为何需要性行为?答案让人目瞪口呆:因为癌细胞

3 评论 加国无忧 51.CA 2019年6月23日 14:17 来源:环球科学


图片来源:media for medical

绝大部分生物,从袖珍的昆虫到庞大的鲸,都需要通过性行为来繁衍后代。但这种看似理所应当的行为,却成为了困扰生物学家一百多年的问题。有性繁殖的存在意义是什么?性行为需要消耗大量的能量,甚至威胁生存,但为什么超过99%的真核生物都选择了有性繁殖?最近,发表于PLoS Biology的研究指出,性行为或许是癌细胞驱使演化出来的...

99%真核生物的繁殖方式

有性繁殖通常是指需要两个亲本提供遗传物质的繁殖过程,自然界也选择了最简便的方式,亲代分别将一半染色体汇聚在一个性细胞(或者称“配子”)中,两个配子融合之后就实现了有性繁殖。

但有性繁殖单从个体生存角度来看非常不划算,首先有性繁殖需要借助性行为来完成,这就意味着个体需要花费大量的时间和能量用于寻找伴侣或者求偶。另外性细胞也要作出很多改进,保证没有给后代传递错误信息。更关键的是,物种之间还要保证生殖隔离,这样才能维持整个物种的繁衍,个体的每一次性行为也决定着整个物种的存亡。

而无性繁殖就简单多了,只需要复制和分裂两个过程就可以诞生两个新个体,不仅机制简单,也非常节约能量。“两倍消耗”原理是比较两种生殖方式能量消耗最直观的理论:有性繁殖亲代需要两个亲本,无性繁殖只用一个;同样是两个后代情况下,有性繁殖诞生一雄一雌才能算给种群繁衍提供了基础,而无性繁殖在第二代的两个雌性都能继续繁衍。无性繁殖是如此高效,但奇怪的是,自然界中只有不超过1%的真核生物使用无性繁殖。

为什么生物要选择更复杂、更耗能的繁殖方式呢?一百多年前,德国演化生物学家August Weismann曾提出“有性繁殖是个体间基因变异的来源,同时也成为自然选择的基础。”在他的想法中,性行为可以将基因中对生存有利的部分“汇聚”到一起,将不利的那部分剔除出去。

性行为与基因

上世纪30年代,遗传学家Fisher和Muller在Weismann的基础上首次提出了有性繁殖的系统理论——Fisher-Muller假说。该假说认为有性繁殖可以加快优秀的等位基因整合到个体中的速度,而无性繁殖则需要等待很长时间。因为有性繁殖可以迅速整合物种中的优势基因,Fisher等人认为这对于整个种群的稳固是很有利的。


提出Fisher-Muller假说之一的R. A. Fisher。图片来源:The University of Adelaide

但是到了70年代,出现了一种与Fisher-Muller假说相对的声音。这些支持新理论的人认为,性不是为了种群的延续而演化出来的,而更多是为了个体的利益而存在。这也是“红皇后”假说的核心观点,Hamilton等人将这种理论描述为:只要基因组合的频率足够高,有性繁殖可以成倍地获得有利性状。通过更多的组合,个体可以产生稀有基因型,获得抵抗病原体的能力。该假说甚至已经得到了动物实验的支持,在大型蚤中,通过有性繁殖出的后代,它们抵抗病原体的能力是无性繁殖后代的两倍。

这两种假说都是围绕基因和有利性状来展开的,但它们都存在一个不能解决的问题,那就是如果性真的是为了加速基因整合而存在,那么为什么性是随机的?自然没有强制让拥有有利性状的个体互相交配,如果让最强的两个亲本繁殖,岂不是获得超强个体的速度会更快?对此,最近发表在PLoS Biology上的新研究提出了一个全新角度的理论:性行为是为了应对传染性的癌细胞而演化出来的。

这项新研究的主要作者,法国蒙彼利埃大学的演化生物学家Frederic Thomas提出了一个很犀利的问题:“假如你已经觉得自己足够强大了,这一生也很健康,说明你的基因组合已经很完美了,为什么不直接再制造一个自己?”

癌细胞让生命演化出性行为?

癌细胞对最早期的生命来说并不是一个问题,这些原核生物或者单细胞生物通常都是无性繁殖,通过复制染色体然后分裂,就产生了一个新的个体。但是真核细胞出现后,事情开始变得复杂起来,真核细胞倾向于聚集到一起,因此产生了多细胞个体。

这些多细胞生命个体要面临一个可怕的敌人,那就是癌细胞。因为这些细胞往往生长不受控制,并且会大量消耗个体的能量,甚至造成个体死亡。癌症也被认为是多细胞个体才有的“疾病”。有一部分癌细胞会因为宿主死亡而消失,但最近许多研究已经发现,还存在一类传染性癌细胞,可以在某些动物物种内部传播。这些传染性癌细胞可以通过性行为、被动接受行为(比如受到对方攻击,或者咬伤)等方式实现传播。

执行无性繁殖可以节约许多能量,但是正因为后代基因组都一样,会让癌细胞更容易在个体之间传播。来自其他个体的癌细胞将无法被自身的免疫系统识别,同样,自身的癌细胞也能轻易感染别的个体。研究者认为可以将这些传染性的癌细胞比作细菌、病毒或其他病原体。传染性癌细胞也会拼命改变自己基因组与宿主相异部分,来向其他个体传染。


无性繁殖会让癌细胞在个体之间传播

多细胞个体为了应对这些传染性的癌细胞,只能演化出可以识别的部分供免疫系统分辨和区分哪些细胞是自身的,哪些是外来的。那么最好的方式就是与一套完全不同的基因组进行结合,这样产生的新个体基因必定与其他个体存在差异。

而恰巧性行为可以完全达成这一目的,通过两个亲本各提供一半的基因组,混合到一起就可以构成一个全新的后代。而新诞生的后代是传染性癌细胞从来没有接触过的个体,因此还没有产生应对该个体基因组的方式,这可以极大地提升后代识别并消灭癌细胞的能力。


有性繁殖可以让后代更好地识别传染性癌细胞

生物个体或许在面对癌细胞的压力时最终决定摆脱无性繁殖,接受了耗时耗能的性行为。“癌细胞可能在生物演化过程中起着重要作用,它不只是一种疾病,更是一种演化的力量。”Thomas表示,你觉得癌细胞随着个体的死亡消失殆尽,但如果真相不是这样呢?你是否也意识到了,癌细胞一直存在,怎么都消灭不干净?

当然,这个全新的假说还有许多需要完善和验证的地方,尤其是父母与子代基因组不同,是否能成为抵御癌细胞感染的关键因素。如果能够解决这一问题,或许我们也能从这种演化了几百万年的性行为中,获取攻克癌症的线索。Thomas强调了许多生命现象的复杂性,“生物学上,很多事情不是一种说法就能完全解释清楚的,性行为背后肯定还隐藏着更多种解释等待我们发现。”

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