问题

为什么大部分生物不能像海蛞蝓、蜗牛那样雌雄同体异体受精?

回答
你这个问题问得特别有意思,直击了生物繁殖方式多样性的核心。确实,像海蛞蝓、蜗牛这样既能产卵又能授精的雌雄同体生物(Hermaphroditic organisms)在自然界并非主流,大多数动物是分化为雄性和雌性,进行异体受精(Separate sexes with crossfertilization)。这背后的原因,我们可以从演化、生理、生态等多个维度来细细掰扯。

1. 演化上的“成本”与“收益”权衡:

雌雄同体的“成本”:
生理复杂性: 要同时具备发育良好、功能齐全的雄性和雌性生殖器官,并能自主调节生殖状态,这在生理上是一种巨大的“复杂性成本”。想想看,既要产生精子,又要产生卵子,还要有相应的输卵管、输精管、储精囊、子宫等等,一套系统得顶两套。这不仅需要更多的基因来控制,也需要更精细的信号通路来协调。
能量消耗: 生产精子和卵子都需要消耗大量的能量和物质。雌雄同体生物如果同时高效地生产这两种生殖细胞,将面临巨大的能量分配挑战。是优先发展雄性功能(产精子)还是雌性功能(产卵)?这就像一家公司同时做两个大项目,资源可能捉襟见肘。
自花授精(Selffertilization)的风险: 许多雌雄同体生物能够进行自体受精,也就是用自己的精子为自己的卵子授精。理论上,这似乎是一种高效的繁殖方式,因为不需要寻找配偶。但从长远来看,这会降低遗传多样性。如果亲代个体携带对环境不利的隐性基因,这些基因就更容易在后代中纯合表达,导致后代更容易受到不利环境因素的影响而灭绝。演化偏爱那些能保持足够遗传变异以适应不断变化环境的物种。
配偶选择的限制(虽然听起来矛盾): 虽然雌雄同体可以在遇到任何同类时都有机会繁殖,但如果一对雌雄同体个体相遇,谁来充当“雄性”谁来充当“雌性”?虽然它们能互授精子(异体受精),但在某些情况下,充当“雄性”的角色(消耗能量产生精子并传递)可能比充当“雌性”的角色(消耗能量产生卵子并孕育)在能量上更“昂贵”。因此,在某些雌雄同体物种中,会演化出一些机制来“选择”扮演的角色,比如根据个体大小、健康状况等。这又增加了一层生理和行为的复杂性。

雌雄同体的“收益”:
繁殖机会的增加: 任何两个同种个体相遇,都有可能发生繁殖,大大增加了繁殖机会,尤其是在种群密度较低或者移动性不强的环境中。想象一下,一只蜗牛遇到另一只蜗牛,无论遇到的是“雄性”还是“雌性”,它都能完成繁殖,这在生殖效率上是无可比拟的。
适应低密度环境: 这是雌雄同体最显著的优势之一。当种群稀疏时,要找到一个特定性别的配偶可能非常困难。雌雄同体则解决了这个问题,因为任何一个个体都可以充当配偶。

为什么大多数没有演化出雌雄同体?

演化是一个权衡的过程,在大多数情况下,分化出性别(雄性和雌性)并进行异体受精的策略,相比于雌雄同体,在长期和普遍的演化压力下,可能提供了更优的“成本/收益”比。

2. 分化性别的优势:

专业化与效率: 将生殖功能分化为雄性和雌性,可以实现高度的专业化。
雄性: 专注于产生大量、轻便、易于移动的精子,其核心任务是“寻找和传递基因”。这使得雄性在追求和竞争配偶方面可以演化出更具活力的生理和行为特征(如更强的运动能力、更鲜艳的羽毛、更具吸引力的鸣叫等)。
雌性: 专注于产生体积大、营养丰富的卵子,以及提供受精卵发育的环境(如子宫、蛋、育儿袋等)。其核心任务是“孕育和抚养后代”。这使得雌性在资源获取、营养储备、以及对后代的照顾方面可以演化出更精细的策略。
这种专业化,在整体上可能比雌雄同体同时兼顾两者更有效率。 就像一家工厂,与其生产多种产品,不如专注于生产少数几种高效产品。

更强的基因重组和适应性: 异体受精(尤其是来自不同个体的精子和卵子)意味着基因重组的范围更广,后代获得了更丰富的基因组合。这为物种适应不断变化的环境提供了更强的“原材料”。虽然雌雄同体也可以异体受精,但如果一个物种长期演化倾向于更剧烈的性别分化,那么基因交流的“动力”和“质量”可能也会有所不同。

避免过度竞争,减少“性冲突”: 在某些情况下,雌雄同体也可能引发“性冲突”,即个体在扮演雄性或雌性角色时,利益可能不一致。例如,一个同时拥有雌雄生殖器官的个体,可能更倾向于接受其他个体的精子(充当雌性),而不是消耗能量提供自己的精子(充当雄性),因为孕育后代通常比产生精子“成本”更大,收益也更直接。分化性别可以更明确地分配生殖角色,减少这种潜在的“内部消耗”。

