性——一個問題

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對於性，你了解多少？

這差不多是一個初中生會懂的：性別有兩種。人類的性別由XY染色體決定。性與生殖密切相關，男性產生精子，女性產生卵細胞，精卵結合肇始新生命。

醫學生則會知道得詳細些：雄性交配引發性高潮(orgasm)，使精液進入雌性體內。精子進入陰道與子宮腔，頂體表面的糖蛋白被降解，頂體膜發生變化，精子獲得受精能力，稱獲能(capacitation)。精卵相遇，頂體外膜破裂，釋放頂體酶，溶解放射冠和透明帶，稱頂體反應(acrosome reaction)。由此精卵具備融合的能力。卵內產生溶酶體酶，改變透明帶結構，破壞精子受體，擋住其他精子，稱透明帶反應(zona reaction)。精卵胞膜融合，精原核入卵。卵子迅即完成第二次減數分裂形成卵原核，精卵原核融合，核膜消失，染色體混合，形成受精卵(zygote)，此為點睛之筆，稱受精作用(fertilization)。

別小看這看似平常的過程，生命就是這樣起源的。不過現實中，人們可能並不把它看得有多麼偉大。興起於第二波女性主義浪潮中的性解放運動導致性行為變得更為隨便，由此竟歪打正著地催生了關於墮胎權的爭論。那些被意外懷孕困擾著的女性也許有一大堆問題：「性幹嘛非跟繁殖聯繫在一起呢？既然跟繁殖聯繫在一起，為什麼只歌頌新生命，不歌頌做愛呢？」她們的思想肯定很危險。她們可能有所不知，搞清楚這些問題的結果，可能是摧毀我們已經構築的生命圖景。

1.性的本質

不過還是要說，性與繁殖之間邏輯上不是必然聯繫的。何況，作為一種繁殖方式，用John Maynard Smith(1971)的話說，其代價也過於高昂。按照Richard Dawkins所著《自私的基因》(the Selfish Gene)的觀點，物種不過是基因設計出來，用以獲取資源創造後代，從而使基因不斷向未來傳播的機器。套用一下這個觀點。若雌性把所有的資源都用來進行自身複製，那麼她比如至多能產生100個後代——全是她的克隆。然若她選擇了性，後代還是100個，但基因僅複製了50次。何況還有限制條件：尋找配偶、成功受精等，那麼100個或許還只是理想情況。性速度慢，耗資大，效率低，錯誤多，還會增加成為天敵盤中餐的幾率。同時，正如「雙倍代價」(twofold cost of sex)論(J.M. Smith,1978)所說，從整個種群來看，性意味著繁殖速度減半。

所以，假設某天一個有性種群中，某個傢伙的性被變異摧毀了，於是它只能通過克隆來繁殖。因為極大的速度優勢，這個怪胎將在短時間內數目暴增，隨後處在進化上風，最後佔領整個種群。實際上，這樣的事在歷史上發生了多次，（美洲螯龍蝦(Procambarus virginalis)就是一個這樣的例子。2018年2月的研究發現，這些克隆體全都是一隻雌性的後代，而且是三倍體。由於起源得太晚，它們正在愈演愈烈，還沒有到滅絕的地步。）但絕大多數最終都變成了黑車司機，以飛快的速度載著這個種群開上了進化的死路（一種水蚤便是如此）。

更具說服力的數據來自統計。20%的真菌，10%的蕨類植物，極少（＜1%）的動物和種子植物放棄了性（而這些例外大部分起源都極其晚近）。這些例外包括細菌、原生動物、某些遷移/侵入物種（比如一種蟻Cerapachys biroi(2012)）、幾種介形蟲、一些植物與很多無脊椎動物。在1932年以前，沒有人發現脊椎動物中的反例。隨後，一個乖張的典範——亞馬遜帆鰭鱸(Amazon molly,學名Poecilia formosa)出現了。此後又有魚類、兩棲類、爬行類中的幾十種克隆體被找到。還有很多（＞50種）物種，如水蚤，是兩種方式通用的。

如果性的優越性的確很牛掰，那麼無論是經驗上還是理論上，性似乎應該要比克隆提供更短時間內的生存可能性。哪來的優越性呢？100年前，德國的August Weismann就提出，性增加了多樣性，故提高了自然選擇的效率。不過他沒有受到太多注意。20世紀下半葉開始，眾多大牛著書立說。Hermann Joseph Muller (1964)的棘輪理論(Muller』s ratchet)、Alexey S.Kondrashov(1982,1988,1993)的（確定性）突變假說((deterministic) mutational hypothesis/Kondrashov』s hatchet)、紅皇后假說(Red Queen Model,Bell,1982;Hamilton,W.D,1980,1990等)、Otto & Lenormand(2002)，還有William(1975)和Rice(2002)……在20世紀下半葉，幾乎平均兩年就有新理論出現。不過最有影響力的，當屬前三個。

Alexey S.Kondrashov在1982，1988和1993年在各種期刊上發表文章，提出「如果每代每個基因組的有害突變率足夠大，針對這些突變更嚴厲的選擇將導致性的進化和相關現象的出現」。其中的邏輯在於，克隆體親子的基因組總是基本相同，在傳遞的過程中積累突變（大多數不利），導致一個種群的適應性下降。但性屏蔽掉了這些有害突變。

性是怎麼屏蔽有害突變的？2016年，一項研究表明，可能其實是以殘留出一批帶著大堆有害突變的個體（適應性很差）為代價。Kondrashov與M. Sohail,Olga A. Vakhrusheva等聯名發表了一篇文章，其中提到了協同上位性。這指的是突變的協同作用：某些突變的產生原本並不要緊；另外一些突變卻可能會將這些突變的害處無限放大，與它們一起導致系統崩潰。這一攬子突變同時發生，就可被打包清理掉。M. Sohail根據突變率和其他因素，計算了人類和果蠅的突變分布在沒有清除作用的條件下應該呈現的情況。隨後轉向觀察數據，便發現攜帶大量危險突變的個體數量比預期少得多。研究者認為這是因為性。性源源不斷地創造出優勢個體，克隆體就不是這麼回事，它們會集體衰退。

