科普一周 6月5日
有性生殖的起源
性给大自然带来了很大一部分的情趣。萤火虫在夜间闪着光寻找伴侣;花香吸引昆虫把花粉带给远处的伙伴;雄性牛蛙呱呱叫着给雌性留下印象。但是尽管有如此让人眼花缭乱的多样性,所有的有性生殖生物采用同样的关键步骤制造新的后代:它们打乱自己的DNA,然后把其中一些DNA和它们这个物种的另一个成员的DNA混合起来,从而制造出一个新的基因组。这种新颖性的关键是一个称为减数分裂的过程。
和其他脊椎动物一样,几乎所有的人类细胞都是二倍体的:每一个细胞含有非常类似的,或者说同源的两份染色体。随着性细胞前体的分裂,它们形成了单倍体性细胞——精子和卵子,它们每一个细胞只拥有每对染色体之中的一个。只有当一个性细胞与另一个性细胞融合的时候,它才成为一个新的二倍体基因组的一部分。
减数分裂用两种方式产生新的变种。一位父亲或母亲把一对特定染色体中的一个传给他或她的后代的机会是50%。而在性细胞发育过程中,同源染色体进行了重组:它们排在一起,交换它们的DNA片断。因此即便两个兄弟姐妹从它们的母亲那里获得了同一个染色体,它们的染色体也不是完全相同的。
1971年,已故的英国进化生物学家John Maynard Smith指出儿子对一位母亲的代价多么高昂,从而开启了对性的进化的现代研究。例如,一个无性生殖的雌性蜥蜴只产生女儿,它们全都可以生殖。另一方面,一个有性生殖的雌性蜥蜴平均起来儿子和女儿的数量相同,这让生殖潜力减半。然而尽管存在这种Maynard Smith称之为“性的双倍代价”,他观察到了性是广泛存在的,因为绝大多数动植物产下雌性和雄性。
而且他甚至没有意识到性的存在究竟有多广泛。人们正在开始看到几乎所有真核生物——包括动物、植物、真菌和原生动物的世系——都有某种性。(真菌和原生动物没有像我们这样的雄性和雌性,相反,它们产生两种或更多的“交配类型”。)例如,今年4月,科学家在看上去是无性生殖的利什曼原虫中发现了性重组的迹象(Science, 10 April, pp.?187, 265)。利什曼原虫是一种导致了热带病利什曼病的原生动物。
其他无性生殖的真核生物表现出了从有性生殖的祖先进化而来的迹象。例如,一种导致阴道感染的原生动物阴道毛滴虫(Trichomonas vaginalis)看上去并不进行有性生殖。但是在2007年,位于爱荷华城的爱荷华大学的John Logsdon和他的同事发现了它的基因组含有减数分裂必需的几乎所有基因,这提示它曾经是一种有性的生物。考虑到性和与性有关的基因的分布如此之广,Logsdon说,“很难逃出一个结论”,即在大约20亿年前性首先从所有真核生物的共同祖先中进化出来。(来源:三思网)
线粒体:世界幕后统治者
线粒体是细胞内微小的细胞器,以ATP的形式生产我们几乎所有的能量。平均每个细胞里有300-400个线粒体,整个人体里有1亿亿个。本质上所有的复杂细胞里都有线粒体。线粒体看上去像细菌,这外观并非伪装:它们从前是自由生活的细菌,后来大约在20亿年前适应了寄生在大细胞里的生活。它们还保留了基因组的一个碎片,作为曾经独立存在的印记。它们与宿主细胞之间纠结的关系织成了生命所有的经纬,从能量、性和繁殖,到细胞自杀、衰老和死亡。
线粒体是一个欲盖弥彰的秘密。许多人都出于各式各样的原因听说过它。报纸和一些教科书简单地把它描述成生命的“发电厂”——活细胞里微小的发电机,生产我们赖以生存的几乎全部能量。一个细胞内部有几百或几千个线粒体,它们利用氧来燃烧食物。线粒体是如此微小,以至于一粒沙里可以轻易地容纳10亿个。线粒体的进化给生命装上了涡轮发动机,蓄势待发,随时可以启动。所有动物体内都有线粒体,包括最懒惰的在内。连不能移动的植物和藻类也要利用线粒体,在光合作用中放大太阳能那无声的轰鸣。
有一个理论叫做“衰老的线粒体理论”,说的是衰老和许多与此有关的疾病是由在正常细胞呼吸中从线粒体里泄漏出来的活跃分子——自由基导致的。线粒体并不能完全“防火花”,它们在利用氧燃烧食物时,自由基的火花会逃逸出来,损害邻近的结构,包括线粒体基因本身,以及远处的细胞核基因。我们细胞里的基因每天要受到1万至10万次自由基攻击,实际上每秒就有一次。大部分这类损伤很快就会得到修复,不会造成别的麻烦,但偶尔有些攻击会导致无法逆转的变异——基因序列发生持久的改变——这些变异会在一生中累积起来。受破坏更严重的细胞会死亡,稳定的细胞损耗是衰老和退行性疾病的基础。许多令人痛苦的遗传疾病也与自由基攻击线粒体基因产生的变异有关。这些疾病通常有着奇异的遗传模式,其严重性在各世代中会有所不同,但总的来说它们都会随着衰老而趋于恶化。线粒体疾病通常影响新陈代谢活跃的组织如肌肉和脑,导致癫痫、部分运动失调、失明、耳聋和肌肉退化。(来源:三思网)