动物界“爱爱” 更多是为了变得更强?

人们普遍认为有性生殖的好处是增加后代基因库的多样性。然而,在最近的一些研究中,科学发现有性生殖或交配行为可以给物种带来更多直接的好处,并使它们活得更长。

来源:伯尼

我们通常认为有性生殖的优势是增加后代基因库的多样性。在最近的研究中,科学发现有性生殖或交配行为可以给物种带来更多直接的好处。有性生殖可以促进DNA修复,帮助生物在恶劣环境中生存,并直接有助于物种生存。此外,交配行为也能增强动物的免疫力,让它们活得更久。

写作|克里斯蒂·威尔科克斯

翻译|徐囡

校订|杨新洲

性也许是生物学中最复杂的难题。性最基本的目的是不言而喻的:让两个人能够传递他们的一些基因。在这个过程中,两个人将会密切接触,身体伤害或疾病传播也会发生。无性繁殖或自体克隆没有上述缺点。克隆可以在任何时间和任何地点进行,并完成单个基因的传递。

尽管有这些优点,无性繁殖只是真核生物繁殖的一个特例,并不是一个普遍现象。例如,对于具有遗传可塑性的植物,只有1%的植物物种经常无性繁殖。在动物物种中,每1000种已知物种中只有一种无性繁殖。几个世纪以来,生物学家一直密切关注这一明显的矛盾。

1932年,因辐射诱发突变研究获得诺贝尔奖的遗传学家赫尔曼·缪勒认为他已经找到了这个问题的答案。“为什么性和有性生殖存在?遗传学最终解决了这个古老的问题,”他向美国博物学家解释道。"性可以通过基因重组最大限度地利用基因突变的可能性. "

换句话说,性的目的很简单:为后代增加基因库的多样性。这种多样性可以通过产生更强壮、更敏捷、更有抵抗力或具有其他适应能力的后代来提高其适应性。穆勒不是第一个提出这一观点的科学家,但他的影响如此之大,以至于穆勒这个名字至今仍与这一观点紧密相连。

但也许这不应该发生。毕竟,多样性的变化不能解释单细胞生物为什么以及如何进化出有性生殖的主要特征:减数分裂,即通过染色体减半来产生卵子和精子。

"性别选择和性别假设更加关注后代."凯特琳·麦克多诺说,她正在锡拉丘兹大学研究生殖系统的进化。在他对性行为进化的研究中,麦克多诺发现一些理论的中心只提到对后代的好处或对整个物种的好处,这是不完整的。

麦克多诺和其他研究人员说,就性行为而言,“相关研究倾向于忽略它对生物个体的直接好处。”目前,他们正在重新审视性、性细胞和生理过程对个体的影响。他们说,研究结果表明,生物学家目前对性没有统一的解释,可能是因为没有统一的解释。相反,生物个体会为了获得这些好处而发生性行为。

性有利于物种生存。

在某些方面,性是普遍的——几乎每一个真核生物都有性。但是性是所有物种所独有的。如果我们谈论植物、单细胞原生动物、果蝇或人类的性行为,我们会发现它们看起来都不一样。

即使有“生存是为了繁殖”的说法,在整个真核生物谱系中也不是很成立。加拿大新不伦瑞克大学的生物学家奥罗拉·内德库对藻类的研究表明,性不是为了生育更多的后代。"无性繁殖对海藻更好."她说。这项研究中的团藻是雌雄同体的,这意味着它们可以克隆自己或进行有性生殖。当选择有性生殖时,目的是提高存活率。

按照人类的标准,这种藻类大部分时间只有一半的基因组:它们只有一套染色体,就像单倍体一样。在这种状态下,它们可以经历有丝分裂,也就是说,所有的细胞都是自我克隆的。首先,染色体必须是复制的,然后两组染色体沿着细胞中线排列,从而分成两个与母细胞相同的子细胞。

