「性」是怎麼開始的？從鳥類求偶和蜜蜂傳粉給你講講演化故事

一些生物體會分裂成兩半，形成兩個個體

鳥類和蜜蜂的背後有什麼樣的演化故事？

雄性園丁鳥會建造精緻的鳥巢來取悅雌性

新浪科技訊 北京時間7月6日消息，據國外媒體報道，無論是鳥類還是蜜蜂，無論是黑猩猩還是人類，這些生命的存在都離不開「性」。但是，很少有人意識到，有性繁殖最初是出現在與我們非常不一樣的生物身上。那麼，性是怎麼開始的呢？鳥類求偶和蜜蜂傳粉背後的真實故事是怎樣的呢？

有性繁殖的出現一直是令科學家迷惑的課題。今天的地球上，99%的多細胞生物——我們眼睛所能看到的眾多生物體——都進行有性繁殖。所有這些生物都具有獨特的有性繁殖機制，但這一過程的演化包含著許多未解之謎。

即使對於演化論之父達爾文，也同樣對「性」感到困惑。他在1862年寫道：「我們甚至對性特徵的最終起因沒有一丁點了解；為什麼新生命需要由兩種性別要素的結合才能產生？整個問題還隱藏在黑暗之中。」

許多物種是在完全確定了性角色之後，經過漫長的努力才獲得交配權。雄性園丁鳥會打造精緻的鳥巢以取悅雌性；一些雌性發光昆蟲的尾部能發出亮光來引誘雄性；甚至是花朵製造的香味也是吸引昆蟲的妙招，後者能夠將花粉傳播到最近的植株上，幫助它們授粉。

在如此眼花繚亂的多樣性背後，所有的有性繁殖生物都遵循相同的基礎路徑——同一物種的兩個成員將它們的DNA結合，產生一個新的基因組。在「性」產生之前，所有的繁殖都是通過無性繁殖完成的，其基本方式是細胞分裂——一個生物體實實在在地分裂成兩半，形成兩個生物體。

這是一個簡單的「複製—分裂」機制，所有的細菌、大部分植物甚至部分動物都具有這種機制，至少在某些時候會這麼做。相比有性繁殖，無性繁殖更加有效率，也更 為簡單。一個無性繁殖的物種不需要浪費時間和精力去尋找並取悅配偶，它們只需要長大後再分裂成兩個。對於有性繁殖的物種，吸引、追求配偶的過程伴隨著許多 麻煩，有時候甚至會有生命危險。

還有其他顯而易見的「性代價」。兩個獨立基因組的結合需要完全不同的過程——一顆卵需要和精子結合。它還意味著，每個親代只將一半的基因傳遞給下一代。相比 之下，無性繁殖的親代所產生的後代本質上是自己的複製品。如果說我們的基因都自私地想要確保自己的生存，無性繁殖聽上去似乎是更好的方式。

斑馬會花時間愛撫伴侶

那麼，當有直接路徑可供選擇時，為什麼如此眾多的物種會選擇更加漫長，更加曲折的有性繁殖策略呢？性肯定能提供某些利大於弊的演化優勢。

1886年，德國演化生物學家奧古斯特·魏斯曼（August Weismann）提出，有性繁殖能對基因進行重組，創造出「個體差異」，而這正是自然選擇起作用 的地方。本質上，性是同一物種的兩個生物體融合各自資源的機會。它們的後代中，有一些會攜帶來自父母雙方的有益基因，這意味著它們能更好地應對環境壓力， 而這些環境壓力可能會使無性繁殖的物種陷入絕境。事實上，性甚至可能加快演化的節奏——當環境條件快速變化時這是顯而易見的優勢。

變幻不定的氣候會影響演化的進程

早期地球的環境條件比如今惡劣得多

在一些研究中，無性繁殖的物種被誘導進行了有性繁殖，研究的結果提供了最終的證據，證明了上述有性繁殖的優勢。原始的單細胞生物通常習慣於無性繁殖，但如果環境壓力變大，它們也會轉變為有性繁殖物種。環境壓力可以是天氣的細微變化，也可以是猛烈的隕石撞擊。

有性繁殖的起源之所以長久以來令人迷惑不解，部分是因為我們在觀察今天的世界時，會發現許多無性繁殖的生物依然活躍，一些同時具有兩種繁殖方式的生物似乎還更偏愛無性繁殖。這樣的生物包括酵母、蝸牛、海星和蚜蟲等。

然而，它們其實是根據周圍的環境條件來選擇繁殖方式——大部分只在環境壓力較大時進行有性繁殖，而在其餘時間進行無性繁殖。早期地球的環境比現在惡劣得多，環境條件經常快速變化。在這種情況下，較高的突變率可能會促使無性繁殖的生物變為有性繁殖。

保存在岩石內的化石記錄可以告訴我們更多有關有性繁殖起源的信息，但化石很零散，又很難發現，因此很難呈現確切的演化過程。密歇根州立大學的克里斯·阿達米（Chris Adami）從理論的角度分析了這一過程。

阿達米解釋稱，你可以用信息的方式來看待演化。所謂信息，就是你需要知道的能夠確保生存的東西。演化就是「信息保存和信息獲取——你知道得越多你就活得越 好」。所以，這是一個「學習」的過程。一個生物會不斷「學習」到新的信息，特別是在一個變化的環境中，它再將這些信息（通過DNA）傳遞給下一代，幫助它們存活下來。

