问题

如何从专业角度解释「有性生殖」?

回答
好的,我们来深入探讨一下“有性生殖”,尝试从专业且自然的视角来解释这一生命繁衍的基石。

有性生殖:生命延续的精妙双重奏

简单来说,有性生殖是一种生物繁衍后代的方式,它的核心特征是 需要两个亲本个体,通常是性别不同的个体,通过一种叫做“配子”的特殊细胞进行结合,从而产生新的个体。 这与“无性生殖”——即单个亲本就能产生基因上与自己几乎相同的后代——形成了鲜明的对比。

那么,这种“结合”具体是如何发生的?我们得从生命最基本单位的构建说起:

1. 配子的产生:减数分裂的魔法

在有性生殖的生物体内,存在着一种高度特化的细胞分裂过程,叫做 减数分裂(Meiosis)。与我们熟悉的“有丝分裂”(Mitosis)——用于生长和修复,产生基因相同的子细胞——不同,减数分裂的目标是 产生基因多样化的、染色体数目减半的细胞。

染色体数目减半: 大多数生物体内的体细胞(Somatic cells)都拥有成对的染色体,我们称之为“二倍体”(Diploid, 2n)。这意味着它们拥有两套染色体,一套来自父亲,一套来自母亲。而减数分裂产生的配子,如精子(Sperm)和卵子(Egg),只含有一套染色体,我们称之为“单倍体”(Haploid, n)。这样做的目的是为了在精子和卵子结合时,能够恢复到正常的二倍体数目,避免子代染色体数量的异常累积。
基因重组与独立分配: 减数分裂的另一个关键之处在于它引入了 基因多样性。在减数分裂前期,同源染色体(Homologous chromosomes,即来自父本和母本的成对染色体)会发生 交叉互换(Crossing over)。这就像是两条染色体在互相“交换”一部分 DNA 片段,从而产生全新的基因组合。接着,在减数分裂过程中,这些成对的染色体(或在减数第二次分裂中,姐妹染色单体)会 独立分配(Independent assortment),这意味着来自父本和母本的染色体在进入不同的配子时,其组合方式是随机的。

正是因为减数分裂,每一个精子或卵子都承载着亲本基因独特而随机的组合,这为产生具有差异化的后代奠定了基础。

2. 受精:基因的再次融合

当一个精子成功穿过卵子的细胞膜,与卵子的细胞核融合时,就发生了 受精(Fertilization)。这个过程通常被称为“有性生殖的决定性时刻”。

恢复二倍体: 精子(n)与卵子(n)的结合,使得子代个体再次拥有成对的染色体,恢复到二倍体(2n)的数目。
基因的重组与融合: 结合在一起的染色体,不仅来自于父母双方,而且通过减数分裂中的交叉互换,已经包含了更复杂的基因组合。这就意味着,子代个体获得了来自父母双方遗传物质的全新混合,理论上,它与父母中的任何一个都不完全相同,也与其他兄弟姐妹不同。

3. 合子到个体的发育

受精卵,也称为 合子(Zygote),是新生命的第一个细胞。这个合子会通过一系列的 有丝分裂(Mitosis)进行增殖,并逐渐分化,最终发育成一个完整的、具有复杂器官系统的多细胞个体。

有性生殖的“优势”:为何生命要这样做?

从进化的视角来看,有性生殖之所以能够普遍存在并被大多数复杂生物体所采用,是因为它带来了显著的 适应性优势,主要体现在:

增强后代的遗传变异性: 这是有性生殖最核心的贡献。通过基因重组和独立分配,每一次有性生殖都会产生基因组成独特的后代。这种遗传多样性,就像是一份“保险”。在不断变化的环境中,总会有一些拥有有利基因组合的个体能够更好地生存和繁殖,从而使整个种群在面对疾病、气候变化或其他挑战时,具有更强的适应能力和生存潜力。想象一下,如果所有后代都和亲本一模一样,一旦环境发生变化,亲本无法适应,那么整个种群都可能面临灭顶之灾。
加速进化: 遗传变异是进化的原材料。有性生殖产生的巨大变异,为自然选择提供了丰富的“素材”。有利于生存和繁殖的基因变异,会通过有性生殖更快地在种群中传播,推动物种的进化。
清除有害突变: 虽然基因重组可以创造新的基因组合,但它也有助于将有害的突变从有效的基因组合中“剥离”出来,或者通过与正常等位基因的结合,使其有害效应得以掩盖。

