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没爸爸也可以生孩子:单性生殖奥秘(组图)

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新浪科技讯 北京时间28日消息,据国外媒体报道,这是一条名为Thelma的雌性蟒蛇,它身长达到6米,在美国路易斯维尔动物园独自生活了4年,从未与任何雄性同类接触过。然而,它产下了61枚卵,并孵出了6个健康的后代。难道它是在许多年以前与某条雄性蟒蛇交配过,然后将其精子储存起来了?

遗传学检测很快给出了答案:Thelma是世界上第一条无性生殖的网纹蟒。它所产下的卵具有长成雌性后代的所有遗传信息,无需雄性蟒蛇的精子或DNA。取代精子的是生殖细胞分裂时的副产物——极体,Thelma的卵细胞与极体结合,并最终发育成胚胎。因此,它的每个后代都具有它一半染色体的两份拷贝,换句话说,它们就是Thelma的半克隆体。

极端环境下的繁殖方式?

尽管十分奇特,但我们现在已经知道Thelma的情况并非独一无二。科学家已经发现在许多物种中都存在单性生殖现象,包括两栖类、爬行类、软骨鱼类和硬骨鱼类,甚至是鸟类。至于这种现象的背后原因,我们现在还不是很清楚。

单性生殖,又称为孤雌生殖(parthenogenesis),一开始被认为是极端情况导致的现象。在以往的记录中,这种现象只出现在人工养殖的动物中,因此人们推测是压力、隔离等原因引起。当延续血脉的其他方法都行不通的时候,或许就只剩下单性生殖这一条路了。

然而,现实情况未必如此。科学家发现,一些雌性动物即使在存在雄性的情况下,也会采用单性生殖产生后代。而且,野生条件下也会出现单性生殖,甚至这种现象可能已经存在了亿万年的时间。这种繁殖方式具有一定的优势,特别是在如今的地球上,许多物种的种群数量正急剧地下降。当然,这也引发了对有性生殖重要性的讨论。

此外,还有一个很重要的问题是,为什么脊椎动物中,包括鱼类、爬行动物和鸟类都会出现单性生殖,但包括人类在内的哺乳动物却没发现具有这种能力?事情看来并不是那么简单……

单性生殖的火鸡

或许通过常见的家养火鸡,我们可以最好地理解“单性生殖”。在19世纪初,有报告称鸡有单性生殖的现象,之后有人就开始研究火鸡中的类似现象。他们发现,这些大型家禽能产下未受精的蛋,并成功孵出后代。

不过,这些孵出来的火鸡雏鸟都是雄性的。与哺乳动物不同,在鸟类中,雄性的染色体占据主导地位。很快,人们选育出了一个单性生殖的火鸡家系,其雄性后代都发育正常,而且能成功进行繁殖。

过去15年中,出现了一系列关于家养鱼类、蛇和蜥蜴等动物单性生殖行为的报道,而且,似乎许多种鲨鱼也具有这种行为。2001年12月14日,在养在一起的三条雌性窄头双髻鲨中,有一条产下了健康的雌性后代。这三条雌性鲨鱼是在未成年时,从美国佛罗里达群岛海域捕获的。它们都没有接触过雄性鲨鱼。

据纽约州立大学石溪分校的德米安·查普曼(Demian Chapman)团队称,这三条雌性窄头双髻鲨中确实有一条进行了生育。随后的遗传学检测证实,没有雄性鲨鱼参与其中。后来科学家在其他4种鲨鱼中也发现了同样的现象。查普曼说:“看起来这是一种在许多鲨鱼中都存在的现象。”

科摩多巨蜥

2006年,科学家报告称,两条不同的科摩多巨蜥——世界上最大的蜥蜴——也出现了单性生殖的行为。这两条巨蜥圈养在不同的机构中,一条在切斯特动物园,另一条在伦敦动物园。两家动物园都位于英国。

当时,科学家推测这种巨蜥能够在有性生殖和无性生殖之间进行转换,即在没有雄性存在的极端情况下,可以生出自己的克隆后代。近年来,科学家还发现包括蟒和蚺在内的多种蛇类中,也会在没有雄性的情况下进行单性生殖。

那么问题来了,它们为什么要这么做呢?

