这是一个相当深奥的问题,因为我们要解释它就需要解释另一个相当深奥的问题——有性生殖是什么时候出现的。因为在有性生殖出现之前,是不存在卵子的概念的,所以在知道有性生殖存在的原理后才能展开后续的解释。
有性生殖出现的其实很早
相对于有性生殖是自然就是无性生殖了,也就是直接向自然界中散播自己的克隆体,例如孢子生殖、分裂生殖、出芽生殖和孤雌生殖等。这些生殖方式现在依然在很多结构相对原始的生命中广泛存在着。大型动物中除了封闭海岛上特有的科莫多巨蜥还保留着孤雌生殖以外,没有采用无性生殖的物种。
▲在没有雄性的时候雌性可以生下自己的复制体
这会给人一种误会——生命是在高度复杂化后才出现的有性生殖,所有的细菌、古菌、真菌与原生生物等单细胞生物都只会无性生殖。事实上有性生殖出现的相当早且普遍,大约可以追溯到20亿年前,真核细胞刚出现不久的时候。
真核细胞是一个伟大的发明,因为相对于原核细胞(主要包含细菌与古菌),它有两个革命性突破:
第一个是体积革命。因为线粒体的加入突破了细胞呼吸的限制,所以体积可以变得更大,现在的真核细胞的体积常常是原核细胞1万倍到10万倍,正是在这样夸张的体积增长下,复杂生命才得以诞生。
第二个是交流革命。原核细胞都有厚厚的细胞壁,但是真核细胞没有。这其实是一个巨大的进步,因为细胞膜富有流动性,所以真核细胞可以实现“胞吞”,也就是通过改变细胞膜的形状让有机物进入细胞内消化吸收,是世界上最早出现的主动内部消化进食。
▲胞吞
那这和有性生殖有什么关系呢?这说起来会让人大吃一惊——可能最初的有性生殖并不像今天这般甜蜜,而是源自可怕的同类相食。
单细胞生物的“相爱相杀”
在单细胞生物的生存世界中,环境变化非常快,经常会面临食物耗尽,非常艰难的时候。于是在没有别的东西可吃的时候,这些单细胞生物就可能会吞噬自己的同类。但这里的吞噬有一点特殊,与其说是“吞噬”还不如说是“合并”,因为在食物丰富的时候这些小生命会拼命复制,所以在吞噬的时候身边的往往是自己的复制体。
▲单细胞生物吞噬猎物
细胞是通过识别细胞膜或细胞壁上的蛋白质来区分“自己”与“异己”的,那么两个DNA完全相同的单细胞生物自然也就无法区分彼此,所以它们就会直接合并成一个细胞。这样它们的染色体就会翻倍,当然细胞质也会大增加,可以有足够的物资熬过困难阶段。
当外界环境转好之后,这个“同舟共济”细胞就要结束相互扶持的阶段。特殊的细胞微管将两组DNA分开,细胞膜再从中间缢裂,它们又变成了两个独立的细胞。
▲缢裂点
现在我们再看看,会发现一个非常有趣的现象——这个过程有两大要素,一个是细胞的合并与分裂,一个是DNA的加倍与减半。这与生物的生殖现象一模一样,不同的是我们的DNA正常情况下就是2倍,只有在生产生殖细胞的减数分裂中才会变成1倍。
▲细胞分裂中的染色体分享
只要一点点改变就有大不同
现在我们可以进行一个合理的猜想,原始的细胞只需要在“同舟共济”过程中稍稍改变一下,将合并后的大细胞作为生命的主体形态,而将分开后的形态作为生殖细胞,就可以获得极大的益处,有性生殖就这样横空出世了。
那有性生殖到底有什么好处呢?两点:
首先是二倍体的DNA可以表现出纯合子与杂合子和特性,这样就可以产生很多极其复杂的组合,比如某个基因有3种型,那么单倍体就只能表达出3种性状,但是在二倍体中最多可表达出6种不同性状,这对生存是极为有利的。
▲金斑蝶翅膀的花纹,只靠4组基因产生了12种性状
其次是在减数分裂中,基因会彻底地打乱重组,这就为交流优秀基因提供了机会,优秀的基因在这些重组中就有可能聚在一起,产生更优秀的后代。
在单细胞生物中,这些单倍体生殖细胞被称为配子。它们的结合就是世界是最早的有性生殖,我们不知道它确切出现的时候,但可以肯定的是它出现的相当早,可能在20亿年前,最早的真核细胞出现没多久之后就诞生了。
▲衣藻的有性生殖(左)与无性生殖(右)
要么动,要么等
那么回到一开始的问题,第一个卵子是如何产生的呢?这是配子细胞的两个不同的发展方向,有些配子细胞长出了长长的鞭毛辅助运动,那么它们在繁殖中就比呆在原地的更占优势。另一方面,有些细胞向着携带细胞质的方向开始进化,因为那些擅长运动的配子必然比较轻,所以不动的细胞只有携带更多的“嫁妆”才能增加生存机率。于是这两种配子就向着重量化与轻量化的方向开始进化,最后成为我们所熟悉的样子,几乎没有细胞质的精子与体积远大于一般细胞的卵子。
这就是世界上第一个卵子的故事了,我是酋知鱼,一条有性生殖的鱼,欢迎关注!
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