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21億年前,生物選擇了性,從此不得永生

獨家記憶 2021/07/13
 

草原上動物的生存之道,是大自然的生存法則,我們都會驚嘆於大自然,慶幸自己看到了真實的動物世界,和我一起走進自然,看動物的野蠻生長 文/獨家記憶

 

有人問:既然人和猴子都不能長生不老,進化還有什麼意義?也有人問:地球生命已經進化38億年,人類也有200多萬年的歷史,為什麼還是沒有進化出永生能力?這代表了大眾對進化和死亡存在的普遍誤解。

很多人以為死亡是生命的宿命,但事實上,永生才是生命的本來屬性,而死亡是進化的產物。

最長壽的多細胞生物:北極蛤

長生不老的生物

絕大多數生命體的壽命都有極限,人最多活120多歲,東部箱龜可以活到138歲,巨紫球海膽和阿留申平鮋可超過200歲,格陵蘭睡鯊能活到400歲,北極蛤的壽命極限是507歲。

生物的衰老和 海弗利克極限有關。海弗利克的實驗證實了 體外培養的人體細胞至多只能分裂50-70次,之後就會停止分裂,並衰老和死亡。現在我們知道,海弗利克極限是由端粒長度決定的。

端粒是真核生物染色體末端一段不編碼任何蛋白質的DNA序列,細胞每次分裂都會丟失一小段端粒。 等到端粒長度小於臨界長度,細胞就停止分裂,生命體也就走向衰老和死亡。

端粒長度隨著細胞分裂的次數增多而縮短

唯有癌細胞能突破海弗利克極限。因為癌細胞內高活性的端粒酶能填補因細胞分裂而丟失的端粒。然而,由於癌細胞不能分化成組織器官參與機體建設,它的無限增值還會奪取正常細胞所需的養料,因此 癌細胞的永生是以生物體的迅速死亡為代價的

在理想生長條件下,對稱分裂的細菌和酵母能實現生物學上的永生。它們以二分裂方式繁殖,每次分裂都會使細胞重回年輕狀態。由於每個子細胞都與親代完全相同,它們都可以視為是親代生命的延續。如果環境適宜,它們的分裂將一直持續下去。

高等生物求之不得的長生不老,低等的細菌和酵母卻可以輕易實現。這告訴我們一個秘密: 原始生命本來是能夠永生的,但它們卻放棄了永生能力,進化出了衰老和死亡。

生命何時放棄了永生?

在高等生物的有性生殖中,父母產生子女需經過基因重組,子女無法再延續父母的生命。因此, 從生命選擇有性生殖的那一刻起,就失去了永生能力。最早的有性生殖化石證據發現于巴芬島的岩層中,可追溯至10-12億年前。然而,科學家普遍認為, 有性生殖的進化和真核生物的產生是同步發生的,這一時間點大約在距今21億年前。

最早的有性生殖證據是一種名叫Bangiomorpha pubescens的紅藻,發現于加拿大巴芬島

除了失去永生能力以外,有性生殖的其他弊端也是顯而易見的。無性生殖中任何一個個體都可以繁衍後代,而 有性生殖中只有一半個體能繁殖,這大大降低了繁殖速度。而且在有性生殖中, 生物只能將自身的一半基因傳遞給後代,這似乎與基因延續的目的相悖。

這兩個「一半」,就構成了有性生殖的「兩倍成本」,然而,有性生殖的代價不止這兩倍成本。 生物的性需要浪費大量的時間和能量,這些浪費對生存和繁殖本身毫無益處,反而還會帶來麻煩,如招來天敵的捕獵。然而,有性生殖能在當今生物界中佔據主導地位,證明它所帶來的適應性優勢遠遠超過了成本。

雄虎和雌虎正在交配

有性生殖的一個明顯優勢是阻止有害突變的積累。經過父母雙親的基因重組,在基因水準上提供了 兩種容錯機制:一是在減數分裂產生配子的過程中, 同源染色體要經過配對和複製,受損傷的基因得以修復;二是在合子形成之後,雙方的有害突變彼此掩蓋,優勢得以互補,這就是我們說的 雜種優勢

有性生殖在基因延續上的優勢,具體地表現在以下三個方面。一是將兩個有益突變結合在一個個體身上,使 有益性狀更廣泛地傳播。二是將兩個有害突變聚集在一起,將 有害基因更快地從種群中剔除。三是 通過基因重組,創造出比以往存在的基因型更加適應環境的新個體

雄孔雀開屏與性選擇有關

有性生殖不可避免地涉及到 性選擇,即多個雄性爭奪一個雌性。最終的結果是:優勢雄性三妻四妾,留下更多後代, 優勢基因得到更廣泛的傳播;而劣勢雄性很少或根本得不到交配機會, 劣勢基因在種群中減少乃至消失這是在無性的種群中所不存在的強大進化動力。

「生命誠可貴,愛情價更高」。20億年前的原始生命似乎做出了匈牙利大詩人裴多菲詩句中的選擇。然而,這裡面有個細思極恐的事實—— 進化的本質在於基因的延續,而生命體不過是個容器罷了。對自私的基因來說,在複雜多變的環境中,時不時更換新容器,要比長期使用同一種容器,更有利於它們的傳播和延續。

雄獅茂盛的鬃毛是健康、有活力的指標

真核生物為什麼選擇了性?

