和生命有關的3個基本問題（中）：這個世界上為什麼要有性？

2023-04-01 02:19:35

三個與生活相關的基本問題(中):為什麼世界上有性？

三聯生活周刊

大自然為什麼進化了性？答案與娛樂無關。前天，我們討論了40億年前地球上的生命是如何從無進化到無的。今天我們將討論另一個非常重要的問題，那就是，為什麼這個世界上應該有性？喜歡思考問題的朋友們，請上車，和我一起討論這個嚴肅的話題。

01

想像一下，如果一個物種採用無性繁殖，每個個體都可以獨立地生育後代，而不浪費時間和精力去尋找配偶，繁殖效率肯定會大大提高，性病也不會發生。此外，一旦這個種群中的一個個體進化出了一定的生存優勢，比如一隻長頸鹿突然出現在一群短頸鹿中，那麼它就不需要與另一隻短頸鹿合作來分娩，從而導致後代的脖子長度減半，多麼美妙啊！

事實上，有一大類這樣的生物，那就是原核生物目前，所有已知的原核生物可分為兩大類，一類叫做細菌，另一類叫做古細菌。兩者在細胞膜結構和蛋白質合成等關鍵部分是不同的，可以看作是兩種完全不同的生物。

細菌、古細菌和真核生物進化圖

雖然有許多根本區別，但細菌和古細菌都沒有性別，它們都可以獨立完成繁殖任務相反，所有真核生物都是有性的。即使它們中的一些(如酵母和一些植物)仍然具有無性繁殖能力，它們在生命周期的某個階段肯定會有有性繁殖，無一例外。

換句話說，性在真核生物中出現。要解釋為什麼這個世界上有性，首先必須了解真核生物是如何進化的，以及它們和原核生物之間有什麼區別。

的考古證據表明，第一個真核細胞僅在20億年前出現，這表明原核生物已經統治地球20億年了。如果一個外星人在那個時候訪問了地球，他必須用顯微鏡才能看到地球上生命的樣子。

和生命一樣，真核生物只進化了一次，因為今天所有的真核生物都有相同的細胞結構，它們的基本代謝模式非常相似，表明它們都是第一個真核細胞的後代。

然後問題出現了:專家們不是說進化非常強大嗎？為什麼原核生物在20億年裡沒有進化成真核生物？科學家們多年來一直在討論這個永恆的謎，但沒有答案。直到美國生物學家林恩·琳·馬古利斯在20世紀60年代提出線粒體共生理論，才最終為這個問題找到了可靠的解釋。

02

在詳細介紹這一假說之前，讓我們先看看原核生物在進化過程中遇到了哪些不可逾越的困難。

在前天的文章中說，所有的生命活動都是由三磷酸腺苷驅動的，沒有例外三磷酸腺苷是由跨膜電位差產生的，因此三磷酸腺苷的產生與細胞膜的總面積成正比。我們可以簡單地把三磷酸腺苷想像成太陽能發電。太陽能電池板的效率幾乎相同，所以決定太陽能發電廠總發電量的最大因素是電池板的總面積。眾所周知，球體的表面積是其直徑的平方，體積是其直徑的立方。因此，當細胞變得越來越大時，單位體積的表面積就會越來越小，導致細胞餓死。因此，原核細胞非常小，平均體積是真核細胞的15000倍。除了

，原核細胞的基因組也很小，最大的細菌基因組只有1200萬個鹼基對(ATGC)，包括大約5000個基因。相比之下，人類細胞的基因組有30億個鹼基對，包含20，000多個基因。目前，已知最大的真核細胞基因組包含超過100億個鹼基對，至少有數萬個基因換句話說，

的三磷酸腺苷生產模式決定了原核細胞無法克服能量供應的短缺，導致原核細胞的結構一直很簡單，即使進化了20億年也不複雜這一困難最終被真核細胞以一種非常聰明的方式克服了，即線粒體。

線粒體

線粒體是真核細胞中的微細胞器，專門為真核細胞產生三磷酸腺苷在這個生產過程中仍然需要跨膜電位差，因此線粒體產生的能量也與線粒體內膜的總面積成正比。然而，因為每個細胞包含數百個線粒體，並且線粒體的內膜也充滿褶皺，這大大增加了內膜的總面積，並且比僅依靠細胞膜產生能量的原核生物產生更多的能量。

