正文 5 生命的延續與發展(2 / 3)

以雞為例,雞蛋有卵殼起保護作用;還有氣室,有利於胚胎發育時氣體的交換,並為胚胎發育提供氧氣;還有卵黃膜起保護卵細胞的作用,卵細胞即卵黃為胚胎發育提供主要營養物質,卵黃內含細胞核,是進行胚胎發育的部位。卵白在雞蛋中是蛋清,有保護卵細胞並為胚胎發育提供營養物質和水分的作用。

未受精的卵,胚盤色淺而小;已受精的卵,胚盤色濃而略大,這是因為胚胎發育已經開始了。

(3)哺乳動物的生殖

對於哺乳動物來說,它們的生殖從受精過程開始。受精過程可以說是神聖的,因為受精是新生命的起點,是精子、卵子各自的單倍體基因組相融合形成二倍體合子的事件。在通常的情況下,受精過程包括精卵相遇,即動物的卵子和蝌蚪狀的精子彼此間有相互吸引的化學物質,使同種的精子與卵子相互識別,然後精子頭部釋放一種化學物質,它們就像敲門磚敲開了卵子的大門,然後精子穿入卵子,引發卵子發生一係列變化,最終二者原核融合,形成二倍體的合子。受精過程到此結束,精子完成了偉大的使命——與卵子結合形成受精卵。受精卵在母體的子宮內著床,並發育成胚胎,然後進一步發育形成一個幼體,最後來到這個五彩繽紛的世界上。那麼,我們人類的生殖是怎樣的呢?

人類的生殖是通過不同性別的個體——男人和女人的生殖器官的活動來實現的。

女性的生殖器官包括內生殖器(陰道、子宮、輸卵管、卵巢)、外生殖器(陰阜、大陰唇、小陰唇、陰蒂、陰道前庭)及其相關組織。男性的生殖器官也包括內、外生殖器兩個部分。內生殖器包括生殖腺體(睾丸)、排精管道(附睾、輸精管、射精管和尿道)以及附屬腺體(精囊腺、前列腺和尿道球腺),外生殖器包括陰囊和陰莖。一進入青春期,女性性器官卵巢排出成熟的卵子,直徑約為0.2毫米;男性性器官睾丸排出成熟的精子,形狀類似小蝌蚪,是體內最小的細胞,長約0.06毫米。卵子與精子相逢結合,成為繁殖後代的重要物質基礎。

女性的卵巢是一對扁橢圓形的性腺器官,左右各一,位於盆腔內子宮的兩側。它的主要功能除分泌女性必需的性激素使女子具備正常的生理特征外,就是產生卵子使女子具備正常的生育能力。女性出生時,卵巢中已儲存數百萬個卵母細胞,但一般情況下,從月經初潮到絕經期,隻有500左右的卵原細胞能夠發育成熟,其餘的便自生自滅了。生育期的女性,在下次月經來潮前14天左右,卵巢大都排出一個成熟的卵子,經輸卵管傘端撿拾,上皮細胞纖毛的作用,幾分鍾後進入輸卵管的壺腹部,停留2~3天,期待與精子的相逢。

男性的睾丸呈扁橢圓體,左右各一,位於陰囊內。它的主要功能除分泌雄性激素外,就是產生精子。不要以為精子與卵子相會是輕而易舉的事。就像鋪天蓋地的柳絮一樣,精子采取了“精海”戰術,以確保和卵子相遇。男子每次射精排出數千萬個精子,經由陰道、子宮頸管、宮腔遊動到輸卵管。可這段旅途對於小小的精子來說還是比較艱辛漫長的,能到達子宮的精子隻有約100萬個,而最終隻有100~200個精子能到達輸卵管,精子們爭先恐後希望第一個進入卵子,因為隻要有一個精子先攻破卵子的外圍組織,進入卵細胞,其他的精子就不可能再進入同一個卵子了。精子進入卵細胞,精、卵的原核相融,來自父母的各23條染色體融合成23對,形成了一個含有46條具有遺傳基因的染色體的新細胞,這個新細胞就是受精卵或孕卵。受精卵一邊分裂,一邊繼續移動至子宮,安營紮寨,一個新的生命要在這裏悄悄地孕育成長了。

但也有例外,有的女性一個受精卵發育成兩個或兩個以上胚胎,就形成了單卵孿生、單卵多胎;有的同時排出了兩個或兩個以上的卵子,如果分別與精子相結合,就出現了雙卵雙胞胎和多卵多胞胎。多胞胎可以是單卵性、多卵性或混合性的,又以混合性的居多。

