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[心情故事] 为什么双亲比多亲好?经济学家论有性生殖 [复制链接]

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发表于 2018-8-15 08:21:25 |显示全部楼层

我们常见的繁衍策略,是单性与双性生殖。大自然还有千奇百怪的方式,目的是增加找到配偶的机率,试举三例。

1)人类由X和Y染色体,繁衍出女性(XX)和男性(XY)。美国德州蚌虾的性染色体为W和Z,可配成三种性别:WW(雌雄同体)、ZW(雌雄同体)、ZZ(雄性)。雌雄同体没有雄性交尾器,不能交配但可自体受精产卵。也就是说,雌雄同体有两个机会:a)自体受精;b)与ZZ(雄性)配对。

2)鸟类一般有雄性(ZZ)和雌性(ZW),但白喉带鹀不论雌雄,头上都有白色或棕褐色条纹。它们只和异性且和不同条纹的对象交配。这种做法表示:每只鸟只有1/4的机会找到伴侣,会减少繁衍机会。研究者认为,雌雄各有两种条纹,就类似有四种性别,好像正在演化出第二套性染色体。但也有人预期,某种条纹会在演化过程中消失。这种策略的优劣,尚待长时期观察。

3)生活在淡水的单细胞四膜虫,有七种性别。每种都可和另六种有效生殖。也就是说,可以和另外86%的成员产生子代,比人类只能和50%的成员(异性)产生子代,机率高了不少。四膜虫有七种性别的DNA,交配时会移除其余六种。


本文的主题是人类,重点是解释:1)为何必须有双亲,2)为何多亲(三、四、五亲)的繁衍策略,在自然状态下没有意义。

我们的粒线体(mitochondrial)只会透母亲传给后代,万能的人类就想扮演上帝。现今技术已能让正常双亲的受精卵,注入第二位妇女的DNA,避免有缺陷的粒线体传给婴儿。这种“三亲育子”(三性体)的技术,2015年2月英国议会已通过,预计每年约有150对夫妇受益。这套手法引发道德的激烈争辩,因为这和食物的基因转殖类似,人类需要基因转殖婴儿吗?

“老妈给的粒线体”


1953年4月25日,华生(James Watson,1928—)与克里克(Francis Crick,1916—2004)在《自然》(Nature)期刊,发表人类染色体(DNA)的双螺旋模型。这项创时代的发现,开启了分子生物与遗传学的大门:DNA的结构是双螺旋状,由两条“反向平行”的长链盘旋而成。


两条链上的碱基,通过氢链连接成碱基对:一条由A与T配对(A-T),另一条是G与C配对(G-C)。A-T与G-C这两组,简要地依序排列,构成双螺旋结构。没想到人类复杂的基因,竟然结构如此简洁。这两组简单的A-T与G-C,可以创造几近无限的组合,让每个人都有独特的DNA。

我一直有个疑惑:如果造物者在A-T与G-C之外,再加上一组,譬如说X-Z,人类会变成什么样子?会有三头六臂?能增加人种的多样性?这不是更有利人类的竞争优势吗?为什么演化大神这么吝啬,只用两组元素做成双螺旋?或者反过来说,为什么造物者这么精明,只用两组就能让人类生生不息,就要接近百亿人口?

有性生殖是双亲制(二性体),这和 DNA的结构一样,都是双组制。动物通常行有性生殖,双亲基因可以融合成更新的下一代,避免基因库窄化。假如造物者让有性生殖采用多亲制,那么一父两母(三亲育子)或两父两母(四亲育子),就可增加基因多样化,增加存活机率,或减少被灭绝的机率。为什么演化大神的答案还是一样:在自然状态下,双亲就够了?

现在科技已能用人工组合基因,尝试加上第三组:这样就能把现有的20种氨基酸,提增到理论上的172种。优点是可以产生新蛋白质,制造新药物,还能有许多新用途。这种新的第三组,是人为的,是非自然的(unnatural base pair)。我们还是把议题拉回自然的有性生殖:为什么造物者偏好双组制(A-T,G-C),演化大神也偏好双亲制(父母),而非多亲制?这么基本的议题,生命科学界应该早已明白,经济学界还能插嘴么?

英国皇家经济学会的期刊Economic Journal,2017年12月刊登 Perry等三位的分析,用数学模型证明:双亲制优于单亲制,也优于多亲制。三位作者的论点很明确:从演化的角度来看,有性生殖优于无性生殖,双亲生殖优于多亲生殖。但在双亲制架构下,有两个对立性的假说,一种是基因突变说(mutational hypothesis),另一种是红色皇后说(Red Queen hypothesis)。突变说认为:双亲基因混合后,会减少伤害性的突变机率。红色皇后说认为:双亲基因混合后,可增加基因组的变化性,因而减少寄生虫或病毒的影响。

红色皇后的概念,出自刘易斯·卡洛(Lewis Carroll)的童话故事《爱丽斯镜中奇遇》(Through the Looking Glass,1871)。红色皇后对艾丽斯说,在这个国度里,想去到一个地方,必须要往相反方向走。两人愈走愈快,但诡异的是:不论跑得多快,周遭景物都没改变,还是停留在原处。在这个一切都反向的国度里,全力奔跑只是为了要维持在原地。


