為什麼胚胎時期人類就形成生殖細胞，而珊瑚、植物卻不這樣？| Plos Biology

無論人類還是其他多數動物，生殖細胞在生命之初就已經被規劃好了。胚胎時期，生殖細胞就已經開始形成，它們將發育成精子或者卵細胞。其中，女性卵巢在其出生時就已經保存有未成熟的卵細胞（數量固定），成年後在性激素的影響下，每月只有一個卵細胞會發育成熟。而男性有所不同的是青春期後其生殖組織會不斷產生精子。

但是，珊瑚、海綿動物以及植物卻沒有這樣的計劃：最初它們僅僅規劃軀體（營養器官）的生長，每個細胞都含有完整的染色體。時機成熟後，它們才開始生成生殖細胞（配子），並以各自的方式完成繁殖。

為什麼動物和植物生殖細胞的形成方式會截然不同呢？倫敦大學學院的生物化學家Nick Lane帶領團隊《Plos Biology》期刊發表一篇文章給出了一種解釋：這主要與避免生殖細胞線粒體基因組突變有關。

突變的窘境

線粒體是細胞能量代謝的樞紐，同時又擁有自己的遺傳物質和遺傳體系。Lane表示，高等動物在胚胎時期就形成生殖細胞系，有利於維持線粒體基因組的穩定性。

他們認為，如果人類及其他高等動物在形成配子之前，其成體細胞經過重複的分裂，那麼它們的線粒體基因可能會出現錯誤，從而使得一些配子可能會攜帶累積的線粒體突變，最終易導致後代生病或者畸形。所以，在胚胎期就形成所有的卵細胞會避免突變累積。

其實，「保護」卵細胞線粒體DNA避免錯誤的觀點早在2013年就已經被提出。但是，這一論點面臨一個問題：並不是所有的突變都是有害的。突變推動進化，它能夠促使更優化的線粒體基因形成。配子由成體細胞經過多次分裂形成，可能會累積有用的突變。進化能夠維持「好」的突變、消除「壞」的突變，最終改善線粒體質量。

胚胎時期擁有生殖細胞系的優缺點處於一個微妙的平衡中。那麼，配子如何在獲得足夠的有利突變的前提下，避免有害突變的累積呢？

進化的賭博

Lane團隊設計出一種模型，能夠為「為什麼不同的物種採取不同的生殖方式」提供合理的解釋。

對於相對複雜的動物而言，線粒體基因複製的出錯率相對較高。在這種情況下，最好的解決方案是在形成卵母細胞之前降低細胞分裂的次數，且給予比最終所需更多的生殖細胞。所以，女性出生前其卵巢中已有數百萬個卵母細胞形成，經過兒童期、青春期，到成年只剩10萬多個卵母細胞。這種剔除的過程是對突變的隨機篩選過程。

這一過程稱為「atresia」，雖然存在於多數物種中（包括人類），但是它的功能卻一直未有定論。同樣的突變也會在精細胞中累積，但是它並不會影響下一代，因為受精過程中精子的線粒體會被遺棄。

對於植物和極簡單動物而言，線粒體基因複製出現錯誤的概率很低。所以它並不需要避免線粒體基因突變，配子可以在營養器官生長後形成。這種模式可以受益於基因突變。

但是，為什麼會出現線粒體基因突變概率的差異？這依然是一個謎。科學家們推測，可能與動物進化史有關，對氧氣需求的依賴意味著細胞需要儲存更多的線粒體，從而增加了線粒體基因組複製的錯誤率。

驗證這一理論很困難

伯明翰大學的生物數學家Iain Johnston評價這一最新研究成果時表示：「它的觀點合理且令人深思。」但是，Johnston強調，即便是同一物種，線粒體DNA複製出現錯誤的概率也不毒攻，它還受選擇壓力的影響。

Lane表示，他們對有性生殖的差異提供了解釋，但是驗證這一推論卻不容易，因為沒有試驗能夠模擬出如此久遠而物種廣泛的進化史。然而Johnston卻認為，這一理論在一定程度上可以檢測，至少可以證明真偽。Lane解釋說：「或許我們可以藉助模型預測atresia和配子線粒體基因組突變之間的關聯性，並於實際的物種數據進行比對。」

參考資料：

Why humans develop sex cells as embryos — but corals don"t