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性别作为微生物的压力管理

为什么性如此受欢迎?自达尔文(Darwin)写道:“整个主题还被隐藏在黑暗中”之前,为什么有如此多的生物通过性繁殖的问题一直是神秘的进化生物学家。在《基因组生物学与进化》最近发表的一篇题为《遗传变异与它有什么关系?饥饿诱导的自体受精提高草履虫的存活率》的文章中,作者们认为,性与压力反应的分子机制可能更紧密地耦合在一起。比以前意识到的要多,这为自然界普遍存在性行为提供了新的解释。

性的存在使生物学家困惑了一个多世纪。与无性繁殖相比,性有几个缺点。其中最重要的是,每个性生物产生的后代仅是无性个体的一半。例如,如果每个成年人有两个孩子,则两个无性个体可以产生四个后代,而两个性个体(一男一女)之间只能繁殖两个后代。从进化的角度来看,这是惊人的代价,即使不考虑性别的其他不利因素,例如需要寻找伴侣以及这样做的潜在危险(尤其是如果您是螳螂雄性或黑寡妇蜘蛛) )。

尽管付出了这些代价,性生活还是很普遍的,估计至少有一部分时间,有99%的真核生物(具有核的细胞)有性生殖。这种悖论导致了许多假说试图解释性别的普遍存在。根据这项新研究的主要作者,明斯特大学研究小组负责人弗朗切斯科·卡塔尼亚(Francesco Catania)的说法,一种流行的解释是性别产生了遗传多样性,这就是为什么你和你的兄弟姐妹与父母不一样的原因。有观点认为,这种遗传多样性可能会产生一些更适应变化或恶劣环境的个体。相反,无性繁殖通常产生的后代与父母完全相同。

单细胞纤毛四毛草履虫提供了一个令人着迷的观点,因为它既可以进行无性繁殖又可以进行有性繁殖,而这种繁殖显然不会产生遗传多样性(即一种自交)。在其整个生命周期的大部分时间里,草草无性繁殖,每个细胞分裂为两个。但是,当细胞达到性成熟时,每个草履虫可能会产生两个相同的性核,类似于精子和卵细胞中存在的核。如果另一个草履虫不在附近与之交配并交换核,则这两个核彼此融合。结果是一种性自我受精,可导致子代细胞在遗传上与其父母相同。因此,在草履虫中,有性生殖可以与遗传多样性,表明该生物体对性生活还有其他潜在好处。卡塔尼亚(Catania)和他的合著者意识到,这使Paramecium成为了一种独特的模型,可以在其中研究并潜在地确定其他益处。

为了确定四绿疟原虫可能参与性行为的其他原因,研究人员在自体受精后(第0天)立即开始,并持续超过细胞再次具有性能力的那八天,进行了草履虫的培养。复制(第6天)。每天,他们通过将细胞加热到高温一分钟以上,使一部分细胞承受压力。有趣的是,他们发现刚刚受精或正在准备进行性繁殖的细胞(第0天和第6天细胞))比无性繁殖迅速的人更能幸免于热冲击。这种生存优势可以解释为何草履虫尽管没有产生新的多样性仍继续从事性生活,这表明性行为的好处未被充分重视:面对压力时生存能力得到了提高。

这一发现暗示了性与压力反应之间的机械联系。作者指出,许多热休克蛋白以其在抵抗压力中的作用而闻名,也参与了与生殖发育和性相关的细胞过程。因此,有可能在有性生殖过程中增加此类蛋白质的表达,从而增加了对应激源的保护。

性与压力之间的这种关系有多普遍?尽管草履虫生物学的某些方面是独特的,但卡塔尼亚指出,许多单细胞和多细胞生物参与自体受精,并且在此过程的几代之后,可能会产生后代,成为其父母的复制品。另外,许多参与生殖和应激反应的蛋白质是古老的,在真核生物中高度保守。因此,性别与压力之间的联系可能很广泛,这一发现可能具有深远的意义。据卡塔尼亚说,他们的研究结果导致了关于性别起源和维持性的几个新假设:“首先,压力反应之间的密切联系性可能导致性在自然界中的持久性。此外,经常被视为无关的这两个途径实际上可能有共同的进化起源。”

卡塔尼亚(Catania)指出,将需要对其他生物进行进一步的研究以检验这些想法。但是,有理由相信它们的结果可能会推广到其他物种。“多年来,对草履虫的研究已在生物学的许多领域产生了重要的见识。尽管该模型具有异常的生物学特性,但它还可以提供更多的信息,我们认为它可以成功地用于获得对许多生物学现象的新见解。”

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