哈佛酵母实验揭示有性繁殖的进化优势

科学与技术

性背后的理由

艾尔文·鲍威尔

哈佛大学工作人员

2026年8月19日

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研究细节 回答一个比看起来更复杂的问题

为什么会有性——或者更准确地说，是有性繁殖？如果你是进化生物学家，答案并不明显。

有性繁殖在生物学上代价高昂，不仅需要争夺配偶，还需要创造出只有一半个体能够生育的整个种群。这一现实让科学家们开始质疑它最初为何会出现。毕竟，在无性繁殖中——就像细菌分裂时发生的那样——你不仅可以跳过追求和代价，而且每个个体都是潜在的母亲。

哈佛一组生物学家的新研究深入探讨了有性繁殖带来的益处，尤其是在变化的环境中。

该工作在自然科学教授费舍尔的实验室进行迈克尔·德赛由博士生施雷亚斯·派和当时的博士后帕里斯·汉弗莱领导。团队使用了一种酵母菌株作为模式生物。这种酵母常用于面包烘焙和酿造啤酒，具有科学优势，能够无性繁殖或有性繁殖。

另一个优点是酵母能在90分钟内产生新一代，消除了进化实验的猜测，而进化通常被认为促进了长时间的缓慢变化。每隔一个半小时就有一代，德赛团队能够在短短四个月内观察到960代之后的变化，这在大型哺乳动物中需要数百到数千年才能完成。

研究，发表在《科学》杂志上在国家科学基金会、国立卫生研究院和国家普通医学科学研究院的支持下，于4月开始，12个相同的酵母群体在理想条件下生长。所有谱系最初均为无性繁殖，但每100代会诱导指定谱系进行一代的有性繁殖。

科学家们首先证实了早期研究，表明在持续且有利的环境中，有性繁殖的种群比无性繁殖的种群获得更多的适应性。在近1000代中，有性繁殖群体的适应度比祖先群体提高了8%，而无性群体则增长了5.7%。

接着，研究人员测试了不同环境下的进化——一个更咸，一个更热，另一个酸度较低，还有一个磷酸盐较低。在这些改变的条件下，研究人员发现有性繁殖群体的适应度优势比无性群体高出2%至5.6%。

虽然这些数字看起来不够大，但德赛表示，长期来说，哪怕只有一点点优势，也可能让某个群体占据主导地位。

“在大型人群中，几分之一百分比的选择性差异可以驱动种群组成的整体变化。”迈克尔·M·德赛

“在大型人群中，几分之一百分比的选择性差异可以驱动人口构成的整体变化，”该论文的首席作者德赛说。“微生物中几百分之一的效应是很大的。可能需要50到100代才能接管。”

德赛表示，这项工作还探讨了在变化环境中有性繁殖的有利机制。有些基因是“多效性的”，意味着它们影响多种性状的表达，其中一些可能是适应性的，有些则有害。影响个体生存或繁殖能力的有害特征会被自然减少或消除。但中性或仅有轻微危害的特征可以存活，形成科学家所称的“搭便车负荷”，尤其是当同一基因的其他特征提供适应优势时。

当环境恶化时，比如实验酵母，一些原本中性或轻微不利的突变可能会威胁到生存。这就是性繁殖的锋芒所在。

无性群体无法消除威胁，因为他们的后代是克隆体且基因完全相同。而有性繁殖的群体则会产出带有父母基因混合的后代，其中一些基因可能并不携带有害的“搭便车者”。随着时间推移，这些基因的有害影响会减少甚至消除。

“我们证明，没有性生活，不仅是人群积累了有害的包袱，他们也积累了这些包袱，这些包袱在他们正在进化的环境中可能不那么糟糕，但在其他地方会伤害你，”德赛说。“相比之下，当你发生性关系时，你会释放那种搭便车般的多效性消耗，防止自己专注于你所处的环境。当环境变化或波动时，这会成为一大优势。”

虽然德赛和同事研究微生物，但他表示，这种影响延伸到更复杂的生物体，在那里无性繁殖虽然较为罕见，但仍有代表性。例如，在植物界，插枝可以长成与亲本基因完全相同的成熟植株。在动物中，某些蜥蜴物种可以进行孤雌生殖，即卵子自体受精，产生与父母为克隆体的后代。

“我们认为，性行为加速适应并清除有害负担的这种普遍机制，应该是性行为在各种生物体中普遍存在的优势，”德赛说。“我认为我们能学到如此多关于进化如何运作的知识，以及我们如何复制、复制和重新排序基因组的方式，在这些巨大复杂度和规模差异中都能理解，这非常了不起。”