上面這篇研究本身就是突變假說的證據之一。此外，2006年，Michael Lynch與S. Paland合作研究了蚤狀溞(Daphnia pulex)，2013年他又和Abraham E. Tucker等一眾人研究了這個物種。兩個研究都提示，無性世系比有性世系攜帶了遠更多的有害突變，這導致了無性種群的極端短命。看來，突變假說的確很有道理。

紅皇后假說的核心在於，「當一種寄生體充分致命，大掃蕩的發生卻不太頻繁的時候，性將比克隆更加成功」。這跟Muller棘輪有異曲同工之妙，因為後者大抵也是在說，單一的基因型很容易因為某種特定的環境因素而損失慘重。事實上，很多生物都兼備性與克隆的能力。它們可能在溫和條件下進行克隆，而在嚴酷條件下採用性。

酵母即屬此例。2005年，Matthew Goddard等人把一些酵母的兩個減數分裂的基因——SPO11（編輯一種核酸內切酶，能催化DNA雙鏈斷裂（故得名），啟動四分體交叉互換）和SPO13（能防止減數第一次分裂中姐妹染色單體分離）全都剪掉，使它們失去了性。當用幾乎絕食的方式培養所有的酵母時，保留組便顯示出優於剪除組的生存能力。

有關寄生蟲的研究如2017年，Stuart Auld等把誘導兩種生殖的水蚤分別暴露在它們的自然寄生蟲感染環境中，發現有性組體現出了近2倍左右於無性組的生存能力。

證據不止出於實驗室。生活在紐西蘭的湖裡的螺Potamopyrgus antipodarum兼有性與克隆。Curt Lively等用了近30年時間苦心研究這種螺和一種能使之絕育的吸蟲，結果於2009年7月發表。在過去15年里，Lively等記錄下了一部分克隆體受寄生蟲驅動的繁榮和蕭條，這種循環符合紅皇后假說的預測。克隆體（也是最常見的品種）們一開始是堅不可摧的。隨著時間流逝，它變得弱不禁風。到了2004年，這些螺幾近絕跡。與此同時，1994年的一種罕見的有性品種卻變成了最為常見的。Lively驚詫地說：「不曾料到能在我們的一生中看到如此劇烈的變化。」

歷史中也存在類比的例子。納粹和後納粹集團就曾打著種族純化的旗號，還有大清王朝的閉關鎖國障目塞耳，他們最後都失敗了。紅皇后假說與Muller棘輪無疑值得肯定。

這兩個理論因而受到鼓吹，人們費盡心思找證據和逢寫論文必引用，可是卻有人迷失了方向，把它們當成了必要性或認為它們矛盾很大，。聲稱反例的發現推翻了它們，這大錯特錯。其次，兩個理論單獨存在也是沒有用的。它們一個關注靜態（外在），一個著眼動態（內在），形成了互補，全面闡明了性的重要性。

對於細菌來說，質粒(plasmid)的交換和轉位因子(transposable elements,TE)的跳動取代了性。前者是一種環狀DNA，可被細菌吸收或（在細菌死亡後）釋放；後者則是小段的DNA或RNA序列，在幾乎所有的細胞中都被發現，能在（細菌的）DNA和質粒上移動，故又稱跳躍基因，同時是一種誘變因子。質粒與轉位因子的流動不但是菌株之間的，更是菌種之際的，這就是水平基因轉移(horizontal gene transfer,HGT)。它正是細菌的抗藥性的罪魁禍首。

對於原生動物來說，除去那些進行同配生殖的物種以外，性則意味著接合，即悄然靠近另外一個同類，溶解掉彼此的細胞壁，細胞質和細胞核相繼混合。當它再度分裂為兩個細胞時，就無法再區分彼此。它的最初發現幾乎瓦解了我們對性的認知。

不過這些還不是僅有的。人們曾考慮過梅塞爾松效應(Meselson Effect)，它曾企圖預言克隆體通過獨自積累突變，最終體現出更高的多樣性。在賈第蟲(Giardia)、甲蟎(oribatid mite)、環柄菇科(Lepiotaceae)真菌、Darwinulid ostracods（一種介形蟲）以及某些扁盤動物(Placozoa)這樣曾經發生過從有到無的轉變的候選對象身上，梅塞爾松效應清一色地沒有被觀察到。但歪打正著的是，人們發現了蛭形輪蟲(Bdelloid rotifer)。

作為克隆體，它已經存在了幾千萬年，怪異得以至於J.M. Smith稱之為「進化的醜行」(something of evolutionary scandal)。在Bdelloidea這個目中，至少有460個種。人們發現，蛭形輪蟲的起源與幾千萬年前其二倍體祖先的全基因組複製事件有關，這導致蛭形輪蟲變成了雙二倍體（簡併四倍體），並可能因此失去了性。

它與水熊蟲十分相似，長度不到半毫米的身體裝著複雜而完善的器官結構。它們能耐受大跨度的溫度與酸鹼度，全球性分布，幾乎能在任何淡水環境中被找到，可以抵抗極端乾旱與高能電離射線，對於擁有極強的DNA的重組和修復能力，可說是分布最廣的微無脊椎動物之一。作為進化的怪胎，它早就引起了高度注意，其基因組、轉錄組（轉錄產物的總和，可以近似理解為mRNA）或是其他可能有核酸活躍的地方，都是潛在謎底。研究發現了多以轉位因子的形式存在的外來（包括細菌、真菌、植物）序列；又暗示它存在大規模的水平基因轉移；又發現蛭形輪蟲可能在同屬的種間存在（等位）基因共享（雜合化）……

依此來說，我們就不難得出結論，性本質上是一種基因交流(genetic mixing)。在一個無性種群中，自然選擇會幾乎以世係為單位清除不利個體，這將造成很多浪費。而一旦進行基因交流，其增益就很有可能立刻體現，這應該就是性，也即基因交流所提供的短期生存可能性。同時，從兩種反面意義上，這種解釋提供了更少的理論前提。其一，避開基因交流，自成一家的種群會被清除。我們沒能在蛭形輪蟲的身上整理出系統的理論，就沒法深入地了解這個怪胎了。2018年2月，由七國學者組成的一個團隊，在《自然》上聯名發表了一篇研究，全面分析了另外一個無性物種：亞馬遜帆鰭鱸，它身上發現了遠大於有性種群的多樣性。

