為何人類卵子的體積是精子的1000萬倍? 科學家們給出答案
據外媒報導,在大多數動物中,卵子比精子大得多。 例如,在人類中,一個卵子的體積是一個精子細胞的1000萬倍。 在一項新研究中,美國西北大學工程學院的研究人員發現,競爭和自然選擇推動了這種奇怪的大小差異。
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利用數學模型,研究人員考慮了在進化的早期,原始物種使用外部受精進行繁殖的時間。 在該模型中,較大的生殖細胞,或配子,具有競爭優勢,因為它們可以為潛在的子宮容納更多的營養物質。 然而,較小的配子需要較少的資源,這給父母帶來的壓力較小。
美國西北大學麥考密克工程學院工程科學和應用數學教授、該研究的資深作者Daniel Abrams表示:”生物體要麼需要用最多的規定生產最大的配子,要麼需要用最小的配子來使用最少的資源。 我們相信這種大小差異幾乎是不可避免的,基於對有性繁殖如何運作和自然選擇如何運作的合理假設。 “
該研究報告在線發表於《理論生物學雜誌》。 Abrams實驗室的博士生Joseph Johnson是該論文的第一作者。 Abrams實驗室的本科生Nathan White和Alain Kangabire共同撰寫了這篇論文。
西北大學團隊的模型從同配生殖(isogamy)開始,這是有性生殖方式之一,在這種狀態下,所有配子的大小都大致相同,而且還不存在不同的性別。 然後,該團隊開發並應用了一個簡單的數學模型,以顯示同配生殖是如何過渡到異配生殖的,在這種狀態下,配子要麼變得非常小,要麼變得相當大–這是今天與生物性別有關的精子和卵子的前身。
在該模型中,異配生殖的出現是為了在資源有限的環境中生存而產生的競爭。 如果配子在尺寸上比它們的「鄰居」有優勢,它們就更有可能生存下來,這導致了一場有利於越來越大的配子的”軍備競賽”。 但是,生物體如果不需要越來越多的資源,就不能產生許多性細胞。 然而,它們可以通過生產大量的微小配子來節省資源。
“在進化的早期,當有性生殖出現時,配子是對稱的。 但這是這種對稱性被打破的地方,”Abrams說。 “我們最終會出現一些生物專攻大配子,而另一些生物專攻小配子。”
Abrams表示,一個仍然存在的謎團是為什麼一些同配生殖的物種今天仍然存在。 例如,一些類型的藻類和真菌,要麼無性繁殖,要麼採用對稱的交配類型。
“關於異配生殖是如何出現的,一直到查理斯-達爾文,都有不同的理論,”Abrams說。 “進化生物學中的問題是很難檢驗的,因為我們只能研究今天的物種。 我們無法看到它們在數十億年前是什麼樣子。 使用數學模型可以產生新的見解和理解。 ”