有性生殖的“代价”:并非没有成本

当然,有性生殖并非完美无缺,它也伴随着一些“代价”:

繁殖效率较低: 相比于无性生殖,有性生殖需要寻找配偶、进行求偶行为、消耗能量和时间来产生和输送配子。而且,通常只有一部分的后代(雌性后代)能够直接产生后代(在很多物种中),而雄性个体则承担了配子生产和传递的任务,但其直接产后代的能力有限,这被称为“雄性成本”或“双重代价”。
基因稀释: 每个亲本只将其一半的基因传递给后代,这意味着亲本的基因组并没有被完整地复制到子代身上,这在某种程度上可以看作是一种“基因的稀释”。

总结

从专业角度来说,有性生殖是一种通过减数分裂产生单倍体配子,再经受精融合恢复二倍体染色体数目,最终产生基因多样化后代的高度复杂的繁衍策略。它以牺牲一定的繁殖效率为代价,换取了后代基因的高度变异性,这对于物种在不断变化的环境中的适应、生存和长期进化具有不可估量的价值。它就像是一场精妙的“基因抽奖”,每一次都可能开出独一无二的“彩票”,而正是这些“彩票”的出现,让生命得以在地球上生生不息,不断演进。

网友意见

user avatar

有性生殖的准确含义是:

一种真核细胞,在整个生命周期中经历单倍体与二倍体的两个时期,即为有性生殖[1]。

与配子是否有性别无关,更与多细胞生物成体的性别无关。

单倍体指细胞内有一套染色体。

二倍体指细胞内有两套染色体。

周期中,两个单倍体细胞融合为二倍体细胞,然后通过减数分裂重新形成两个单倍体细胞。单倍体细胞称为配子,二倍体称为合子。

这个过程中,原来的两个细胞内的同形染色体通过染色体结构上面附着的蛋白标记被两两组成配对,然后被分配到新的细胞中。这个分配过程导致遗传物质的随机组合。

例如原来一个单倍体细胞的染色体有ABCD,另一个单倍体细胞有染色体abcd。Aa相互配对,Bb相互配对,Cc相互配对,Dd相互配对,形成二倍体AaBbCcDd。

经过减数分裂,重新分配后,两个新形成的单倍体细胞内,有多种可能的分配情况:

ABCD—abcd

ABCd—abcD

ABcd—abCD

Abcd—aBCD

AbCd—aBcD

aBCD—Abcd

aBcD—AbCd

aBCd—AbcD

出现哪种情况是随机的。

每个染色体上都带有很多基因,融合和减数分裂的过程可以加快新变异出来的基因型在细胞之间传播,并使不同的基因有更多的机会组合在一起,从而在进化上产生一定优势。

控制有性生殖这种形式的基因型偶然变异出来以后,这种优势使这些基因型被保留下来。

热休克理论则认为,并不是这种基因交换的优势导致有性生殖被保留下来,基因交换的优势只是有性生殖的副产物,有性生殖起源于二倍体对恶劣环境更强的适应力:

恶劣环境导致热休克,一些周期蛋白清除受阻,导致单倍体自然加倍加倍形成了二倍体。对于单细胞生物,二倍体相对于单倍体对恶劣环境有更强的抗性,有生存优势。而对于多细胞生物,二倍体相对于更有利于基因对位修复,大多数突变都是有害突变,二倍体相对于单倍体的遗传稳定性使二倍体更有优势[2]。

但是在一般环境下由于在分裂时要多复制一套基因组而相对处于劣势。偶然由于有丝分裂相关基因的变异产生了减数分裂,可以把二倍体重新变成单倍体,相对于不能自主相互转化的单倍体和二倍体,能够减数分裂重新成为单倍体的二倍体更有优势,进一步又产生了可以合并为二倍体的单倍体配子。同时也有一些理论认为减数分裂也是一种从基因组中排除有害突变的方式[3]。


地球上大多数生物都不是有性生殖的。只有一部分真核生物中存在有性生殖这种现象。

而有性生殖的生物中大多数是单细胞的藻类和酵母,它们的种类和种群数量要远远多于多细胞真核生物。它们在平时都是单倍体,并且通过分裂繁殖出更多单倍体,只在环境极端恶劣的特殊情况下形成二倍体合子,在环境变得合适时,再减数分裂为单倍体。