這種生活在墨西哥灣海域的魚，需要相同地區其他有性近親的精子來啟動胚胎髮育。但這個精子不會被吸納，新個體仍然只是母親的克隆體。研究估計，它的起源至少要追溯到10萬年前（幾十萬代的克隆世系），這已遠遠超出了先前計算的預計滅絕時間(predicted extinction time,PET)。同時找出了它轉變的原因：莫名的干擾把某次減I變成了（類）有絲分裂，創造了一個二倍體配子，從而開啟了亞馬遜帆魚雌核生殖的進程。

人們同樣在亞馬遜帆鰭鱸的身上發現了水平基因轉移，而轉位因子可能正發揮了關鍵作用，這或許正與它用別的動物的精子來觸發自身胚胎髮育的行為有關。然而當研究者考慮轉位因子的存在時，重新計算的PET只多出了一丁點，根本無法解釋10萬年這個時間跨度。

為此，團隊研究了另外一種基因交流的行為——種間雜交。實際上，大約10%的動物種群會有規律地與至少一個其他物種發生雜交。由性創造出來的多樣性，是一個理由充足的起點，它賦予了轉向克隆的突變體佔領整個種群的能力，也帶來了無限的危險。一旦轉向克隆，雜交就是一種可能的生存策略。團隊提出了冷凍雜合體基因組假說(frozen hybrid genome hypothesis)，認為亞馬遜帆鰭鱸正是一種冷凍雜合體(frozen hybrid)。研究認為：無性的失敗不是因為克隆體相比於性有劣勢，而是找不到能跟它雜交的有性物種。

這即說明，以複雜（而嚴酷的）環境條件作為前提，則失去了性未必滅亡，但失去了基因共享必然滅亡。

其二，是避開基因交流的個體會被清除。考慮一種極具誘惑性的行為。冒著莫大的風險與另外一個個體做愛，與保持我身上的一些運轉良好的基因組合，哪個更好一些呢？在克隆與性的紛爭中，也正存在這樣的邏輯。如果這樣的作弊行為毫無限制，自詡清高就會成為進化主流，種群中不再產生新的個體，結果不是跟克隆體一樣就是比克隆體更慘。生命進化出很多防止這種行為的機構裝置。做愛時強烈的快感，還有複雜的性反應機制，以及衰老都是其例。前兩個顯而易見，衰老何從談起呢？

有句老話說：「腎上腺素決定出不出手，多巴胺決定天長地久，5-羥色胺決定誰先開口，端粒酶決定誰會先走。」2010年，科學家成功地逆轉了小鼠的衰老，這可能是個令人振奮的好消息，但也可能意味著一場災難。

一般來說，細胞的分裂需要遺傳物質的複製。

DNA的雙鏈是反向互補的。相鄰核苷酸之間通過3,5-磷酸二酯鍵連接，這個名稱意在表示它是五碳糖中，5號碳上的磷酸基（上的一個羥基）與3號碳上的（醇）羥基結合形成的。所以鏈端會分別出現裸露的磷酸基和羥基，分別稱5』端和3』端。聚合酶只能單向複製，且需要一個往往幾個到幾十個鹼基長的核酸作引物，引物由DNA聚合酶α合成。對於舊雙鏈中的其中一條，複製起點是舊鏈的3』端（新鏈的5』端），聚合酶ε以之為模板，暢通無阻地合成一條5』→3』的新鏈；另一條舊鏈的起點是5』端，聚合酶無法合成。

細胞解決這個問題的方法堪稱巧妙。它先在該鏈起點前面的某處置一小段RNA作引物，聚合酶δ合成一小段DNA，再一直合成到複製起點；再放引物，再合成DNA；再放，再合成……最後，就出現了許多被RNA隔開的小段DNA（岡崎片段）。然後這些RNA被清除，聚合酶再以岡崎片段為引物剩餘的鏈。但鏈仍不完整。空缺在於兩端。而端粒就是用以修復它的。

2009年，諾貝爾生理學或醫學獎被授予Elizabeth Blackturn、Carol Creider和Jack Szostak，以表彰他們在這方面的貢獻。端粒出現在染色體的末端並不攜帶遺傳信息，表現為某個固定重複的序列（如人類是TTAGGG），其最重要的結合物或相關蛋白是人端粒重複序列結合因子(telomeric repeat factor,TRF)，分為TRF1和TRF2。前者對端粒長度有減損作用，且可抑制端粒酶的行為；TRF2則可以防止染色體末端相互融合，對維持端粒的正常結構必不可少。每複製一次，端粒就捨己為人，丟失一段。這樣，端粒逐漸耗盡，細胞將漸趨衰老，因此它被看作是生命的時鐘。而端粒酶則可以修復端粒。

人端粒酶廣義上來說是一種核酸-蛋白複合物，由互補於端粒DNA的RNA亞基(human telomere RNA,hTR)和端粒酶相關蛋白(telomere associated protein,TEP)（如hTERT,hsp90,hEst1A和hEst1B等）組成。這樣一來你估計也快猜到每個部分是幹什麼的了。hTERT是關鍵結構和主要調控亞單位，由1132個殘基組成，能逆轉錄hTR合成端粒並添加到染色體端。自1985年在嗜熱四膜蟲(Tetrahymena thermophila)中找到了端粒酶後，人們發現端粒酶活性在癌細胞等不死性細胞和受精卵（胚胎細胞）中存在，而在大多數正常體細胞中無法檢測到端粒酶活性。故對於正常細胞來說，存在一個時限（稱Hayflick極限）使之達到後失去複製能力，從而逐漸衰老（和死亡），而只有接合才能讓時鐘重置。這樣就能清除不進行基因交流的個體。

