卵子和精子细胞的大小是由竞争演变而来的

在大多数动物体内，卵细胞比精子细胞大得多。以人类为例，一个卵子的体积是一个精子的1000万倍。

在一项新的研究中，西北大学的研究人员发现，竞争和自然选择导致了这种奇怪的体型差异。

利用数学模型，研究人员考虑了在进化的早期，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呈现出一种竞争优势，因为它们可以为潜在的受精卵保留更多的营养。然而，更小的配子需要的资源更少，这对父母的压力也更小。

该研究的资深作者，西北大学的丹尼尔·艾布拉姆斯说:“生物体要么需要产生最大的配子以提供最多的食物，要么需要产生最小的配子以消耗最少的资源。”“我们相信这种大小差异几乎是不可避免的，这是基于对有性繁殖和自然选择的合理假设。”这项研究于昨晚(4月15日)在线发表在《理论生物学杂志》上。

艾布拉姆斯是西北大学麦考密克工程学院工程科学和应用数学教授。艾布拉姆斯实验室的博士候选人约瑟夫·约翰逊(Joseph Johnson)是这篇论文的第一作者。Nathan White和Alain Kangabire是艾布拉姆斯实验室的本科生，他们共同撰写了这篇论文。

西北大学研究小组的模型始于同妻制，这是一种原始状态，所有配子大小大致相同，性别差异还不存在。研究小组随后开发并应用了一个简单的数学模型来展示同性交配是如何过渡到异性交配的，在这种状态下，配子要么变得非常小，要么变得非常大，是当今生物性别相关的精子和卵子的前身。

在这个模型中，异性婚姻是为了在资源有限的环境中生存而产生的竞争。如果配子在大小上比其他配子有优势，配子就更有可能存活下来，这就导致了一场“军备竞赛”，更大的配子更受青睐。但是生物体本身如果不需要越来越多的资源，就不能产生许多生殖细胞。然而，它们可以通过产生大量的小配子来节省资源。

“在有性生殖出现的进化早期，配子是对称的。但这就是对称性被打破的地方，”艾布拉姆斯说。“我们最终得到了一些专门研究大配子的生物体和一些专门研究小配子的生物体。”艾布拉姆斯说，还有一个未解之谜，那就是为什么一些主张等配物种的物种今天仍然存在。例如，有些藻类和真菌的繁殖方式要么是无性繁殖，要么是对称交配。

艾布拉姆斯说:“关于雌雄同体是如何出现的，一直有不同的理论，可以追溯到查尔斯·达尔文。”“进化生物学的问题很难测试，因为我们只能研究今天存在的物种。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。”

More information: Joseph D. Johnson et al, A dynamical model for the origin of anisogamy, Journal of Theoretical Biology (2021). DOI: 10.1016/j.jtbi.2021.110669

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