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August 16, 2018
為什麼雙親比多親好?經濟學家論有性生殖
lai 在 YLib Blog 發表於 7:18:54

 

為什麼雙親比多親好?

經濟學家論有性生殖

 


我們常見的繁衍策略,是單性與雙性生殖。大自然還有千奇百怪的方式,目的是增加找到配偶的機率,試舉三例。

1)人類由X和Y染色體,繁衍出女性(XX)和男性(XY)。美國德州蚌蝦的性染色體為W和Z,可配成三種性別:WW(雌雄同體)、ZW(雌雄同體)、ZZ(雄性)。雌雄同體沒有雄性交尾器,不能交配但可自體受精產卵。也就是說,雌雄同體有兩個機會:a)自體受精;b)與ZZ(雄性)配對。

2)鳥類一般有雄性(ZZ)和雌性(ZW),但白喉帶鵐不論雌雄,頭上都有白色或棕褐色條紋。牠們只和異性且和不同條紋的物件交配。這種做法表示:每只鳥只有1/4的機會找到伴侶,會減少繁衍機會。研究者認為,雌雄各有兩種條紋,就類似有四種性別,好像正在演化出第二套性染色體。但也有人預期,某種條紋會在演化過程中消失。這種策略的優劣,尚待長時期觀察。

3)生活在淡水的單細胞四膜蟲,有七種性別。每種都可和另六種有效生殖。也就是說,可以和另外86%的成員產生子代,比人類只能和50%的成員(異性)產生子代,機率高了不少。四膜蟲有七種性別的DNA,交配時會移除其餘六種。

本文的主題是人類,重點是解釋:1)為何必須有雙親,2)為何多親(三、四、五親)的繁衍策略,在自然狀態下沒有意義。

我們的粒線體(mitochondrial)只會透母親傳給後代,萬能的人類就想扮演上帝。現今技術已能讓正常雙親的受精卵,注入第二位婦女的DNA,避免有缺陷的粒線體傳給嬰兒。這種「三親育子」(三性體)的技術,2015年2月英國議會已通過,預計每年約有150對夫婦受益。這套手法引發道德的激烈爭辯,因為這和食物的基因轉殖類似,人類需要基因轉殖嬰兒嗎?

1953年4月25日,華生(James Watson, 1928-)與克裡克(Francis Crick, 1916-2004)在《自然》(Nature)期刊,發表人類染色體(DNA)的雙螺旋模型。這項創時代的發現,開啟了分子生物與遺傳學的大門:DNA的結構是雙螺旋狀,由兩條「反向平行」的長鏈盤旋而成。

兩條鏈上的堿基,通過氫鏈連接成堿基對:一條由A與T配對(A-T),另一條是G與C配對(G-C)。A-T與G-C這兩組,簡要地依序排列,構成雙螺旋結構。沒想到人類複雜的基因,竟然結構如此簡潔。這兩組簡單的A-T與G-C,可以創造幾近無限的組合,讓每個人都有獨特的DNA。

我一直有個疑惑:如果造物者在A-T與G-C之外,再加上一組,譬如說X-Z,人類會變成什麼樣子?會有三頭六臂?能增加人種的多樣性?這不是更有利人類的競爭優勢嗎?為什麼演化大神這麼吝嗇,只用兩組元素做成雙螺旋?或者反過來說,為什麼造物者這麼精明,只用兩組就能讓人類生生不息,就要接近百億人口?

有性生殖是雙親制(二性體),這和 DNA的結構一樣,都是雙組制。動物通常行有性生殖,雙親基因可以融合成更新的下一代,避免基因庫窄化。假如造物者讓有性生殖採用多親制,那麼一父兩母(三親育子)或兩父兩母(四親育子),就可增加基因多樣化,增加存活機率,或減少被滅絕的機率。為什麼演化大神的答案還是一樣:在自然狀態下,雙親就夠了?

現在科技已能用人工組合基因,嘗試加上第三組:這樣就能把現有的20種氨基酸,提增到理論上的172種。優點是可以產生新蛋白質,製造新藥物,還能有許多新用途。這種新的第三組,是人為的,是非自然的(unnatural base pair)。我們還是把議題拉回自然的有性生殖:為什麼造物者偏好雙組制(A-T,G-C),演化大神也偏好雙親制(父母),而非多親制?這麼基本的議題,生命科學界應該早已明白,經濟學界還能插嘴麼?

英國皇家經濟學會的期刊Economic Journal,2017年12月刊登 Perry等三位的分析,用數學模型證明:雙親制優於單親制,也優於多親制。三位作者的論點很明確:從演化的角度來看,有性生殖優於無性生殖,雙親生殖優於多親生殖。但在雙親制架構下,有兩個對立性的假說,一種是基因突變說(mutational hypothesis),另一種是紅色皇后說(Red Queen hypothesis)。突變說認為:雙親基因混合後,會減少傷害性的突變機率。紅色皇后說認為:雙親基因混合後,可增加基因組的變化性,因而減少寄生蟲或病毒的影響。

紅色皇后的概念,出自路易斯˙卡洛(Lewis Carroll)的童話故事《愛麗絲鏡中奇遇》(Through the Looking Glass,1871)。紅色皇后對愛麗絲說,在這個國度裡,想去到一個地方,必須要往相反方向走。兩人愈走愈快,但詭異的是:不論跑得多快,周遭景物都沒改變,還是停留在原處。在這個一切都反向的國度裡,全力奔跑只是為了要維持在原地。