(4)其他方式

有性生殖中除精卵結合外,還有其他形式。

1)孤雌生殖。孤雌生殖即一種單個卵細胞發育成個體的無性繁殖方式,雖然孤雌生殖在脊椎動物中都有發現,但是在哺乳動物中進行孤雌生殖必須有人的幫助才行。有些動物的生殖不需雄體參加,隻是雌體產生卵。此卵不與精子結合,即可發育成新的個體,實際上這是單性生殖。其卵發育成的子代一般均為雌性個體。少數動物至今隻有雌性個體,尚未發現雄性個體的存在,一生中隻進行孤雌生殖,如某些輪蟲。有些動物的生殖是兩性生殖與孤雌生殖並存,如蜜蜂,未受精的卵發育成雄蜂,卵受精則發育成雌性的工蜂和蜂王。有的動物在一生中有一段時期進行兩性生殖,另一時期進行孤雌生殖,如蚜蟲,在其生活史中,大多數時間進行孤雌生殖,隻到秋末時才進行兩性生殖,產生的卵與精子結合後,休眠越冬,次年再發育成雌性蚜蟲。有人認為孤雌生殖是無性生殖。

2)幼體生殖。一般動物的幼體生長發育成熟後,就會變成成體,它們的生殖器官才能產生精子或卵,從而進行有性生殖。但是某些動物的幼體並未發育為性成熟個體就可進行生殖,繁殖後代,所以這種生殖方式就叫作幼體生殖。不像其他有性生殖的生物產生受精卵,幼體生殖產生的不是卵而都是幼體,有的人把這種生殖方式歸為胎生。還有比較特殊的一點是幼體生殖的母體在進行生殖時不需雄體的參加,所以它們沒有卵精子結合的過程,因此幼體生殖實際上也可看成是孤雌生殖的一種類型。比如有一種癭蚊,這種蚊子除了夏季進行兩性生殖外,其餘季節都進行幼體生殖。

3)多胚生殖。多胚生殖是指一個卵可產生兩個或更多的胚胎,發育成多個個體的生殖方法。這種生殖為卵核分裂一次以後就形成兩個胚胎,但大多數種類的卵核都經多次分裂,形成許多子核。膜翅目的一些寄生蜂類,發生胚胎的數量根據寄主的承受能力而有所不同,多的可產生1600~1800個,比如廣腹細蜂以瑞典麥稈蠅為寄主時一個卵能產生15~20個胚胎,以甘藍夜蛾為寄主時可產生2000多個胚胎。

(5)有性生殖——生物進化的加速器

有性生殖中基因組合的廣泛變異能增加子代適應自然選擇的能力。有性生殖產生的後代中隨機組合的基因對物種可能有利,也可能不利,但至少會增加少數個體在難以預料和不斷變化的環境中存活的機會,從而對物種有利。

有性生殖還能夠促進有利突變在種群中的傳播。如果一個物種有兩個個體在不同的位點上發生了有利突變,在無性生殖的種群內,這兩個突變體必將競爭,直到一個被消滅為止,無法同時保留這兩個有利的突變。但在有性生殖的種群內,通過交配與重組,可以使這兩個有利的突變同時進入同一個體的基因組中,並且同時在種群中傳播。

此外,進行有性生殖的物種其生活周期中都有二倍體的階段。二倍體的物種每一基因都有兩份,有一份在功能上處於備用狀態。如果這個備用的基因發生突變,成為有新的功能的基因,但此時新功能還是潛在的。通過自發的重複和有性生殖中的遺傳重組,這個新基因可與原有基因先後排列,這樣便產生一個新的基因。二倍體物種可以用這樣的方法使其基因組不斷豐富。

由此可見,有性生殖加速了進化的進程。在地球上生物進化的30餘億年中,前20餘億年生命停留在無性生殖階段,進化緩慢,後10億年左右進化速度明顯加快。除了地球環境的變化(例如含氧大氣的出現等)外,有性生殖的發生與發展也是一個主要的原因。現存200餘萬種生物中,從細菌到高等動植物,能進行有性生殖的種類占98%以上,就說明了這一點。

5.1.3世代交替

世代交替指的是在生物的生活史中,產生孢子的無性世代與產生配子的有性世代有規律地交替出現的現象。約在19世紀中期夏米索首先發現了原索動物的世代交替現象,但未加以重視;1841年,斯滕斯楚普也發現這種現象,並提出“世代交替”這一術語。

