一个任何生物学上的性爱似乎都是一种浪费。这是昂贵的:想想看，孔雀长出壮观的扇形尾巴所耗费的巨大能量，显然是为了引诱雌性与它交配。而且它似乎效率低下:性行为只让我们传递了一半的基因，而且完全有一半的物种(男性)不能生育。进化是不感情用事的，所以付出的代价一定会带来好处。通常的答案是，通过每一代的基因重组，性创造了新的基因组合，将有益的突变从有害的突变中分离出来，并赋予一个物种一定程度的进化灵活性。它保留了一些基因，这些基因在今天可能没有用处，但可能会使生物的后代免遭瘟疫、瘟疫和寄生虫的侵袭。
所有这些可能都是对的，但这篇论文有一个缺陷。虽然有性生殖的好处往往是微妙的，只有在许多代之后才会变得明显，但它的代价是沉重和直接的。为了完全理解性，我们需要一个解释，这个解释可以追溯到非常早期的复杂生物体的原始汤，以及它们当时所承受的直接生存压力。澳大利亚进化生物学家达米安·道林(Damian Dowling)提出了这个问题一个令人惊讶的想法去年与同事贾斯汀·哈维尔德和马修·霍尔在杂志上发表了文章Bioessays．它源于一个简单的事实，即单细胞细菌和古菌，即原核生物，从不有性繁殖。它们有一些类似性的行为，包括通过身体接触来交换基因——有时被称为“细菌性行为”。但它们没有有性繁殖;它们只要一分为二就能繁殖。
性是更复杂的生物的特权，真核生物。像阿米巴变形虫和犰狳这样多种多样的生物通过在配子(如精子和卵子)之间分裂染色体进行繁殖，这些配子反过来结合在一起创造出一个新的有机体。化石中最早保存完好的真核生物——红藻，可以追溯到12亿年前——也是已知的最早的有性繁殖的例子，这是配子的存在所揭示的。真核生物的典型特征是，它们的细胞结构高度结构化，不仅包含细胞核，还包含细胞器——尤其是线粒体，这些神奇的生物电池镶嵌在我们的细胞上，为我们提供赖以生存的能量。“我们的论点很简单:真核生物是由两种特征结合在一起的——线粒体和性别——我们相信这里有一种被忽视的联系，”Dowling说，他领导着澳大利亚墨尔本莫纳什大学的一个研究小组。
虽然有性生殖的好处往往是微妙的，但它的代价是沉重和直接的。
这种联系在于线粒体不仅仅是细胞电池。数十亿年前，它们实际上是独立的有机体。它们是一个例子，说明人体并不完全是“人类”。我们的肠道里充满了数万亿个外来细菌细胞;我们的DNA充满了古老病毒的碎片;甚至我们的细胞也是原始汤的小团。科学家们越来越意识到，许多疾病不是外部攻击，而是我们内部生态系统的失衡。在线粒体的情况下，由于这些细胞器包含自己独特的独立DNA，冲突可能会发生。道林说:“直到最近，科学基本上都忽视了这样一个事实:我们每个细胞中都有两个基因组，一个是我们自己的核基因组，另一个是线粒体。”
线粒体基因组倾向于快速突变，并容易与细胞核中的调控基因不同步，这可能对生物体产生负面影响。道林认为，性进化是细胞核跟上它所监管的千变万化领域的一种方式。他说:“早期真核生物建立在关键武器——产生能量的线粒体基础上的帝国正处于危险之中，因为线粒体经常发生突变。”每一代的性都会构建新的基因型，当问题出现时，细胞核可以进行补偿。换句话说，这是一种恢复平衡的方式，修复我们内心的分裂。与性的其他益处不同的是，这一点对最早的真核生物和它们的后代同样重要。
一个大约20亿年前，两种原核生物——两种在原始汤中游动的细菌——进行了可以被比作原始性行为的活动。一个入侵另一个。一个吃了，另一个被吃了，都活了下来。他们合并了，随着时间的推移，创造了一些不同寻常的新事物。入侵者——被吃掉的那个——在几百万年的时间里进化成了小而强大的线粒体。另一个可能进化成更大的核。
这种融合导致了一种壮观的共生关系。线粒体致力于产生能量，而且非常高效，以至于这个星球上的复杂生命很快就向四面八方散开。但专门从事发电是有代价的:线粒体的氧化压力很高，会损害细胞器及其基因。因此，道林认为，线粒体DNA“注定会积累有害的突变”。快速突变似乎是维持自身DNA的细胞器的普遍问题，不仅影响线粒体，有时也会影响叶绿体(植物中的光合细胞器，其本身曾经是自由漂浮的细菌)。德国科隆马克斯·普朗克衰老生物学研究所的Nils-Göran Larsson最近的研究表明，线粒体复制天生容易出错(特殊的生殖细胞除外)。
今天，在许多物种中都可以看到线粒体的高变化率。在人类和大多数其他动物中，线粒体在我们的一生中不断分裂，它们的基因突变速度比细胞核中的基因快10到100倍。单个细胞不仅携带数千个线粒体，每个线粒体还包含多个自身DNA的副本。变化的数量是巨大的。
性成为一个物种从基因组不匹配中恢复的最快方式。
为了解决这个问题，经过数百万年的进化，大部分基因离开了线粒体，进入了更稳定的核基因组。今天，动物线粒体只有37个基因，全部用于产生能量。它们的大部分功能是由核基因组中的1000多个基因调控和辅助的。但是放弃基因只提供了部分解决方案。当这37个基因衰退或改变时，细胞机制就会逐渐停止。除非控制它们的核基因适应，否则细胞就会生病，甚至可能死亡。
2007年，道林和他的同事们研究了当两组基因相互作用时会发生什么。在一项实验中，他们培育了五种不同的种子甲虫，共23代Callosobruchus maculatus．在一些菌株中，线粒体基因组和核基因组一起工作。但是，当实验者在不同菌株间移植线粒体时，精子的活力下降了。Dowling和他的同事将这项研究扩展到果蝇。他们创造了五种不同的果蝇品系，它们只是线粒体基因不同，并研究了这些不同品系对核基因的影响。雌性果蝇几乎没有受到影响:只有7个核基因的活性发生了变化。但令人吃惊的是，雄性有1172个受影响的核基因，主要在睾丸或精子腺。道林说:“当我看到这种现象对雄性的影响如此之大时，我几乎要摔倒了。”“这大约占雄性果蝇基因组的10%。”
女性和男性反应的差异有一个自然的解释:线粒体纯粹是母亲的礼物。精子不会把它们传递下去;只有母亲的卵才会。因此，带有有害线粒体突变的雌性往往会在繁殖前死亡，将这些突变从基因库中清除出去。但如果这种突变只伤害雄性而不伤害雌性，它就会持续存在。道林并不是唯一一个证明了核二人之间深刻相互依存关系的科学家。在苍蝇和海甲壳类动物中，相互冲突的基因组也被证明会导致发育迟缓和生育能力受损。
人类也会受到基因组不和谐的困扰。以色列本-古里安大学(Ben-Gurion University)的进化遗传学家丹·米什马尔(Dan Mishmar)发现，核冲突会增加具有某些遗传变异的德系犹太人患II型糖尿病的脆弱性。伦敦大学学院的神经学家Jan Willem Taanman说，一个线粒体突变导致阿拉伯-以色列和西班牙家庭的遗传性耳聋。然而，在一些遗传了突变的人身上，核基因的变异能够解决这个问题，要么通过限制线粒体突变的影响，要么通过直接补偿它。在培育出同样状况的老鼠身上进行的实验也证实了这一点:新的核基因可以通过绕过线粒体故障，为耳朵的耳蜗产生更多能量，从而恢复听力。
科学家现在怀疑一种遗传性进行性失明(称为莱伯氏遗传性眼神经病变)可能部分是由于线粒体变异和核基因组之间的舞蹈。长期以来，研究人员一直困惑的事实是，这种形式的失明并不总是以同样的严重程度出现，甚至根本没有出现在每个具有相同突变的人身上。例如，西藏人线粒体DNA的一种特殊突变似乎可以防止高海拔压力，并防止这种形式的失明，但在低海拔地区，人们可能容易患上这种疾病。这是怎么回事?会不会有不同的核基因组背景呢?神经遗传学家瓦莱里奥·卡雷利(Valerio Carelli)说:“我们在核基因组中有一系列很好的候选基因，它们可能会撞击线粒体DNA，并解释这一点。1博洛尼亚大学的研究员。Carelli已经研究LHON 20年了。他说:“我们对基因组的排序越完整，我们对这个问题的理解就越细。”
我这是性的拯救。性成为一个物种从基因组不匹配中恢复的最快方式。它的基因重组创造了新的变种，可以适应各种各样的变化，包括外部和内部。“性是线粒体和核基因组保持同步的唯一途径，”Havird说。“如果没有性，我们就会出现这样一种情况:线粒体突变积累得更快，而细胞核无法快速产生共同适应的突变。性使真核生物能够从其基因组中获得更多的变异，因为这涉及到重组的‘技巧’。”