新不伦瑞克大学的奥罗拉·内德尔库在一项关于多细胞团藻的研究中指出,它们只有在必要时才进行有性繁殖。一般来说,藻类以无性克隆的形式生活(左),无性克隆包含十几个或更多的胚胎细胞(内部绿色球体)。在压力下,团藻群落将变成有性生殖(右),其胚胎细胞将融合成抗性孢子(红色球体)。资料来源:Aurora Nedelcu

有时,当生活环境太热或氮缺乏时,藻类繁殖的方式就会改变。单倍体藻类与另一个个体融合形成含有两组染色体的细胞。事实上,海藻和我们一样,会“做爱”并变成二倍体。

但是藻类只有在生活变得困难的时候才会选择有性繁殖路线。Nedelcu和他的同事发现,如果海藻的生理应激反应通过提供抗氧化剂而减少,它们就不会有“性行为”。因此,研究人员得出结论,这种海藻有性繁殖的最基本目的不是繁殖后代,而是帮助它在逆境中更好地生存,并在压力下更好地繁殖自己。

对海藻本身来说,性行为的优势是使其成为二倍体,以便更好地在艰难的环境中生存。当生活环境改善时,藻类细胞将通过减数分裂恢复到单倍体状态。然而,正如内德库和他的同事指出的,减数分裂也是基因组改良的一个独特机会,它的目的不仅仅是改善多样性。

像所有多细胞生物一样,这种藻类有能力修复微小的DNA损伤或错误。然而,如果损伤严重到一定程度,这种修复机制就很难准确地修复它。在这种情况下,如果有一个“备份”的DNA作为模板来修复,仍然有希望挽救生命。内德库解释道,“这也是为什么大多数生物选择成为二倍体的原因。”

对于单倍体细胞,由于只有一组染色体存在,修复受损DNA片段的复制过程并不容易。例外的是减数分裂,染色体在赤道板上成对排列,然后从母细胞变成子细胞。内德库说:“我们认为这是修复受损DNA的好机会。”

在减数分裂期间,单倍体母细胞的染色体被排列,并且可以交换DNA片段,即“基因重组”。这一步骤极大地提高了基因多样性,也给了个体复制其他单倍体基因组的机会,以修复它们受损的片段。

几十年前,科学家在减数分裂过程中发现了DNA修复功能,早些年的工作也发现,减数分裂也可以解释为什么有害突变不常见。然而,内德库的研究也引起了科学家对早期有性生殖进化意义的兴趣。事实上,这些海藻属于最古老的真核生物谱系。内德库说,这可能表明“有性生殖不是从生殖开始的”,但“对环境压力的适应性反应是一种适应性进化”

交配行为的好处

有性生殖有助于有机体在艰难环境中生存的想法并不完全是新的。亚利桑那大学的细胞生物学教授哈里斯和解剖学教授卡罗尔·伯恩斯坦在20世纪80年代提出了这一观点。但是明斯特大学的进化生物学家弗朗切斯科·卡塔尼亚说,这个观点在某些方面被当时的主流进化生物学所忽视。他说:“我不明白为什么他们的假设没有得到应有的可信度和重要性。”

在草履虫的研究工作中,明斯特大学的弗朗切斯科·卡塔尼亚对生物个体通过性行为获得的直接利益表现出兴趣。卡塔尼亚在草履虫(一种原生动物)的研究中无意中发现,这种单细胞生物可以在淡水中游泳,被小的、可移动的毛发状突起包裹。他们也有压力性生殖。他还发现,当草履虫发生性行为时,它的对象通常是它自己。

来源:弗朗切斯科·卡塔尼亚提供

卡塔尼亚说:“有一些广泛传播的研究说草履虫的自花受精现象非常普遍。”这也可能是为什么从宏观角度来看草履虫物种的遗传多样性非常小的原因,这与主流观点相反,主流观点认为性行为可以增加后代的多样性。因此,卡塔尼亚决定做进一步的深入研究。