據統計，人體所有細胞線粒體內膜的總表面積約為14000平方米，大致相當於四個足球場的大小！

英國生物化學家尼克·萊恩在他劃時代的著作《重要問題:為什麼生命如此？《關鍵問題:為什麼生活是這樣的？)指出，真核細胞和原核細胞之間最本質的區別是前者擺脫了能量的限制，導致平均每個基因能接收的能量超過1200倍。這些額外的能量大部分用於蛋白質合成，所以真核細胞的內部結構比原核細胞豐富得多，這使得進化複雜的多細胞生物成為可能，包括我們人類。

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那麼如此重要的線粒體是如何進化的？科學家以前嘗試過許多解釋，大多基於經典的達爾文漸進變化理論。然而，瑪格麗絲提出了一個大膽的假設，線粒體的前身是一個被大細菌吞噬的小細菌。兩者具有內共生現象，小細菌逐漸進化成線粒體，為大細菌的宿主提供能量。

瑪格麗絲的假設遭到了學術界的嘲笑，但越來越多的證據表明她是對的。例如，前面提到的美國生物化學家比爾·馬丁提出了氫假說，它完善了許多細節。馬丁認為第一個真核細胞是由吞噬細菌的古細菌產生的。古細菌靠氫生存，它吞食的細菌可以產生氫，為宿主提供最需要的營養。所以雙方共存。美國生物學家瑪格麗絲，她是著名天文學家卡爾·薩根的第一任妻子像

這樣的東西非常罕見。在原核細胞誕生後的20億年裡，它們只出現過兩次。線粒體第一次產生，導致真核細胞的誕生。葉綠體是第二次產生的，這開啟了大規模光合作用的序幕。線粒體和葉綠體的起源曾經是經典達爾文主義者的噩夢，但如果它們被視為兩個偶然的共生事件，它們的出現很容易解釋。

生命起源示意圖

既然生命有線粒體，每一個後續的變化都可以用經典的達爾文主義來解釋讓我們根據達爾文的進化論做一些簡單的推理，看看兩種細菌共存時會發生什麼。

首先，被吞食細菌的DNA將大量丟失，其片段將隨機整合到宿主的基因組中。一方面，細菌經常以這種方式與其他細菌交換DNA，這在生物學術語中被稱為「水平基因轉移」。另一方面，這樣做可以節約能源。你認為一個細胞包含數百個線粒體，這些線粒體需要不斷更新。如果每次更新都必須複製整個基因組，那就太浪費了。最好讓宿主細胞統一負責，這樣效率會高得多。

其次，細菌基因片段的整合過程是隨機發生的，這導致宿主基因組被這些曾經困擾遺傳學家的內含子小片段所裂解。這個概念有點過於複雜，難以解釋。感興趣的讀者可以找任何一本遺傳學教科書來讀。不想麻煩的朋友只需要明白一件事:真核生物的基因組實際上是一團亂麻，幾乎每個基因都不完整，幾個無用的基因片段被插入其中。只有從這一點上，我們才能知道生活不能由上帝來設計。如果是的話，這個上帝太不整潔了。

內含子的存在造成了嚴重的後果，即當真正的核基因被轉錄成信使核糖核酸時，內含子片段必須被切除，然後才能被送到核糖體(核糖體，蛋白質合成機器)成為蛋白質合成的模板這個切除過程需要非常精細的控制，所以速度比核糖核酸轉錄過程慢得多。如果你不小心，你會把未完成的半成品送到核糖體合成許多無用的蛋白質。所以宿主細胞進化出一個細胞核，切割信使核糖核酸的過程在細胞核中進行，與核膜外的核糖體分離。這就是真核細胞這個名字的由來。換句話說，真核生物進化出細胞核的原因不是為了保護基因組，而是為了保護細胞質中的核糖體，避免使它們變得無用。然而，一旦細胞核進化，真核細胞的基因組就會受到間接保護。然而，性是這之後不可避免的結果。