除了重组基因，性别还提供了一种新的进化模式。不健康的生物体不仅会被环境压力淘汰，还会被交配竞争淘汰，这种竞争在微观层面上被精子与卵子受精的竞争所复制。这场竞争是对线粒体的一场火拼，即使是最轻微的不匹配也会被剔除。精子细胞的上半部充满了线粒体，为“赢者通吃”的竞赛提供能量。英国诺里奇东安格利亚大学的生物学家马修·盖奇说:“尽管线粒体基因组很小，但它对一个人的生物化学和健康状况至关重要。”“通过性选择的配偶选择和竞争应该在两个方面改善核匹配。首先，通过选择雄性的高线粒体表现。第二，通过选择精子的高性能，它们的受精能力关键取决于最佳的线粒体功能。”
为了检验他的理论，道林研究了不同物种。从藻类、郁金香到珊瑚，线粒体的突变率差异很大。道林的理论预测，线粒体突变率越快，该物种的成员需要交配的次数就越多。道林认为有证据支持他的观点。几乎所有的动物都有很高的线粒体突变率，并且需要有性繁殖，而植物在这两方面都比较成熟。“许多陆地植物的线粒体突变率非常低，事实上，很少有植物需要道林说。“它们几乎都可以在需要的时候做爱，但它们也可以无性繁殖。
其他人则不那么肯定。伦敦大学学院的进化生物学家Bram Kuijper是道林新理论的支持者，但他希望看到更好的证据。“我们对整个生物体的线粒体突变率知之甚少，”他说。西安大略大学的生物学家大卫·罗伊·史密斯对此表示赞同。“尽管总的来说，动物的线粒体基因组比植物的突变更快，但它变得非常复杂。最近研究表明，单一植物线粒体基因组的突变率可以相差近三个数量级。”Kuijper想要测试的一个物种是微孢子虫。这些微小的寄生虫是真核生物，但它们在过去的进化过程中失去了线粒体。“他们有性生活吗?””他奇迹。“如果有，多少钱?”与之相反的是蛭形轮虫，这是一种小型水生昆虫，它们有线粒体，但可能不会有性繁殖。英属哥伦比亚大学理论生物学家萨拉·奥托(Sarah Otto)的进化数学模型曾为她赢得麦克阿瑟基金会(MacArthur Foundation)奖。她担心，这些虫子是推翻该理论的例外。“有很多证据表明，它们仍在进行无性基因转移，”她说。但她说道林可能是对的，有性繁殖是对生物间的共生关系做出的反应，这些生物合并成真核生物。奥托说，在外膜的包裹下，“基因交换变得越来越罕见，以至于进化出一种性系统的优势变得足够强大，足以抵消它的代价。”
这突出了关于进化的一个更广泛的观点:生物体之间的伙伴关系创造了改变的动力。“伟大的生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulis)告诉我们，进化中的大多数重大飞跃都是由共生关系实现的，”弗里曼·戴森(Freeman Dyson)说。尽管戴森是最著名的物理学家，但他涉足许多领域，并撰写了一篇小型杰作，生命起源．Dyson解释说，宿主生物被寄生虫入侵。于是两个人开始搏斗，在一场近乎死亡的搏斗中，他们出人意料地获得了新的、惊人的生命。戴森解释说:“由于寄主为共生体提供生命支持，共生体可以自由进化，随机而迅速地获得或失去遗传能力。共生体很少会发明出新的结构，从而极大地改变宿主的生活方式。”
当谈到生活方式的巨大改变时，性当然符合这个要求。有了它的快乐和羽毛，有了它复杂而又常常令人筋疲力尽的交配仪式，它有能力打破或修补生命。所有这些混乱，以其自身的方式，可能是一种努力，以避免由区区37个基因引起的更深层次的混乱。
吉尔·内马克(Jill Neimark)是一位驻亚特兰大的作家，她的作品曾在《纽约时报》上刊登《发现》、《科学》、《NPR》、《鹦鹉螺》、《永旺》、《石英》、《今日心理学》和纽约时报。
主要的照片拼贴来自于De Agostini图片库/盖蒂图片库的一张图片
本文首次发表于2016年3月的《改编》杂志网络版。
