數百萬年以來，牠們從來沒有進行過有性生殖，卻能戰勝演化的洪流，在生物圈保有一席之地。照理來說，這種缺乏有性生殖的生物早該滅絕了，究竟牠們有什麼妙招，能讓自己在演化上立於不敗之地呢？透過 DNA 的定序，科學家發現牠們藉由混併來自其他輪蟲個體、不同種的輪蟲，甚至是真菌或是細菌的基因，來彌補缺乏有性生殖這項重大缺點。
你可以在池塘、小水坑，甚至是潮濕的土壤中找到輪蟲這種奇特的小生物。透過顯微鏡觀察牠們，你會發現牠們十分小巧可愛，是一種長度通常不到 1 公釐的多細胞無脊椎動物，當牠移動的時候，簡直就像一艘超迷你的輪船。牠藉由轉動位於頭部周圍的纖毛來移動牠的身體，同時也可以把水中的小型藻類與有機質碎屑掃進口中大快朵頤，活像是現今的熱門家電──掃地機器人。
當輪蟲所棲息的水塘乾涸時，牠們會縮成一個脫水的小顆粒，看起來像是皺巴巴的桶子。牠們能夠以這個狀態度過數年，並且隨風傳播到新的池塘。到達適合生長的新天地後，牠們只需幾個小時就能吸飽水分，同時能有效地修補因乾燥而傷痕累累的 DNA 。這個不起眼的生物讓我們不禁重新思考起，生物學上最古老的謎團：動物為何會有性的過程呢？
非性不可？性其實是一種很沒有效率的行為，動物們投入了大量的時間與精力去追求並維持穩定的伴侶關係。更糟的是，同一族群中會有一半的個體，因找不到伴侶而無法繁衍後代。早在 150 年前，演化之父達爾文就已經對性的必要性提出質疑。長久以來，演化學家一直都在思考，為何有性生殖在演化上的優勢總是大大勝過無性生殖？
數十年來，科學家們已提出許多理論，並且經過反覆的爭辯。其中最廣為接受的說法是：性有利於重新組合雙親的基因體，藉此產生全新的基因組合，這樣一來，能使動物們具有適應環境變遷的能力，並且能在新的生態棲位落地生根。更重要的是，這些新創造出來的基因組合，還能使動物們免於遭受各種病原體的侵害，縱使有部分個體會因被感染而犧牲，但總會有一些個體具有抵抗力。對病原菌來說，這些動物就像一閃而過的移動靶一樣難以命中！
對哺乳類而言，有性生殖是不可或缺的，所謂的處女懷胎這種事，只存在於神話中。而在脊椎動物中，只有極少數的爬蟲類與蛙類能夠進行孤雌生殖，牠們的雌性個體，能產下與母體的基因組合完全相同、內含雙倍體的卵。不過，這些由未受精的卵發育而成的後代，其適應環境的表現還是比經由有性生殖產生的後代差。因此，行無性生殖的物種通常無法存續很久，一不小心就會消失在演化的洪流中。
許多無脊椎生物不但可行有性生殖，也可以進行無性生殖，而有一些物種，比方說蚜蟲，絕大多數都時間都是行孤雌生殖，只有在感受到環境壓力時，才會進行有性生殖。不過，卻沒有任何一種動物，從來不進行有性生殖，唯一的例外，就是 bdelloid 輪蟲。自從荷蘭科學家 Antonie van Leeuwenhoek 第一次用自己發明的顯微鏡發現這種輪蟲以來，數百年間，從來沒有人看過任何一隻雄蟲。
牠們的雌性個體會產下未經減數分裂的卵，因此牠的卵所含的基因體，與母體的完全相同。bdelloid 輪蟲本身的基因體也很奇妙，就常理來說，它應該具有兩套相同的基因，就如我們一般所熟知的雙倍體，但是它們卻是截然不同。這表示這兩組基因體是源自於兩個物種間的混成，而這兩個物種的基因與基因體早在六千萬年前就已在演化上分歧。牠們的同源染色體已經過不同方式地重組，因此它們無法在減數分裂時進行配對。由此可知，六千萬年來，這種輪蟲從來沒有進行過有性生殖。
輪蟲獲取新 DNA 的方式將 bdelloid 輪蟲的基因體定序後，科學家發現了另一項驚人的事實：其中竟然有 8% 的基因是外來的！其中有些基因還是存在於真菌或細菌體內的典型基因，這些基因賦予輪蟲某些重要能力，例如分解毒素及消化特殊食物。這種輪蟲與其他生物間的水平式基因轉移，從遠古時期就存在了，而且現在還在持續進行。
透過徹底地檢視，我們可以發現外來的 DNA 遍布於輪蟲的基因體上。那麼，這些基因又是如何進入輪蟲的基因體呢？極有可能是輪蟲在遭遇乾旱逆境時，在身體脫水的過程中，造成其細胞膜產生裂縫，外來的 DNA 便由此進入其細胞中。而輪蟲修復 DNA 雙股螺旋構造的機制會在其脫水時受到破壞，為外來 DNA 混入其基因體提供絕佳的機會！
此外，更令人吃驚的是，在這類輪蟲取得其他輪蟲個體或是另一種輪蟲 DNA 的過程中，這些 DNA 並不是隨機的混併入其基因體中，而是會先抵達合適的 DNA 序列位置，再進行重組，這就表示某一種新型的特定基因能夠取代舊有的對應基因，達成跟進行有性生殖同樣的效果！
細菌也有自己的一套從周遭環境取得 DNA 並加以利用的情形，並不只出現在輪蟲身上。細菌透過分裂生殖來產生基因完全相同的個體，但它們也能取得其他菌系的 DNA ，並與自身既有的基因做替換，藉此產生更強的抗性來適應環境。而正是這種 DNA 改造（DNA transformation）的過程，讓生物學家首度證實了基因是由 DNA 組成的。 DNA 改造只是細菌用來獲取多樣性基因的其中一個手段而已，細菌還可以透過病毒來取得其他細菌的基因；有些細菌則能夠透過特殊的管狀構造，進行長鏈 DNA 分子，甚至是整個基因體的交換，這種結合看起來幾乎跟有性生殖沒什麼不同。
在沒有數量龐大的基因型的前提之下，不論對脊椎動物或是非脊椎動物而言，有性生殖看起來還是最佳選擇，因為這樣能為族群創造高度的歧異性。而對無法進行有性生殖的生物來說，牠們就必須另尋其他途徑，來提高其基因庫的含量。無論能否進行有性生殖，要在演化上取得優勢，基因變異是必要的條件，輪蟲就是最好的證明。
（首圖來源：Flickr/Ian Sutton CC BY 2.0）
發表於 2017-10-14 17:37:31