3. 生态位与生活史策略:

生境与移动性:
低移动性、固着生活或穴居生物: 像蜗牛、海蛞蝓、蚯蚓等,它们的移动性相对较差,或者生活在相对封闭的环境中。在这样的生境下,遇到同类的机会相对稳定,即使种群密度不是非常高,找到配偶的概率也比那些在广阔海洋或陆地上活动的动物要高。在这种情况下,雌雄同体带来的“繁殖机会增加”的优势就更为显著。
高移动性、分散生活的生物: 像大多数鱼类、哺乳动物、鸟类等,它们分布广泛,移动性强。在这样的生境下,严格的性别分化反而更具优势,因为这驱动了雄性去积极寻找和争夺雌性,从而在更广阔的空间内实现基因的有效传播。

繁殖策略:
对后代投资的差异: 大多数动物中,雌性在后代发育上的投资(卵子、孕育、哺乳等)远大于雄性。这种差异驱动了雄性去竞争,而雌性则相对“被动”地选择配偶。这种“性选择”机制,有助于演化出更适应特定环境的后代。
资源的有效分配: 将繁殖成本分摊到两个性别的个体上,而不是让一个生物体承担所有成本,这可能是更有效率的资源分配方式。

4. 遗传机制与繁殖系统:

基因的“协同进化”: 雄性生殖器官和雌性生殖器官,以及控制精子和卵子发育的基因,在性别分化的生物中,往往是协同进化的。它们相互依赖,共同演化出最适合异体受精的模式。而雌雄同体需要一套基因同时协调两种生殖系统,这可能在遗传调控上存在更高的门槛。

生殖隔离的演化: 性别分化也可能在物种形成过程中扮演重要角色,通过行为、生理等机制,促进了不同种群之间的生殖隔离,最终形成新的物种。

总结一下:

大部分生物没有演化出雌雄同体异体受精,是因为分化性别、异体受精的繁殖策略,在大多数情况下,能以更低的生理和演化成本,提供更高的繁殖效率、更强的基因适应性以及更有效的资源分配,尤其是在高移动性、分散生活的生物种群中。

当然,这并不是说雌雄同体是“差”的策略。在特定的生态位和生活史条件下,比如低密度、低移动性的环境中,雌雄同体是极其成功的繁殖方式,正如我们看到的蜗牛和海蛞蝓。它们在演化长河中找到了适合自己的道路,这本身就是生物多样性迷人的体现。

就好比,世界上有汽车、火车、飞机,它们各有优势,适应不同的出行需求,不存在绝对的“更好”,只有“更适合”。雌雄同体和性别分化,正是生物为了适应不同生存环境而演化出的两种截然不同的、同样成功的“出行方式”。

网友意见

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可以归因于演化。你可以考虑“某个时刻,一种动物全是雌雄同体、异体受精”会怎么发展:

  • 传代过程中,一部分个体的若干基因和/或相关的增强子会偶然地丢失或损坏,其中一些变异会导致个体有一套生殖系统没正常发育或压根没长出来;
  • 若“残缺”个体剩下的一套生殖系统可用,它们能够和这物种的雌雄同体个体配合产生后代,且至少有一部分后代会继承“残缺”的性状;
  • 这样的“残缺”个体,可能因少了一套生殖系统而节约食物、长得更健壮并简化内分泌调节,可能将更多的材料与能量投入剩下的一套生殖系统、产生更多生殖细胞,这有概率导致其求偶能力增强、一次产生的后代数量更多、繁殖期延长等情况;
  • 于是,“残缺”个体和雌雄同体个体配合产生的可育后代的数量,有概率超过雌雄同体个体之间配合所产生的,种群中这样的“残缺”个体的占比可能会徐徐增加;
  • 缺少一套生殖系统的“残缺”个体可以和缺少另一套生殖系统的“残缺”个体配合产生后代,二者都能借助上面谈过的机制在种群中徐徐增加。随着时间流逝,这两种个体的占比更是可以左脚踩右脚地堆起来;
  • 这样一来,种群从雌雄同体变为“大部分是雌雄异体”也就不奇怪了。

不过,题目的表达是不准确的。

以数量看,大部分地球生物是病毒,大部分细胞生物是细菌,它们的结构还没有复杂到分雌雄、搞受精的地步。

以生物量看,大部分地球生物是维管植物,维管植物里以活细胞计算年平均生物量最大的可能是玉米,这是个雌雄同体、既能异体受精又能自体受精的物种。

只在动物范围内讨论的话,按数量,大部分动物是线虫,那可是有一大批雌雄同体、异体受精和自体受精都行的家伙。按生物量,拥有大部分动物生物量的节肢动物确实以雌雄异体为主,但这范围已经变得如此之小,“共同祖先在演化过程中像上面谈过的那样简化了结构”即可。

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