自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

  • A+
发布日期:2017年04月26日 所属分类:新知

自然界中,精子和卵子既可以小得令人难以置信——比人类产生的还要小很多,也可以大得令人惊奇。

精子是人体最小的细胞,也是最复杂的细胞之一,而卵子是人体最大的细胞,具有同样惊人的复杂程度。让我们把目光放到自然界中,各种生物的性细胞——又称配子(gamete)——呈现出令人惊叹的多样性。

自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

海星卵细胞上的精子

大部分生物具有两种配子,我们以雄性和雌性来区分。“配子具有两个基础功能:携带营养物质以养育结合后产生的后代,以及寻找相同物种的配子并与之融合。要完成好这两个工作并不容易,因为二者在体积-数量的权衡上有着截然不同的要求,”英国东安格利亚大学的马修·盖奇(MatthewGage)解释道,“一个最优解是产生能使后代存活率达到最大的配子,因此演化出了体积较大,营养物质丰富的配子,我们称之为卵子,由雌性产生。另一个最优解是产生能使结合概率达到最大的配子,因此演化出了数量庞大的配子,我们称之为精子,由雄性产生。”

在这方面的研究中,精细胞为何呈现出异常多样的形状和体型是非常受关注的问题。你或许会以为体型较小的生物应该具有较小的精细胞,但情况并非总是如此。事实上,目前已知最长的精子是由一种果蝇产生的。

自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

不同动物的卵大小各有不同

雄性二裂果蝇(学名:Drosophilabifurca)的精子就像一个线团。科学家把它们的精细胞展开之后进行测量,发现其长度居然接近6厘米——比该物种雄性个体的长度还长20倍。在2016年发表的一篇论文中,研究人员认为这种“巨型精子”相当于细胞水平上的孔雀尾羽。换句话说,之所以演化成这样,是因为雌性果蝇更青睐长度较长的精子。

不过,更大往往不等于更好。世界上已知最短的精子属于一种寄生蜂——集盘绒茧蜂(学名:Cotesiacongregata),长度不到7微米。

英国谢菲尔德大学的朗达·斯努克(RhondaSnook)表示,目前关于精子体积的极端多样性有好几种解释。她的研究显示,自然选择的作用使最成功的精子形状和体积保留了下来。尽管不同长度的精子都有可能受到青睐,但这一切都关乎竞争和选择。

当雌性与多个雄性交配时,精细胞之间必须展开竞争,因为只有最健康的精子才能击败对手,使卵子受精。这种压力会促使无数种适应特征出现,包括二裂果蝇精子的长尾巴。另一个竞争非常激烈的例子是潮虫,它们的精子会形成协同工作的“链条”。一些蝇类和甲虫的精液还会对竞争对手的精子产生毒害作用。

雄性动物最经常使用的一种策略是“交配塞”(matingplug),可以防止其他雄性进入雌性的生殖道。使用交配塞的动物包括蜘蛛、熊峰、松鼠,甚至还有一些灵长类。

自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

有些动物的精子要比我们想象的大得多

然而,在繁殖游戏中,每一个雄性都必须做出取舍,或者是选择数量优势,制造出大量体积微小的精子,或者是把所有的精力投注到少量较强的精子中。最佳选择取决于几个因素,包括精子游动的距离,以及雄性在通过舞蹈、歌唱或丰富多彩的颜色(比如山魈)吸引到雌性之后所剩余的能量。

此外,2015年的一项研究还显示,越大的哺乳动物产生的精子体积越小,因为雌性的生殖道更大。或许你可以从另一个角度来看待这一现象:场地越大,所需要的运动员就应该越多。

我们还必须考虑另一种可能:雌性会做出隐秘的选择——某些物种的雌性具有选择利用哪些精子来受精的能力。突然之间,精细胞的形态多样性变得不那么令人惊奇了。“我们不知道是精子间的竞争,还是雌性的隐秘选择,促成了精子形态的分化,”斯努克说,“但是,正如大多数科学问题那样,这很可能是许多选择压力共同作用的结果。”

雌性的性细胞也同样复杂。

自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

刚孵出的鸵鸟雏鸟

现生动物中,鸵鸟的卵是最大的。鸵鸟蛋通常有15厘米高,13厘米宽,重量是鸡蛋的20倍。相比之下,最小的鸟蛋属于吸蜜蜂鸟(学名:Mellisugahelenae),只有不到7毫米大小,跟一颗豌豆差不多。

英国谢菲尔德大学的蒂姆·伯克黑德(TimBirkhead)是《最完美之物:鸟蛋内外》[TheMostPerfectThing:Theinside(andoutside)ofabird‘segg]一书的作者,他表示,鸟蛋的大小与鸟的体型大致呈正比,但还是有少数值得注意的例外。

“渡鸦(学名:Corvuscorax)和崖海鸦(学名:Uriaaalge)的体型差不多,重量都在1千克左右,”伯克黑德说,“但是,渡鸦蛋的重量只有雌性体重的3%,而崖海鸦的蛋可以占到雌性体重的12%左右。”

伯克黑德称,决定鸟蛋大小的关键因素之一是雏鸟发育的方式。“雏鸟为早成鸟——新孵出来时已经发育得很好——的物种通常会产下相对较大的卵,比如渡鸦和崖海鸦的例子,”伯克黑德说道。

这一现象令人困惑,而我们在使用“卵”这个词的时候也有点矛盾。在英文中,“卵”和“蛋”都是“egg”。当你将鸟蛋与人的卵子进行比较时,这一点尤其明显。卵子的直径只有0。12毫米,而鸡蛋可以有55毫米长。问题在于,鸡蛋中不仅有卵细胞,它里面还有许多其他东西。

自然界中的性细胞:小得难以置信 大得令人惊奇

人类的卵母细胞

人类女性在子宫里孕育后代,而产卵动物则必须为幼体提供足够的营养物质,使它们在母亲体外进行发育。为了达到这一目的,这些动物生成了一个结构——被有点混淆地称为“卵”——为幼体提供食物、水和保护。动物界的许多成员都采用了这种方式,包括鸟类、昆虫和鱼类。

我们可以定位出鸡蛋里发育成胚胎的部分,但该部分如果没有与营养物质和蛋壳连接在一起,它就无法进行发育。按照这一说法,鸵鸟蛋仍然可以称得上是世界上最大的卵细胞。

伯克黑德表示,这又是一种演化上促使卵细胞体积分化的权衡。对于某些物种,数量较少、体积更大的卵可以带来最大的收益,而其他物种则会更倾向于数量取胜。

佛罗里达大学的昆虫学家在1994年发表的一篇综述中指出,通常而言,在其他微小动物体内产卵的寄生虫具有最小的卵。不过,与这些显微水平上的卵有关的数据很难找到。根据这篇综述,一种名为黑袍卷须寄蝇(学名:Clemelispullata)的寄生蝇的卵是目前已知最小的,长0。027毫米,宽0。02毫米。

不过,目前还没有人对缨小蜂科物种的性细胞进行研究。缨小蜂是世界上最小的昆虫类群之一,长度只有0。5到1毫米,或许它们的卵才是最小的。(新浪科技/任天)

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: