自然界大多數(shù)動物都通過性來進(jìn)行繁殖，但有一個特例——蛭態(tài)輪蟲。它們已經(jīng)“禁欲”數(shù)千萬年，但仍然頑強(qiáng)地存活著，并包含了豐富的遺傳多樣性。研究蛭態(tài)輪蟲，或許可以告訴我們：性，為什么如此重要？
撰文 | 埃米莉·辛格（Emily Singer）
翻譯 | 洪藝瑞
審校 | 吳非
如果要從所有動物身上，總結(jié)出在自然界中長期生存的法寶，那毫無疑問，就一個字：性。自然界據(jù)估計有約800萬種動物，除了極少部分喪失了交配能力的物種，其余的動物都是通過性進(jìn)行繁殖的?！拔阌怪靡?，性非常重要。如果你沒有性，那你就將走向滅絕?！泵绹槠澔魻柡Ｑ笊飳W(xué)實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家戴維·馬克·韋爾奇（David Mark Welch）表示。
然而，盡管性是動物繁殖的主要方式，科學(xué)家卻一直不知道這種現(xiàn)象存在的原因。據(jù)馬克·韋爾奇估計，研究者至少已經(jīng)提出了50~60種不同的假說，其中一些假說甚至已經(jīng)被爭論了超過一個世紀(jì)。
要解釋有性繁殖廣泛存在的原因，對特例進(jìn)行研究或許是一種可行的思路。其中一個特例就是蛭態(tài)輪蟲。約1億~4千萬年前，這種微小的生物從進(jìn)行有性繁殖的祖先中分離出來，形成了獨(dú)立的一支，并且至今仍然保持著“禁欲”生活。
在充滿性欲的動物世界里，蛭態(tài)輪蟲是一個“幸存者”。它不僅始終保持著“貞潔”，而且還能夠忍耐各種極端環(huán)境。在接受輻射測試的所有動物中，蛭態(tài)輪蟲對輻射的耐受性最強(qiáng)。并且，它們能夠在任何濕潤的表面上存活，無論是樹干上潮濕的苔蘚，還是即將干涸的小水池。在沒有水的時候，它們就會將自己完全脫水，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到一滴水將它們再次喚醒。
最近，一項(xiàng)關(guān)于蛭態(tài)輪蟲基因組的研究指出，無性繁殖可以模仿有性繁殖中DNA的交換過程，并且無性繁殖在這方面可能更高效。事實(shí)上，這項(xiàng)研究說明了蛭態(tài)輪蟲非常擅于創(chuàng)造基因?qū)用娴亩鄻有?，以至于一些研究者現(xiàn)在開始考慮重新定義“性”。有些學(xué)者認(rèn)為，遺傳物質(zhì)交換這一過程對于“性”可能不是必要的。另一些人則認(rèn)為，即使不改變對性的現(xiàn)有定義，蛭態(tài)輪蟲產(chǎn)生遺傳多樣性的獨(dú)特方法，仍然可以幫助我們揭示有性繁殖廣泛存在的原因。馬克·韋爾奇從上世紀(jì)80年代就開始研究蛭態(tài)輪蟲，他表示：“如果我們能夠知道蛭態(tài)輪蟲是如何產(chǎn)生豐富的遺傳多樣性的，我們就可以明白為什么性很重要?！?/span>
性的意義
從本質(zhì)上來說，性就是DNA的交換過程。而DNA交換的核心，在于減數(shù)分裂。細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂時，來自父親和母親的染色體之間會隨機(jī)交換片段，產(chǎn)生重組的染色體。這些染色體傳遞給子代細(xì)胞后，子代細(xì)胞就會擁有和父母都不同的基因組。
進(jìn)行染色體交換的好處顯而易見。一個世紀(jì)前，德國生物學(xué)家奧古斯特·魏斯曼（August Weismann）提出，這有利于增加生物多樣性，從而讓生物群體更好地應(yīng)對外界環(huán)境的變化。
