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生物无性生殖与有性生殖的比较
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:3763    更新时间:2007/3/23
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无脊椎动物是动物界中除脊椎动物以外所有动物类群的总称,不是一个自然的类群。无脊椎动物的门类繁多,大约有35个门之多,无脊椎动物的现生种类,已知约为120万种,远远多于只有约4.8万多种的脊椎动物。从低等到高等,不同类群的无脊椎动物在细胞数目(单细胞到多细胞)、胚层数(两胚层到三胚层)、体腔发育的程度(无体腔、假体腔、真体腔、或不确定)、口和肛门(如有肛门)的起源(无脊椎动物中既有原口动物也有后口动物)、以及生活史等方面差异很大,其生殖方式也不限于一种。从较原始的种类既有有性生殖又有无性生殖,到较为复杂的种类逐渐以有性生殖为主,从进化的角度来看,自然选择了有性生殖为主要生殖方式。无性生殖拥有速度快、产量高的优势,但为什么高等动物选择了有性生殖?针对这个问题我们进行了思考,由于篇幅有限,就此我们选择了几个具有代表性的动物进行比较、讨论。

首先我们来看一下几个概念:

1、无性生殖(Asexual reproduction)

无性生殖,即不经过生殖细胞的结合由亲体直接产生子代的生殖方式。它通常是一个真正的复制过程,所产生的后代在遗传上与上一代是一致的。无性生殖的这种方式(非减数分裂)减少了基因的变异性,不增加种群的遗传多样性,不存在潜在的竞争者,并使整个种群都有最成功的基因型。例如,原生动物(如草履虫)常常以二分裂法进行无性生殖。又如,海绵、水螅、真水母、苔薛虫、海蹲,以及某些海鞘和原生动物通过出芽这种无性生殖的方式而产生新的个体。其他一些类群如珊瑚虫类、栉板动物、涡虫、纽形动物、多毛类、海星和海蛇尾类,身体的一部分可以从成体上脱落下来,在某些海星和海蛇尾甚至从幼体上脱落下来,随后再生成一个形态上完整的新个体。无性生殖的另一种方式称为孤雌生殖(parthenogenesis),它需要有雌体产生的卵的参与,但卵不经受精而发育到成体。孤雌生殖见于轮虫和一些昆虫、鳃足类和挠足类甲壳动物。

2、有性生殖(Sexual reproduction)

有性生殖,又称融合生殖,即通过减数分裂产生单倍体的雌雄配子,又通过配子融合恢复成双倍体,由此产生新个体。有性生殖需两个个体,而且子代的遗传组成不同于任何一个亲体。两个亲体大多是不同性别的,即雌雄异体。但也有少数情况是一个个体具有两性的生殖系统,即雌雄同体,如栉板动物、绦虫和蚯蚓。这些动物的两个成熟个体相遇即可进行交配。

我们首先以水螅为代表来看有性生殖和无性生殖的竞争。水螅是腔肠动物门的代表动物,生殖分为有性和无性两种。水螅在优良环境条件下行出芽生殖。即体壁向外突出,逐渐长大,形成芽体。芽体的消化循环腔和母体相通连,芽体长出垂唇、口和触手,最后基部收缩与母体脱离,附于他处营独立生活。由出芽繁殖成的水螅后代群也可称为无性系(clone)。然而有研究表明如水温、光照、pH值、水中氧和二氧化碳的含量以及食物等的恶化,都可使水螅进行有性生殖。此外,由于水螅内在的周期性因素,无性繁殖几代后,水螅通常进行一次有性生殖来增强群体的整体竞争力。水螅的有性生殖是精卵结合。受精卵进行完全卵裂,以分层法形成实心原肠胚,围绕胚胎分泌一壳,从母体上脱落沉入水底,度过严冬或干旱等条件,等环境转好时,完成其发育。无疑,有性生殖是其保存种族延续的最佳手段。一般认为水螅有性生殖的发生是对生活条件变化的反应。