04

終於說到點子上了。然而，請相信這篇文章用這麼多篇幅講述發生在性之前的故事是因為這些故事很有用。

在描述真核生物的性起源之前，讓我們先看看原核生物是如何繁殖的。

原核生物的基因組不像真核生物那樣分成幾條線性染色體，而是一個完整的環狀閉環。戒指上的基因並沒有老實地留在原處，而是一直在進行上面提到的「水平基因轉移」，也就是說，每個基因可以在不同的細胞之間自由流動。原核生物依靠這種方法來增加基因多樣性。例如，

:單個大腸桿菌的基因組僅包含約4000個基因，但整個大腸桿菌群體包含超過18000個基因。任何大腸桿菌都可以從18，000個基因庫中任意選擇它需要的基因，這大大增加了大腸桿菌的基因多樣性，使該物種能夠通過改變不同的基因組合來應對各種環境變化。

讓我們換一種方式來說:如果你從野生環境中提取兩種大腸桿菌菌株並研究它們的基因組，你會發現只有一半的基因是相同的。相比之下，不同人類個體之間的基因相似性超過99%，人類實在太單調了！

細菌由於其遺傳多樣性已經存活了40億年。

原核細胞和真核細胞

內部結構的比較然而，細菌的「水平基因轉移」並不是真正意義上的性別，因為基因轉移大多是單向的，一方只接受，另一方只支付，而且通常一次只轉移一個基因。與真核生物的性別不同，雙方分別交換一半的基因組，這是真正的有性生殖

造成這種差異有兩個原因:第一，真核細胞的細胞核限制了基因的水平自由流動，「水平基因轉移」不能正常進行其次，真核生物的基因組比原核生物的大得多。一次只轉移一個基因是不夠的。所有的基因都必須交換。

在這裡寫道，有必要補充一個大多數非專業人士不太注意的小細節，即性並不像雙方交換一半基因組那麼簡單。在有性細胞減數分裂之前，同源基因重組應該在來自父親和母親的成對染色體中預先發生，並且雙方應該在有性細胞產生之前隨機交換它們相應的基因片段，然後與另一半配對。

減數分裂圖

這件事意義重大想像一下，有人進化出一種特別優秀的基因，這種基因可以帶來巨大的進化優勢，因此這種基因很快在整個人群中傳播，所有沒有攜帶這種基因的人都會死亡。如果沒有基因重組，那麼這個優秀基因所在的染色體上的所有基因都會被光染色，並很快擴散到整個群體，其中肯定會有一些不太優秀的基因混合在一起。隨著時間的推移，將會有越來越多的「搭便車」基因，這肯定會對人口不利。減數分裂前的

基因重組相當於把那些搭便車的基因從公共汽車上弄下來，測試它們獨自生存的能力。換句話說，基因重組允許基因組中的所有基因流動。每個基因都有機會單獨經受自然選擇的考驗。只有這樣，人口才能繼續進步。

簡而言之，真核生物需要性的主要原因是保持基因組健康和防止搭便車。第二個原因是增加匹配不同基因的可能性，以應對可能的惡劣環境。事實上，許多原始真核生物經常在條件好的時候無性繁殖，但是當條件不太好的時候，它們就變成有性繁殖。這就是原因。

05

看這裡，也許有些讀者會說，性似乎並不複雜！事實的確如此。有一點生物學基礎的人很容易理解性的起源。然後，讓我們討論一個稍微複雜一點的話題:為什麼兩性都應該存在？

想像一下，如果一個物種只有一個性別，任何兩個個體都可以交配和繁殖，這樣不僅可以獲得上面提到的好處，還可以避免由兩個性別帶來的壞處，比如每個個體找到配偶的概率會翻倍，雄性不再需要為配偶而爭鬥，那就太好了！

事實上，如果僅僅從數學的角度來看，性別是最糟糕的性別方式單性，甚至三性和四性都比兩性的繁殖更有效，但是為什麼大自然選擇兩性呢？原因必須在線粒體中找到。這項

的研究表明，最初被古細菌吞噬的細菌至少有1500個基因，這些基因很快被整合到宿主的基因組中。這些基因編碼的大多數蛋白質是線粒體組裝所必需的，但這項工作已移交給宿主細胞統一完成，從而大大提高了工作效率。然而，