1851年德國業餘植物學家霍夫邁斯特研究了苔蘚和蕨類等高等隱花植物的生活史,並與裸子植物和被子植物的生活史進行比較後明確指出:苔蘚、蕨類和種子植物的生活史中,無性生殖與有性生殖有規律地互相交替。他的名著《高等隱花植物世代交替的現象》的發表,使植物學發生了一次革命,啟發人們去探討植物之間的親緣關係,同時也推動了細胞學和比較形態學向前發展。1894年,德國植物學家施特拉斯布格通過細胞學的研究發現世代交替實質上是二倍體細胞的個體與其單倍體細胞的個體互相交替。

(1)植物的世代交替

植物的世代交替是指在植物的生活史中,產生孢子的孢子體世代與產生配子的配子體世代有規律地交替出現的現象。

世代交替以蕨類植物比較明顯,孢子體和配子體都能獨立生活。二倍體的孢子體進行無性生殖時,孢子母細胞經過減數分裂產生單倍體的孢子,孢子萌發長成小型的能獨立生活的配子體,叫作原葉體。原葉體在進行有性生殖時,分化出雌雄性器官,即頸卵器與精子器,並分別產生卵和精子。這兩種配子結合形成了二倍體的合子。合子又長成下一代新的孢子體。世代交替在各類植物中,因孢子體與配子體的形態、大小、顯著性、生活期限以及能否獨立生活等方麵的不同,差別很大,但基本過程與蕨類植物是一致的。

(2)動物的世代交替

在多種無脊椎動物生活環中有不同形態和不同生殖方式個體輪番出現的現象即為動物的世代交替,見於多種無脊椎動物中,在原生動物和後生動物中有所不同。有的交替過程表現為不同個體一代換一代;但也有的是一種個體在延綿若幹代之後才被另一種個體所代替,這種現象稱異態交替。交替的世代中有一代為無性個體而另一代為有性個體,稱無性世代與有性世代交替;一代為單性世代而另一代為兩性世代則稱異性世代交替。

(3)科學家們的紛爭

除了世代交替,還有一個在學術領域比較流行的詞叫核相交替,核相指細胞核染色體的倍性。世代交替是指植物生活史中有兩種核相細胞的個體有規律地互相交替的現象;而核相交替則指在有性生殖過程中,其單倍染色體的細胞與其二倍染色體的細胞,有規律地相互交替的現象。核相交替是所有進行有性生殖的生物中普遍存在的現象。例如衣藻、墨角藻、馬尾藻這些單體型植物生活史中核相交替是明顯的,但是它們有無世代交替則有不同見解。

有人認為核相交替也就是世代交替,也有人認為兩者是有區別的。例如美國植物胚胎學家詹森和索爾茲伯裏曾說:“大多數綠藻配子體世代顯著,孢子體世代可以簡化到隻有一個細胞的合子。”可見他們把合子作為一個世代。而另一種觀點認為單體型植物的生活史中,隻有一種核相細胞的個體,例如衣藻的合子和墨角藻、馬尾藻的配子隻是生活史上一個很短暫的單細胞時期,不能作為一種植物體或一個世代,所以認為單體型植物沒有世代交替現象,隻有核相交替。

各類植物間世代交替的差別很大,它們進化的趨向,是從等世代交替一方麵趨向於配子體世代較為發達、顯著,孢子體較小;另一方麵趨向於孢子體越來越發達,配子體高度退化。在被子植物的世代交替中,孢子體占絕對優勢,而配子體隻由幾個細胞組成。

研究世代交替的主要意義是闡明了合子是配子結合而成的,並萌發成孢子體,而孢子是從孢子體產生的,並萌發成配子體。至於孢子體和配子體是否必須經過互相交替還是次要的問題,因為有的植物生活史中,配子體產生配子之前有時會通過營養繁殖再產生配子體,比如地錢。而有的植物,孢子體不產生孢子而直接產生配子體叫作無孢子生殖;有時不經過配子結合,而直接由配子體產生孢子體,叫作無配子生殖。無孢子生殖和無配子生殖的現象在真蕨中十分普遍,在苔蘚植物中較為少見。

5.2神奇的發育過程

生命是一個過程,生物一般要經過受精、發育、成熟、繁衍、死亡這些過程,隻不過其中的一些方麵由於基因的原因而有所不同。真核生物的發育一般分為兩類:植物的發育和動物的發育。