我们再以轮虫来看,轮虫为雌雄异体,但雄体个体不常见。在环境条件良好时轮虫主要采用孤雌生殖,雌虫产生的卵不经减数分裂,不需受精(称非需精卵)可直接发育成雌性个体。而当环境恶化或由于其他原因就会进行两性生殖,产生休眠卵。轮虫休眠卵的产生需经过以下几个步骤:首先轮虫的非混交雌体产生大卵和小卵;大卵形成混交雌体,小卵形成雄体;雄体与混交雌体交配;受精;受精后的混交雌体产生休眠卵。当外界条件转好时,发育成非混交雌体,继续进行孤雌生殖。轮虫这种周期性孤雌生殖与环境有着密切的关系,是对环境周期性变化的一种适应性。可见有性生殖在恶劣的环境中,表现出更好的竞争条件。

通过比较和分析,可以看出有性生殖在生物进化过程中更具优势,从而延续下来。对其原因我们做了以下几点思考:

1、生物进化早期空间资源十分丰富,无性生殖拥有速度快、产量高等优势,能迅速增加种群数量,以抢占更多地空间和资源,有利于物种的存续。但后来环境容纳的生物相对饱和时,有限的空间和资源加剧种内竞争,反而不利于生存。相对而言,有性生殖的速度只是无性生殖的一半左右,能与环境保持和谐的关系,减少种内竞争,有利于其生存。

2、对于无性生殖而言,完全是对上一代的复制,很少有基因变异的产生,削弱了种群的遗传多样性。而有性生殖拥有基因变异和重组这一特点,有性生殖中基因组合的广泛变异能增加子代适应自然选择的能力。有性生殖产生的后代中随机组合的基因对物种可能有利,也可能不利,但至少会增加少数个体在难以预料和不断变化的环境中存活的机会,从而对物种有利,使之不断产生更加适应环境的新个体,增强了物种的竞争力,所以有性生殖更有利于动物朝着进化的方向发展。

3、有性生殖还能够促进有利突变在种群中的传播。如果一个物种有两个个体在不同的位点上发生了有利突变,在无性生殖的种群内,这两个突变体必将竞争,直到一个消灭为止,无法同时保留这两个有利的突变。但在有性生殖的种群内,通过交配与重组,可以使这两个有利的突变同时进入同一个体的基因组中,并且同时在种群中传播。

4、此外进行有性生殖的物种其生活周期中都有二倍体的阶段。二倍体的物种每一基因都有两份,有一份在机能上处于备用状态。如果这个备用的基因发生突变,成为有新的功能的基因,但此时新功能还是潜在的。通过自发的重复和有性生殖中的遗传重组,这个新基因可与原有基因先后排列,这样便产生一个新的基因。二倍体物种可以用这样的方法使其基因组不断丰富

5、从地球环境的演变来看,在整个系统的进化发展中,有性生殖对环境的适应性更强,能在恶劣多变的环境条件下延续后代,保证了物种的存在。例如,在新元古代正值全球环境大变化,无性生殖的物种灭绝率相对高。此外,当发生外来物种入侵、病毒大爆发等情况时,可能导致无性生殖的群体整体灭亡。而有性生殖产生的少数个体就可能存活下来,使种群延续。

由于上述原因,有性生殖加速了进化的进程。在地球上生物进化的30余亿年中,前20余亿年生命停留在无性生殖阶段,进化缓慢,后10亿年左右进化速度明显加快。除了地球环境的变化(例如含氧大气的出现等)外,有性生殖的发生与发展也是一个主要的原因。现存150余万种生物中,从细菌到高等动植物,能进行有性生殖的种类占98%以上,就说明了这一点。

整个有性生殖与无性生殖的竞争是一个较为复杂,多因素影响的过程,目前针对该问题研究、争论也很多,一直没有确切的定论。而对此我们做了一些大胆猜想:

1、从生物进化的趋势看,进化是一个从简单、低等到复杂、高等的过程。对于复杂的物种无性生殖产生新个体十分困难,既需消耗大量能量和营养物质,又需耗费大量时间,无法发挥无性生殖的优势,故逐渐被高等动物所淘汰(从原腔动物开始,较高等的无脊椎动物都以有性生殖为主要生殖方式),而有性生殖因其节能高效而被保留下来。

2、通过无性生殖繁衍的群体活动空间相对局限,而进行有性生殖的物种更加复杂,运动力更强,生活空间也更广阔,有利于物种的存续。

 

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