生命之謎九——性（續二）

古月語 29.07.17 11:59

生命之謎(九)——性

下面兩篇網絡文章（https://technews.tw/2016/06/12/if-you-could-clone-yourself-would-you-still-have-sex），都是以人類是上帝的口吻說話，去解釋宇宙間的種種現象。其實是所謂的科學家在自言自語。

想想看，如果在那一聲大爆炸之後，沒有四種力的物理定律產生，而其中萬有引力才是真正的處於主宰的地位，沒有萬有引力，就不會顯示出強力與弱力，電荷。

為甚麼會有那一聲大爆炸？為甚麼沒有第二聲？依然是一個謎。科學家沒有追究，純粹是因為科學家的第一道題“第一聲大爆炸的結果”還沒有完成解答，第二道題“只有一點發生大爆炸？”還沒有時間去解答。按古月語的說法：不考慮第二道題，第一道題不可能有完美的解答。

第一聲大爆炸後為甚麼會出現物質？出現輕子、重子？沒人知道。萬有引力將最初出現的物質擠壓成恆星，恆星內部聚變成氧、氮、碳、硫、.....一直到最重的鐵，恆星大爆炸成為新星，將氧、氮、碳、硫、.....鐵散佈到整個宇宙，然後在條件適合的某一處又聚合成氨基酸，但是科學家直到今天為止仍然不知道核苷酸是怎麼來的，因為地球上的實驗室雖然可以合成氨基酸，但無法人工合成核苷酸，在彗星上可以找到氨基酸，但到今天為止仍然找不到核苷酸。沒有核苷酸，單單氨基酸是無法形成生命。

到今天為止，科學家仍然不知道宇宙裡是否有另一個星球孕育出生命，地球可能是宇宙裡唯一孕育出生命的星球。

其實，由於核苷酸和氨基酸具有無限組合的可能性，只要條件允許，在漫長的宇宙時間裡聚合出最原始的生命結構是必然的。所以關於生命演化的理據只能從核苷酸和蛋白質具有無窮組合可能性上去闡釋，當然還要加上物競天擇的原因。這就是說，甚麼樣的生命結構都是可能的，但只有能夠適應大自然環境的才會生存到現在。
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既然存在無性生殖，為什麼生物要「有性」？

想像一下，當人類不需要透過伴侶就能用「無性生殖」的方式產生後代，那世界會變怎麼樣？在自然界中動物繁衍後代皆以有性生殖為主，但在動物界之外，有非常多物種不必經過有性生殖就能夠產生後代，換言之，他們能以無性生殖的方式產生子代。

這種無性生殖的例子在自然界中非常多，又能依照無性生殖的方式再加以細分，其中一種稱為孤雌生殖（parthenogenesis），partheno- 字根帶有「處女」的意思，再加上字尾 -genesis 則帶有生產的意思，於是便可從字面上來看了解，在進行孤雌生殖的物種中，雌性動物不需要雄性動物就能夠獨立產生子代。雌性動物產下未受精的卵即能發育為成熟個體。這種生殖策略在自然界中並不少見，最為大家熟知例子就是螞蟻和蜜蜂。

在孤雌生殖中，有些物種的雌性動物能夠轉換自身繁衍狀態，也就是她們既可以和雄性動物交配產生子代，在特定狀況中還能夠轉換繁衍策略進行孤雌生殖，這種例子被稱為「兼性的孤雌生殖」（Facultative parthenogenesis）。

有些生物學家認為這種繁衍策略擷取了有性及無性生殖雙方的優點，但如果兼性孤雌生殖真的擁有這麼多優勢，那為什麼在演化之中卻從來沒有成為主流呢？關於這個問題，有許多原因，但總歸一句，這全部都是因為「性」。

有性生殖的兩難

兼性孤雌生殖在進行有性生殖的時候，其實是帶有風險的，之所以這麼說，是因為雌性生物必須要耗費至少一半的精力成本來生產雄性子代，但這些雄性子代卻無法獨立產生後代，在這樣的計算之下，雄性個體對於種族延續沒有絕對必要性，生產雄性子代的確就成了一種浪費、不經濟的行為。

