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兩只雄性動物也能繁衍後代?科學家做了一個實驗刷新了人們的認知


優美生態環境保衛者優質創作者有性生殖的優點和缺點有性生殖繁衍後代的途徑,依靠的是將上一代雌、雄兩種生殖細胞進行結合,從而後代個體的遺傳性狀會...

- 2021年2月24日09時55分
- 科學文摘 /

優美生態環境保衛者

優質創作者

有性生殖的優點和缺點

有性生殖繁衍後代的途徑,依靠的是將上一代雌、雄兩種生殖細胞進行結合,從而後代個體的遺傳性狀會來自父母雙方,兩種配子的結合,將會組合不同的遺傳物質於新的個體中,有效提高遺傳的多樣性,這樣就會帶來至少三個方面的優勢:

一是基因的組合,可以在一定程度上強化基因的變異,能夠提高子代適應自然環境的能力。二是後代個體在適應自然環境的過程中,可以將有利的基因突變更有效地在種群中進行傳播。三是在“優勝劣汰”作用的影響下,那些產生不利基因突變的個體會被淘汰,從而有效消除有害的基因突變對生物種群的影響。

但與此同時,有性生殖也具有一定的缺點,那就是使得後代個體基因突變的速率明顯加快,另外由於雌、雄個體的分異,使具有兩種生殖細胞的個體產生了不同程度的空間“隔離”,增加了相遇的難度,為此需要雌、雄個體雙方花費更多的時間和精力進行投入,繁衍的成本相較於無性生殖來說要高得多。

即使有性生殖也具有一定的缺點,但是這種方式對推動生物種群的進化所具有的意義,是無性生殖望塵莫及的,因此在生物漫長的進化征途中,是遵循著從無性生殖向著更為複雜的有性生殖方向發展的,這是大勢所趨。

孤雌生殖

相信有些朋友聽說過“孤雌生殖”這個概念,它所表達的是雌性個體,在一定情況下,不需要雄性個體,僅通過自身所具有的卵細胞,就能夠通過卵細胞的分裂直接發育形成新的個體,在生物學上也將“孤雌生殖”稱為同性生殖,嚴格來說應該是同雌性生殖。這種生殖方式常見於一些比較原始的生物上。

根據孤雌生殖在一種生物身上所發生的頻率,科學家們又將這種生殖方式劃分為三種模式,一個是偶發性的,即平常狀態下是雌雄兩種生物進行兩性生殖,只有在一些比較特殊的情況下,可以由未受精的卵細胞直接發育成新的個體,比如比較古老的軟骨魚類-座頭鯊、青蛙、科莫多龍、家蠶、黃瓜等。

第二種是經常性的,對於很多種類的昆蟲來說,雌性在沒有與雄性交配的前提下,在繁殖期產生的卵可以直接孵化發育為後代個體,比如蜜蜂、竹節蟲等。

第三種是周期性的,也多見於一些昆蟲和低等級的腔腸類動物,它們的生命周期往往劃分為幾個不同的階段,當進行若幹次孤雌生殖以後,會再進行一次兩性生殖,兩種方式會交替進行,以此更好地適應自然環境以及季節的變化,比如一些蚜蟲就多采用這種生殖模式。

但是,孤雌生殖這種同性繁衍的方式,僅限於比較低等級的生物,迄今為止發現的等級最高的動物,乃是科莫多龍,像處於最高等級的哺乳動物,要發生同性生殖的難度實在是太大了,因為作為哺乳動物的後代個體來說,其在發育的起點,即細胞開始分裂的起點,必須依靠物質和能量的輸入,這種物質和能量的輸入則來源於父代、母代的遺傳物質,只有二者結合才能合成相應的氨基酸和蛋白質,如果僅靠其中一方,則子代細胞分裂和發育所需的蛋白質合成就會受到限制。

孤雄生殖

孤雄生殖的方式,目前在自然界中,僅在有些植物中有所發現,當花粉的精核進入到胚囊中後,沒有發生核融合現象,也就是說雌雄細胞未成功進行結合,卵核逐漸消失,但精核並未消失,直接發育成了種子胚結構。而在動物界,孤雄生殖幾乎沒有,迄今也只在一種斑馬魚的種群中發現孤雄生殖的個例,之所以會這樣,因為由單純地依靠精子分裂來產生新個體,實在是難於上青天。

早在10多年以前,日本科學家河野友宏就開展了有關孤雄生殖的實驗研究,主要的思路就是將小白鼠的圓形精子細胞注入到去除卵核的卵母細胞中,讓兩個細胞進行融合,同時給予一定的條件對融合後的精子母細胞進行培養,最終這個精子母細胞實現了分裂,形成了小白鼠胚胎,但是實驗只做到胚胎發育的中期,後來胚胎就停止發育了。之後的近10年時間內,又有一些研究機構重複做了相關實驗和研究,結果也都以失敗告終。

科學家們通過實驗的失敗,總結出了失敗產生最核心的問題,那就是高等級動物長期以來進化出的印記基因,對它們進行同性生殖產生了巨大阻礙作用。認知到這一點後,東京農業大學Kono實驗室對小白鼠的生殖細胞進行了“改造”,在成熟卵細胞中刪除了2個印記基因的控制區段,從而人工繁育出了活的孤雌小白鼠,這是人類第一次應用同性生殖的方式繁衍出了哺乳動物的後代。

科學家們在此基礎上又進行深入實驗,2018年,以色列科學家尼森博士應用孤雄單倍體幹細胞技術,對小白鼠精子細胞進行了“重新編程”,制造了雄單倍體幹細胞,使孤雄單倍體幹細胞既保持了胚胎幹細胞的分化性能,又使其與精子一樣僅具有一套染色體。然後,科學家們將這種細胞代替精子細胞,使其與去核卵母細胞結合,最終繁育出了孤雄小白鼠。這個小白鼠由於人類對其基因的幹擾太多,所以出生後身體出現了各種問題,僅存活2天就死亡了。後來,研究者們又對另外一組印記基因進行“修飾”,繁育出的小白鼠後代個體的問題就少一些,不過也只實現了短期的存活。

總結一下

對於高級動物來說,兩性生殖是最原始、最基本也是最有效的生殖手段,而應用人工的方式對生殖細胞的基因進行“雕飾”,使其能夠實現同性生殖,最核心的關鍵就是要通過更加完善的精准的印記基因修改方式,才有可能跨越生殖障礙。而孤雄生殖相較於孤雌生殖來說,需要克服的障礙要更多。開展這項研究的目的,絕不是想讓高等級動物進行同性生殖,而是通過實驗,更為深入地探索生命的奧秘,對如何有效克服人類自身面臨的困難特別是基因方面的疾病問題,將具有重大的意義。


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