這樣的障礙並不僅有。實際上，在雌雄同體生物身上，無論是漸滲雜交還是自體受精，最終結果都只能是一個世系在若干代以後變得完全同質。蚯蚓是雌雄同體生物，雌雄生殖器十分接近，但無論如何彎曲都無法自體受精。有些植物的花朵雖然雌雄蕊皆有，但要麼是化學或物理上的障礙，要麼是成熟時機不同阻礙了自體受精。

阻礙機制的存在，再次把我們導向了由它引起的災難性後果。但是，基因共享的手段還不存在時，是什麼讓生命得以延續？也許可以另闢蹊徑式地認為，共享一開始就無處不在，那時甚至沒有個體可言。只有當性的穩固機制確立起來以後，個體才獲得了立足之地。讓我們回到幾十億年前，岩漿味奶油彗星佳釀。20世紀生物學最偉大的思想家與創新者Carl Woese在20年前曾提出過，生命可能起源於一種沒有邊界的「超有機體」(superorganism)，那時，所有的生命都共享基因和新陳代謝。而性或者其他方式，則其實是在邊界與隔離出現之後，仍繼續進行基因交流的手段。事實上，生命從未放棄共享，我們看到不應該是進化樹，而是「進化網」。這個觀點也被David Quammen支持，他在2018年8月出版的著作《交橫的樹：生命新史》(The Tangled Tree: A Radical New History of Life)中，給出了它最具說服力的一批證據。

再來說性。性（尤其是兩性）是作為一種最容易實現的基因共享的方式進化出來的。從水熊蟲、蛭形輪蟲兩例能夠看到，或許找到合適的雜交適配體能夠導致的成功將是巨大的，但這樣的幾率太小了。可以想像，邊界、多細胞生物的出現，都是對基因共享的打擊。為此，通常只有不同的個體相互接觸，才能使具有現實意義的基因共享成為可能。這最終使我們重新回到了Weismann，作為增加多樣性的方式是一種表象，多樣性的唯一途徑是基因共享，性則是基因共享的最重要方式。其次，為了減小損耗，性就十有八九要與繁殖聯繫在一起，甚至成為繁殖的方式。在多細胞動物（尤其是結構複雜的高等動物）身上，性也作為一種決定新個體基因組的方式存在，因為任何對成年個體中個別細胞的改變，其效果往往都是微乎其微的。顯然，性為什麼是繁殖方式，和性有什麼好處是兩個問題。「性不必與繁殖聯繫在一起」，但這樣一來，就不會再稱作性了。

再次，它是在多細胞生物，尤其是在更高等的動物中，作為一種個體選擇基因共享的對象的方式進化出來的。雌雄異體、體內受精可能只是早期的預兆，而配偶選擇（行為）的意圖則非常明顯。如果你依然覺得過於抽象，我舉個更加具體的例子。位於人類6號染色體的主要組織相容性複合體(Major histocompatibility complex,MHC)含有負責人體免疫功能的基因，具有廣泛的多態性(polymorphism)。MHC基因相異的男女所生的孩子相對更加健康。研究發現，男女雙方MHC基因的異同與相互吸引存在關聯。MHC相異的雙方將會對對方體味產生好感，情慾更加旺盛，婚姻更加穩定（不易出軌）。反之，這些指標全都降低。這個基因被廣泛地研究，因為它被懷疑間接地驅動了多樣性。

綜上來說，性不愧是大自然鬼斧神工的偉大設計。基於此，性變成了生物界中最紛繁的構造之一。（2016年發現的一種「四根千足蟲」，有4根陰莖（確切地說，生殖肢）。）但同時，它需要一定的支撐條件，如足夠大的種群和足夠豐富的基因庫，這正是物種越珍惜滅絕越快的原因之一。性的意義已被我們找到，那麼性的起源呢？遺憾的是，不像可以在實驗室里煮酒論生命起源那樣，我們找不到什麼明顯的跡象以及證據。不過，性的神秘面紗已漸被揭開，革命因故才要開始。

參考文獻/書目

（在另一篇文章中給出）

2.從有性到無性的驟變是可能的嗎？

這樣的途徑很多，起因可能是漸滲雜交（兩物種的雜交後代與親本反覆回交）、全基因組複製事件、自體受精，甚至一個小突變。事實上，有一個極端的例子，幾種矮竹節蟲Timema douglasi、T. shepardi、T. monikensis、T. tahoe和T. genevievae等，它們曾從各自的有性祖先處進化出來，並失去了性。（T. douglasi可能曾在進化史上延續了上百萬代，T. genevievae據估計也可達1-2.2百萬年。）對它，以及其他一些物種的研究(T.Schwander &B.J. Crespi,2008)表明，「從一個有性種群中，克隆體可以避開自體受精的緩慢過程而突然產生；發生向克隆體的直接轉變之後不久，物種依然保持著性的效應。這兩種特徵都能絕對地導致這個克隆世系（一開始）在統計學上的巨大成功」。事實上，一旦發生這樣的轉變，物種將會變得極其危險。

參考文獻：

Schwander T, Henry L, Crespi B J. Molecular evidence for ancient asexuality in timema stick sects.. Current Biology, 2011, 21(13):1129-1134.

Schwander T, Crespi B J. MULTIPLE DIRECT TRANSITIONS FROM SEXUAL REPRODUCTION TO APOMICTIC PARTHENOGENESIS IN TIMEMA, STICK INSECTS. Evolution, 2009, 63(1):84–103.