这些单细胞真核生物的单倍体配子,通常是没有性别分化的。

也有少数单细胞真核生物有性别分化,例如一种酿酒酵母,通过细胞表面的多糖作为识别信号控制单倍体细胞的两两融合,从而有13种性别。

多细胞真核生物中有性生殖的种群,则通常是二倍体,单倍体配子只在生殖过程中出现,并且,多细胞真核生物的配子通常是雌雄二性分化的,也就是有较大的雌配子与几乎没有细胞质的雄配子。

(多细胞真核生物也不一定就是有性生殖的。有些多细胞藻类和真菌不存在二倍体的形式,完全依靠单倍体细胞直接分化出孢子生殖。很多不同的节肢动物独立演化出孤雌生殖,也就是雌性的未受精的卵自动加倍为双倍体从而繁殖出新的雌性后代。)


为什么多数多细胞真核生物的配子有雌雄两种呢?是先出现无性别的配子,还是先出自雌雄配子?在这里由于篇幅过长,不再展开,请参考我的之前的回答:

雌雄两种配子,即精卵分化,并不导致多细胞真核生物体的性别分化。

实际上大多数多细胞真核生物是雌雄同体的,或者在一生中会出现性别转换。例如我们看到的大多数植物都是雌雄同体的。

大多数动物也都是雌雄同体的,只不过它们通常不是我们熟悉的有发达的神经和肌肉的动物,因为发达的神经肌肉会与精巢卵巢争夺资源。

有发达的神经和肌肉的动物也不一定是固定为雌雄两种性别的,例如很多有性生殖的动物像下面这个例子中一样,精巢与卵巢在不同阶段发育,表现为性转换,包括雌性转为雄性,以及雄性转为雌性两种情况。

此外,膜翅目昆虫中有一个有趣的现象,那就是雄性个体也完全由单倍体细胞组成,未受精的卵子直接发育为短命的雄性,而受精后的二倍体受精卵发育为长寿命高智力的雌性。

在此基础上,我在既往的回答中推理出过一种特殊的形式,与雌雄两性成体的模式一样,可以支持类人生物这种程度的高耗能神经系统:

就像所有生物组织器官的发育一样,精巢和卵巢以及相应的生殖道,也分别由基因组中一组启动子控制。启动子并不直接编码蛋白质,而是启动其它基因的转录。

所有有性生殖多细胞生物生物精巢和卵巢的发育都需要启动子,并且精巢和卵巢发育中通常需要多组启动子相互合作。

但是只有一生中一个个体只发育出精巢或只发育出卵巢的种群。我们才称携带这种启动子中对精巢卵巢分化最关键的一个启动子所在的染色体为性染色体。

性别决定分为两种类型:

XY决定:携带XX两条同型染色体,发育出雌性,携带XY两条异型染色体,发育出雄性。

ZW决定:携带ZW两条异型染色体,发育出雌性,携带ZZ两条同型染色体,发育出雄性。

由于性染色体上只有最关键的一个启动子,而其它控制生殖腺发育的启动子在常染色体上,并且卵巢通常是默认类型,所以在常染色体上相关启动子损坏时,XY和ZW也会发育为雌性或者无法发育出任何有生殖功能的性腺。

此外有些种群即使存在XY或ZW性别决定,也会出现雌雄同体的个体,或者存在孵化过程中一定的环境温度才能激活性染色体上启动子,等等特殊的性别决定方式。


多细胞生物的有性生殖还伴随着一种特殊的进化现象:伴性选择。例如:

对于那些存在性转换的动物,伴性选择导致:

那些先为雄性、后为雌性的鱼类,在产卵期倾向于一夫一妻制。

那些先为雌性、后为雄性的鱼类,在产卵期倾向于一夫多妻制。

而对于一生体内只有精巢或卵巢一种生殖腺发育的生物:

产生卵子的雌性实际掌握生育权。

倾向于一夫一妻制的动物,雌雄个体通常在外貌、神经、肌肉等各方面没有明显差异。

倾向于一夫多妻制的动物,只有少数雄性可以获得交配权,导致一些不利于生存但又不足以致死的性状反而出现在雄性身上,以帮助雌性鉴别出更强壮的雄性,从而出现雌雄二型分化。


参考文献

[1] Sokal, Robert R., and F. James Rohlf. "Biometry WH Freeman and Company." San Francisco 859 (1981).

[2] Bernstein H, Byerly H C, Hopf F A, et al. Origin of sex.[J]. Journal of Theoretical Biology, 1984, 110(3):323-351.

[3] Bernstein H, Bernstein C, Michod R E. Meiosis as an Evolutionary Adaptation for DNA Repair[M]// DNA Repair. InTech, 2011.