没有雄性的生活

一个可能的解释来自野生条件下的鞭尾蜥。事实上,鞭尾蜥包含了许多物种,其中相当一部分是来自其他物种的杂交后代。这些奇特的杂交物种都是雌性,雄性已经被完全从它们的繁殖过程中踢开。每只雌性鞭尾蜥都通过无性生殖的方式产生后代。

这种性别专属的策略具有其演化优势:无论哪一只鞭尾蜥落单了,它都可以延续自己的基因,而那些需要依赖雄性才能繁殖的鞭尾蜥则逐渐消亡。这是一种非常特别的单性生殖,只出现于没有雄性存在的情况下。那些被困在孤岛上的雌性鞭尾蜥,逐渐转变了生物学特征,以进行单性生殖。

科学家认为,网纹蟒Thelma可能也是出于类似的原因才进行单性生殖。它生活在宽敞的笼舍中,食物充足,温度适宜,具有在生物学上转变成单性生殖的良好条件。对于其他蛇类、科莫多巨蜥和鲨鱼来说,情况很可能也是如此。

不过,这种观点也存在问题。通常,无性生殖是有一定代价的——本质上这是同系繁殖的终极形式,无法创造出遗传多样性。因此,自体克隆的动物在应对疾病和其他威胁时非常脆弱,它们缺乏遗传多样性来克服威胁 。基于这个原因,在单性生殖的科摩多巨蜥出现之后,科学家建议,不应该把这种濒危的蜥蜴隔离起来。他们担心如果科摩多巨蜥开始单性生殖,其遗传多样性将逐渐减少。

当然,在环境中没有雄性的极端条件下,单性生殖也是很合理的选择。

野生环境中的单性生殖

在野生环境下,一些脊椎动物也会出现单性生殖的现象。2012年,科学家发现一些蝮蛇在野生条件下会经常出现单性生殖的现象。

塔尔萨大学的沃伦·布斯(Warren Booth)及其同事采集了59窝蝮蛇(包括两个物种)的蛋,并分析了这些蛋的“DNA指纹”。他们发现,其中两窝蛋是来自单性生殖的产物,更确切说是兼性单性生殖(facultative parthenogenesis)。

因此,人工养殖条件下的压力因素可能并不是引发单性生殖的原因。而且,野生环境中的雄性蝮蛇数量很大,雌性并不是因为没有选择才进行单性生殖。

“我们过去称兼性单性生殖是演化中的新奇事物,但它并不像人们想象的那么新奇,”沃伦·布斯说,“我们现在所做的这些生殖生物学工作令人称奇,从周围的动物身上,我们还可以学到许多有关繁殖模式的新知识。”

古老的繁殖方式

沃伦·布斯推测,单性生殖实际可能是一种非常古老的脊椎动物繁殖方式。最擅长这种行为的动物,如蟒和蚺,也是最古老的一些蛇类。较晚出现的物种,如眼镜蛇等,在单性生殖中只能产下1到2条后代,而且经常无法存活。

或许在这些古老蛇类生存的年代,可能是亿万年前,它们的数量如此稀少,或者很难找到异性配偶,因此只能采用单性生殖的方式。不过化石记录无法告诉我们有关的信息。

事实上,要弄清楚有多少野生动物能以这种方式进行繁殖也异常困难。想要了解野生鱼类是否能进行单性生殖几乎不可能。对鲨鱼而言,唯一的方法是获取雌性鲨鱼及其后代的DNA,检测差异的百分比。由于许多鲨鱼物种处于濒危状态,这样的研究很难进行。

于是难题依然存在着。为什么在无性生殖具有如此多缺点的情况下,还要进行单性生殖?特别是在雄性个体充足的野生环境中?而且,即使单性生殖是一种古老的演化产物,那为什么至今还仍然存在?

