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科学好故事|卵生还是胎生?生殖方式的演化故事

【逐日科技网】

“先有鸡照样先有蛋”是一个古老的谜题,但着实从动物生殖要领演化的角度,这个问题并不难回答。险些可以肯定,卵生呈现在胎生之前,也便是现有“蛋”后有“鸡”;5亿年前生活在海洋中的盾皮鱼被觉得是所有陆地脊椎动物的先人,它们彷佛已经会产卵了。然则,接下来的故事却远没有这么简单。

在漫长的演化历程中,大年夜自然只给出了两种让新活跃物来到这个天下的要领。要么是母体产下一个卵,让后代在孵出之前在卵内继承发展;要么新个体不停呆在母亲体内,直到长成一个更完备的幼体。从这里开始,就有了真正的基本分歧。

卵生和胎生之间有着严格的生殖二分法,这此中有什么原始的缘故原由吗?胎生是什么时刻呈现的?为什么会演化出胎生?在的钻研中,科学家正在对这些问题展开探索,试图懂得有性生殖的伟大年夜繁杂性和可变性。他们的钻研工具就包括一种既能卵生又能胎生的蜥蜴。

一种策略选择

早期雌性动物的产卵要领相称于向情况中开释卵子,平日是一次数千枚。雄性开释的精子会以随机的要领使此中一部分卵子受精,形成的胚胎将在充溢敌意的情况中生计,直至孵化。许多生物,尤其是小型、简单的生物,现在仍旧在以这种要领滋生。

但跟着动物变得越来越繁杂,脊椎动物——包括许多两栖动物、爬虫类以致一些鱼类(如鲨鱼)——转向了一种不那么冒险的策略:体内受精。经由过程这种要领,雌性可以确保更高比例的卵子受精,它们也可以更有选择性地与雄性交配。胚胎可以在母亲体内安然发育,直到母亲终极将其开释到一个保护性的壳内。

胎生的演化更晚,而且不止一次。仅在爬虫类中,这种生殖要领就至少演化了121次。只管科学家并不确切知道第一只从母体诞生的活体动物呈现在什么时刻,但他们已经懂得是什么气力推动了卵生到胎生的转变,以及在此之前的演化步骤。

当然,这两种生殖要领都能完成繁衍后代的事情,但它们的优点和难点却截然不合。很关键的一点是,采取卵生要领的雌性动物可以更早地从身段上开脱后代。例如,鸟类从未演化出胎生能力,这可能是由于它们无法遭遇在有身时代飞行的能量资源。产卵动物平日一次能产下更多的后代,由于母亲的体型大年夜小不再是限定身分。这种上风可能部分抵消了让卵裸露在恶劣情况(包括捕食者和气象等身分)中的风险。

另一方面,胎生的雌性动物可以为胚胎供给“寓所”,使它们在更长光阴内免受捕食者和情况危险的危害。但这么做也会使母亲在自担风险:有身使它们面临更多的捕食要挟,胚胎本身也会对它们的生命造成危险。“胚胎中有一部分是外来的,它的组织会侵入母体的组织,这有点让人细思极恐。在有身时代,母亲会像走钢丝一样维持平衡,在将能量和物质资本转移给“外来生物”的同时确保自己的康健。

是以,卵生和胎生的主要差别就在于母亲应该在什么时刻产出胚胎的演化策略。假如很早就产出胚胎,那它便是卵活跃物;假如很晚才产出胚胎,那它便是胎活跃物。例如,大年夜多半爬虫类会在发育历程约三分之一的时刻产出胚胎。

在真正的卵生和胎生之间,有很多可能的产出胚胎光阴,但这么做可能是晦气的,我们称之为“适应性谷底”。试图在“适应性谷底”的某处生出后代的动物可能会承担卵生和胎生的所有风险,且得不到二者的好处,从演化的角度来看,这是异常晦气的。

值得一提的是,有袋动物找到了一种新的措施来平衡这些风险:它们生下的幼崽在未成熟时实际上便是胎儿,但随后它们在母亲的育儿袋内完成发育。经由过程这种要领,母亲可以为脆弱的后代供给保护,使其发育到必然大年夜小,而不必要在体内容纳一个发育完全的新生儿。

得当雄性的温度

科学家们仍在钻研这些生殖策略的成长限定和要求。以蛋壳的厚度为例,因为氧气必须经由过程母亲的血液进入卵子,是以在产卵之前,薄壳是有利的。然而在产卵之后,更厚的外壳有助于抵御外部天下的捕食者。那么,假如产卵太早,蛋壳可能太薄而不能存活;而假如产卵太晚,则蛋壳可能太厚而不能满意胚胎指数发展时的氧气需求。这中心的平衡异常奥妙。

