进化的选择:卵生还是胎生?

先有鸡还是先有蛋?

这是一个古老的谜题,但从动物繁衍方式演化的角度来说,这个问题并不难回答(www.51tt.net)。毫无疑问,卵生出现在胎生之前,也就是先有“蛋”后有“鸡”。所有陆地脊椎动物的祖先都是来自于五亿年前的一条鱼——盾皮鱼,毫无疑问,那时候这条鱼通过卵生繁衍后代,传承基因。

但是在随后的数亿年的生命演化过程中,地球想出了两种让新生命进入世界的方法,要么将新生命放在一个蛋里,在那里新生命可以在继续生长,直到自己破壳而出;要么将它留在母亲体内,直到它发育成一个完全成形的新生命。

那么在数亿年的生物演化的过程中,生物如何选择是卵生还是胎生?动物世界出现的卵生还是胎生这种严格的生殖二分法,是否有一些深层次的原因呢?

选择

生命演化早期,动物通过卵生繁殖。通常情况下,雌性一次性将数千只卵子释放到这个世界,然后随机接受来自雄性释放的精子,由此产生的胚胎在复杂而危险的自然界发育成型,然后孵化。直到现在,许多生物,特别是小而简单的生物,仍然以这种方式繁殖。

随着生命的演化,动物变得越来越复杂,脊椎动物,包括许多两栖动物、爬行动物,甚至一些鱼类(鲨鱼),转向另一种生殖方式:体部受精。这种情况下,雌性可以确保更高的卵子受精比,并且雌性可以更有选择性地选择与哪些雄性一起结合,繁殖后代,这种生殖方式产生的胚胎可以在母体内安全发育,直到离开母体。

在地球生命进化的旅途中,胎生较晚出现。虽然科学家不知道第一种胎生动物是何时从母体内出来,但科学家知道是什么力量推动了从产卵到胎生的过渡,以及之前可能采取了哪些进化步骤。

虽然两种生育方式都繁衍了后代,但它们却呈现出截然不同的优点和缺点。选择卵生的雌性可以更快地从孩子身上挣脱出来。例如,鸟类从未进化过胎生,可能是因为怀孕期间,鸟类无法支持飞行的能量成本。但是卵生让新生的蛋暴露危险的自然环境中,许多蛋来不及破壳就成为盗蛋者的美餐。

另一方面,选择胎生的雌性可以容纳胚胎,保护胚胎免受捕食者和环境危害的时间更长。但是这样做的风险是怀孕会使雌性面临更多的能量消耗,并使雌性面临来自胚胎本身的巨大风险,动物会因为难产而死。

在进化过程中,卵生和胎生的主要区别在于,雌性应该何时封印胚胎。如果雌性过早封印胚胎,就会成为蛋,如果封印得很晚,就会变成胎生。例如,大多数爬行动物会在胚胎发育到整个成形过程中约三分之一的时候产出。

为了平衡卵生和胎生两种生殖方式存在的不足之处,有袋目动物演化出育儿袋。有袋目动物生下的幼崽实际上是未成熟的胎儿,但随后它们会在母亲的育儿袋内完成发育。通过这种方式,母亲可以为脆弱的后代提供保护,使其发育到一定大小。

决定因素

在生命进化的路途上,生物如何选择是胎生还是卵生呢?

2009年,《自然》杂志上的一篇论文证实:一个物种进化出胎生之前,这个物种可能必须进化出基因决定后代性别的能力。许多生物的性别并不是由基因决定,而是由环境因素,特别由温度所决定,环境因素决定胚胎是发育成雄性还是雌性。但是,通过胎生产出的后代的性别与基因确定性别存在强烈的统计联系,例如人类生出男孩或女孩的概率各占一半,这是由人类的性染色体所决定,但是卵生动物并不是这样。

例如海龟,它们几乎不能在陆地上走动,但它们仍来海滩产卵。如果海龟把所有的卵子释放到海水里,所产生的后代更多可能的会是各种各样的雄性,因为海水的温度变化成都比陆地要小得多。