健康的后代

有一个答案或许就存在于这些问题之中。哈佛大学演化生物学家詹姆斯·汉肯(James Hanken)指出,如果无性生殖真的这么不好,那它就不应该存在如此长的时间。因此,尽管遗传多样性很重要,但并不是全部。那些由单性生殖产生的后代本身就支持了这一点。

相比两性繁殖的后代,由单性生殖而来的幼鲨具有的遗传多样性更少,但它们同样健康,“没有任何有害的隐性基因,”德米安·查普曼说道。

美国佐治亚州立大学的戈登·苏莱特(Gordon Schuett)是首位记录蛇类中兼性单性生殖的科学家,据他介绍,雌性之所以决定单独繁殖后代,可能是因为有性生殖活动消耗巨大。雌性需要忍受雄性之间的竞争和打斗,而找到理想配偶有时也很困难。

另外一种观点认为,演化之外的某些东西在起作用。单性生殖可能是被一些外部因素所引发。如荷尔蒙,或者荷尔蒙失衡?或者甚至是致病体,如病毒或寄生虫的作用?有一种黄蜂,当被某种细菌感染时,就会出现无性生殖的行为。沃伦·布斯支持这种观点,他说:“我们在鸟类、蛇类和鲨鱼中都发现了这种行为,它们似乎是各自进行演化的,因此有其他什么因素在驱动着。”

戈登·苏莱特则没有那么肯定,他很难相信导致如此众多的物种出现同样行为的因素只有一个。不过,沃伦·布斯正致力于对多种生物,包括科摩多巨蜥、蟒、蚺和许多保存在实验室中的动物组织进行遗传学检测。他试图寻找出某个决定性的遗传特征,表明某种病毒或其他激发因素的存在。

如果无法发现这种激发因素,那可能就意味着,保留在不同物种中的单性生殖能力可以作为某种备用机制,在不利于有性生殖或有性生殖消耗过大的情况下被启用。

美国堪萨斯大学医学中心的彼得·鲍曼称,如果上述观点是真的,那随着野生动物数量的下降,我们或许将看到更多的单性生殖行为。科学家已经在等待发现森蚺——世界上最重的蛇——是否也会加入能够进行单性生殖的脊椎动物名单。

“自然界中演化出这样的方式着实神奇。从适应性的角度来说,这确实增强了物种长时期生存的能力,因为它有了备用策略,”彼得·鲍曼说,“有性生殖最大的一个缺点,就是要求两个个体同时出现在一个地方,当种群密度非常低的时候,这就是个很大的问题。”从演化的角度来说,有性生殖依然是目前更为成功的繁殖方式,但彼得·鲍曼补充道:“显然两种机制各有优势。”

那么,哺乳动物呢?

最后一个谜题是,如果单性生殖比科学家估计的还要广泛存在,那么为什么包括人类在内的哺乳动物无法做到呢?

或许哺乳动物也是可以做到的。

目前还没有哺乳动物进行自然单性生殖的例子,无论是在圈养还是野生条件下。然而,在20世纪30年代的哈佛大学,一位名为格雷戈里·平卡斯(Gregory Pincus)的科学家开始对哺乳动物的生殖系统进行研究。他的工作使他成为了人类避孕药的发明者之一。

当时,他宣称在兔子身上引发了单性生殖,引发了不小的争议,因为其他科学家无法重复这一结果。几十年之后的2004年,有科学家报告称成功使一只基因工程小鼠出现了单性生殖的行为。这只小鼠的后代不仅活了下来,而且能够生育自己的后代。

科学家称,由于一些根本性的生物学特征,哺乳动物很难,甚至不可能自然地单性生殖出可存活的后代。不过,或许某一天,有一只哺乳动物会在某一个地方给我们一个惊喜。就像网纹蟒Thelma,以及其他那些蛇类、火鸡和鲨鱼一样,它会生下一个“奇迹”后代,从而对我们对生殖生物学的认知提出根本性的挑战。(任天)

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