演化學家Leigh van Valen在1973年,借用這個故事提出一個概念:物種為了搶奪資源與生存,必須不停地優化,才能對抗捕食者與競爭者。捕食者本身也必須不停進化,才能與對手持續抗衡。所有物種都在不停地改變,但這種改變對競爭雙方來說,適應度並沒有因而增強。也就是說,在這個詭異的演化國度裡,全力奔跑只是要維持在原地。

現在把前面提過的多親制,拉進這個爭辯裡:雙親制能增加基因的多樣性,但無法根絕病毒的威脅。多親制的好處,是可以從更多父母得到更多樣化的基因,這不就更能減低病毒的威脅嗎?以三親育子為例,基因來源多一個,並不會付出多少額外成本。從突變說的角度來看,多親要比雙親好。如果三親比兩親好,同理可證雙親比單親好。

單親制就是無性生殖,好處是親子間的基因都一樣,突變機率小。缺點是當外界環境變化時,不易適應新變化。三親制的優點,是基因變異較大有利存活,但有個明顯缺點:無法解釋為什麼,自然界不存在三親制?

紅色皇后說很能解釋,雙親制優於單親制(無性生殖),因為雙親制的基因較多元,較易抵抗病毒。如果雙親制優於單親制,三親、四親、五親制也應該優於雙親制。皇后說的缺點是:無法解釋自然界中,為何不存在三親、四親、五親制。現在問題就很明確了:為何雙親制才是造物者的最佳選擇?

大自然中真的沒有三親制嗎?生物體大概沒有,但病毒中則常見。病毒的DNA中,常見雙親、三親、多親的組合。為什麼病毒要多親?可能的原因是:基因多元化後,突變機率大,不易被白血球或抗生素消滅。只要想想為何流行感冒無法絕跡,就明白多親制的演化優勢。

但多親制的缺點,和家裡有小三小四一樣,會造成很大的協調成本,明顯弊多於利。照這樣說,單親制最好,自己做決定,不必牽拖別人,協調成本最低。單親制的缺點也很明顯:基因固定化,子女單調化。只要想一下單親家庭的優缺點,就明白了。所以常規家庭都是雙親,生物的 DNA 也是雙組。

人類的卵子通常只接受一隻精蟲,之後就把大門關上。鳥類、螞蟻、蜂、蝦、蛇、蝸牛、龜、果蠅的卵,可以接受複數精子,之後挑選一隻受孕。這些母體如果和兩隻以上的伴侶交配,就有可能一卵多精,這算是多親制嗎?應該不是,因為最終只會選擇一隻精蟲,所以還是一精一卵的雙親制。

蚯蚓是雌雄同體,為何還要異體受精?既是雌雄同體,就可自我交配,豈不更省事?道理很簡單:自我交配,每次只能讓一條蚯蚓受孕;異體交配,每次有兩條受孕,生殖力差一倍,對族群繁衍非常有利。人類一次通常生一胎,遠遠比不上其他動物的生殖率(例如魚卵有數十萬個),很需要靠父母養護,甚至大學畢業了還沒謀生能力。

以人類為例,為何雙親育子(二性體)的策略優於三親(三性體)?這是成本不效率的問題:一男一女即可生育,為何需要雙男一女?三親制反而會減少繁殖率:1+1=1和2+1=1,你說哪個合算?一個卵子配合兩隻精蟲,就是浪費。單親制呢?人類是有性生殖,單親不可行。為何家庭通常是一父一母?一方面生殖成本最低,二方面協調成本也較低。

還有紅色皇后的假說沒講完。前面說過,雙親基因混合後,對寄生蟲與病毒較有抵抗力。若這道理成立,三親、四親、五親就更能減少疾病機率。但為何還是雙親具有長期優勢?如果三親的優點是「道高一尺」,病毒的特色就是「魔高一丈」:因為人類的DNA只有兩組,而病毒的DNA甚至有三組或更多組。病毒總能在基因突變上,比人類產生更高存活機率的下一代,然後迅速複製。

單性生殖的基因容易固定化,只能「道高半尺」。當病毒「魔高一丈」時,馬上就會造成「魔滅道」,威脅到族群的存續。雙親制能讓「道高一尺」,但病毒的多組DNA,就能「魔高一丈」,就這樣無限迴圈地鬥下去。

現在換個角度來看,你認為三親育子,能產生「道高三尺」的效果嗎?就能壓抑「魔高兩丈」的病毒嗎?不會,「道高永遠一尺,魔高永遠一丈」。因為不論是三親、四親、五親,他們的DNA都是兩組制。一個父親的精子是兩組制的DNA,三個父親的精子,也都是兩組制的DNA,就算有一百個父親的精子,也無法對抗病毒的多組DNA。若要費好幾個男性的生殖力,才生出一個子代,對抗病毒還是無效,真的很不合算。

換句話說,三個臭皮匠真的比不上一個諸葛亮。那人類怎麼辦?只好發明抗生素與疫苗,但也只能治標不能治本,每年每代都在和病毒做永無止境地鬥爭。演化大神比我們更早明白這個道理:單親制會讓基因窄化,多親制會浪費生殖資源。造物者選擇了雙親制,因為生殖成本最低、協調成本最小。雖不完美,但也夠了。

參考書目
“Artificial gene synthesis”, Wikipedia.
Perry, Motty, Philip Reny and Arthur Robson (2017): “Why sex, and why only in pairs?”, Economic Journal, 127:2730-43.
〈瘋狂且不尋常的愛〉,《BBC知識》國際中文版,2018年5月,頁74-5。


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