相對於雄性來說，雌性個體在兼性孤雌生殖可以獨立產生子代，若是產生子代全部都為雌性，種族依舊能夠延續，在這樣的狀況下，無性生殖的繁衍速度能夠達到有性生殖速率的兩倍。

除此之外，在有性生殖的情況下，雌性動物還得要耗費精力和時間來吸引配偶進行交配，這樣的行為對就繁衍速率來說絕對是不划算的。就算雌性動物不需要耗費心力去尋找配偶，光是交配行為本身就會使雌性動物的壽命簡短，因為她們懷孕生產甚至撫育幼兒的行為，都會使她們被捕食的機率大大提升，更不要提交配所導致的性病散布問題。

在這樣的考量之下，有性生殖似乎是個吃力不討好的繁衍方式，那為什麼能夠進行無性生殖繁衍後代的物種中，雌性個體還是能夠選擇用有性生殖方式繁衍後代呢？雖然人類的性行為早已不只是為了單純繁衍後代而進行，但在動物界中，性行為幾乎只是功能性的，為了繁衍後代而發生。那為什麼還有這麼多物種（包含人類）使用有性生殖來延續族群呢？

有性生殖的優勢

有性生殖儘管有那麼多的缺點，做為大多動物使用的繁衍策略，它在自然界中卻依舊佔有重要的地位，因為在很多狀況下，它的優點是無可取代的。有性生殖最大的優勢在於它能夠提供物種內最高的基因多樣性。

多樣性之所以在自然界中如此重要，原因在於能夠讓物種快速適應變化的環境，當環境產生變化，物種中適合環境的個體有更高的機率存活並且繁衍後代，他們的後代同樣具有適合該環境的基因，使得該物種能夠在變化的環境中存活並延續。

透過有性生殖所產生的子代不會和親代的基因型一模一樣，彼此之間也存在差異，透過交配行為能夠確保雌性動物不會將所有賭注下在同一種基因型上，當生存環境改變，至少會有幾個子代能夠適應並活下去。

除此之外，無性繁殖在複製的時候容易隨著代數增加，越後面的子代累積了前面祖先所帶的有害突變，但有性生殖就不會有這樣的問題了，在基因重組的過程中，有害的突變能夠慢慢的被洗去，同時淡化不良的影響。

總體來說，無性生殖能夠快速地增加子代數量，而有性生殖卻能提升子代品質。那麼如果能夠選擇的話，雌性動物究竟怎麼做選擇的呢？

有性與無性的選擇

在澳洲，有一種常見的家庭昆蟲寵物被稱為多刺竹節蟲（Spiny leaf stick insects），他們是一種十分特別的昆蟲，能夠像無尾熊一樣終生依靠桉樹葉生活。但他們最特別之處是在於他們的繁衍方式，雌竹節蟲可以透過和雄性交配產生子代，但也可以不透過交配行為直接生產未受精的卵，而這些未受精卵在之後會發育成為無性系的雌性子代。

竹節蟲的的蛋很漂亮，讓我想起童年養過的竹節蟲和它的漂亮的卵。

當然，孤雌生殖至今仍被認為是雌性個體在無法找到雄性的狀態下不得已而採取的策略，也就是說，我們普遍認為在雌性竹節蟲能夠找到雄性個體並交配的狀態下，他們就會選擇進行有性生殖。

但在近期發表於動物行為科學期刊的論文中指出，多刺竹節蟲的孤雌生殖策略可能並不是出於不得已，而是真的為了避免在有性生殖上不必要的精力耗費。科學家發現這些雌性竹節蟲甚至會在遇到雄性竹節蟲的時候捲起自己的腹部，並用力踢腿抗拒交配行為。

有性生殖是演化的必然嗎？

這項發現使研究團隊重新思考一種令人驚奇的可能性。會不會其實有性生殖成為目前自然界中普遍採用的生殖策略並不是因為它真的比較好，而是因為交配行為的存在令人（或各種動物們）難以抗拒呢?