中有一小塊DNA保留在線粒體中，沒有丟失，因為這一塊DNA包含13個與三磷酸腺苷合成相關的重要基因，並負責編碼13個關鍵蛋白我們應該知道三磷酸腺苷的合成是一個相當微妙的過程，其機制甚至與量子效應有關。線粒體必須實時調控三磷酸腺苷合成酶的幾個關鍵位點，因此編碼這些位點的基因必須保留在線粒體中，便於線粒體隨時調用。

人類線粒體基因組示意圖

這一事件導致了一個相當嚴重的後果，即在真核細胞中出現了兩個完全獨立的基因組儘管線粒體基因組僅包含13個編碼蛋白質的基因，但線粒體基因組的質量要求比核基因組更嚴格，因為能量供應對細胞健康極其重要，而這幾乎是不可能的。

更麻煩，這13個基因單獨不能發揮線粒體的作用，因為與構成線粒體的大多數蛋白質相對應的基因已經轉移到核基因組中，所以這兩個獨立的基因組必須完全匹配，這導致一系列可預測的結果。

最容易想到的是，線粒體基因也必須「流動」以消除搭便車現象然而，線粒體基因組的遺傳模式與核基因組的遺傳模式非常不同。讓基因通過基因重組流動是不可能的。如果兩個人格細胞的線粒體在結合後混合在一起，結果將和搭便車沒什麼不同。因此，真核生物進化出一種獨特的性行為，即在兩個性細胞結合後，它們從一邊殺死所有線粒體，只讓另一邊的線粒體單獨存活。這有效地防止了搭便車，提高了線粒體基因組的質量。

隨著時間的推移，真核生物的性細胞進化出了兩種完全不同的性策略。一方有自己的線粒體，另一方根本沒有任何貢獻。性別差異就是這樣產生的。

必須指出，儘管自然界中最常見的性別區別是男性和女性，但許多物種已經採取了其他的性策略，如隨時交換男性和女性，或多性別共存等。研究表明，這些性別模式都與線粒體的突變率有關。突變率越高，就越有必要停止搭便車，讓線粒體接受自然選擇的考驗。因此，那些採取其他性策略的物種大多是線粒體突變率相對較低的簡單物種，所有較高的物種都是性別模式。

線粒體的高突變率也導致了一個令每個人心碎的問題，即衰老和死亡。是的，衰老和死亡也與線粒體有關，這兩者都是真核生物所獨有的。

06

過去，許多人認為衰老是由物理定律決定的，是不可避免的。然而，事實證明這種說法是錯誤的。生命永遠不會衰老，就像原核生物一樣。只要外部條件合適，原核細胞可以永遠分裂而不老化或死亡。

值得一提的是，儘管細菌不會衰老，但它們已經學會了自殺，這是細菌對付噬菌體的一種手段。噬菌體是細菌的病毒。它們沒有繁殖自己的能力。他們只能依靠活細菌來繁殖自己。細菌沒有免疫系統，不能殺死它們，所以一旦細菌被噬菌體感染，它只能立即自殺，以防止自己成為噬菌體的滋生地，從而保護它的鄰居。

讀者可能會覺得這個解釋有點牽強，所以請記住，目前海洋中的噬菌體比細菌多兩個數量級！沒有理由認為20億年前地球的海洋會有什麼不同，所以細菌的生存環境實際上是相當殘酷的，迫使細菌進化出這種看似誇張但卻是必要的自衛手段

接著說，幾乎所有的真核生物都在老化。為什麼？瑞安教授認為，根本原因在於核基因組和線粒體基因組之間的錯配。如前所述，為了使三磷酸腺苷合成順利進行，兩套基因組必須完全匹配。只要兩者之間有輕微的不匹配，三磷酸腺苷的生產效率就會直線下降，從而發生老化。然而，這兩組基因組是相互獨立的，錯配遲早會發生，因此衰老和死亡是不可避免的。差異只是時間問題。

瑞安教授引用了許多例子來證明他的假設。例如，像水螅和海綿這樣的簡單動物衰老得非常慢，因為它們的新陳代謝水平很低，對線粒體的需求很小，所以線粒體的突變率很低，而且兩個基因組之間不匹配的可能性也很小。