要想知道真核生物為什麼放棄永生而選擇有性生殖,必須先搞清楚在真核生物產生之際,即距今20多億年前,地球環境是什麼樣子的,正在經歷哪些變化。

從原始生命最初產生的距今38億年前開始,前後持續了14億年,地球環境沒有太大變化。古細菌和真細菌不斷分裂,在淺海中無憂無慮地生活著。

然而,到距今24億年前,藍藻產生的氧氣開始在大氣中聚集,這就是「 大氧化事件」,對厭氧的原始生命來說,氧氣是有劇毒的。同時,氧氣消耗掉大氣中的溫室氣體甲烷,使地球在幾萬年間下降了70℃,整個地球被凍住,這就是 休倫冰期

大氧化事件的遺產:巨大的鐵礦床

對分裂生殖的古細菌來說,進化的唯一動力是基因突變,況且突變還多是有害的。它們因無法適應如此劇變的環境而紛紛死亡。我們今天只能在海底火山噴口等極端環境下,才能看到古細菌的蹤跡。 到頭來,永生成了永滅。

有一支古細菌活了下來,它們發展出了 基因重組機制,每一代的性狀都各不相同,總有個體能適應複雜多變的新環境。它們的後代有個響亮的名字,叫做 真核生物,這種新的繁殖方式就是 有性生殖。今天所有的動物、植物和真菌都是這些原始真核生物的後代。

雌性水母排出卵子,為基因重組做準備

長遠來看,有性生殖是生命延續和發揚光大的唯一機會。儘管有性生殖的生物註定無法永生,但它們的後代卻可以活得更久、更精彩。經過20億多年的進化大戰,裂殖的細菌還是老樣子,有性生殖的真核生物卻以極具多樣化的形態佔領地球的各大生態位,還演化出了我們人類這樣的高智慧生物,成為地球的統治者。

細菌和癌細胞在生物學上是永生的,但它們永生的前提條件是環境一直不變、一直適宜——這個前提在瞬息萬變的地球上是不可能成立的。在現實環境中,細菌的一個細胞系能活幾年就不錯了,終免不了全軍覆沒的命運。

海拉細胞的免疫螢光圖

海拉細胞系(取自一名婦女的宮頸癌細胞)已經存活68年了,但這是在實驗室培養的理想條件下,現實中癌細胞的壽命不會超過宿主,它在解決宿主後自己也就走到頭了。因此, 在生物學上永生的生物,在現實中活得更短,這是個相當諷刺的事實。

衰老和死亡是如何進化的?

通過上面的分析,我們得知生命進化的本質在於基因延續,我們這個容器只要將基因傳遞給後代,就算完成了任務。然而,活著是生命的固有屬性,我們的永生雖稱不上對基因延續有利,但也絕稱不上有害,為什麼會進化出衰老和死亡呢?

有人說,只有個體生命衰老並死亡,才能給種群新生力量的發展騰出空間,有利於整個種群的繁榮。這話貌似很有道理,但並沒有從科學上揭示衰老和死亡產生的本質。

印度海德拉邦的老人

1951年,彼得·梅達瓦爾提出了 衰老的突變積累理論。他指出, 自然選擇的作用隨著個體年齡的增長而下降當有害突變在生命早期表達的時候,由於會對個體產生的後代數量產生重大影響, 自然選擇的作用非常強烈,能很快將這些有害突變剔除。

然而, 有些有害突變是在生命晚期表達的,尤其是在個體繁殖停止之後,自然選擇根本不起作用,因為這些有害突變 早就在不知不覺中傳遞給後代了。隨著時間流逝, 這些在晚期表達的有害突變會因遺傳漂變而積累起來,最終導致生命體的衰老和死亡

例如,亨廷頓氏病可致患者癡呆,罹患各種併發症並最終死亡,危害極大。而且它是一種常染色體顯性遺傳病,能代代遺傳並表達。但這個病仍然得以流傳至今,因為它多在30歲以後發病,患者早就在30歲之前的生育中把致病基因傳遞給子代了。

​「選擇陰影」模型

為了更好地表達突變積累理論,梅達瓦爾繪製了 「選擇陰影」模型。個體生育力在剛成年的時候達到高峰,之後保持不變或下降。而由於內部(疾病)和外部(意外和天敵捕食)的種種生存壓力,個體存活率隨著年齡增長而下降。二者加在一起的結果就是,生物到晚年繁殖幾率很低,自然選擇對這一階段表達的有害突變幾乎不起作用。 梅達瓦爾用「選擇陰影」概念表示自然選擇缺席的年齡范圍,這就是生物體的老年階段。

根據「選擇陰影」模型,通過延長生物的生育期,能提高自然選擇缺席的年齡,從而促進延緩衰老和長壽的進化。在自然界,會飛的動物由於天敵較少,生育期也較長,因此有利於長壽的進化。動物學家發現,蝙蝠的壽命可達30多年,而體型、代謝率均相似的老鼠壽命卻只有幾年,這一事實證明瞭突變積累理論的合理性。

果蝠壽命可達35歲

然而,生物在晚年的繁殖幾率一定低於青壯年,自然選擇的陰影必然存在,在陰影區表達的有害基因也將持續傳遞給後代,使生物世世代代都逃脫不了死亡的宿命。

因此, 任何有性生殖的物種都不可能通過自然進化實現永生。未來要想實現「凍齡」或者長生不老,有賴於人類超越自然的技術。

我會欣賞人類的善良,也喜歡可愛的毛茸茸的動物。有些事情,不是我們覺得心疼,它就不存在。物競天擇適者生存,歡迎來到:趣味動物世界

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