3.關於性的起源的相關線索

性有時被用作抵抗策略（環境極其惡劣，或者遭到寄生體等惡性攻擊時），這些案例是否可以作為性起源的關鍵證據？好像未必。當初進化出來的時候，性有什麼優勢？而且，還有一個更加現實的問題，即便一個常規進行克隆的個體發生突變，導致細胞分裂發生在DNA複製之前（相當於減數分裂），這些細胞也將很可能永遠不會遇到另一個帶著一半DNA的細胞，因為這個種群中其他個體並沒有發生這樣的變化。

利什曼原蟲(Leishmania spp,泛指利什曼蟲屬的錐體蟲科原蟲，一種引發利什曼病的原生動物，在我國分布的主要是杜氏利什曼原蟲，全球感染人數達1200萬)和陰道毛滴蟲(Trichomonas vaginalis, 寄生在人體陰道和泌尿道，主要引起滴蟲性陰道炎和尿道炎，以性傳播為主)，它們都不像是有性的物種，但2009年，M.A.Miles等發現利什曼原蟲出現了性重組的跡象、2007年，John Logsdon察覺到陰道毛滴蟲的基因組含有減數分裂的所有所需基因，這提示它有可能「曾今是一個這樣的物種」。這還只是開始。Adam Wilkins與Robin Holliday的研究發現，減數分裂的一些關鍵步驟——比如二倍體細胞變成單倍體細胞的過程，很可能早在性存在之前就出現了。而且令人茅塞頓開的是，儘管打破傳統思維，但這卻合情合理。

Wilkins 和Holliday的假說始於早期克隆體真核生物的基因組的膨脹。儘管大多數類似於變形蟲的古代單細胞生物很可能是單倍體的，就像現代的細菌，今天真核生物的基因組可能是細菌基因組尺寸的數千倍，而且許多研究提示，在幾十億年前，它因為入侵的類似於病毒的DNA片斷（稱為移動元件）而膨脹。

最初，這些早期真核生物僅僅通過複製它們的巨大的單倍體基因組並進行分裂從而生殖。但是Wilkins 和Holliday提出，在某一時刻，二倍體細胞出現了。例如，兩個單倍體細胞可能融合起來，或者一個細胞可能在複製其DNA之後沒能分裂。如今，一些真菌也經歷這種二倍體階段。

參考文獻：

John L, John G J, Kholia T. A reverse vaccinology approach for the identification of potential vaccine candidates from Leishmania spp. Applied Biochemistry & Biotechnology, 2012, 167(5):1340.

Malik S, Pightling A W, Stefaniak L M, et al. Correction: An Expanded Inventory of Conserved Meiotic Genes Provides Evidence for Sex in Trichomonas vaginalis. Plos One, 2008, 3(8):e2879.

Wilkins A S, Holliday R. Anecdotal, Historical and Critical Commentaries on Genetics: The Evolution of Meiosis From Mitosis[J]. Genetics, 2009, 181(1):3.

4.多性劣勢問題的展望

基因共享理論必須解決兩個問題：

第一個問題：基因共享有什麼好處？

第二個問題：什麼樣的基因共享有好處？

這個問題延伸出兩個此生問題：

1、為什麼有性生殖成為主流的基因共享的方式？

2、為什麼不存在擁有三及以上種性別的系統？

第一個問題、第1個問題我們都已經解決了，多性的缺點在哪，是一個似乎還沒解決，也沒有被國際同行引起注意的問題，從相關論文的引用量就能看出來。而基於這些問題發展起來的一些理論因為只有零星科學家，所以往往漏洞也很多。關於三性、多性，幾乎沒有可供研究的反例，或許這正是這個問題不被重視，以及這個問題難以研究的原因。至於有人可能會舉一些真菌、植物、病毒甚至人為反例，這裡就順帶介紹一下。

有一種黏菌——多頭絨泡菌(Physarum polycephalum)，其性別決定基因是matA，matB，matC，而這三個基因又分別有13,13,3種等位基因。於是這種生物堪稱擁有507種「性別」。

嗜熱四膜蟲據稱有7種性別。（見 http://www.kejixun.com/article/201407/54878.html，Eduardo Orias，加州大學聖塔芭芭拉分校的榮譽教授，發表了好幾篇關於嗜熱四膜蟲的研究（篇幅限制，這裡不在列舉）

她花了幾乎畢生精力研究這個物種，可以說是這方面的專家。）

一些蜥蜴據稱出現了三種性別，原因是它們體現出雌性，雄性和雌雄同體。

植物的開花方式有很多種，有雌雄同花(兩性花，約佔72%)之於雌雄異花(可更分雌性同株(monoecy)，如銀杏和葎草，指同一個體既有雄花也有雌花，但兩者並不同花，佔5%左右；雌雄異株(dioecy)，如黃瓜，日日櫻，指同一個體有的是雄性，有的是雌雄，佔4%左右)、雄全同株(andromonoecy，開兩性花的個體出現雄性花，如在滇西北有分布的開瓣百合、甘肅一帶的文冠果，佔1.7%左右)之於雌全同株(gynomonoecy，如分布於我國新疆的異翅獨尾草，佔2.8%左右)、雄全異株(andromonoecy，有的開兩性花，有的只開雌花，如中國特有的孑遺植物銀鵲樹（又叫癭椒樹）)之於雌全異株(gynomonoecy，極其稀少)。

這些植物的「性別」是怎麼受基因控制的？舉例來說，甜瓜(Cucumis melo)，其「性別」受控於兩對等位基因andromonoecious(a)和gynoecious(g)，G顯性表現為主枝雄花、側枝雌花(A_G_)或兩性花(aaG_)；當g隱性時，植株只開雌花(AAgg)和兩性花(aagg)。黃瓜種類似的基因有三對，F控制雌性植株，FF為雌全異株；a控制雄性植株，aaff為雄全異株，而M基因則抑制花藥的形成使其表達為花瓣，產生純雌花。

1983年C.S.H.Young等發現，腺病毒(adenovirus)存在三個或多個個體的基因混合現象。此外，對於兩母一父胚胎技術，核內基因是一對父母的，而線粒體DNA是另一個女人的，這將防止一些線粒體病的出現，從而提高生物的適應能力，這第二個女人為新的個體貢獻了0.1%的基因。

就在此前，有一篇文章還聲稱「除男女之外，還有多種性別」。這篇文章列舉了種種性染色體異常引起的疾病，包括特納綜合征，超雄綜合征等。

精子競爭(sperm competition)這種機制的存在防止了一母多父，多精入卵，甚至一雌多交的出現，還分為防禦性(defensive)和侵略性(offensive)兩種，前者例如配偶保護（攻擊試圖接近雌性的個體）、交配塞(copulating plug)、精子分割(sperm partitioning)，以及釋放物質，阻止雌性與其他個體性交等。後者如果蠅，它們可以釋放一些物質，殺死其他個體排入雌性個體的精子。這意味著，兩性生物有意防止多個體混合的出現。而這正是一種不同性別的外在顯現決定遺傳材料混合方式的經典機制。

