科学家们解决了一个进化上的疑问：为什么人类卵子的体积是精子细胞的1000万倍

卵子和精子细胞的大小是由竞争演化而来的。有限的资源导致配子在大小和数量上存在巨大差异。

　　

在大多数活体动物中，卵细胞比精细胞大得多。以人类为例，单个卵子的体积是精子的1000万倍。

在一项新的研究中，西北大学的研究人员解开了这个谜题：竞争和自然选择导致了这种奇怪的大小差异。

研究人员利用数学模型，提出在进化的非常早期，原始物种通过外部受精繁殖。在该模型中，更大的生殖细胞或配子具有竞争优势，因为它们可以为潜在的合子提供更多的营养。然而，更小的配子需要更少的资源来制造，这就减少了父母的压力。

该研究的主要作者、麦考密克工程学院工程科学和应用数学教授Daniel Abrams说:“生物体要么需要用最多的供给产生最大的配子，要么需要用最少的资源产生最小的配子。基于有性繁殖和自然选择的合理假设，我们相信这种体型差异几乎是不可避免的。”

这项研究发表在《理论生物学杂志》网络版上。研究人员的这一模型从同配生殖（isogamy）开始，这是有性生殖方式之一，在这种状态下，所有配子的大小都大致相同，而且还不存在不同的性别。然后，该团队开发并应用了一个简单的数学模型，来说明 isogamy是如何转变为异配生殖（anisogamy）的。在anisogamy这种状态下，配子要么变得非常小，要么变得相当大。

在该模型中，anisogamy是在资源有限的环境中竞争而产生的。如果配子在体型上比它们的邻居更有优势，那么它们更有可能存活下来，这导致了一场有利于更大配子的“军备竞赛”。但是，如果生物体本身不需要越来越多的资源，就无法产生大量的生殖细胞。然而，它们可以通过产生大量微小的配子来节省资源。

“在有性生殖出现的早期进化中，配子是对称的。但这就是对称性被打破的地方，我们最终发现，一些生物体专攻大配子，另一些专攻小配子。”

作者表示，至今仍未解开的一个谜是，为什么一些奉行同配生殖的物种仍然存在。例如，一些种类的藻类和真菌，要么是无性繁殖，要么是对称交配类型。

“从查尔斯·达尔文开始，关于异配生殖的起源就有很多不同的理论。”“进化生物学中的问题很难测试，因为我们只能研究当今的物种。我们无法看到它们数十亿年前的样子。使用数学模型可以产生新的见解和理解。”

参考文献:

“A dynamical model for the origin of anisogamy” by Joseph D. Johnson, Nathan L. White, Alain Kangabire and Daniel M. Abrams, 18 March 2021, Journal of Theoretical Biology.
DOI: 10.1016/j.jtbi.2021.110669