从宇宙到为什么要有性？霍金推荐的这本书里有万物起源的答案

念小秋

我们为什么会在这里？我们是从哪里来的？黑洞是怎样形成的？我们为什么要有性？眼睛是怎么看到光的？人的一生有多少个朋友？……令人困惑的问题太多了，而你想知道的几乎一切事情的开端，而这本书里都有权威、有趣、酷炫的解答。

《万物起源》，英国《新科学家》杂志 著，张卜天 译，博集天卷·凤凰阿歇特｜湖南科学技术出版社
史蒂芬·霍金给这本书写导言：


它告诉了我们黑洞是怎样形成的：

人的一生有多少个朋友？

眼睛是怎么看到光的？

我们为什么要有性？


我们为什么要有性？（除了很明显的原因）

鸟类、蜜蜂和跳蚤都有性,植物、真菌和变形虫也是如此。性似乎无处不在。但如果从生物学的角度来看,它只是少数物种的追求。生命在地球上出现后的头20亿年,性并不存在。即使是现在,主宰地球的生物——细菌和古生菌——依然是无性生殖。
因此,性的起源有点神秘。如果说性的起源难以理解,那性的功能就更令人困惑了。
乍一看这似乎有些可笑。可以肯定的是,性有一个明显的功能:它可以造成变异,为演化提供原材料。遗传信息的排列重组有助于物 种适应自然环境,促进有益基因在种群中的传播,消除有害基因。但这种常识性的观点有很大问题。首先,性是非常低效的。相比而言,克隆自己的效率要高得多。比起性,克隆能产生更多后代, 这意味着无性生殖的物种能凭借生产更多的后代来争夺相同的资源,从而迅速推动有性物种的灭绝。
不仅如此,每一个无性生殖的物种都有一套能够适应环境的基因组合。而性则创造出新的、未经检验的、可能较为低劣的基因组合。事实上,性所导致的重新组合往往会破坏而非产生有利的基因组合。
当然,长期来看,比如在千百万年的时间里,性是一个优势。无性的物种最终会积累无法消除的突变,导致该物种灭绝。但演化并不像那样起作用。它事先没有计划,它所关心的只是此时此地。
考验和磨难并未到此为止。有性生殖的物种必须找到配偶,击退竞争对手,还要冒着染上性传播疾病的风险。
最后,如果性的好处那么突出,为什么细菌和真核生物都会至少在某些时候进行有性生殖?所有这些疑问都使性成为生物学中最让人头疼的问题之 一。
多年以来,这个问题的最佳答案是“红皇后假说”,它是“性意味着变异”这种观点的一个微妙的变体。它设想寄生者与其宿主之间在进行 一场军备竞赛。寄生者的传代时间是如此之短, 以至于能够淘汰宿主。通过使基因与每一代产生新的混合,性至少能使一些个体存活下来。它之所以被命名为“红皇后”,是因为就像《镜中世界》里的爱丽丝一样,我们只有不停地奔跑,才能待在原地不动。
不幸的是,这个假说并没有解决问题。只有当寄生者的基因传递非常迅速、效果非常显著时, 寄生者才会赐予性以决定性的优势。在正常情况下,无性生殖仍然占据优势。
近年来,一种新的解释开始引起关注。它主要基于一项发现,即所有真核生物都是(或至少过去是)有性生殖(虽然有大量物种是无性生殖, 但它们演化出孤雌生殖是最近的事情)。逻辑结论是,性很早就在真核生物的谱系中,在大约 20 亿年前所有真核生物的共同祖先那里演化出来了。
除了性,将所有真核生物联合在一起的另一点是它们都拥有为细胞供应能量的线粒体。新的解释声称这绝非巧合:线粒体使性的演化变得不可避免。为什么会这样?关键是线粒体有自己的基因组。这是在真核生物演化之初被吞 噬的完整细菌基因组的残余。我们知道,随着二者的共同演化,大部分基因被转移到宿主的基因组中。共生体也用寄生的跳跃基因 轰击宿主。
爱战胜了一切
换句话说,线粒体的出现释放了一次动荡的遗传分裂。在这么高的突变压力下,平衡被打破, 有性生殖变得比无性生殖更有利。任何演化出线粒体的早期真核生物都会淘汰其无性生殖的竞争对手。
线粒体也能解释为什么性在今天仍然有优势。线粒体基因组可以编码重要的基因,但却不能对自己的基因做任何事情。例如,它依赖于核基因组来合成蛋白质和复制其 DNA。因此,细胞的两个基因组的密切合作对于细胞的功能至关重要, 特别是在生产能量这项关键任务中。
这种合作是性所保证的。由于线粒体基因组的突变率比核基因组的高(在哺乳动物中大约高10倍),两个基因组之间的一致性渐渐被瓦解了。我们和我们的线粒体日益疏远,虽然这是线粒体之过,但受苦的却是我们。性通过产生更符合线粒体需求的新的核基因组合来解决这种不和谐。
这就是为什么要有性。但性是如何发生的,我们仍然知之甚少。最简单的真核生物变形虫的有性生殖是通过把基因组分成两半,然后把自身一分为二,每一部分包含一半基因组;随后,这些半变形虫再彼此结合, 形成新的个体。第一次有性生殖也许是这样发生的。
以上叙述虽然粗略,但有性生殖大体上就是这样。性仅仅意味着把一个基因组分成两半,使 它与来自他者的另一个半基因组相结合,产生一个新的完整的基因组。人和其他大多数动物是通过两性交配使其半基因组与另一个半基因组相结合而做到这一点的。
谁说浪漫已死?
小知识：纠缠的三角恋
从人类的视角来看,有性生殖是一对一的事情:既有男性,又有女性,才能生出孩子。 其他许多动物和植物也是如此,但这绝非普遍适用。一些蠕虫、海绵动物、软体动物和植物是雌雄同体,这意味着任何个体都可以与另一个个体或它自身进行交配。人们发现,有一类蚂蚁有三种性别——蚁后和两种雄蚁。蚁后与一种雄蚁交配生出工蚁,与另一种雄蚁交配生出蚁后。所以整个蚁群是三种性别的产物。