那么,一旦海洋物种进化出可以通过基因确定性别的能力,海洋动物就不再需要冒险进入陆地,它们能够完全适应海洋环境。没有了在陆地上行动和筑巢的需要,每一个类群都会演化出适应海洋生活方式的身体结合,例如鱼龙(Ichthyosauria)。龙鱼是一种生活在三叠纪的史前海洋爬行动物,它们并不能用腮呼吸,而是像鲸鱼一样用肺呼吸。

龙鱼想象图

因此龙鱼经历了从海洋到陆地,再到海洋的演化过程。再次进入海洋,为了生存,它们的四肢进化成四条鳍,并且进化出扁形尾巴、背鳍。鱼龙繁衍时,也是把卵留在自己身体内部孵化,等小鱼龙诞生后再把它们释放到海洋中。

一直以来,科学家认为鱼龙的爬行类祖先只有从海洋迁移到陆地,才演化出胎生。但是2014年,一个2.48亿年前的鱼龙化石的发现改变了这一观点。一只在分娩时死亡的鱼龙化石将时间定格在新生儿刚刚从母体骨盆间探出头的那一瞬间。大多数胎生海洋爬行动物出生时都是尾巴先长出来的,这样它们就可以在分娩过程中继续从母亲那里吸收氧气;但是鱼龙幼体头先出来的姿势表明鱼龙从更古老的陆地祖先那里继承了胎生方式。因此,最早的胎生陆地爬行动物至少在2.5亿年前就已出现,尽管在陆地上并没有发现如此古老的胎生动物化石。

胎生卵生同时存在

三趾石龙子(Saiphos equalis)

对于一个物种来说,卵生还是胎生,是一个判断题,它们只能两者选择其一。但令人惊讶的是澳大利亚存在一种蜥蜴——三趾石龙子(Saiphos equalis),同时存在卵生和胎生两种生殖方式。

生活在澳大利亚悉尼地区的三趾石龙子采用的是卵生,它们的卵壳非常薄,而且在卵产出以后胚胎几乎已经完全发育,这意味着它们的卵可以在很短的时间内(5天)就可以孵化。而生活在澳大利亚北部的三趾石龙子采用的是胎生,直接诞生幼崽,省去了5天的孵卵期。虽然繁殖方式不同,但它们可以互相交配繁育后代,并没有生殖隔离,这说明它们依旧是同一个物种。

生物学家甚至发现一只三趾石龙子竟然在同一个孕期内产下三颗蛋和一只成活的幼崽。

三趾石龙子(Saiphos equalis)

卵生还是胎生,取决于雌性体内基因表达的差异,即雌性体内哪些基因表示处于打开或关闭状态。在同一个物种中,雌性是否能够产生卵子取决于数千种基因的表达,当某些基因被打开时,雌性才能产生卵子。同样地,当其他的一些特定基因打开时,子宫才能庇护胚胎。

但是在三趾石龙子体内中,两种基因都被表达出来,因此,科学家认为这种趾足石龙子正处于一种罕见的卵生生物和胎生生物之间的过渡阶段。但是最终的演化方向还不确定,因为生物的演化是一个随机的过程,随着环境的变化,它可能会改变已经选择的方向,转向另一个方向。

也有科学家认为趾足石龙子处于返祖状态,即从胎生向卵生方向转变。二十年前,科学家认为胎生很难或不可能再次向卵生演化。但是越来越多的研究表明,生物的返祖演化相当普遍,逆向生长存在可能。

趾足石龙子并不是唯一令生物学家惊叹的生物。海马是已知唯一一种雄性怀孕生子的动物:雌性可以将卵子转移到雄性的袋子中受精发育,海马雄性体内激活的基因与其他物种的雌性一样。

讨论生物存在不同性别,事实上是在谈论的是动物完全不同的身体结构组织,本质上是在讨论生物体内的基因选择性表达,虽然不同的生物之间差异可能已存在百万年,但是在百万年甚至几亿年以前,它们由同一种物种演化而来。

那么,不同的胎生物种由什么共同的基因推动?是什么基因推动了卵生?生物的进化有什么基本规则吗? 对于这些生命的奥秘,人类尚且还有很多未知等待探索。

参考文献:

https://www.quantamagazine.org/egg-laying-or-live-birth-how-evolution-chooses-20200518/

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