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 大渡河 发表于: 2021-10-20 18:24:00|显示全部楼层|阅读模式

[2021年] 为什么人类卵子的体积是精子的上千万倍?

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源自:新浪科技
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卵细胞和精细胞的大小是由竞争导致的,有限的资源使得配子在大小和数量上形成了巨大的差异
  在大多数现生动物中,卵细胞的体积总是比精细胞大得多。以人类为例,单个卵子的体积是精子的1000万倍。在一项新研究中,美国西北大学工程科学与应用数学系的研究人员发现,这种悬殊的体积差异是由竞争和自然选择造成的。
  研究人员开发了一个数学模型,考虑了动物进化史上非常早期的一段时间,即原始物种还通过体外进行受精并繁殖的时期。在该模型中,更大的生殖细胞(即配子)具有更明显的竞争优势,因为它们可以为潜在的合子提供更多营养;不过,更小的配子在产生时只需要很少的资源,这就减少了父母的压力。
  该研究的主要作者、美国西北大学麦考密克工程学院工程科学与应用数学系教授丹尼尔·艾布拉姆斯说:“生物体要么用最多的资源配给来产生最大的配子,要么用最少的资源来产生最小的配子。根据有性繁殖和自然选择的合理假设,我们认为,这种体型上的巨大差异几乎是不可避免的。”
  这项研究发表在《理论生物学杂志》(Journal of Theoretical Biology)网络版上。艾布拉姆斯实验室的博士研究生约瑟夫·约翰逊是这篇论文的第一作者,本科生内森·怀特和阿兰·康加比尔也参与撰写了这篇论文。
  该研究小组的模型从同配生殖(isogamy)开始,在这种原始状态下,所有配子的大小都大致相同,尚不存在明显的性别差异。然后,研究小组开发并应用了一个简单的数学模型,以说明同配生殖如何转变为异配生殖(anisogamy)。在异配生殖中,配子要么非常小,要么非常大──这便是精细胞和卵细胞的前身。产生精细胞的个体被定义为雄性,产生卵细胞的个体则被定义为雌性,也就是我们今天所熟悉的生物学性别。
  在该模型中,异配生殖是在资源有限的环境中不断竞争而产生的。如果配子因为在体积上比邻近配子更有优势而更有可能存活下来,那就会导致一场有利于更大配子的“军备竞赛”。另一方面,为了产生大量的生殖细胞,就要求生物体本身需要越来越多的资源。不过,它们可以通过产生大量微小的配子来节省资源。
  “在进化早期,有性生殖刚刚出现的时候,配子是对称的。但这种对称性被打破了,”艾布拉姆斯说,“我们最终发现,一些生物体专门产生大配子,另一些专门产生小配子。”
  艾布拉姆斯表示,至今仍未解开的一个谜题是,为什么自然界中仍然存在一些同配生殖的物种。例如,一些藻类和真菌要么是无性繁殖,要么会产生对称的交配型。
  “从查尔斯·达尔文开始,关于异配生殖的起源有很多不同的理论,”艾布拉姆斯补充道,“进化生物学中的问题很难验证,因为我们只能研究当今的物种。我们无法看到它们数十亿年前的样子,而利用数学模型,我们可以获得新的观点和见解。”
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