但是，以上這些案例全都可以忽略。擁有基於基因共享的繁殖機制的生物，我們就可以用它們的後代的核遺傳物質由多少個個體組成來界定它們有多少種性別。這樣一來，上面大部分案例都排除了。而腺病毒的「三混合」現象，幾乎所有的生物學家都不認為那是有性生殖。至於兩母一父胚胎，由於它的製造具有目的性，所以並不能體現多性在於兩性有什麼優勢或者劣勢。

我們先來考察一下經典的基因共享的純數學模型：

突變假說從突變的分布規律建立，而紅皇后假說則希望從外部淘汰機制解釋性存在的緣由。有一點是非常明確的，基因共享提供了一種更大的創造出優勢個體的可能性。現在我們來試圖建立一個模型。考慮一個克隆體種群，出現了若干個世系，不考慮突變率，則一個種群應該表示成一個二維矩陣列：

相應地，也就有

但由於在無性種群中，不考慮突變率則個體可以代表世系，所以表示成單個二維矩陣

行表示世系（意味著矩陣中，aij因為劣勢而被消滅了，則ai1,ai2,...,ain=0），列表示等位基因系。

現在假設出現了一些惡性攻擊，K-1,K2,...,Kp，它們在矩陣中對應一些區域，這種分布使得如果將矩陣中的ij元皆看成個體，則對於該區域內的所有aij，當攻擊K發生時，這個區域內的aij皆被負選擇，或皆被正選擇，而不論它們在多大程度上被選擇。

當把元看成個體時，Kk發生，淘汰的是區域內的所有個體；但現在矩陣T內，代表個體的是行，而在克隆體種群中，個體與世系等價。所以淘汰的基因所在的行的所有基因全部淘汰，這個行代表的世系皆淘汰。這就意味著設前者淘汰的基因數量是N,後者淘汰的基因數量是N』，則必有

N≤N

也就是說，在無性種群中，對於某種類型的攻擊Ki，即便一些基因不是Ki的負選擇基因，甚至是Kj(j≠i)的正選擇基因，但這些基因仍被淘汰了。設攻擊的種數為h,根據實際情況，假定這些攻擊一併發生可以淘汰所有個體，換句話說，這些攻擊對應的負選擇區域的集合遍歷所有的元；假設有h』種攻擊，其所代表的負選擇區域的集合能遍歷矩陣中所有的行，則必有

h≤h

很有可能出現的情況是

h＜h

甚至

h<<h

剩下的基因仍不變，隨著攻擊的種類變多，種群將迅速滅絕。注意到突變的多數不利性，即便考慮突變率，其結果從統計上也只會加速種群的滅絕。

現在拓展到存在基因共享的種群。不考慮突變率，則在矩陣Tijk中，k表示m×n個元的排列方式，在無性種群中，q中排列方式都是相同的。在存在基因共享的種群中，q未必相同，大多情況下不同。在這種情況下，不考慮基因頻率，則基因共享所表示的矩陣集T所表示的意義可以等價為在矩陣Tij中，單獨的ij元可以代表不同的個體。這樣一來，相當於當攻擊發生時，只有特定基因會淘汰，只有所有的攻擊全都發生，才能淘汰全部基因，即使種群滅絕。在這種情況下，存在基因共享的種群的滅絕速度比不存在基因共享的種群慢得多，甚至永遠不會滅絕。事實上，既然在克隆體種群中，大災難幾乎是以世係為單位進行淘汰的，那麼性的雙倍代價幾乎就成了可以不考慮的因素。而同時，只要生物進行有性生殖，多樣性的效應就會立刻顯現，這是一些動物把有性生殖當做生存策略的原因之一。

最後，總結出：一個種群傾向於製造出基因庫里所有能代表某種基因的個體。

但是並非所有的基因共享都會成功，所以上面所給出的經典純數學模型，是不考慮任何限制條件的，這意味著基因共享可以幾乎不擇手段，但事實並非如此。我們可以列出很多的限制條件：第一，種間雜交找到適配體的可能性往往很低（見冷凍雜合體假說），依靠種間雜交來增加多樣性多會失敗。第二，近親、自體間進行基因共享多會失敗。第三，一卵受多精，會導致後代近似或實質上成為父系的克隆體，此外，由此導致的基因組的膨脹，可能也會在一定程度上引發不良效應，或在幾代轉變後丟失其他染色體變成二倍體，這就是動物大多是二倍體的緣故。第四，對於高等動物來說，培育後代的成本要高得多，所以在高等動物身上可以觀察到胎數下降（對於人類，四胞胎的受孕率是72.9萬分之一），伴隨在胚胎旁邊的營養體，在哺乳動物身上還出現了胎生、母性聯繫等現象，哺乳本身就是典例。在基因組更加龐大、結構更加複雜的高等動物身上，幾萬個基因，只要有一個出錯都可能會導致生存能力下降，不但對對錯誤的修復能力形成了進化壓力，同時使性作為一種選擇的潛在方式變得顯化，因此出現了性選擇。

對於性選擇，相關研究始於20世紀中葉，英國的Angus Bateman，它對雌性選擇雄性的一邊倒現象給出了一個可信的解釋。如果性選擇沒能給雌性而是雄性帶來更大的作用，那麼雄性在繁殖的成敗上就有更大的波動，不是慘遭敗績就是大獲全勝。這是因為性選擇造成了有的個體比其他個體更加成功。

他用果蠅來驗證這個結論。那時由於還沒有親子鑒定技術，所以他只能利用一些變異，如翅膀上特長的剛毛、眼睛很小或乾脆消失、翅膀向上翻卷等推斷雌雄兩性的親子關係和配偶數目。實驗發現，雄性的繁殖成功率確實並不穩定，而且會隨著配偶的數量增多而上升。他認為，這個結果就是雄性競爭而雌性選擇的原因，因為雌性相較雄性不同，她們只需要單個配偶貢獻出她們的精子，繁殖成功率就能達到最大。

