卵細(xì)胞和精細(xì)胞的大小是由競爭導(dǎo)致的，有限的資源使得配子在大小和數(shù)量上形成了巨大的差異

在大多數(shù)現(xiàn)生動物中，卵細(xì)胞的體積總是比精細(xì)胞大得多。以人類為例，單個(gè)卵子的體積是精子的1000萬倍。在一項(xiàng)新研究中，美國西北大學(xué)工程科學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種懸殊的體積差異是由競爭和自然選擇造成的。

研究人員開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，考慮了動物進(jìn)化史上非常早期的一段時(shí)間，即原始物種還通過體外進(jìn)行受精并繁殖的時(shí)期。在該模型中，更大的生殖細(xì)胞（即配子）具有更明顯的競爭優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢詾闈撛诘暮献犹峁└酄I養(yǎng)；不過，更小的配子在產(chǎn)生時(shí)只需要很少的資源，這就減少了父母的壓力。

該研究的主要作者、美國西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院工程科學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系教授丹尼爾·艾布拉姆斯說：“生物體要么用最多的資源配給來產(chǎn)生最大的配子，要么用最少的資源來產(chǎn)生最小的配子。根據(jù)有性繁殖和自然選擇的合理假設(shè)，我們認(rèn)為，這種體型上的巨大差異幾乎是不可避免的?！?/p>

這項(xiàng)研究發(fā)表在《理論生物學(xué)雜志》（Journal of Theoretical Biology）網(wǎng)絡(luò)版上。艾布拉姆斯實(shí)驗(yàn)室的博士研究生約瑟夫·約翰遜是這篇論文的第一作者，本科生內(nèi)森·懷特和阿蘭·康加比爾也參與撰寫了這篇論文。

該研究小組的模型從同配生殖（isogamy）開始，在這種原始狀態(tài)下，所有配子的大小都大致相同，尚不存在明顯的性別差異。然后，研究小組開發(fā)并應(yīng)用了一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型，以說明同配生殖如何轉(zhuǎn)變?yōu)楫惻渖常╝nisogamy）。在異配生殖中，配子要么非常小，要么非常大——這便是精細(xì)胞和卵細(xì)胞的前身。產(chǎn)生精細(xì)胞的個(gè)體被定義為雄性，產(chǎn)生卵細(xì)胞的個(gè)體則被定義為雌性，也就是我們今天所熟悉的生物學(xué)性別。

在該模型中，異配生殖是在資源有限的環(huán)境中不斷競爭而產(chǎn)生的。如果配子因?yàn)樵隗w積上比鄰近配子更有優(yōu)勢而更有可能存活下來，那就會導(dǎo)致一場有利于更大配子的“軍備競賽”。另一方面，為了產(chǎn)生大量的生殖細(xì)胞，就要求生物體本身需要越來越多的資源。不過，它們可以通過產(chǎn)生大量微小的配子來節(jié)省資源。

“在進(jìn)化早期，有性生殖剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，配子是對稱的。但這種對稱性被打破了，”艾布拉姆斯說，“我們最終發(fā)現(xiàn)，一些生物體專門產(chǎn)生大配子，另一些專門產(chǎn)生小配子?！?/p>

艾布拉姆斯表示，至今仍未解開的一個(gè)謎題是，為什么自然界中仍然存在一些同配生殖的物種。例如，一些藻類和真菌要么是無性繁殖，要么會產(chǎn)生對稱的交配型。

“從查爾斯·達(dá)爾文開始，關(guān)于異配生殖的起源有很多不同的理論，”艾布拉姆斯補(bǔ)充道，“進(jìn)化生物學(xué)中的問題很難驗(yàn)證，因?yàn)槲覀冎荒苎芯慨?dāng)今的物種。我們無法看到它們數(shù)十億年前的樣子，而利用數(shù)學(xué)模型，我們可以獲得新的觀點(diǎn)和見解。”