问题

为什么大多数生物是两性的?

回答
关于“为什么大多数生物是两性的”这个问题,首先需要澄清一个重要的概念:并非大多数生物是两性的,而是有性生殖在自然界中非常普遍。 生物体的性别组成非常多样,存在单性(雌雄异体)、两性(雌雄同体)以及其他更复杂的性别决定系统。

理解这个问题,我们需要深入探讨有性生殖的优势以及它如何促进物种的繁衍和适应。以下我将详细解释这个问题,并区分“两性”和“有性生殖”:

一、 首先,我们来区分“两性”和“有性生殖”:

两性(Bisexual/Hermaphrodite): 指的是一个生物体同时拥有雄性生殖器官(产生雄配子,如精子)和雌性生殖器官(产生雌配子,如卵子)。这是指个体层面的性别组成。例如,蚯蚓、蜗牛、许多植物(如豌豆、番茄)就是典型的雌雄同体生物。
有性生殖(Sexual Reproduction): 指的是通过两个亲本(通常是雄性和雌性)的配子结合产生后代的过程。这个过程的核心是基因的重组和多样化。

所以,问题“为什么大多数生物是两性的?”更准确的说法应该是“为什么有性生殖如此普遍?而两性生殖(雌雄同体)在某些类群中也很常见。”

二、 为什么有性生殖如此普遍?—— 有性生殖的巨大优势

有性生殖之所以在自然界如此成功,主要在于其能够产生基因多样性,而基因多样性是物种适应环境变化、抵抗疾病和长期进化的关键。

1. 基因重组与多样性:
减数分裂: 在形成配子(精子和卵子)的过程中,会发生减数分裂。减数分裂的一个关键步骤是同源染色体间的交叉互换(Crossing Over)。在这个过程中,来自父母双方的染色体片段会发生交换和重组,产生新的基因组合。
独立分配: 在减数分裂过程中,同源染色体对会独立地分配到子细胞中。这意味着来自母亲的一条染色体和来自父亲的一条染色体,它们如何组合到子细胞中是随机的。
配子结合: 雄性配子(精子)和雌性配子(卵子)结合时,它们的基因会随机组合。
结果: 这些过程共同作用,使得每一个通过有性生殖产生的后代都拥有独一无二的基因组(除了同卵双生等特殊情况)。这种基因多样性就像一个庞大的基因库,为物种提供了丰富的“原材料”。

2. 适应环境变化的能力:
“红皇后假说”(Red Queen Hypothesis): 这个假说形象地说明了基因多样性的重要性。它认为,生物必须不断“奔跑”(进化)才能在与其共进化的环境中生存下去,尤其是那些会寄生或捕食它们的生物。通过产生多样化的后代,总有一些个体可能拥有对当前环境(如新的病原体、气候变化)更具抵抗力的基因组合,从而使整个物种能够得以延续。
对付病原体: 宿主与其病原体之间存在着持续的“军备竞赛”。如果一个物种的基因高度相似(如无性生殖),那么一旦出现一种能感染其中一个体的病原体,很可能就会迅速传播并消灭整个种群。而有性生殖产生的多样性,使得病原体难以同时感染所有个体,总会有一些个体能够幸存。

3. 加速进化:
有利突变的积累: 有性生殖能够将不同亲本的有益突变汇聚到同一个后代身上,从而加速有利性状的出现和固定。无性生殖则只能将突变限制在产生该突变的个体及其后代中,进化速度相对较慢。
不利突变的清除: 有性生殖也能更有效地清除有害突变。当有害突变出现在一个亲本身上时,可以通过重组将其与有益基因分开,或者通过后代的选择压力将其淘汰。

4. 修复DNA损伤:
有性生殖中的同源染色体配对过程,也可能为修复DNA损伤提供机会。当一条染色体上有损伤时,可以参考另一条同源染色体上的信息进行修复。

三、 为什么两性(雌雄同体)在某些生物中也很普遍?—— 雌雄同体的优势

虽然有性生殖普遍,但雌雄同体作为一种有性生殖的模式,在某些类群中确实非常成功。其普遍性并非“大多数生物”,但其存在的合理性在于:

1. 繁殖机会最大化:
找到配偶的限制降低: 对于行动缓慢或栖息地分散的生物(如蜗牛、许多植物),找到异性进行繁殖可能是一个很大的挑战。雌雄同体的个体,无论遇到的是同性还是异性(如果它们不是严格的自花授粉或自精),都有机会参与繁殖。它们既可以作为“父亲”(提供精子),也可以作为“母亲”(提供卵子)。
“双份繁殖”: 在理想情况下,雌雄同体的个体在与另一个雌雄同体的个体交配时,双方都能交换配子,从而实现“双份繁殖”,即双方都传递了基因并获得了后代。这比单性生殖的效率更高。