最初，這個研究被大多數研究者忽視，在二十年後才引起Robert Trivers的注意。他對此換了個說法，認為雌性在繁殖中會投入較多的資源。提出「肥大的卵子和瘦小的精子」之外，他還稱，雌性的任務——妊娠、餵食、保護幼崽等，如同一個消費者會隨手丟棄便宜小飾品，而在選購轎車時卻會謹慎許多一樣，他主張在繁殖中投入較多的性別（一般是雌性）也會等待最佳伴侶出現並最終交配。

這讓人聯想到最近一項來自中、美、英的團隊聯名發表在《進化與人類行為》(Evolution and Human Behaviour)上的成果，研究採用了第一次分別看吸引力不同的異性照片，第二次將照片與年收入組合起來，兩次都讓被試進行評分。結果顯示，對女性評價男性而言，財富效應的影響力比男性評價女性要高1000倍，對歐洲、美國和中國人來說，結論都是一樣的。對此的解釋是，能否提供足夠的資源往往是女性擇偶的重要指標。由此我們還能發現一些微妙的現象，比如通常在男女交往的過程中，男士會給女士送禮物，而女士很少回贈禮物。有女士在場時，男性會更願意捐款；只有男性而不是女性才費盡心思邀請異性吃飯，給她買各種各樣的東西等……彷彿這個發現恰恰佐證了所謂的Bateman-Trivers原則。

此外，人們甚至還找到了反常物種，如螽斯——對於這個物種來說，雄性在繁殖過程中的投入要大於雌性，因為它們在交配時除了提供精子之外，還要獻出一個富含營養的包囊。在這些物種當中，反而是雌性互相打鬥爭奪雄性；紅頸瓣蹼鷸也是類似，雌鳥的羽毛比雄鳥更加艷麗。在繁殖期，雌鳥們圍著雄鳥轉來轉去，不斷炫耀以討歡心，雌性之間經常發生惡鬥。而事實上，雌鳥在產卵後就會另擇新婿，而雄鳥將承擔起孵卵和育雛的全部重任。

但Bateman-Trives原則問世的幾十年中，他們的許多基礎性假設被很快推翻。其中一條是雄性投入的資源是廉價的，而實際上並非如此。比如有的雄性竹節蟲在一次漫長的交配之後，需要休息幾個禮拜才能恢復性慾。此外，在上面曾提到過的介形蟲，在進化史上曾因雄性間的競爭而演化出巨大的陰莖，一些雄性介形蟲的生殖器可以佔據外殼多達1/3的空間。但Maria Joao Fernandes Martins等對8400萬-6600萬年前生活在密西西比河流域的93中介形蟲進行了研究後發現，龐大的陰莖反而加速了其滅絕，原因可能是雄性投入得過多。或許並不是任何時候碩大的陰莖都意味著滅絕的加速，因為人們找到了好幾個碩大陰莖的例子——雄性女王鳳凰螺比介形蟲更甚，陰莖達體長的1/2；藤壺的這個數字是前者8倍。而人類的這個數字儘管是1/13，不比某些鯨的1/10（注意到，它們的體長有時可達30米），但諸如紅毛猩猩、黑猩猩、巴諾布猿等的情況並非如此。除非處在性興奮的狀態，否則它們的陽具都相當細小，甚至隱匿不見，不仔細觀察可能無法找到。但介形蟲作為一個疑似的反例，值得引起注意。對果蠅繁殖習慣的新近研究也顯示，雄性果蠅並不會抓住每一次交配機會。雄性的挑剔對很多雌性昆蟲都有影響，因為如果它們的交配對象是一個濫交的雄性，它們就可能無法得到充足的精子。對於雌性來說，精子的稀缺或有限並不罕見，於是它們反覆和不同雄性交配，為的便是獲得足夠的精子。

不僅如此，在複查了Bateman的數據後，Patricia Gowaty等還指出，雌性果蠅的繁殖成功率同樣會隨著交配頻率而上升，這個模式而且出現在其他動物身上。野外調查也顯示，相當一部分物種中，雌性因遇不到雄性而無法交配的個體有著可觀的比例。有些物種的雄性一生只交配一次，這種行為並不少見，這反倒可能是將繁殖成功率最大化的手段。

還不止是昆蟲有這樣的反常現象，在哺乳動物，例如在黑猩猩群體中，地位較高的雌性比地位較低的雌性更容易產下幼崽，幼崽成活率也更高。對於人類來說，不以繁殖為目的而性交的模式表明對性行為繁殖回報率的假設過於樂觀，而這可能跟原始人類的早期演進有關係，因為正是石器時代或更早開始的人口激增，引發了向農業的漸變；其次，性在繁殖以外還有其他目的，如強化人際關係。而且對於人類，我們還要把文化和社會考慮進來。最後，我們會得出結論，性選擇的模式是複雜的，轉變也可以是快速的。因為各有千秋，所以如今，求偶行為的模式多樣得不可勝目。孔雀的開屏，象、鹿、駝、美洲螯龍蝦、墨魚、獅、虎等的雄性間的惡鬥，紋腹叉鼻魨、丁氏絲鰭鸚鯛、眾多?類的巢穴擇偶觀，眾多鳥類的高歌和舞蹈，叉拍尾蜂鳥、黑寡婦等的搖擺身體部位，還有氣味（化學）手段、鮮艷（有時還會變化，如拿騷石斑魚、舞虻）的毛色、陰莖或者身體其他部位或者身體的尺寸（就我們人類來說，有的理論認為站立讓陰莖變得明顯，因而成為了競爭因素，這才導致人類的陰莖開始變大；此外，人類有著豐而厚的紅唇，空前大的乳房和臀部）、資源、社會地位……那麼，只能說，引發性選擇的，不會是單一因素。

一母多父的三性系統在高等動物身上可能還有額外的效應，即削弱了性選擇。性選擇會造成進化壓力，儘管也會催生一些額外的無用的措施，但既然它進化出來了，就代表它利大於弊。對於高等動物來說，缺少性選擇的代價可能是慘重的。從上面可以看到，性選擇演變出了十分多樣的形式，這當然是強大的進化壓力的結果，就跟性本身一樣。

