動物也會單性生殖

動物也會單性生殖
剛孵化出的科莫多巨蜥正在印尼的科莫多國家公園里爬樹。科莫多巨蜥是少數可以單性生殖的脊椎動物。
圖源:STEFANO UNTERTHINER, NAT GEO IMAGE COLLECTION

撰文:CORRYN WETZEL

  絕大多數動物都需要交配才能繁殖,但有那么一小群“異類”卻能不經過交配,就做到這一點。

  這個過程被稱為單性生殖,從蜜蜂到響尾蛇都能進行所謂的“孤雌生殖”。

  這種情況會讓動物飼養員倍感震驚。例如,一只名叫“利奧妮”(Leonie)的豹紋鯊與另外三只雌性鯊魚一起生活在澳大利亞的珊瑚礁水族館;2016年,利奧妮孵化出了三條小鯊魚,震驚了飼養員。

  幾年前,在路易斯維爾動物園,網紋蟒蛇“塞爾瑪”(Thelma)產下6個蛋并孵化成了健康的小蛇,然而它身邊并沒有雄性蟒蛇。2016年,在英國切斯特動物園,同樣的事情也發生在科莫多巨蜥“弗羅拉”(Flora)身上,令飼養員困惑不已。

  單性生殖(parthenogenesis)來自兩個希臘詞根,字面意思是“處女生產”。

背后的原理

  有性繁殖包含兩個組成部分:卵細胞和精子細胞。雙方各提供一半必須的遺傳信息,創造生物體。但在單性生殖過程中,身體找到了一種特別的方式,填補通常由精子提供的基因空缺。

  卵巢通過減數分裂產生卵子;這是一個復雜的過程,細胞復制、重組、分離。這些卵子中只包含了母體一半的染色體,每條染色體只有單個副本。(這些被稱為單倍體細胞,有兩個染色體副本的細胞被稱為二倍體細胞。)

  減數分裂過程中,還會產生副產品,一種小型細胞:極體,不同于受精卵。自體受精是單性生殖的一種形式,動物可以把極體和卵子結合起來,孕育后代。科學家已經在鯊魚身上記錄到了這一過程,稍微重組母體的基因,誕下與母體相似的后代,但不等于完全克隆。

  在另一種單性生殖形式:無融合生殖中,生殖細胞通過有絲分裂進行復制,即細胞復制產生兩個二倍體細胞,有點像基因復制粘貼。由于這些細胞沒有經過會導致基因混亂的減數分裂,所以這樣產生的后代是親本的克隆體,基因完全相同。這種形式的單性生殖在植物中更常見。

  對于大多數選擇第一種方式繁殖的生物來說,通過自體受精,后代通常會從母體獲得兩條X染色體。兩條X染色體是基本的與性別有關的基因庫,只能孕育出雌性后代。

  但少數情況下,蚜蟲等動物也會產生與母體基因相同的雄性后代,不過缺少第二個X染色體。這些雄性通常具有生殖能力,但因為只能產生帶有X染色體的精子,所有后代將會是雌性。

大大小小的生物

  幾百萬年里,動物通過單性生殖繁衍生息,這種方式最初出現在最小、最簡單的生物體身上。科學家認為,對于脊椎動物這樣更高級的動物而言,無性繁殖是它們在不利情況下,所做的最后努力。這或許解釋了為什么很多沙漠物種和島嶼物種會進行單性生殖。

  大多數通過單性生殖繁衍生息的動物是小型無脊椎動物,比如蜂類、黃蜂、螞蟻和蚜蟲;它們可以在有性繁殖和無性繁殖之間切換。

  科學家在80多種脊椎動物身上也觀察到了單性生殖現象,其中約半數是魚或蜥蜴,而在鯊魚、蛇和大型蜥蜴等復雜的脊椎動物中,則很罕見。這也就是為什么文章開頭提到的利奧妮和其他動物讓科學家倍感困惑。

  由于很難追蹤野生動物單性生殖的頻率,很多“第一次”無性繁殖的動物都生活在人類飼養的環境中。對于脊椎動物來說,無論是野生還是圈養,這種“單性生殖”都屬于異常條件引發的罕見現象。

  目前還沒有發現哺乳動物以這種方式繁殖,因為與較簡單的生物體不同,哺乳動物依靠的是基因組印記過程:這就像分子印記,會標記出哪些基因來自母體,哪些來自父體。在人類這樣的哺乳動物身上,某些基因的開啟或關閉取決于父母。如果只有一個親本,那么一些基因可能無法完全激活,后代無法生育。

  然而,科學家已經在實驗室里完成了誘導多種哺乳動物單性生殖,包括兔子。

獨自生存策略

  在一些非常罕見的情況下,動物僅通過單性生殖進行繁殖。沙原鞭尾蜥就是其中之一,它們全都是雌性。

  在某些昆蟲、蠑螈和扁蟲身上,精子的存在會觸發單性生殖:精子細胞進入卵子,但后來退化,只留下母體染色體。在這種情況下,精子只起到了刺激卵子發育的作用,沒有參與遺傳。

  無性繁殖能力可以讓動物不用花費精力尋找配偶,直接把基因傳給下一代,從而幫助物種在惡劣的環境中延續下去。如果科莫多巨蜥來到一個不適合生活的島嶼,它就會通過單性生殖,獨自繁衍后代。

  然而由于島上的每個個體的基因相同,科莫多巨蜥母女們與基因不同的種群相比,更容易受到疾病和環境變化的影響。例如,在新墨西哥州的部分地區,一些雌性鞭尾蜥的基因特征幾乎完全相同。

(譯者:Sky 4)
 
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