先掉入的陷阱，然而我們現在還在陷阱裏爬不出來。」為了在演化中存活，絕大部分動物似乎都選擇了「低效」的有性生殖。然而近期的一項研究發現，一種甲蟎或許已經保持無性生殖長達幾百萬年了。
撰文 | 二七
如果問「性是為了什麼？」，你或許會說「為了繁衍後代」。然而性真的是繁殖必須的嗎？仔細想想，為了繁衍而進行的一系列交配流程似乎都過於低效了：首先要在大千世界中找到一個交配對象，讓對方認可自己，然後還要在交配行為中耗費大量能量。更過分的是，即便費了這麼大勁，也只有一定概率能把自己的部分基因遺傳給下一代。
然而恰恰與直覺相反，幾乎沒有哪種真核生物完全放棄了有性生殖。但是，有一種生物卻不「循規蹈矩」。最近，發表於《美國科學院院刊》（PNAS）的一篇文章指出，一種叫新小奧甲蟎（Oppiella nova）的節肢動物也許能且只能進行無性生殖，並已經持續了至少幾百萬年。
性的意義
性，或者說有性生殖的起源和演化，一直是生物學的熱門話題，甚至達爾文也感到格外迷惑。1862年，達爾文在書中寫道：「我們甚至完全不了解性征出現的原因，也不懂為什麼新生命的誕生需要兩種性別要素的結合，整個問題還隱藏在黑暗之中。」從那時起，生物學家就提出了各種各樣的理論，試圖說明「費勁」的性行為為什麼會風靡生物圈。
從本質上來說，性就是交配雙方重新組合基因的過程——以二倍體為例，通常情況下父母經減數分裂各自分離出一份單倍體基因，兩份單倍體組合到一起產生後代。這樣的後代組合了父母雙方的部分遺傳信息，但又和父母都不一樣。
遺傳學先驅奧古斯特·魏斯曼（August Weismann）曾提出一種假說，認為有性生殖有利於增加生物多樣性。這一假說比較直觀，可以說占據了相關討論的主導地位，基於此還曾延伸出更多進一步的假說。另一種著名的理論被稱為「穆勒的棘輪」（Muller’s ratchet），是20世紀60年代由遺傳學家赫爾曼·穆勒（Hermann Muller）提出的，核心思想是有性生殖可以保護基因組免受有害突變積累帶來的傷害。
穆勒的棘輪。具體來說，在有性生殖中，如果部分個體擁有有害的突變，在幾代的重組和選擇後，整個種群依然可以維持較低水平的有害突變。然而對於無性生殖的生物，這個過程就會嚴苛得多，突變基因會在後代中不斷積累，一旦開始就很難恢複原先低水平的突變。 圖片來源：Diego Hojsgaard and Elvira Hörandl， 2015
盡管對性的意義作出了大量猜測，研究者卻很難直接證明這些理論。因此許多演化生物學家寄希望於一些擁有獨特性行為的種群，希望可以窺得有性生殖的奧秘。
梅塞爾森效應
想要判斷某個物種是否只進行無性生殖，或許還可以通過仔細觀察來判斷一二，但若想知道它在演化曆史上是否也只進行無性生殖，或者何時開始無性生殖，就麻煩得多了。
20世紀80年代，著名生物學家馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）提出，長期進行無性生殖的物種會有獨特的基因組特征，這被稱為「梅塞爾森效應」（Meselson effect）。這是因為有性生殖時會發生基因的重組，也就是說祖先的基因可以在後代中「徹底混合」。然而對於無性生殖來說，每個個體的基因組都只能沿著各自的家譜「孤獨地」遺傳下去，彼此獨立地積累突變，沒有那樣「見面」的機會。因此，如果某個物種經曆了足夠長時間的無性生殖，不同個體的基因會出現顯著的差異。
蛭態輪蟲視頻來源：AkiraFlickr
梅塞爾森效應聽起來簡單又頗有道理，但令人驚訝的是，這個理論預測卻只得到了一些模棱兩可的實驗驗證。起初提出這個效應的時候，梅塞爾森正關注著一種很可能只進行無性生殖的生物——蛭態輪蟲（bdelloid rotifers）。隨後幾年間，梅塞爾森的學生馬克·韋爾奇（D。
B。 Mark Welch）及其他生物學家也發現，蛭態輪蟲的基因組的確有明顯的種內差異。然而近年更為精細的測序工作又發現，這種差異來源於旁系同源基因——蛭態輪蟲的基因組中充滿了大量的外來基因，正是這些外來基因的差異導致了疑似的梅塞爾森效應。其他尋找梅塞爾森效應的研究也經曆了類似的曲折，在許多可能的研究目標中，有的根本沒有出現明顯差異，有的差異來源於雜種起源或是和蛭態輪蟲一樣的旁系同源基因——總之不是由於長期的無性生殖。
基因的答案
那麼到底是這些動物真的沒有經曆足夠長期的無性生殖，還是說梅塞爾森效應的理論出了問題呢？生物學家們仍然在糾結中尋找，其中就包括德國哥廷根大學的的亞曆山大·布蘭特（Alexander Brandt）和他的合作夥伴們。這次，他們將目光投向了「熱衷於」無性生殖的一類小動物——甲蟎。「甲蟎是非常合適的研究對象，因為幾百萬年前，甲蟎的許多分支獨立演化出了無性生殖能力，隨後又發生了廣泛的輻射演化，讓相鄰物種間的比較分析變得很方便」，論文這樣介紹道。
他們這次選擇了新小奧甲蟎。研究者對比了新小奧甲蟎和它們「熱衷於」性的「親屬」Oppiellasubpectinata。對遺傳物質的測序和分析顯示，兩者的種內基因組差異模式截然不同，新小奧甲蟎同一種群內個體間的差異甚至超過了不同種群之間的差異。在基本排除其他影響因素之後，研究者激動地宣布，他們找到了證明梅塞爾森效應的顯著證據，還有力說明新小奧甲蟎很可能已經持續進行了上百萬年的無性生殖。研究作者之一，瑞士洛桑大學的延斯·巴斯特（Jens Bast）這樣表示：「這聽起來可能很簡單，但在實踐中，梅塞爾森效應從未在動物身上得到最終證明——直到現在。」
當然，和想象中一樣，想要收集並分析這種微小動物的遺傳物質並不容易。「這些甲蟎只有五分之一毫米大，很難識別。」巴斯特在回憶時將其稱為「西西弗斯的任務」。但他們的努力最終得到了回報，「我們的結果清楚地表明，新小奧甲蟎完全進行無性生殖。當想要了解失去性會給演化帶來怎樣的影響時，甲蟎總能給我們一些驚喜。」巴斯特總結道。接下來，研究小組希望能找出是什麼讓新小奧甲蟎逃脫了有性生殖的「陷阱」，成功存活數百萬年。
順便一提，如果有人覺得梅塞爾森這個名字熟悉，他更著名的成就是DNA的半保留複制實驗，就是用15N標記的那個——這可能就是中學生物的烙印吧。
相關論文：