补充一个特例,草履虫,不能定义其单倍体和二倍体。

其非常“折腾”的有性生殖过程也是由一般的单/双倍体世代交替逐渐演化来的。

图片来自 @暮可暮 非常惠 贡献

类似的话题

  • 回答
    好的,我们来深入探讨一下“有性生殖”,尝试从专业且自然的视角来解释这一生命繁衍的基石。有性生殖:生命延续的精妙双重奏简单来说,有性生殖是一种生物繁衍后代的方式,它的核心特征是 需要两个亲本个体,通常是性别不同的个体,通过一种叫做“配子”的特殊细胞进行结合,从而产生新的个体。 这与“无性生殖”——即单.............
  • 回答
    好的,咱们就来聊聊“法律推定保证期间”这个事儿。很多人可能听过,但具体是啥意思,为啥会有这么个东西,以及它怎么影响咱普通人,咱们今天就掰开了揉碎了说。什么是“法律推定保证期间”?打个最直观的比方,你买了个东西,过了一阵儿发现不行了,但商家就说“过了退换期了”,你可能觉得不公平。这时候,“法律推定保证.............
  • 回答
    避风港原则,这个词在互联网领域、法律领域,甚至在一些商业活动中,都扮演着至关重要的角色。它的核心在于,为提供信息存储、传输或链接服务的平台,在用户发布侵权内容的情况下,提供了一定的免责空间。简单来说,就是你搭建了一个“港口”,允许各种“船只”(信息)停靠,如果其中有“违禁品”(侵权内容),你作为港口.............
  • 回答
    好的,让我们来深入剖析“不作为的故意杀人罪”,并尽量以一种接地气、有血有肉的方式来呈现,让它更像是一位经验丰富的法律人士在和你娓娓道来。首先,得明确一点,“不作为的故意杀人罪”不是一个孤立的罪名,它是“故意杀人罪”的一个特定实现形式。咱们先得把“故意杀人罪”这个大框架弄明白。核心:剥夺他人生命并怀有.............
  • 回答
    城堡法则:信息时代的私人边界与主权伸张在信息爆炸、网络无处不在的今天,我们比以往任何时候都更容易接触和分享信息。然而,在这股信息洪流中,个体对自身信息拥有“控制权”的诉求也日益强烈。从这个角度审视,“城堡法则”(Castle Doctrine)这个起源于实体空间的安全原则,在信息时代焕发出了新的生命.............
  • 回答
    好的,我们来深入探讨一下“蛋壳脑袋规则”(Eggshell Skull Rule)这个在法律领域,尤其是在侵权法(Tort Law)和损害赔偿(Damages)方面非常核心且具有代表性的原则。首先,要理解“蛋壳脑袋规则”,我们需要先梳理清楚侵权法的基本框架。侵权法旨在通过法律手段,为个人或实体因他人.............
  • 回答
    “无限自卫权” 这个说法,从字面上看,确实容易让人产生误解,仿佛拥有某种不受限制的、可以随意施加暴力的权利。但如果剥开这层通俗的理解,从法律和伦理的专业视角去审视,我们会发现它更多地是一种对自卫行为的界定范围和合理性的探讨,而并非真的“无限”。核心概念的厘清:首先,我们需要明确“自卫权”在法律上的基.............
  • 回答
    “内卷化”,这个词近些年像潮水一样涌入了我们的视野,尤其是在讨论教育、职场,甚至是日常生活的方方面面时,它几乎成了绕不开的标签。从社会学的角度来看,“内卷化”并非一个新鲜的概念,它的根源可以追溯到对社会发展模式和群体行为的深刻观察。简单来说,内卷化描绘的是一种“投入增加,但产出(或者说,相对回报)却.............
  • 回答
    首先,很高兴听到你的侄子对宇宙空间有如此深刻的思考,这本身就是一种宝贵的探索精神。从专业角度解读他的猜想“重叠空间广义《相对论》”,我们可以从几个层面来展开,并且尽量用清晰、生动的方式呈现,让他感受到科学的魅力。一、 拆解猜想的核心概念他的猜想包含了两个关键部分:“重叠空间”和“广义相对论”。要理解.............
  • 回答
    东航 MU5735 客机失事,监控画面捕捉到的“机头朝下直线坠落,空中疑未解体”这一细节,对于专业人士来说,是理解事故发生过程的关键线索。我们将从空气动力学、飞机结构、飞行控制以及可能的事故原因等方面,深入剖析这一现象。一、 机头朝下直线坠落:空气动力学的极端考验 失速(Stall)或俯冲(Di.............