雌性動物能夠調控自身狀態選擇是否進行有性生殖，或者直接複製自己基因進行無性生殖。但雄性動物就沒辦法了，他們無法選擇，也不能直接複製自己基因進行無性生殖。孤雌生殖策略提供了雌性動物的另一種選項，但卻對雄性動物不太公平。

因此，在這樣選擇不平等的狀況下，一旦族群中有雄性個體存在，有進行交配的可能，就算雌性動物並沒有交配的意願，雄性動物也會嘗試進行交配，誰叫他們沒得選擇，只能依賴交配行為來使自己的基因向下繁衍呢？

有性生殖在自然界中佔有如此穩固的地位，原因之一可能就是因為一旦有性生殖的選項存在，雄性生物想要交配延續自身基因的天性就會使用這種生殖策略。

這世界真的不需要雄性生物？

如果有性生殖真的是演化導致的必然現象，那麼科學家們在多刺竹節蟲觀察到的現象顯示，至少這個物種能夠某程度的跳脫出必然，因為他們身上還存在著孤雌生殖的機制，並沒有隨著演化而消失。

的確，在能夠進行孤雌生殖的物種中，只要雌性生物完全的避免交配行為，就有可能導致族群中雄性滅絕的狀況，而這樣的趨勢確實存在於某些竹節蟲族群中。

那麼人類呢？人類女性有沒有可能演化到能夠複製自身基因進行無性生殖，跳脫出演化中有性生殖的必然呢？這麼一來男性的存在的重要性就會出現許多不確定。

雖然這樣的現象有非常多可討論的空間，但別擔心得太早，因為人類出現孤雌生殖的可能性非常低。哺乳類動物是唯一沒有發現孤雌生殖現象的動物，之後大概也不太有可能出現；也就是說，不管在生物學的角度上到底值不值得，愛（至少「性」）將會永遠存在人類社會中。

If you could clone yourself, would you still have sex?
February 13, 2015 1.02pm AEDT

Imagine how easy life would be if you could produce offspring without a mate. Sexual reproduction is the most common mating system in the animal kingdom. But in many species, females do not require males to produce offspring – they can reproduce asexually.

One form of asexual reproduction is parthenogenesis, where females lay unfertilised eggs that develop into clones. In some species, females can even switch between reproductive strategies, known as facultative parthenogenesis.

Some biologists think this kind of reproductive strategy represents the best of both worlds: engage in sex when it’s likely to be beneficial; and clone yourself when it’s not. But if facultative parthenogenesis is such a superior strategy, why isn’t it more common? (Hint: it’s all about sex.)

The paradox of sex

Sexual reproduction is a risky and costly method of producing offspring. Even at the most basic level, sexually reproducing females spend half of their reproductive investment producing sons who cannot give birth to offspring of their own.

In contrast, all clonal daughters of an asexually reproducing female can potentially give birth to their own offspring. Therefore, all else being equal, an asexually reproducing population will grow twice as fast as a sexually reproducing population.

What’s more, females must attract or find a willing mate before any sex takes place, which can be a painfully time-consuming business. Even when a potential mate does arrive on the scene, sex can continue to pile on the costs by shortening female lifespan, increasing the risk of predation, and spreading nasty venereal diseases.

Why would a female put herself through such an ordeal? Of course, we Homo sapiens engage in sex for plenty of reasons other than just reproduction. But when it comes to the rest of the animal kingdom, sex tends to be rather more functional.

So if sex is so costly, why is it so common?

The benefits of sex?

Because sex is such a widespread reproductive strategy, it is assumed that it must come with benefits that outweigh the costs. The greatest advantage that sex is thought to provide –- at least at the species level – is genetic diversity.

Diversity allows populations to adapt to changing environments. Although clones may do exceptionally well in an environment they are well-adapted to, they are more likely to do exceptionally badly if the environment changes.

This is a problem that sexually produced organisms do not face because sex ensures that females don’t put all their eggs into one basket, so to speak. By producing genetically diverse offspring, sex ensures that at least some offspring will be able to cope with environmental change.