我們為什麼需要雄性動物？

人類與猿類有共同的祖先

性提供了一種使物種更加容易「記住」有用信息的方式——都保存在基因編碼中，從而使這一過程更加高效。這是因為，有性繁殖涉及到選擇一位性伴侶，後者本身通過做出正確選擇而達到了性成熟狀態。性意味著要選擇一個好配偶，從而為你的後代選擇一個更好的未來。

「信息的獲取和維持對於演化的奏效是必不可少的——記住舊的並想像未來。」這種要素的選擇可以解釋另一個謎題：為什麼我們需要雄性？如果你的一半後代——女兒們——能夠再產生後代，為什麼演化還需要產生兒子呢？為什麼不讓所有後代都具有繁殖後代的能力？

達爾文對雄性謎題的解答是，自然選擇不是唯一在有性繁殖中起作用的演化壓力。還有一些事情在不斷進行著，達爾文稱之為「性選擇」。本質上，這是指一個性別對另一性別某些特性形狀的偏愛。

發表於2015年的一項研究發現，雄性對交配權的競爭，以及雌性在這些競爭雄性之間的選擇都是非常重要的。性選擇通過兩種性別的存在來維持種群健康並防止滅絕。性選擇能幫 助保持種群中的良性基因變異。如果想要在競爭中勝出，或者要吸引異性以進行繁殖，生物個體必須在大部分事情上表現良好。因此，性選擇提供了一種重要、高效 的過濾手段，能夠維持並改善種群的健康。

這些發現解釋了為什麼性會持續成為繁殖後代的主要機制。性最終決定了誰有機會將自己的基因傳遞給後代。性是一種廣泛存在，並且非常強大的演化驅動力，但性的演化到底是怎麼發生的，哪些生物是最開始進行有性繁殖的呢？

大部分理智的人都接受演化論，即人類與其他類人猿從一個共同祖先演化而來，而這個共同祖先又是從更加原始的生物演化而來。這些思想可以追溯到達爾文於1871年出版的《人類的由來及性選擇》。

據我們所知，性的演化其實可以追溯到比我們的猿類祖先更早的生物：一種被稱為「小肢魚」（Microbrachius dicki）的原始魚類，其化石證據發現於蘇格蘭，距今已經有3.85億年歷史。「Microbrachius」的意思是「小肢」，但直到近期科學家才明白這些小肢的真正作用。在小肢上長有小吸盤，而對化石的細緻分析發現，雌性小肢魚具有的小吸盤能將雄性的吸盤固定住。這一發現表明，這些小肢與有性繁殖有關。

科學家還發現，這些魚是已知最早通過體內受精進行繁殖的脊椎動物，與我們人類一樣。它們還是第一個呈現「兩性異形」的物種，即雄性和雌性具有不同的外形。今 天大部分魚類是通過將卵和精子釋放到體外進行繁殖的。研究者還不清楚小肢魚發展出體內受精系統的原因，但這確實是它們最常見的有性繁殖方式。

為了了解有性繁殖的真正起源，我們需要追溯到更早的時期。我們知道，所有的有性繁殖生物都來自同一個共同祖先，因此通過分析化石證據里保存的線索，我們就能知道這一共同祖先生活的年代和地點。

加拿大巴芬島的岩石保留著有性繁殖的最早證據

海藻是最早進行有性繁殖的生物體

加拿大北極地區的岩石中保存著科學家所要尋找的線索。12億年前，這些岩石處于海洋潮間帶環境中，岩石中保存的化石能夠告訴我們關於有性繁殖最早的證據。在化石中，科學家發現了一種進行有性繁殖的多細胞生物Bangiomorpha pubescens，這是最早的有性繁殖化石記錄。Bangiomorpha pubescens不是魚，甚至不是動物，它是一種紅藻，已知第一種有性繁殖的海藻。

這些生物進行有性繁殖的證據來源於它們產生的孢子，即生殖細胞，這些細胞呈現出雄性和雌性兩種形態。今天我們知道，紅藻缺少能夠自由游泳的精子，它們依賴水流來運送生殖細胞。過去12億年來它們可能都一直這麼做。

紅藻是最大和最古老的藻類門類之一，具有5000到6000個主要的多細胞海洋藻類物種，包括許多值得注意的海藻。紅藻非常多樣，而且在外觀上與12億年前的祖先十分相似。換句話說，它們可以被稱為「活化石」。它們是過去歷史的遺存，提醒著我們從哪裡來。

Bangiomorpha pubescens生活在嚴酷並且變化無常的環境中，這可能促使它們在12億年前演化出了有性繁殖。加拿大麥吉爾大學的加侖·霍沃爾森（Galen Halverson）解釋道：「就氣候而論，Bangiomorpha pubescens化石出現的時期，似乎正是數億年相對穩定環境終結的時候。我們發現了這一時期碳和氧含量的巨大變動，顯示了重大的環境變化。」

在這一時期，性對多細胞生物的成功延續和演化是至關重要的。這些化石因此也標誌了生命演化中重要的突破。霍沃爾森補充道：「有性繁殖、多細胞分化、氧化作用，以及全球碳循環之間的聯繫依然模糊不清，但很難不去假設：這些事件之間具有緊密的聯繫。」

對這些岩石的研究有助於我們了解性演化產生的環境條件，並且必然地，我們能更進一步了解地球上多細胞生物的起源。這不僅能告訴我們過去發生的事情，以及我們來自哪裡，還能為研究其他行星上的生命演化提供啟示。很難想像這些海藻就是有性繁殖的發起者，但正是它們在12億年前進行的這場「演化變革」，造就了我們現在所知的生命世界。

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