但從演化的角度來看，性也存在著明顯的弊端。首先，有性繁殖的生物只能將基因組中一半的基因傳遞給子代，剩下的一半則無人繼承，這完全違背了生物“自私”的本性。其次，染色體重組會打亂原有的DNA序列，這或許會破壞基因的功能。而且，找到合適的伴侶并不是一件容易的事情，這需要耗費(fèi)大量的時間和精力，更不用說伴侶身上可能攜帶著各種病原體了。
這也是演化學(xué)家感到迷惑的地方，既然有性繁殖存在如此多的弊端，為什么大多數(shù)動物仍然選擇了有性繁殖呢？“在數(shù)百年的探索后，我們?nèi)匀徊恢佬詾槭裁慈绱酥匾?，”馬克·韋爾奇表示，“矛盾之處在于，雖然從長期來看，有性繁殖更加有利，但是無性繁殖具有明顯的短期優(yōu)勢——這些動物為什么沒有選擇無性繁殖呢？”
蛭態(tài)輪蟲（視頻來源：AkiraFlickr）
在生物學(xué)家提出的所有假說當(dāng)中，魏斯曼的假說仍然處于主導(dǎo)地位。自從該假說被提出以來，許多理論生物學(xué)家都設(shè)想過不同的機(jī)制來解釋該假說。例如，如果一些動物能夠耐受高溫，另一些動物對特定的毒素具有抗性，那么性也許可以將這兩種重要的適應(yīng)性演化統(tǒng)一起來。#p#分頁標(biāo)題#e#
另一個被稱為紅皇后（Red Queen）的假說，有時被認(rèn)為是魏斯曼假說的變體。它指出，性也許可以幫助動物抵御致病菌的侵染。因?yàn)橛行苑敝晨梢援a(chǎn)生大量不同的基因組，從而迅速演化出對病原體具有抗性的物種。
20世紀(jì)60年代遺傳學(xué)家赫爾曼·穆勒（Hermann Muller）曾提出了一個被稱為“穆勒的棘輪”（Muller’s ratchet）的假說。該假說認(rèn)為在有性繁殖中，染色體重組能夠消除基因組中的錯誤。而在無性繁殖中，突變基因只能在后代中不斷地累積，直至這個物種最終滅絕。該假說的名字也很好地反映了這一特點(diǎn)，因?yàn)榧喼荒芟蛞粋€方向運(yùn)行，沒有回頭的余地。
盡管每一種假說都有相應(yīng)的支持證據(jù)，但是研究人員卻很難直接證明它們。蛭態(tài)輪蟲則為科學(xué)家提供了新思路?！袄斫怛螒B(tài)輪蟲如何通過無性繁殖存活上千萬年，有助于我們理解為什么性如此重要?！币獯罄鷳B(tài)系統(tǒng)研究所的生物學(xué)家迭戈·豐塔內(nèi)特（Diego Fontaneto）表示。
亂七八糟的染色體
早在1696年，蛭態(tài)輪蟲就已經(jīng)活躍在科學(xué)家的顯微鏡下。但直到如今，也沒有人發(fā)現(xiàn)過雄性的蛭態(tài)輪蟲。事實(shí)上，在將近200年的時間里，蛭態(tài)輪蟲一直無人問津，直到生物學(xué)家開始研究動物的無性繁殖。
但僅僅是雄性蛭態(tài)輪蟲的缺失，還無法確切地證明蛭態(tài)輪蟲進(jìn)行的是無性繁殖。此前，也有一些生物被認(rèn)為進(jìn)行無性繁殖。但后來發(fā)現(xiàn)，它們在少數(shù)情況下也能進(jìn)行交配，并且這往往是由壓力所引發(fā)的。
20世紀(jì)80年代，哈佛大學(xué)著名的生物學(xué)家馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）表示，或許能夠通過蛭態(tài)輪蟲的基因組來判斷它是否進(jìn)行無性繁殖。這是因?yàn)檫M(jìn)行有性繁殖的生物，在減數(shù)分裂時兩條同源染色體之間會配對并重組。在長期的演化過程中，這種信息上的交換，會導(dǎo)致其兩條同源染色體上往往具有同一個等位基因。但對于無性繁殖的生物來說，由于沒有重組的過程，因此兩條同源染色體上的基因應(yīng)該完全保持獨(dú)立。