Another suggested problem with cloning is that clones tend to accumulate harmful mutations over time. But since sex creates new gene combinations, it expedites the purging of harmful mutations from the population.

All in all, theory predicts that asexual reproduction should enhance offspring quantity, while sexual reproduction should enhance offspring quality. But this raises a question: given the opportunity to choose, do females opt to have sex or to clone themselves?

To have sex or not to have sex

Spiny leaf stick insects –- familiar to many Australians as pets – are peculiar in many ways, including their koala-like ability to subsist entirely on eucalyptus leaves.

But their most interesting feature is their reproductive biology: female stick insects can mate and produce sexual offspring or, in the absence of males, they can lay unfertilised eggs that develop into clonal daughters.

Thanks guys, I’m doing just fine here by myself. Martin Lagerwey/Flickr, CC BY-NC-SA
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And, of course, it has long been assumed that parthenogenesis is a mere back-up strategy for females that are unable to find a male. Surely (declare the obligately sexual humans), female stick insects would choose to have sex!

Or would they?

In a paper recently published in Animal Behaviour, we argue that parthenogenesis in the spiny leaf stick insect could actually be a strategy to avoid the costs of sex. We found that, when presented with a male, female spiny leaf insects often vigorously resisted matings by curling their abdomen and kicking their legs.

A female stick insect vigorously fends off a male after reproducing asexually.
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Moreover, rather than actively seeking males, we found that virgin females excrete an anti-aphrodisiac that repels males, while females that have already started to reproduce parthenogenically alter their pheromonal signals so as to make themselves invisible to males.

Most strikingly, we found that mating is extremely costly for females that have already started to reproduce asexually. More than half of such females died shortly after being paired with a male, and those that survived showed a sharp decline in egg production.

The story is complex, though. For example, increased survival of sexually-produced offspring could partially compensate for the costs of sex. Overall, however, it appears that females can benefit from avoiding sex altogether, at least under some circumstances.

Is sex a trap?

Our findings in stick insects point to an intriguing possibility. What if sexual reproduction isn’t so common in nature because it is a better genetic strategy, but rather because once sex evolves it is difficult to escape from?

Females can potentially switch between sexual and asexual reproductive modes, or reproduce entirely asexually, but males cannot clone themselves. While parthenogenesis makes it possible for females to reproduce without males, males have no way to reproduce without females.

Therefore, once sex has evolved and males are present in the population, those males will try to mate, even with reluctant females that might have done better to clone themselves.

So, could it be that part of the solution to the puzzle of sex is that, once the sexual strategy arises in a population, it perpetuates itself through the eagerness of males to mate? After all, if females cannot avoid mating, then they will not be able to realise the benefits of parthenogenesis, and the sexual strategy will triumph.

The future of males

If sex is an evolutionary trap, our findings suggest that spiny leaf stick insects can at least partially escape from this trap by reproducing parthenogenetically.

Indeed, in this species, successful avoidance of mating by females could lead to the extinction of males -– a fate that seems to have befallen some stick insect populations.

But what about Homo sapiens? Could female humans start cloning themselves to escape the costs of the insidious sex-trap, perhaps ultimately rendering men completely redundant?

Despite its sensationalist appeal, human parthenogenesis will probably remain the stuff of myth. Mammals are the only major animal group in which parthenogenesis has never been observed, and may therefore be impossible. Thus, on this Valentine’s Day, we can rest assured that, whatever its costs, love (or at least, sex) is here to stay.