2. 基因交流与多样性:
雌雄同体仍然是有性生殖的一种形式,因此同样能够通过基因重组和配子结合产生基因多样性,享受有性生殖的优势。它并非放弃了基因多样性。

3. 生存和适应:
例如,在低等植物或一些无脊椎动物中,环境条件可能不稳定,或者寻找配偶的成本很高。雌雄同体可以增加它们在不利环境下完成繁殖的概率。

四、 为什么不是“所有”生物都是两性的?—— 单性生殖(雌雄异体)的优势和演化

既然雌雄同体有诸多好处,为什么还有大量生物是雌雄异体的呢?

1. 分工与专业化:
雌雄异体允许了生殖细胞的专业化分工。雌性通常产生较大、营养物质丰富的卵子,而雄性则产生数量众多、体积小巧、移动性强的精子。这种分工提高了繁殖的效率。卵子需要为胚胎发育提供足够的营养,因此体积较大,数量相对较少。精子则需要积极地去寻找卵子,因此数量庞大且具有高度的运动能力。
雌雄同体虽然可以双向繁殖,但往往需要更复杂的生殖机制来防止近亲繁殖或高效地传递配子。而雌雄异体直接分开了两性,各自专注于产生一种配子。

2. 性选择的驱动:
性选择是进化中的一个强大驱动力,它发生在个体之间争夺繁殖机会(配偶)的过程中。在雌雄异体的物种中,性选择往往导致两性之间出现性二态性(Sexual Dimorphism),例如雄性体型更大、更华丽、具有特殊的求偶行为等,以吸引雌性或与竞争对手搏斗。这种性二态性可以带来许多优势,例如更好的觅食能力、逃避捕食者等。
在雌雄同体物种中,虽然也有争夺配偶或资源的情况,但性二态性的表现通常不如许多雌雄异体的物种那样显著。

3. 演化路径的多样性:
生命演化的路径是复杂且多样的。不同的物种在不同的环境压力和历史条件下,选择了不同的生殖策略。有些类群(如软体动物、植物)演化出了雌雄同体的机制,而另一些类群(如脊椎动物、节肢动物的大部分)则演化出了雌雄异体的机制。这并非优劣之分,而是适应不同生态位和生存策略的结果。

总结:

大多数生物并非两性,而是通过有性生殖繁衍后代。 有性生殖之所以普遍,是因为它能产生基因多样性,这是物种适应环境变化、抵抗疾病和加速进化的关键。
两性(雌雄同体)是许多生物(如软体动物、许多植物、环节动物等)的一种普遍的生殖模式,尤其在寻找配偶困难或繁殖机会受限的生物中非常有利。 它们通过同时拥有雄雌生殖器官,最大化了繁殖机会并参与基因交流。
雌雄异体之所以也普遍存在,是因为它带来了生殖细胞的专业化分工以及更强的性选择驱动力,这在某些环境下是更有效的生存和繁衍策略。

生命演化的历史是一个不断探索和优化生存策略的过程,雌雄同体和雌雄异体都只是其中成功的模式而已。

网友意见

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先问是不是。以物种数、个体数、生物量(总体重、总干重、总碳原子数)之任何一个作为标准,地球上大多数生物不是两性的。

细菌、古菌、一部分真菌、一部分SAR超类群生物等结构简单的生物没有性,自己分裂或散布孢子繁殖。它们中的一部分可以交换遗传物质,但没有配子组成合子的过程,即使勉强将接合生殖视为有性生殖,也改变不了什么。

在使用有性生殖的真核生物里,单细胞藻类和酵母菌的物种数、个体数要远远多于多细胞真核生物。它们在平时是单倍体,并通过分裂繁殖出更多单倍体,只在环境极端恶劣的情况下两两融合形成二倍体合子,在环境变得合适时再减数分裂为单倍体。它们可以说是“有性,无性别”的。

涡虫、水螅等结构较为复杂的多细胞动物仍可通过分裂、出芽等方式自行繁殖。蚂蚁、白蚁等社会性昆虫有大量经常性孤雌生殖的物种,只有雌性。棉蚜等蚜虫可周期性孤雌生殖。家蚕、一些毒蛾和枯叶蛾等偶尔也进行孤雌生殖。