在研究过程中,他发现草履虫像内德尔库的海藻一样,可以通过性过程直接获得个体利益。在胁迫环境下,自交草履虫的存活率高于未自交草履虫。新的性成熟的草履虫个体也会变得更有活力。这些发现使卡塔尼亚和她的同事相信,压力不仅导致草履虫的性行为,而且性激活的过程也能帮助草履虫应对压力反应。性,可以开启基因和细胞行为的过程。

尽管未来需要更多的实验来充分证明这一观点,卡塔尼亚仍然认为性和压力反应的细胞机制是内在联系的。自我受精和性成熟具有生存意义。此外,他和他的同事还发现,热应激可以激活草履虫的某些基因调节,以促进性成熟。草履虫为合并染色体组所做的准备只是为了确保它达到最佳状态,以便更好地应对压力事件,即使事后并没有真正发生性行为。

资料来源:lucyreading-ikkanda/quanta杂志

当然,草履虫和海藻不是动物,所以它们的性经历与其他血统的不一样。内德库谨慎地得出结论,即使减数分裂最初是为了修复DNA而进化的,“性别的起源可能不同于现有物种适应性进化的作用。”

然而,在真菌、植物或动物中,性收获可能仍然与生殖没有直接联系,其目的可能仍然是修复DNA。即使对动物或植物来说,性也只是为了繁殖,但一些直接的好处可能决定性产生的原因、方式和频率。

这种直接的好处可能不仅存在于减数分裂期间,“性也包括交配和性行为,”麦克多诺说。研究人员研究了从蟋蟀到老鼠的各种物种,发现做爱可以带来各种意想不到的好处。

这是意料之外的原因是,人们普遍认为有性生殖的效率远低于无性生殖,这也将增加个体的能量消耗。制造卵子或精子,寻找配偶,交配行为——所有这些都消耗能量和资源。这导致个体需要在生殖或其他延长生存的方式之间做出选择(例如,变得更大或增强免疫系统)。

然而,我们对动物性成本和利益的理解通常来自于模型生物,如苍蝇,而实验动物的研究结果可能与现实不同,加州大学圣地亚哥分校细胞和发育生物学名誉教授特里·马科说。她说:“我们从自然中观察到的现象可能与实验室中的大不相同,因为生物体的生存环境非常不同。”

例如,大多数关于果蝇的文献认为交配需要付出代价。然而,马科夫和他的同事在该领域观察到的果蝇的情况正好相反——他们称之为“原价”。经历过交配的雌性个体比没有经历过交配的个体寿命更长。虽然关于这一观点的具体实证研究尚未完成,但马科夫推测,原因是女性个体的性利益不仅来自男性个体的精液,还来自许多其他方面。

克赖顿大学研究生殖生理学的艾米·沃森观察到,雌性蟋蟀在交配后变得更加活跃,这可能是因为精液中的激素样化合物可以增强免疫力。

资料来源:安德鲁·克雷默

艾米·沃星顿是克雷顿大学研究生殖生理学和行为生态学的生物学家。她在蟋蟀身上发现了类似果蝇的东西。雌性蟋蟀在交配后可能变得更容易感染。就在她推测雌性蟋蟀消耗了大部分能量来产卵时,它在这个过程中回收了更多的能量。她说,“观察各种物种,我们发现有交配经验的雌性比没有交配的雌性有更强的生命力和免疫力,”尽管这种趋势在大小上有所不同。

沃星顿推测激素样化合物前列腺素起了重要作用。它在卵子生产中起着重要作用,也能帮助调节免疫系统。“我们都知道精液中存在前列腺素,”她说。也许女性个体可以使用从男性个体获得的前列腺素来提高他们的生殖成功率和存活率。