古月語 10.08.17 15:31

生命之謎(九)——性（續一）

生命有兩個特點或本徵：新陳代謝和繁殖。新陳代謝是攫取身外物質，利用生命所特有的功能（這是其它物件組態所不可能具有的功能）生物化學功能將它轉化成為維持自身運作所需要的能量，不具有這樣功能的不能稱之為生命。

第二個本徵是繁殖，但並不是所有的生命都具有繁殖的功能，例如騾。騾不具有生殖能力是因為它的染色體不成對，有63條，無法正常進行減數分裂。其它的如獅虎或虎獅，基本上也沒有生殖能力。他們沒有生殖能力是因為物種（生殖）隔離機制（不同物種動物之間不能雜交，不同物種植物之間的授粉無效，實際上就是基因不能配對，但也是一個謎，可以提出這樣的問題，為甚麼基因不配對——基因長短不一致就不能雜交繁殖？）

古月語曾經解釋，性吸引力是因為性荷爾蒙的識別機制。一個物種不能識別異種的性荷爾蒙。問題是為甚麼不同物種之間製造的性荷爾蒙會不一樣？好像這個問題好怪，不同物種為甚麼會製造一樣的性荷爾蒙？不要提出這樣的解釋：為了生殖隔離機制，這並不是恰當的答案。如果沒有生殖隔離機制，生物界會形成甚麼局面？這是沒有人能夠想象得到。

生命是由核苷酸和氨基酸構成的蛋白質自動程式，在所有的蛋白質自動程式體系裡，只有具有，即使是寄生仍然必須具有自身的新陳代謝功能才能生存下去，而沒有這樣功能的物件組態，不可能在大自然裡長時間的存在下去，科學家還沒有在宇宙裡發現有複雜的有機分子，從未發現核苷酸，即使是氨基酸也是簡單的氨基酸，都說明複雜的有機分子不可能長存於大自然。

即使是一個具有自身新陳代謝功能的物件組態，如果沒有繁殖能力，也不可能長存於大自然，科學家從未發現一個長生不老的生命，細菌可能是例外。細菌在實驗室的特殊條件下，似乎可以無限期的保持活力。它並不需要新陳代謝來維持生命，或者像某些動物那樣就行所謂的冬眠。冬眠機制可以讓物種幾乎停止新陳代謝，包括心臟停止跳動（曾經見過紀錄片這麼說，但一般是一分鐘跳2-3次），而血液並不會凝固（有紀錄片說一種荷爾蒙維持血液的液態）。植物的落葉機制，就是冬眠機制。冬眠不可能是無限期的，但細菌可以無限期的停止新陳代謝。（單個細菌也可以把自己變成孢子，在乾燥的條件下，孢子殼可以保護它們不至於缺水而死去。2000年在新墨西哥州的古老鹽晶體中發現的細菌孢子已有2.5億年的歷史，但是在實驗室中，研究人員發現它們還具有活性。）

因此，只有具有生殖能力的物種才能繁衍至今。但這個並非是生命的原因。而是生命具有生殖能力的結果。生殖能力是蛋白質自動程式體系具有的一個功能，從生物分子層面上解釋，說了也等於沒說。

細菌在營養充足的條件下繁殖，說明足夠的營養物質可以讓它的基因製造某種蛋白質，這個蛋白質啟動了它的繁殖機制，開始分裂，形成兩個細菌。實際上這個機制應該從製造某種蛋白質開始，直到分裂成兩個細菌為一個繁殖機制運作的完整程序。