介於動物多有防止多精入卵的手段（如精子競爭，在鳥類(Goetz et al.2003;Parrott,2005)、蟻類與蜂類(Holldobler&Wilson,1994)、蝦類(Bilodeau et al.2004)、螺類(蝸牛，Evanno et al.)、蛇類(Garner et al.2002)、龜類(Roques et al.2004)、果蠅(Bressac and Hauscheteck-Jungen 1996)身上都存在），即便會發生多精入卵，也只有一個精子最終會與卵原核結合，如水母(Carre&Sardet,1984)、軟骨魚(Ruckert,1899)、一些爬行類(Oppel,1892)、群棲蟲(Bonnevie,1907)、很多昆蟲(Richards&Miller,1937)、一些鳥類(Blount,1909)，始終不存在多個精子受精一個卵細胞的狀況。按照自然選擇的邏輯，要麼是這樣的事無法發生，要麼是發生這樣的事的生物都死了。

因此，三性等多性的缺點，且不論一些原生動物的同配生殖，論之於一個卵子接受若干個精子的受精方式（假如是多倍體的），極為容易將後代變成實質上父系的克隆體。

2016年，M.Perry,Philip J.Reny,Arthur J.Robson發表了《Why Sex?and Why Only in Pairs?》，用了一些統計生物學方法，否定了突變假說解釋兩性比三性的優越性的可能性。這三人研究三性系統多年，此文算是他們大作一篇，但是否有價值還得另當別論。在考慮上述所有的案例的基礎上，它分析了一種四分之一-四分之一-二分之一（兩父一母）（下面簡稱PRR系統）的模型，發現如果突變假說（忽略上面提到的關於協同上位性的研究）是正確的，不考慮其他因素，當突變率較低時，克隆將比性更加優越；在幾乎任何突變率下，三性比兩性更加優越，突變率越高，優勢越明顯，因為三性加劇了遺傳物質的混合。同時認為，紅皇后假說成功解釋了性的擊敗克隆，同時沒能給三性提供優勢，而可能還有其他因素給三性提供了劣勢，所以最終兩性將擊敗三性。（但是，到最後，作者還是遲疑的，因為僅僅是沒能提供優勢，而不是使三性處於劣勢，所以並不具有很大的說服力。）

不過，突變假說與紅皇后假說本是用來解釋性的優勢的，而不是解釋二性的優勢的。為此，以此來衡量兩個理論的優越性，是錯誤的。要解釋三性之於二性的劣勢，必須（依據事實）另外建立理論。為什麼優先考慮一母多父，而不是三種完全差別開來的性別呢？因為往往不是三性比兩性先起源，因而獨自發展，而是三性起源於兩性之中。且不說一些單細胞動物的同配生殖，或者一些簡單多細胞動物的原始異配生殖（因為它們是有性生殖的早期形式），在某些相對高等的生物中，容易讓人想到的是多精入卵(polyspermy)。

該文討論的這種性別系統的確可能比二性要優越。但是這篇文章沒有考慮到一個事實，那就是PRR系統幾乎不可能自發實現。如果多精入卵，正如這篇文章提到的，「可能引起多性的方式」：Perry等人表示，「比如在一個池塘里，幾個雄蛙會圍繞在一個產卵的雌蛙周圍釋放精子」，但是，多精入卵導致的結果，很有可能不會是卵子將每個精子的遺傳物質各「切掉一半」，然後與剩下的精子的遺傳物質組成合子，而更有可能的結果是直接導致基因組的膨脹，使動物變成多倍體。在這種情況下，如果允許多精入卵，就算不考慮變成多倍體所帶來的不良效應，僅在於多倍體本身，它將允許相同的兩個精子進入卵子，而這樣的事情很可能經常發生，那麼就會導致後代近似變成雄性的克隆體，而如果這種機制不徹底消失，「近似克隆體」的產生就會是源源不斷的。所以其最終結果就是，其產生的真正的適應性有效的個體是極其有限的。

而同時，因為不進行基因交流和進行基因交流的相差是巨大的，基因交流行為里再分出來的門類之間，相較是否進行基因交流的差別，其差距已經不那麼明顯。一母n父的(n+1)倍體模型會製造近似克隆體，而PRR系統則允許同一個體的多個（兩個）精子入卵，那麼還要考慮這樣做帶來的利益衰減，也就是說，PRR系統，乃至所有的一母多父模式，都是不可能把多個體混合的程度最大化的，甚至有可能最後會演變為全都是，或大部分是實質上的一母一父。如果是多倍體一母多父機制，最後就會發展出近似克隆體（因為父系染色體全是來自一個父親。即便假設這種生物擁有絕對完備的染色體分配機制，在其子代中，尤其是進行一母多父生殖的非常高等的動物身上，祖代的母系染色體有著極高的丟失率。如果染色體組足夠多，那麼其產生多樣性的能力能夠小到幾乎可以忽略不計。在三性中，這樣的劣勢並不明顯，所以這可能不是三性沒有出現的主要原因）；如果是PRR系統，最後就會演變為實質上的兩性。

那麼是否可以存在可以讓一母多父多倍體模式的染色體分配得當的方法呢，其實是可以的。比如，也許可以存在一種機制，能自眾多染色體組中分異出一組，其他的全部拋棄。但多性的早期起源卻面臨重重障礙，染色體組隨時都會面臨混亂。上面提到的這種分配機制，應該也是在被進化壓力高度鞏固的情況下才能實現。這樣的進化壓力非常微弱，甚至沒有，甚至有負壓力。多性的早期起源會導致這個物種的遺傳信息瘋狂膨脹，這對種群來說可能不是什麼好事。

於是乎，在這種情況下，不但兩性二倍體的結構最低耗，最有利於保持染色體數量的穩定性，所以二性最有可能佔上風。同時，在所有的性別系統中，二性二倍體應該是最容易發生的，其本身的進化歷程就可以對多性的出現產生阻礙作用。

（參考文獻暫缺）