動物和植物以非常不同的方式為性行為準備它們的細胞——但沒有人知道為什麼。英國研究人員團隊現在認為他們已經解開了這個謎題。
人類和動物在性行為發生之前很久就為性行為做準備。在生命的最早期階段，在胚胎中，我們的生殖細胞開始發育。這些細胞將繼續形成精子和卵子，染色體數量只有通常的一半。在雌性中，卵子被預留並保持在停滯發育狀態，直到需要時才使用。青春期後，雄性在其一生中持續產生精子，但專門的生殖系在早期就已建立，精子由此產生。
但是珊瑚、海綿和植物沒有這樣的細胞計劃。它們最初只發育體細胞，每個細胞都具有全套染色體。當交配時機到來時，它們會根據需要產生性細胞或配子，透過從成體組織的幹細胞中形成它們。
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為什麼會有這種差異？倫敦大學學院的生物化學家尼克·萊恩認為，更復雜的動物會建立一個專門的生殖系來保持其線粒體的質量——線粒體是細胞中專門產生能量的結構，位於細胞核外部，並具有自己的基因。
突變難題
在 12 月 20 日發表的數學模型中，萊恩和他的同事闡述了他們的論點。該團隊認為，對於人類和其他複雜動物來說，問題在於，如果允許成體細胞在一個生長中的生物體中反覆分裂，然後其中一些細胞轉化為配子，那麼它們的線粒體將迅速積累基因突變和錯誤。一些配子可能會獲得高負荷的這些突變線粒體，導致後代組織質量低下。儘早產生所需的所有卵子可以避免這個問題。
先前已經有人提出過在靜止卵子中“保護”線粒體 DNA 的想法。但是，這種觀點存在一個問題：某些突變對我們的線粒體有益。突變是進化的引擎，使有利的線粒體基因型得以產生。由反覆複製的成體細胞製成的配子因此可能具有有用的變異。進化可以保留“好的”突變並消除“壞的”突變，最終提高線粒體質量。
擁有生殖系的好處和缺點之間存在微妙的平衡。如何在配子之間獲得足夠的變異以供進化發揮作用，又不會積累會損害由這些配子組成的生物體的突變？
進化賭博
萊恩及其同事設計的模型，在PLoS 生物學中報道，為各種生物體為何找到不同的折衷方案提供了可能的解釋。
在更復雜的動物中，線粒體基因複製的錯誤率相對較高。在這種情況下，最好的解決方案是進行有限的細胞分裂爆發，以形成雌性配子前體，產生比所需數量多得多的生殖系細胞，然後剔除其中大部分，以產生變異體的隨機選擇。這個過程稱為閉鎖卵泡，在包括人類在內的許多生物體中都存在，但其功能一直讓科學家感到困惑。
一旦獲得了種類繁多的雌性配子群體，就會停止進一步分裂，以免冒著在後期發育中積累過多線粒體突變的風險。這種突變確實會在精子中積累，精子經歷的細胞分裂輪次比卵子多得多。但這無關緊要，因為它們的線粒體在卵子受精時會被拋棄，因此不會傳遞給下一代。
但在植物和“基礎”動物（如珊瑚和海綿）中，線粒體基因複製的錯誤率非常低。在這種情況下，避免複製線粒體基因的需求較少，因此配子在發育後期形成，在不冒線粒體質量差的風險的情況下，獲得遺傳變異的好處。
為什麼首先會存在複製錯誤率的差異仍然是一個謎。這可能是因為早期動物多樣化時，攝食策略的變化——從濾食性到移動捕食——推動了有氧活動的增加，需要更多的氧氣，因此需要將更多的線粒體裝入細胞中，從而提高了複製的錯誤率。
測試困難
英國伯明翰大學的生物數學家伊恩·約翰斯頓說，這項新工作是“一項發人深省的研究”。“他們的案例是合理的，而且相當有創意。”但他指出，線粒體 DNA 複製的錯誤率，即使在同一物種內，也不是給定的——它也會在選擇壓力的作用下發生變化。
萊恩說，該模型解釋了有性繁殖的幾個不同方面，但測試它將具有挑戰性。“沒有可能的實驗可以深入瞭解如此廣泛的自然歷史，”他說。“只有理論和建模才有可能解決這個問題。”
然而，約翰斯頓說，該模型部分是可測試的，至少是可證偽的。“發現一種具有高複製錯誤率但沒有隔離生殖系的生物體——或者一種具有低錯誤率但隔離了生殖系的生物體——將提供與該理論相悖的證據，”他說。
萊恩補充說，還應該可以使用該模型來生成關於閉鎖卵泡與配子之間線粒體變異之間關係的預測。然後可以將這些預測與來自真實生物體的資料進行核對。
本文經許可轉載，並於 首次發表 於 2016 年 12 月 20 日。