  • 回答
    蔡徐坤的专辑《迷》预售引发的法律风波,其核心在于“预售”这种销售模式本身在实践中可能触及的法律红线。从法律角度剖析,这不仅仅是简单的“卖东西”,而是涉及到消费者权益保护、合同法、市场监管等多个层面。首先,我们需要明确“预售”的法律性质。在我国,预售通常被视为一种特殊的销售行为,其法律基础在于合同法。.............
  • 回答
    新冠疫情何时真正画上句号,始终牵动着全球的神经。近期,有专家就此提出了四个关键条件,包括疫苗效力提升、特效药问世等。从科学防疫的视角来解读这些观点,我们能更清晰地理解当前面临的挑战以及未来的方向。首先,疫苗的有效性提升,是实现群体免疫、降低病毒传播风险的基石。我们知道,疫苗是通过模拟人体对病原体的反.............
  • 回答
    从专业角度评价《野狼Disco》是一件很有趣的事情,因为它触及了音乐产业的多个层面,从创作、制作到传播、市场反馈,都具有值得深入探讨的特质。以下是我尝试从多个专业角度对这首歌进行的详细评价:一、 音乐创作与编曲角度: 旋律与记忆点: 《野狼Disco》最直观的成功在于其极强的旋律记忆点。它采用了.............
  • 回答
    知乎吉祥物创作大赛,这可不是一个简单的“画个圈圈”的活动。它背后承载着知乎作为中文互联网知识社区的独特气质,以及用户对这个平台的感情。所以,那些能脱颖而出的优秀作品,往往不仅仅是好看,更是抓住了“知乎”的精髓。说到优秀作品,这得看是哪一届大赛了,不同时期大家的关注点和对知乎的理解可能也会有所不同。但.............
  • 回答
    重庆摔婴事件,以及类似事件的发生,往往在社会上引起轩然大波,也让我们不禁从更深层次去探究,是什么样的心理驱动力,能让一个看似柔弱的生命,做出如此令人发指的行为。从犯罪心理学的角度来剖析,我们可以从几个关键维度来解读这位年轻的母亲,及其行为背后的可能动因。首先,我们要从人格特质上进行审视。这位女孩,在.............
  • 回答
    《暮白首》这部剧,从专业的角度来看,可以说是一部优缺点都相当鲜明的作品,其质量高低并非非黑即白,而是存在着许多值得探讨的维度。剧本层面:《暮白首》的剧本在初期构建了一个相当吸引人的世界观和人物关系。它借鉴了武侠小说中常见的“门派恩怨”、“身世之谜”等元素,并巧妙地融入了权谋和爱情。开头部分,通过林敬.............
  • 回答
    《义勇军进行曲》的编曲,从专业角度审视,堪称是那个时代民族音乐创作的典范,其力量感、叙事性和感染力至今仍令人动容。这首曲子的精妙之处,体现在对器乐和人声的运用上,以及整体结构与情绪的推进上,都展现了高超的编曲智慧。首先,我们来谈谈它的核心——旋律。聂耳先生创作的旋律本身就极具生命力,它不落俗套,带着.............
  • 回答
    要从我的专业角度来证明陈平不等式,那得先弄清楚你说的“陈平不等式”具体是指哪个。因为“陈平”这个名字,在数学领域并没有一个广为人知的、以他名字命名的重要不等式,不像柯西施瓦茨、三角不等式那样家喻户晓。是不是存在一些误会?或者你说的“陈平不等式”是某个特定领域内的小众结果?如果是这样,我需要你提供更具.............
  • 回答
    乌克兰议会群殴事件在网络上引发了广泛的讨论,其中不乏对其画面“艺术性”的解读。从绘画的专业角度审视这些照片,确实能发现一些引人入胜的构图、色彩和动势,它们共同营造出一种充满戏剧性和张力的视觉效果。然而,将这些画面简单地归结为“艺术性”,或许会忽略事件本身的严肃性以及镜头背后所承载的政治现实。构图:失.............
  • 回答
    哥们,2021年考研信息学院、软院,选择人大、南大、浙大这三个学校的专硕,从就业这个角度来看,这确实是很多同学纠结的问题。我尽量给你掰扯清楚,让你心里有个谱。咱们就抛开那些套话,实实在在的说。首先,要明确一点:这三个学校的计算机专业专硕,就业这块儿都是相当不错的,无论你去哪个,拿到毕业证和学位证,找.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有