有性别的物种也不是只有两个交配型,许多真菌、黏菌、纤毛虫具有几十种、上百种交配型。盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)有三个交配型,每一种都可以与其他两种交配。白色小鬼伞(Coprinellus disseminatus)有143种交配型,每一种都能与其他142种交配型交配。裂褶菌(Schizophyllum commune)有23000多种交配型。

还有很多无脊椎动物在自然条件下就有雄性、雌性、雌雄同体个体,也可以算是3性别。

在脊椎动物里,即使不算雌雄同体,鸸鹋也算得上有3种性别(性染色体ZZ、ZW、ZZW的鸸鹋均有繁殖能力),还有一些鸟类算得上有4种性别。

  • 一部分白喉带鹀的2号染色体发生了多次倒置,造成同样的基因不能成功配对,结果头上有黄色条纹的个体和头上有白色条纹的个体只能互相配对、不能和同样条纹颜色的个体产生后代,现在其种群中两类个体雌雄数量基本相同,四分天下。

现在,人类之中有一小部分是真两性畸形人[1],他们曾被学术界称为“雌雄同体”,目前为减少歧视而不这样称呼。这些人里有些具有发育良好的1个睾丸及输精管、1个卵巢及输卵管、子宫、阴道、阴茎,有些则具有1个或2个卵睾丸或曰精卵巢,一个性腺就能发挥睾丸和卵巢两种功能,自然界的腹足类动物常常全物种配备这种构造,人类的配备率目前统计约0.0012%。


将问题改成“为什么极少数生物有两种生殖细胞,而没有添加更多种类”,常见的解释是:

  • 用配子融合为合子来繁殖,源于单细胞生物的接合与细胞融合-减数分裂,可以通过重组和比对修复DNA损伤、将适合当前环境的多个基因组合到同一个体上,这事每次操作只需2个个体参与
  • 在使用配子融合的情况下,一部分个体随机地产生体型更小、数量更多的配子,对其余配子产生选择压,越大的配子越擅长和小配子结合为合子,于是逐渐地让配子特化为一大一小两种
  • 在一种配子带有线粒体而另一种配子不含线粒体的情况下,这两种配子融合为合子,可以减少线粒体畸变对后代的影响,这不需要第三种配子
  • 对繁殖速度较慢的物种来说,有性生殖可能帮助该物种对抗病原体,从而算是有利性状

这说服力其实就那么回事,反例已经被上面谈到的一些SAR超类群生物、若干种类的真菌扔到脸上了,它们的总物种数未必少于你可能觉得熟悉的脊椎动物[2]。在对抗病原体方面,人也是反例,人的基因多样性很低。

还有人会谈论“在环境适合扩张的时候通过分裂进行无性生殖、在环境有挑战的时候使用有性生殖”的多种纤毛虫·某些刺胞动物·一部分棘皮动物的优越性,并说“不知道为什么这种方法没有成为绝对主流”——这里面的基本问题是,拥有比棘皮动物更多的细胞类型和复杂的外骨骼/内骨骼的生物往往缺少足够的再生能力来分裂繁殖,循环系统还可能在身体断裂时严重故障,其幼体也过于脆弱、不适合出芽生殖。挟太山以超北海,非不为也,实不能也。

DNA复制的纠错机制跟有几个性别没什么关系,XY型性别决定在性染色体出问题的时候经常导致流产或生出不可育个体[3]

而且,对人类这个物种来说,族群内部冲突对基因频率的影响远远超过自然的选择,激烈的战争可以让一定地域内百分之九十五的男性无后。两个性别对人类很可能没有好处。

我们大可给出更简单的原因:

  • 有两种性别的动物的祖先偶然演化成这样之后,两种性别作为没有致命害处的祖传中性性状延续下来。

参考

  1. ^ 近年来,一些国家和地区为防止歧视,将真两性畸形人与假两性畸形人、性器官先天性发育不良的人等统称为间性人,单独提及时称为“真性双性人”,尽可能避免谈论他们的“发育不良、发育错误、生殖器缺陷、异常”等,强调他们的情况在生物学上是完全可以理解的,只是在统计学上不常见于人。
  2. ^ 尤其是野生哺乳动物在纪录片里被人类偏袒、经常被作为野生动物的代表,实际上已经被人类搞得濒临灭亡
  3. ^ 以人类为例,超过28周胎龄的XO妊娠99.9%不能存活,XO核型在自发性流产中占到约十五分之一,在女性新生儿中约占万分之二到万分之四;XXY综合征在男性新生儿中达到千分之一点二,97%患者不育,这“稳定性”堪称弱智;一些人类个体的体细胞里有3、4甚至5条X染色体,这些过多的X染色体会引起发育畸形和智力损害、精神异常倾向

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