海綿是一種低級水生生物，分化程度低，結構簡單，幾乎無流動性。例如，體積越大，溫血動物的壽命就越長。這是因為大型動物不需要消耗大量能量來維持體溫，所以它們的線粒體活性和突變率較低。然而，鳥類的壽命比同等體積的老鼠長10倍。這是因為飛行需要大量的能量，所以飛行動物對線粒體質量有極高的要求，導致鳥類從一開始就具有高質量的線粒體。大多數鳥類對配偶極其挑剔，而且雌性產卵數量如此之少的原因是為了消除質量差的線粒體。

同樣，蝙蝠的壽命是哺乳動物老鼠的10倍，它們的體重相似，因為蝙蝠依賴飛行，與鳥類有著同樣的需求

據統計，40%的人類懷孕以流產告終。這些墮胎大多發生在懷孕的早期階段，許多孕婦自己並不知道。Ryan認為這種流產的主要原因是受精卵和線粒體的基因組不匹配。孕婦必須儘快停止流失。

換句話說，長壽的代價是低生育力，而大自然依靠這種方法來維持生態平衡。

說到抗衰老，社會上有一種說法，衰老是由自由基引起的。然而，許多臨床試驗已經證明，服用抗氧化藥物(消除自由基)不僅不能延緩衰老，甚至可能加速衰老。這是怎麼回事？

瑞安教授認為，答案仍然與線粒體有關。事實證明，線粒體質量下降的標誌是自由基洩漏，這在多細胞生物中很常見。結果，多細胞生物進化出了一套清除機制。一旦細胞中的線粒體洩漏過多的自由基，細胞將立即啟動「凋亡」程序並自殺如果該計劃由於某種原因未能按時啟動，大量亞健康的所謂「衰老細胞」將聚集在體內，引發炎症反應甚至癌症。這些都是衰老的跡象和結果。

換句話說，細胞自發產生的自由基正是衰老的警報信號。如果你服用大量的抗氧化藥物，就相當於關閉了這個警告信號，結果是可以預測的。

有趣的是，這種「凋亡」程序的許多細節與上述細菌自殺非常相似。幾乎可以肯定，它是由細菌的自殺功能進化而來的，這從另一個角度證明了線粒體的前身是細菌。

在這裡寫道，必須指出的是，儘管體育鍛鍊增加了身體的能量需求，但對健康有益。研究表明，運動時線粒體的自由基洩漏量低於安靜時，表明此時線粒體具有較高的工作效率，這是一個良好的信號。

紐結

隨著高等動物運動越來越多，線粒體突變率越來越高。眾所周知，人類線粒體基因組的突變率已經達到核基因組的10-50倍，因此人類線粒體發生不良突變的可能性變得非常大。

從長遠來看，人類物種會滅絕嗎？

你不必擔心，因為人類和其他高等動物一樣，早就進化出了一種解決辦法，那就是，女人一出生就冷凍她們的卵子，以防止它們再次分裂，從而降低線粒體變異的可能性。

有了這一保證，其他細胞可以成為它們想要的任何東西，只要它足以保證人們能夠長壽到足以繁衍後代。瑞安將這一現象命名為「不朽的種系，凡人的身體」生活的意義不是讓你的身體永遠不變老，而是讓你的基因永遠延續下去。所以自然選擇根本不關心老化，它只關心繁殖。所有與生殖相關的功能都進化得越來越好，但是當涉及到衰老時，它們進化得很慢。

對人類來說也不例外，所以我預測這篇關於性的文章將比另外兩篇文章獲得更多的點擊量。

事實上，人類的壽命已經夠長了我們是少數幾個在失去生育能力後還能存活很長時間的物種，因為我們的祖先進化出了強大的長跑能力，並以這種獨特的技能統治了非洲。長跑的能力表明，人類線粒體的質量非常好，人類的壽命比其他靈長類動物長得多。

事實上，正是因為我們的祖先壽命很長，他們才有足夠的時間去學習前人留下的知識和經驗，並最終進化出非凡的智慧，賦予我們的生活全新的意義。