關于作者

朱欽士,四川省成都市人。1968年畢業(yè)于北京大學生物學系生物化學專業(yè)。1984年獲得荷蘭阿姆斯特丹大學生物化學博士學位。1984年至1986年在中國科學院生物物理研究所酶學和生物能學實驗室工作,同時任碩士研究生導師。1986年到美國西弗吉尼亞大學醫(yī)學院生物化學系做博士后研究。1987年到1991年在洛杉磯兒童醫(yī)院從事基礎醫(yī)學研究。1991年至2009年在美國南加州大學從事研究工作。退休前為南加州大學醫(yī)學院生物化學和分子生物學系副教授。
研究領域包括生物能,酶的結構和功能,蛋白質的合成與轉運,癌癥與染色體,神經(jīng)遞質,基因表達的調(diào)控機制,以及肝臟解毒系統(tǒng)。

為什么“孤雌生殖”產(chǎn)生的鯊魚和火雞性別不同?

朱欽士
2014年03月22日
鯊魚和火雞都是脊椎動物,與人一樣,都是靠有性生殖來繁殖的。雄性個體產(chǎn)生精子,雌雄個體產(chǎn)生卵子,精子和卵子結合生成受精卵,再發(fā)育成下一代的生物。由于受精卵從父親和母親那里各接收了一份遺傳物質,所以是“二倍體”。鯊魚和火雞沒有受精的卵子是“單倍體”,只有一份遺傳物質,不能發(fā)育成下一代的動物。
可是怪事發(fā)生了。2001年12月14日,美國內(nèi)布拉斯加州的一個動物園中養(yǎng)了三條雌性錘頭鯊的魚缸里,突然出現(xiàn)了一條雌性小鯊魚。這三條雌鯊魚在放進這個魚缸時還沒有成年,不可能已經(jīng)交配過,魚缸里也從來沒有雄性鯊魚,那么這條小鯊魚是從哪里來的呢?
過了一年,美國底特律的一家水族館的一個魚缸也發(fā)現(xiàn)了兩條小鯊魚(“白點竹鯊”)。而魚缸里原來只有兩條雌鯊魚,說明這兩條小鯊魚也是在鯊魚卵沒有受精的情況下產(chǎn)生的。而且這兩條小鯊魚和內(nèi)布拉斯加州動物園的那條小鯊魚一樣,都是雌性。
這個現(xiàn)象使人們聯(lián)想到蚜蟲的“孤雌胎生”。雌蚜可以在沒有雄蚜蟲的情況下,自己生下小蚜蟲來,而且這些小蚜蟲和自己一樣,都是雌性。小蚜蟲的遺傳物質和母蚜蟲完全相同,所以還是母蚜蟲的克隆。鯊魚是不是也像蚜蟲那樣,用“孤雌胎生”的方式來產(chǎn)生后代呢?
但是孤雌生殖在鯊魚中非常罕見,并不像蚜蟲那樣,是正常的繁殖方式。而且對小鯊魚的DNA檢測表明,小鯊魚的遺傳物質只和母鯊魚的一半相同,所以不是母鯊魚的克隆。這又是怎么回事呢?
除了鯊魚,火雞也能進行孤雌生殖,沒有受精的卵也可以孵出小火雞來,這些小火雞也不是母火雞的克隆。更奇怪的是,孤雌生殖產(chǎn)生的火雞都是雄性,也就是和它們的母親性別都不同,這又如何解釋呢?這就和一種叫做“自體融合”的過程有關。
鯊魚和火雞在繁殖后代時,與其它脊椎動物一樣,要用“減數(shù)分裂”的方式來產(chǎn)生精子和卵子。精原細胞和卵母細胞的DNA先加倍,變成“四倍體”。“四倍體”再經(jīng)過兩輪細胞分裂,每一輪分裂前DNA都不再加倍,這樣兩輪細胞分裂就形成四個細胞,每個細胞都只有一份遺傳物質(“單倍體”)。
在雄性動物中,所形成的4個細胞都發(fā)育成精子。但是在雌雄動物中,4個細胞中只有一個發(fā)育成卵子,其余三個變成“極體細胞”,最后退化消失。卵子是單倍體,在沒有受精的情況下是不能發(fā)育成下一代的,那么這些鯊魚和火雞又是如何形成的呢?
原來在沒有雄性鯊魚或雄性火雞(也就是沒有精子)的情況下,母鯊魚和母火雞也會“想辦法”,就是把第二輪減數(shù)分裂形成的兩個細胞(一個是卵子,另一個是本來要消失的極體細胞)彼此融合。由于這兩個細胞都是在同一個動物體內(nèi)產(chǎn)生的,所以這個過程叫做“自體融合”。這個過程相當于用一個極體細胞來代替精子,生成“受極卵”。“受極卵”和“受精卵”一樣是二倍體,有可能發(fā)育成下一代的動物。這不是正常的繁殖方式,但是在個別情況下也可以產(chǎn)生下一代。
由于在形成卵子的過程中,細胞里的DNA已經(jīng)進行了“基因洗牌”,把來自父親的基因和來自母親的基因進行了交換,所以這些卵子的基因組合既不同于父母,又不彼此相同。所以小鯊魚就不是母鯊魚的克隆了?;痣u也一樣。
既然如此,為什么孤雌生殖產(chǎn)生的鯊魚都是雌性,而孤雌生殖產(chǎn)生的火雞都是雄性呢?這是因為鯊魚和火雞決定性別的機制不同。鯊魚和人一樣,有兩條相同的性染色體的個體(XX)是雌性,而兩條性染色體不同的個體(XY)是雄性。這種性別決定系統(tǒng)叫做XY系統(tǒng)。而火雞是鳥類,在鳥類中,有兩條相同的性染色體的個體(ZZ)是雄性,而兩條性染色體不同的個體(ZW)反而是雌性。
減數(shù)分裂最后一步所形成的兩個細胞所含有的性染色體是一樣的。這兩個細胞結合時,所形成的二倍體細胞就會含有兩個同樣的性染色體。由于母鯊魚只含有X性染色體,只能產(chǎn)生X型的卵子和極體細胞,卵子和極體細胞結合就會形成XX型的“受極卵”,那就只能發(fā)育成雌性。
而母火雞既有Z染色體,又有W染色體。減數(shù)分裂最后一步要么形成Z型的卵子和極體細胞,要么形成W型的卵子和極體細胞。它們之間的融合,就會產(chǎn)生ZZ型的“受極卵”和WW型的“受極卵”。ZZ型的“受極卵”發(fā)育成雄性火雞,而WW型的“受極卵”不能發(fā)育,所以火雞“孤雌生殖”的后代只能是雄性。
生物(包括植物)性別決定的機制是非常靈活多變的。這里舉的只是其中的兩個例子。