演化学家Leigh van Valen在1973年,借用这个故事提出一个概念:物种为了抢夺资源与生存,必须不停地优化,才能对抗捕食者与竞争者。捕食者本身也必须不停进化,才能与对手持续抗衡。所有物种都在不停地改变,但这种改变对竞争双方来说,适应度并没有因而增强。也就是说,在这个诡异的演化国度里,全力奔跑只是要维持在原地。

现在把前面提过的多亲制,拉进这个争辩里:双亲制能增加基因的多样性,但无法根绝病毒的威胁。多亲制的好处,是可以从更多父母得到更多样化的基因,这不就更能减低病毒的威胁吗?以三亲育子为例,基因来源多一个,并不会付出多少额外成本。从突变说的角度来看,多亲要比双亲好。如果三亲比两亲好,同理可证双亲比单亲好。

单亲制就是无性生殖,好处是亲子间的基因都一样,突变机率小。缺点是当外界环境变化时,不易适应新变化。三亲制的优点,是基因变异较大有利存活,但有个明显缺点:无法解释为什么,自然界不存在三亲制?

红色皇后说很能解释,双亲制优于单亲制(无性生殖),因为双亲制的基因较多元,较易抵抗病毒。如果双亲制优于单亲制,三亲、四亲、五亲制也应该优于双亲制。皇后说的缺点是:无法解释自然界中,为何不存在三亲、四亲、五亲制。现在问题就很明确了:为何双亲制才是造物者的最佳选择?

大自然中真的没有三亲制吗?生物体大概没有,但病毒中则常见。病毒的DNA中,常见双亲、三亲、多亲的组合。为什么病毒要多亲?可能的原因是:基因多元化后,突变机率大,不易被白血球或抗生素消灭。只要想想为何流行感冒无法绝迹,就明白多亲制的演化优势。

但多亲制的缺点,和家里有小三小四一样,会造成很大的协调成本,明显弊多于利。照这样说,单亲制最好,自己做决定,不必牵拖别人,协调成本最低。单亲制的缺点也很明显:基因固定化,子女单调化。只要想一下单亲家庭的优缺点,就明白了。所以常规家庭都是双亲,生物的 DNA 也是双组。

人类的卵子通常只接受一只精虫,之后就把大门关上。鸟类、蚂蚁、蜂、虾、蛇、蜗牛、龟、果蝇的卵,可以接受复数精子,之后挑选一只受孕。这些母体如果和两只以上的伴侣交配,就有可能一卵多精,这算是多亲制吗?应该不是,因为最终只会选择一只精虫,所以还是一精一卵的双亲制。

蚯蚓是雌雄同体,为何还要异体受精?既是雌雄同体,就可自我交配,岂不更省事?道理很简单:自我交配,每次只能让一条蚯蚓受孕;异体交配,每次有两条受孕,生殖力差一倍,对族群繁衍非常有利。人类一次通常生一胎,远远比不上**动物的生殖率(例如鱼卵有数十万个),很需要靠父母养护,甚至大学毕业了还没谋生能力。

以人类为例,为何双亲育子(二性体)的策略优于三亲(三性体)?这是成本不效率的问题:一男一女即可生育,为何需要双男一女?三亲制反而会减少繁殖率:1+1=1和2+1=1,你说哪个合算?一个卵子配合两只精虫,就是浪费。单亲制呢?人类是有性生殖,单亲不可行。为何家庭通常是一父一母?一方面生殖成本最低,二方面协调成本也较低。

还有红色皇后的假说没讲完。前面说过,双亲基因混合后,对寄生虫与病毒较有抵抗力。若这道理成立,三亲、四亲、五亲就更能减少疾病机率。但为何还是双亲具有长期优势?如果三亲的优点是“道高一尺”,病毒的特色就是“魔高一丈”:因为人类的DNA只有两组,而病毒的DNA甚至有三组或更多组。病毒总能在基因突变上,比人类产生更高存活机率的下一代,然后迅速复制。

单性生殖的基因容易固定化,只能“道高半尺”。当病毒“魔高一丈”时,马上就会造成“魔灭道”,威胁到族群的存续。双亲制能让“道高一尺”,但病毒的多组DNA,就能“魔高一丈”,就这样无限循环地斗下去。

现在换个角度来看,你认为三亲育子,能产生“道高三尺”的效果吗?就能压抑“魔高两丈”的病毒吗?不会,“道高永远一尺,魔高永远一丈”。因为不论是三亲、四亲、五亲,他们的DNA都是两组制。一个父亲的精子是两组制的DNA,三个父亲的精子,也都是两组制的DNA,就算有一百个父亲的精子,也无法对抗病毒的多组DNA。若要费好几个男性的生殖力,才生出一个子代,对抗病毒还是无效,真的很不合算。

换句话说,三个臭皮匠真的比不上一个诸葛亮。那人类怎么办?只好发明抗生素与疫苗,但也只能治标不能治本,每年每代都在和病毒做永无止境地斗争。演化大神比我们更早明白这个道理:单亲制会让基因窄化,多亲制会浪费生殖资源。造物者选择了双亲制,因为生殖成本最低、协调成本最小。虽不完美,但也够了。


参考书目:

“Artificial gene synthesis”, Wikipedia.

Perry, Motty, Philip Reny and Arthur Robson (2017): “Why sex, and why only in pairs?”, Economic Journal, 127:2730-43.

《疯狂且不寻常的爱》,《BBC知识》国际中文版,2018年5月,页74-5。


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