为什么人类卵子的体积是精子的上千万倍？

    在大多数现生动物中，卵细胞的体积总是比精细胞大得多。以人类为例，单个卵子的体积是精子的1000万倍。在一项新研究中，美国西北大学工程科学与应用数学系的研究人员发现，这种悬殊的体积差异是由竞争和自然选择造成的。

　　研究人员开发了一个数学模型，考虑了动物进化史上非常早期的一段时间，即原始物种还通过体外进行受精并繁殖的时期。在该模型中，更大的生殖细胞（即配子）具有更明显的竞争优势，因为它们可以为潜在的合子提供更多营养；不过，更小的配子在产生时只需要很少的资源，这就减少了父母的压力。

　　该研究的主要作者、美国西北大学麦考密克工程学院工程科学与应用数学系教授丹尼尔·艾布拉姆斯说：“生物体要么用最多的资源配给来产生最大的配子，要么用最少的资源来产生最小的配子。根据有性繁殖和自然选择的合理假设，我们认为，这种体型上的巨大差异几乎是不可避免的。”

　　这项研究发表在《理论生物学杂志》（Journal of Theoretical Biology）网络版上。艾布拉姆斯实验室的博士研究生约瑟夫·约翰逊是这篇论文的第一作者，本科生内森·怀特和阿兰·康加比尔也参与撰写了这篇论文。

　　该研究小组的模型从同配生殖（isogamy）开始，在这种原始状态下，所有配子的大小都大致相同，尚不存在明显的性别差异。然后，研究小组开发并应用了一个简单的数学模型，以说明同配生殖如何转变为异配生殖（anisogamy）。在异配生殖中，配子要么非常小，要么非常大——这便是精细胞和卵细胞的前身。产生精细胞的个体被定义为雄性，产生卵细胞的个体则被定义为雌性，也就是我们今天所熟悉的生物学性别。

　　在该模型中，异配生殖是在资源有限的环境中不断竞争而产生的。如果配子因为在体积上比邻近配子更有优势而更有可能存活下来，那就会导致一场有利于更大配子的“军备竞赛”。另一方面，为了产生大量的生殖细胞，就要求生物体本身需要越来越多的资源。不过，它们可以通过产生大量微小的配子来节省资源。

　　“在进化早期，有性生殖刚刚出现的时候，配子是对称的。但这种对称性被打破了，”艾布拉姆斯说，“我们最终发现，一些生物体专门产生大配子，另一些专门产生小配子。”

　　艾布拉姆斯表示，至今仍未解开的一个谜题是，为什么自然界中仍然存在一些同配生殖的物种。例如，一些藻类和真菌要么是无性繁殖，要么会产生对称的交配型。

　　“从查尔斯·达尔文开始，关于异配生殖的起源有很多不同的理论，”艾布拉姆斯补充道，“进化生物学中的问题很难验证，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，而利用数学模型，我们可以获得新的观点和见解。”