就在2000年人類基因組計劃草圖完成的同時，梅塞爾森和他的學(xué)生馬克·韋爾奇共同發(fā)表了他們關(guān)于蛭態(tài)輪蟲基因組的第一批研究成果。他們發(fā)現(xiàn)蛭態(tài)輪蟲的同源染色體上往往具有兩個完全不同的等位基因。
隨著對蛭態(tài)輪蟲的進(jìn)一步研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更多有趣的現(xiàn)象。人類每個基因有2個拷貝，但蛭態(tài)輪蟲卻有4個！于是，研究人員猜測，在蛭態(tài)輪蟲的演化歷史上，或許曾經(jīng)發(fā)生過基因組的復(fù)制，這讓它們多出了一套染色體。
這些“多余”的染色體有什么功能嗎？研究人員決定對蛭態(tài)輪蟲的整個基因組進(jìn)行研究。2009年，包括馬克·韋爾奇和比利時那慕爾大學(xué)的生物學(xué)家卡里寧·范多尼克（Karine Van Doninck）在內(nèi)的一個研究團(tuán)隊(duì)，在資金支持下正式開始了這項(xiàng)工作，而他們的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)超他們的想象。
在蛭態(tài)輪蟲的基因組中，充滿了大量的外來基因。將近10%的蛭態(tài)輪蟲基因都來自除動物外的其他生物，例如真菌、植物和細(xì)菌。這個比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他動物中外來基因的占比。從這個角度來看，蛭態(tài)輪蟲更像細(xì)菌：依靠一種被稱為基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，細(xì)菌可以頻繁地將外來基因整合到自身的基因組中。
而且，蛭態(tài)輪蟲的染色體組成十分混亂。大量的染色體片段四處移動，并插入到另一條染色體中，這讓蛭態(tài)輪蟲的染色體看起來就像一套胡亂拼接的拼圖?！拔覀儧]有想過，它們會擁有如此高度重組的染色體，”艾奧瓦大學(xué)的演化生物學(xué)家約翰·洛格斯登（John Logsdon，未參與研究）表示，“這十分不同尋常。”
大自然有時也會隨機(jī)重排染色體，但是有性繁殖中染色體配對的過程，讓這些不幸被重排的個體無法繁殖下一代，從而避免了大量重排染色體的累積。例如，如果從母親中遺傳來的染色體結(jié)構(gòu)為A-B-C，從父親處遺傳來的染色體結(jié)構(gòu)為A-C-B，那么這兩條染色體就無法進(jìn)行配對，也就無法正常地進(jìn)行減數(shù)分裂。一些雜交的品種，例如馬騾，也是因?yàn)橄嗤脑虿荒苌厚R騾中來自母馬的染色體和來自公驢的染色體不能正常配對。
蛭態(tài)輪蟲的全基因組序列直接證明了蛭態(tài)輪蟲進(jìn)行無性繁殖，因?yàn)閾碛腥绱嘶靵y的染色體，沒有任何生物能夠進(jìn)行正常的減數(shù)分裂。
蛭態(tài)輪蟲基因組中的大量外來基因以及DNA重排結(jié)構(gòu)，或許能夠解釋為什么它們能在無性繁殖的條件下，仍然保持高度的遺傳多樣性。#p#分頁標(biāo)題#e#“無性繁殖的生物可以通過一些策略來回避無性繁殖的缺陷?！眮喞Ｄ谴髮W(xué)的演化遺傳學(xué)家比爾·伯基（Bill Birky，未參與蛭態(tài)輪蟲測序項(xiàng)目）表示。通過整合外來基因，蛭態(tài)輪蟲或許可以獲得一些新的能力，例如分解一些毒素。而復(fù)制及替換染色體片段或許有利于積累有利突變、消除有害突變。這直接駁斥了“穆勒的棘輪”這一假說。