這樣的現象也存在於所有的生物界。沒有足夠的營養物質是不會啟動生物的繁殖機制。差別僅僅在於，對無性生殖生物來說是一個，對有性生殖則是兩個個體。所以，在冬天或乾旱季節，草原上的齧齒動物或反芻動物，一般繁殖下一代都在春天和雨季青草當造的時候。當青草凋零的時候，反芻動物也凋零，頂級獵食動物也凋零。
延伸閱讀：
大自然自有一套規律能夠保持物種的獨立：大多數雜種有機體——例如騾子和獅虎——都是不能繁殖的。然而隱藏在這種現象背後的機制卻一直沒有搞清，如今，科學家相信，他們已經抓住了導致這一切的遺傳因素。
為更多地瞭解是什麼原因導致物種分離，以及新物種是如何形成的，巴黎市法國國立農業研究所的生物學家Olivier Loudet將目光投向了水芹(Arabidopsis thaliana)，這是一種來自於十字花科的野草。研究人員在2000年對全部的水芹基因組進行了測序，並進行了相關的遺傳分析工作。同時，由於有許多種群在世界各地生長，從而使水芹具有豐富的遺傳多樣性。
Loudet和同事抽取了兩個水芹種群樣本——它們分別來自波蘭和大西洋中部的佛德角群島。研究人員隨即注意到一個細微的遺傳差異：佛德角群島水芹的5號染色體上的一個與組氨酸有關的基因的一個副本被刪除了，同時它在波蘭水芹的1號染色體中也根本沒有表達。當這兩種遺傳性變型通過雜交結合在一起後，11%的晶胚死亡。其他雜交植物的根則明顯短于正常植物的根系，並伴有其他疾病。研究人員認為，這兩種結果都與組氨酸的供給不足有關。研究人員在最新出版的美國《科學》雜誌上報告了這一研究成果。
由其他的30個水芹種群產生的雜交植物有1/4是無法繁殖的。Loudet認為，這意味著單一基因的進化能夠在一個物種中迅速導致差異。
美國布隆明頓市印第安那大學的進化遺傳學家Leonie Moyle認為，這一研究結果非常“令人興奮”，這是因為它發現了相同物種的“血統”在遺傳上存在不相容的第一個明顯例證。（生物谷Bioon.com-http://www.bioon.com/biology/genetics/383403.shtml）

古月語 18.08.17 16:11

生命之謎(九)——性（續二）

無性生殖是指生物體不以透過生殖細胞的結合方式，也就是不經由減數分裂來產生配子，直接由母體細胞分裂後產生出新個體的生殖方式。主要分為孢子繁殖、分裂生殖、出芽生殖、斷裂生殖和營養器官繁殖等。個別雌性脊椎動物在人工圈養或瀕臨滅絕的情況下也可能通過無性生殖的方式繁育下一代。瑞典發現最古老樹木en:Old Tjikko，已經有9,500年壽命，至2016年仍在生長。科學家指出，這顆樹能存活這麼久，相信因為這種樹可以無性繁殖。

複製一個生物體意味着創造一個與原先的生物體具有完全一樣的遺傳資訊的新生物體。目前，現代生物學背景下，這通常包括了體細胞核移植。在體細胞核移植中，卵母細胞核被除去，取而代之的是從被複製生物體細胞中取出的細胞核，通常卵母細胞和它移入的細胞核均應來自同一物種。由於，細胞核幾乎含有生命的全部遺傳資訊，宿主卵母細胞將發育成為在遺傳上與核供體相同的生物體。粒線體DNA這裏雖然沒有被移植，但相對來講粒線體DNA還是很少的，通常可以忽略其對生物體的影響。

我們看到，一個生物體在通常情況下，只是進行新陳代謝，維持自身的生存，只有在特定情況下，才進入繁殖狀態。

任何一個物件組態的變化都一定有一個啟動點，繁殖機制是生物體本身與生俱來的（除了像騾這樣的無法生育的物種），但是啟動點卻是基於外界的物件組態變化，例如季節交接，食物豐富等等。沒有季節交接或食物豐富的啟動點，製造生物體內的某一類蛋白質，這個蛋白質啟動了DNA分裂，生物體是不會進入繁殖狀態。這一個類型的蛋白質，各個物種是不是一樣，是甚麼樣結構的蛋白質，生物學家現在知之甚少。一些雜交物種殘缺了這樣的啟動點和機制，所以不能生殖。

而這樣的啟動點和機制的存在才是使生命從無性進化到有性成為可能，這是古月語的猜想。

「克隆clone」生物體羊多利Dolly一生都待在羅斯林研究所。她與一隻威爾斯山羊交配，先後產下六個羔羊。1998年產下羔羊Bonnie，1999年產下兩隻羊羔Sally和Rosie，2000年產下三隻羊羔Lucy，Darcy和Cotton。多利只活了去年，不正常說明12年短。但是古月語沒有多利第二代的資料。

沒有這樣的季節變化，沒有食物豐富，一些半桶水的“馬*克*思*主義者”所謂的內因外因說都是胡說八道。「」

生命之謎九——性（續二）