同性行为也有好处。

前列腺素不仅是蟋蟀或昆虫独有的,它存在于所有动物中。因此,沃辛顿说,无论是“昆虫、哺乳动物还是蜥蜴”,获得精液都可以提高个体的免疫系统功能。

神经科学家在对男性个体的观察中发现了更多的故事。俄亥俄州立大学韦克斯医学中心的精神病学和神经科学教授莉亚·皮特在2018年发现,雌性大鼠交配后大脑免疫功能增强。这可能有助于他们避免感染。性也可能影响大脑的工作能力。其他科学家发现,交配后的老鼠在一些认知测试中表现更好,定期交配也能延缓衰老引起的大脑功能障碍。

“我认为性行为一定还有未被充分探究的次要影响,”皮特说,但“这是一个棘手的命题。”她解释说,这不仅是因为对性利益的研究经常会带来技术操作上的困难,还因为研究结论很容易被误解,造成文化或社会影响。正如内德库也提到的,记者问她对海藻的研究结果是否表明压力也能诱导人类的性行为,她当时的回答是“除非你是单倍体海藻”。

资料来源:L. B .泰特本

非生殖性同性性行为在动物界也很普遍,这种现象在奶牛、蜻蜓和蟾蜍中很常见。正如锡拉丘兹大学的凯特琳·麦克多诺和她的同事在最近的一篇论文中提到的那样,这一现象表明进化早期的性行为并不仅仅基于异性交往。

当然,这些结果将向两个方向发展:性文化信仰和性观念将影响我们对其他有机体的研究方法和结果的解释。沃森说,社会对性的偏见,比如同性恋性行为“不正常”或不恰当,“也会影响科学家对动物性研究重要性的测量”。

麦克多诺和他的同事已经注意到,关于同性性行为的科学讨论将包含许多软弱或毫无根据的假设——例如,性行为本身会消耗个人,所以同性之间的性互动肯定有很大的好处,比如大大增加一个人一生中的生殖能力,这就是为什么同性性行为可以在自然选择中被严格保护。但是“在许多情况下,这并不是一个高成本的问题,仍然有一些我们尚未发现的好处。”麦克唐纳说。

与探索同性恋行为进化的原因相反,麦克多诺和他的同事喜欢“反其道而行之”。他们问,“为什么这种现象没有进化?在这个过程中,研究小组发现同性行为可能而且很可能永远存在,但这并不足以通过自然选择来消除。毕竟,真正的性别差异在于产生不同大小配子的不同生物个体——也许性别只有在减数分裂和配子融合进化完成后才会出现。生物个体可能会两面下注。正如研究小组在去年发表在《自然生态与进化》杂志上的一篇论文中解释的那样,他们将试图在种群中找到任何可以和他们一起繁殖的个体。

甚至有这样一种可能性:如果性行为的身体损失足够低,好处足够大,那么就不值得煞费苦心去寻找一个合适的异性伴侣。生物个体的最终愿望仍然是延长他们的寿命,并通过与群体中任何个体的早期性交,或通过频繁的手淫,将他们的基因传给后代(以达到这一目标)。当然,我们还没有探索这个假设,因为当人们观察其他物种的性行为时,他们已经引入了我们对人类的先入之见。

然而,尽管越来越多的研究致力于性对不同生物个体的影响,科学家们也在打破偏见,探索性可能带来的无数积极影响,而这些好处可能会微妙地影响一个物种进行性行为的方式。沃星顿说:“当然,无论从哪个方面来看,它或多或少都包含以下好处:它可以增加后代的产出数量或提高其产出质量,这样他们就不会在自然选择中被淘汰。”

至少在某些方面,这些好处导致了性行为的进化。“性可以产生不同的后代,并给生物个体带来直接的好处。两者之间没有矛盾,”麦克多诺说。如果性行为能直接或间接地提高生殖能力,那么性的普遍性就会更有意义,比如延长寿命——也可以称为:双赢进化。

原始链接:

http://www . quantamagazine . org/why-sex-biologists-find-new-explaints-20200423/

原来的标题:“爱情”是变得更强?

标题:动物界“爱爱” 更多是为了变得更强?

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