的確，蛭態(tài)輪蟲可能采取了與細(xì)菌相同的演化策略。與蛭態(tài)輪蟲相同，細(xì)菌也進(jìn)行無性繁殖。并且，無處不在的細(xì)菌表明它們是演化過程中的大贏家?！澳切难莼嵌妊芯啃缘闹匾缘目茖W(xué)家往往容易忽視的一個事實(shí)是，進(jìn)行無性繁殖的細(xì)菌成功存活了上百萬年?！眰惗卮髮W(xué)學(xué)院的生物學(xué)家讓-弗朗索瓦·弗洛（Jean-Fran?ois Flot，未參與蛭態(tài)輪蟲基因組項(xiàng)目）表示。
而且蛭態(tài)輪蟲多出的一套染色體，可能也對其遺傳多樣性有所貢獻(xiàn)。這套染色體提供了新的遺傳材料，或許它們還可以承擔(dān)一些新功能，讓蛭態(tài)輪蟲更好地應(yīng)對高度變化的環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，豐塔內(nèi)特表示。
但并不是每個人都確信蛭態(tài)輪蟲進(jìn)行無性繁殖?！皩ξ襾碚f，這并不是板上釘釘?shù)氖?，”洛格斯登表示，“雖然蛭態(tài)輪蟲的基因組很奇怪，但是我們能說，這與無性繁殖之間有直接關(guān)聯(lián)嗎？”盡管很難想象擁有這樣的基因組，蛭態(tài)輪蟲如何進(jìn)行減數(shù)分裂，但是它們或許擁有“某些不同尋常的染色體配對和分離的機(jī)制”，洛格斯登表示。
性的新定義
截至目前，蛭態(tài)輪蟲的基因組表明，它們通過產(chǎn)生高度的遺傳多樣性，已經(jīng)成功存活了上千萬年。但還沒有人能夠直接證明這一點(diǎn)，我們甚至不能證明，這種多樣性是否足以與有性繁殖產(chǎn)生的多樣性相匹敵?！斑@又回到了我們一直詢問理論生物學(xué)家的問題——多少性才足夠？”馬克·韋爾奇說。換句話說，無性繁殖的生物的DNA要達(dá)到何種程度的重組，才能夠達(dá)到與有性生殖相當(dāng)?shù)男Ч恳卮疬@個問題，科學(xué)家需要測量蛭態(tài)輪蟲的遺傳多樣性，并將其與有性繁殖的生物的遺傳多樣性相比。
目前，科學(xué)家還沒有足夠的數(shù)據(jù)，來判斷關(guān)于性的假說中，哪一個更加正確。或許這幾種假說都對蛭態(tài)輪蟲的長期存活有所貢獻(xiàn)?！白尷碚撋飳W(xué)家沮喪的是，可能很多假說都是對的，”馬克·韋爾奇說，“但沒有辦法，從生物學(xué)的角度來說，目前還沒有理由去駁斥這些假說。”
比性的重要性更有趣的一個問題或許是，為什么在眾多無性繁殖的生物中，只有蛭態(tài)輪蟲成功了。范多尼克目前正在探究這是否與蛭態(tài)輪蟲的超強(qiáng)抗旱性有關(guān)。當(dāng)蛭態(tài)輪蟲脫水時，它的基因組會分解為小片段；當(dāng)再次處于水環(huán)境中時，這些小片段又會重新組裝成完整的基因組。這種神奇的DNA修復(fù)機(jī)制或許可以解釋為什么蛭態(tài)輪蟲的基因組中含有大量的外來基因和重組結(jié)構(gòu)，這也能讓蛭態(tài)輪蟲在無性條件下，高效產(chǎn)生豐富的遺傳多樣性。通過把蛭態(tài)輪蟲置于輻射和干燥條件下，并觀察其基因組的重組，研究人員希望能夠揭曉這一問題的答案。
更早的研究表明，蛭態(tài)輪蟲還可能從同一物種的其他生物體處竊取DNA。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@模擬了有性繁殖的過程。“如果在同一物種的不同個體間存在遺傳信息的交換，那么從某種程度上來說，它們也算是存在交配的過程。”范多尼克說。而且，這并不需要減數(shù)分裂。但是范多尼克認(rèn)為，擴(kuò)展性的概念是需要時間的。或許，性可以被定義為同一物種不同個體間遺傳信息的交換。而蛭態(tài)輪蟲則是更新性的定義的關(guān)鍵。