为什么自然界的生物多为两性？交配的频率是关键！

有些物种有两个以上的性别，但大多数只有两性。上个月发布于Nature ecology & evolution 的一个新模型表明生物的交配型数量取决于该物种交配的频率。

自然界的所有生物都只有两性吗？

我们常常认为自然界存在两种生物学性别：男性和女性。但在进化出卵子和精子之前——在性细胞开始产生大小和形态的不同之前，生物体不能以性别分类。这同样适用于现在许多真菌、藻类和原生动物。这些物种用交配型分类而不是性别分类，其性细胞的差异在分子水平而不是解剖水平，并且这些交配型不一定成对出现。

图|Coprinellus disseminates，有143种交配型

拿盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）为例，它有三种交配型:每种类型可以和其他两种类型交配。播散鬼伞（Coprinellus disseminatus）是一种白色的蘑菇，有143种交配型，每种可以和另外142种进行交配。多毛、扇形的裂褶菌（Schizophyllum commune）有23000多种交配型，虽然错综复杂的传代策略下，不是每种交配型都能和其余类型进行交配。

这些真菌们展示了交配型数目的多样性和可变性，因此许多生物学家开始质疑为什么大多数物种只有两个性别。

交配型的进化假说

一些科学家认为交配型在生命出现早期已进化完成，目的是为防止生命体进行对种群有害的交配，如近亲交配。在这一机制中，如果生物体与不相容的交配型（包括它自己的交配型）发生性关系，将无法产生后代。

从逻辑上讲，交配型更多的物种在产生后代上有更大收益。假设只有两种交配型，那么任一生物可以和一半的同类自由行成配偶。随着数量增加到三种，可交配同类数将达到三分之二。更多交配型的出现，使可选择的交配对象随之增多。如果变异导致了一种新的交配型出现，它不会因为罕见而遇到匹配问题。相反，它将能够与其他所有同类交配，从而更快地生产后代并增加其数量。直觉来看，物种的交配型会不断增加，最终可能形成上千个交配型。

迄今为止，关于交配型的数量为什么很少飙高的假说，一般围绕着稳定性考虑。保持两种类型可能是维持稳定的更好方法：因为其信息素信号网络更简单、更高效，以及将细胞器从母体传递到后代细胞时所用的分拣系统更为简易。但这些理论并没有解释一系列例外情况。

后来研究员发现了他们的疏忽：“我意识到我们的理论假设这些物种每时每刻都在交配。在这一假设下，关于种群进化方向的预测与实际情况产生了巨大差异，因为在不交配的时期，交配型成了一个中性特征：机会事件决定着某些交配型的统治地位和许多其他交配型的消失。”

“交配频率”的引入解决了难题

在前文提到的论文中，Constable和Kokko开发了一个模型，该模型预测一个物种将根据三个基本的生态元素来决定产生多少交配型：突变率（引入新类型）、种群大小，性交频率。他们的工作不仅提供了关于这些生物的基本生物学见解，而且也有助于我们了解人类如何最终进化出男女两种性别。

根据该模型，种群数量的维持更依赖性繁殖的种群可以维持更多的交配型，而那些较不依赖性繁殖的则并非如此，那么性交频率低到什么水平，才会只存在两种交配型呢？结果是：仅每几千代一次。

起初，Constable对该结果感到失望，几千代一次似乎太低了。但是当他和Kokko转而观察自然，却发现自然与该模型符合良好。变形虫、真菌和其他具有两种交配型的生物往往很少发生性行为，大多数时间选择速度更快、能量较低的无性繁殖过程：例如，有些酵母在每1000到3000代才发生性一次性行为，在高竞争压力的自然环境下，基因混合提高了进化出新有利基因的概率，成为生存优势。

慕尼黑大学进化生物学家Bart Nieuwenhuis感叹道：“这就是大自然的美。”

图|Schizophyllum commune ，有23000多种交配型

那些有成百上千种交配型的物种被称为“真菌王国中最性感的真菌”。他的模型似乎也解释了其他观察到的性交模式，比如一些物种具有转换交配型的能力，或与同交配型进行性交的能力。

模型的相关影响与应用

Kokko强调，我们了解的基本生物学是基于少数模式生物（如小鼠，果蝇或大肠杆菌），因为即使对于自然界最基本的功能，我们仍未能了解到大自然真正的多样性。并非所有的生命都遵循最熟悉的规则，她希望她的研究能够启发人们对这些其他的、不太被研究的物种进行进一步的实证研究。这项工作也可以帮助科学家通过增加物种特异性机制，如信息素信号和细胞器遗传，来建立自己的模型。

Nieuwenhuis正试图在实验室中制造出这种情况：他试图为裂变酵母菌创造第三种交配型，能够和已经存在的两种交配型进行交配。但这很棘手，到目前为止他还没有成功。

Constable认为这项工作可以有更直接的应用。在感染农作物的病原真菌中，一种交配型通常是极具破坏性的，决定这种类型的基因可能与它对抗真菌药物的抗药性有关。了解这些特征共存的原因可能有助于控制或预防疾病。

为什么生物体最终容易进化成两性？

这些生物有助于解释熟悉的特质。法国里尔大学的生物学家Sylvain Billiard说：“我们可以看到两种交配型的存在，这是雄性和雌性动物进化的触发因素。”

Nieuwenhuis推测，根据Kokko的模型，有性繁殖率低时，两种交配类型占主导地位，可能会出现难以找到配偶的情况。在这种情况下，大自然会筛选出更小更特殊的配子以便交配——开始走向与今天人类类似的两性性别。

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参考：

https://www.quantamagazine.org/why-nature-prefers-couples-even-for-yeast-20180717/?mc_cid=73fa2defa1&mc_eid=db0a44df14&from=singlemessage&isappinstalled=0

https://www.nature.com/articles/s41559-018-0580-9

https://www.quantamagazine.org/puzzle-why-are-there-two-sexes-20170707/

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