在2009年颁发在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文中指出,在一个物种能够演化出胎生之前,它可能必须先演化出从基因上抉择后代性其余能力。许多生物的性别是间接抉择的,取决于情况身分,尤其是温度。不合的温度可以抉择胚胎发育成雄性照样雌性。钻研显示,使用基因来抉择性别与胎生之间有很强的统计相关性。这是生物学家经由过程察看所得出的结论,但尚未颠末严格的验证。

海龟便是一个这样的例子。它们在陆地上险些不能移动,但仍旧会到海滩上产卵。假如它们把所有的卵都产在水里,那就不太可能获得多变的性别比例,由于海水里的温度梯度比在陆地上小得多。

然而,一旦一个海洋物种演化出了经由过程基因抉择性其余能力,它就不再必要冒险回到陆地上,而是能够完全适应水生生活。没有了在陆地上行动和筑巢的必要,每一个类群都演化出了对远洋生活要领的极度身段适应,比如鱼龙(一类史前海洋爬虫类)的扁形尾巴、背鳍和同党状的四肢。

科学家一开始觉得鱼龙的爬行类先人只有在从陆地迁移到海洋之后,才有可能演化出胎生。但一具2亿4800万年前的化石的发明改变了这统统。在2014年颁发的一篇论文中,钻研职员描述了一具在临蓐时逝世亡的鱼龙化石。令人惊疑的是,化石精准保留了新生幼体头朝下从母亲骨盆里出来的时候。这种环境阐明:大年夜多半胎生海洋爬虫类诞生时都是尾巴先长出来的,这样它们就可以在临蓐历程中继承从母亲那里接受氧气;而头先出来的姿势注解鱼龙从更古老的陆地先人那里承袭了胎生要领。是以,陆地上的爬虫类可能在至少2.5亿年的光阴里不停以胎生繁衍后代,只管在陆地上发明的最古老胎生化石并没有那么久远。

卵生、胎生或兼而有之

对付一个物种来说,胎生或卵生彷佛是明确的非此即彼的选择,但令人惊疑的是,环境并非老是如斯。澳大年夜利亚有一种蜥蜴:三趾石龙子(Saiphos equalis)。这种蜥蜴是少数几种“双生殖”物种之一,其显明特征是既能产卵,又能胎生。其他一些蜥蜴物种平日会在不合的情况下这么做,但在实验室里,钻研职员察看到一只三趾石龙子产下的同一胎中,包括了三枚卵和一只活的幼体。这让科学家完全惊呆了!

近日,钻研职员描述了卵生与胎生蜥蜴母体在基因表达上的差异。在一个物种中,携卵的雌性和未携卵的雌性之间有成千上万个基因表达差异,这是由于在子宫孕育卵子的时刻,某些基因会被激活。同样的环境也发生在孕育胚胎的母体子宫中。关键在于,两种环境下被激活的特定基因是异常不合的。

然则在三趾石龙子中,当母系统体例造卵子时激活的许多基因,同样也会在携带胚胎的母体内被激活。这一发明注解,这种蜥蜴正处于卵生和胎生之间的过渡状态。

这种蜥蜴终极将演化成什么样的生殖要领,今朝还无法确定。演化是一个随机的历程,并不是被指示的,跟着情况的变更,它可能会改变选择的偏向,并走上另一条路。

在演化生物学领域中,三趾石龙子可能会从胎生回到卵生的不雅点,可以说是一个相对较新的进展。20年前,科学家觉得卵生很难或者说弗成能从新演化。但从三趾石龙子之后,越来越多的钻研注解,这种环境可能相称普遍。近期对物种间遗传关系的阐发显示,某些卵活跃物与另一些胎活跃物在演化树中上有着很深的关联。

是哪些基因对象使胎天生为可能?胎生有什么基础规则吗?胎生在演化历程中是否应用了相同的基因指令?不合的物种会有相同的问题吗?

在探求谜底的历程中,三趾石龙子并不是可供钻研的一种奇特生物。海马是今朝已知雄性会有身的动物:雌性海马会将自己的卵子转移到伴侣的育儿袋内,在那里受精和发育。对海马的钻研注解,雄性海马激活的基因与其他许多物种的雌性胎生时激活的基因相同,这一点值得留意。

现在钻研的目的在评论争论的是不合的性别,是完全不合的组织,是这种特性在完全不合的物种中演化出来,而且相隔数百万年,这就像这些惊人的自然重复演化实验已经进行了数百万年。

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