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真核生物进行真正的有性生殖，其特征是两个配子（对人类来说是精子和卵子）的结合。每个配子带有的染色体只有体细胞的一半。人类和大多数多细胞真核生物都是二倍体，即每个基因都有两份，一份来自父亲，一份来自母亲。更准确地说，我们的每个染色体都有两份拷贝，即两条姐妹染色体。标志性的染色体双螺旋图案经常让人误以为染色体就是这副模样，结构不会改变。但实际情况完全不同。形成配子的过程中，姐妹染色体会进行重组：染色体的一部分会与另一条染色体的一部分结合，形成前所未有的崭新基因组合（图28）。如果你顺着一条刚刚重组完的染色体审视一个个基因，就会发现其中一些基因来自父亲，另一些来自母亲。接下来，染色体会通过细胞的减数分裂进行分离，形成单倍体的配子，每个配子只含一套染色体。来自父本和母本的两个配子，每一个都带有一套经过重组的染色体，最终会结合在一起形成受精卵。它会发育成新的个体，拥有独一无二的基因组合。
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图28 真核生物的有性生殖和基因重组
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这是有性生殖周期的简图：两个配子结合后，通过两个阶段的减数分裂以及基因重组，形成拥有独特基因的新配子。A：两个配子细胞都有单倍的、对等（但是基因组成不同）的一套染色体，它们结合在一起形成一个合子，拥有两套染色体。B：注意染色体上的黑色条纹，它可能代表一个有害的突变基因，或者有益的基因变体。C：减数分裂的第一阶段，染色体排列好之后进行复制，形成四条对等的染色体。D：两条或多条染色体进行基因重组。E：DNA片段会在染色体之间彼此交换，形成新的染色体；这些新染色体上的一些片段来自原先的父本染色体，另一些则来自原先的母本染色体。F：连续进行两轮减数分裂，四套染色体分离，形成G中的四个配子细胞。注意这四个配子细胞，其中有两个染色体与父本、母本的两个配子一模一样，另两个则不同。如果黑色条纹代表有害突变，有性生殖就制造了一个不含突变的配子，以及一个带有两个突变的配子；后者可能被自然选择淘汰。反之，如果黑色条纹代表有益的基因变体，有性生殖就把它们集中到同一个配子中，让自然选择能够同时选择它们。简而言之，有性生殖增加了配子之间的多态性，让它们更多暴露在自然选择之下，通过长期运行淘汰有害突变，选出有益的变体。
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有性生殖的起源，问题不在于需要演化出很多全新的机制。基因重组时，两条姐妹染色体必须并排在一起：一条染色体的一小段在交叉点（cross-over point）断开，然后转移到另一条染色体上；对方也同样转移一段过来，与之交换。染色体这种排列整齐进行基因重组的现象，在细菌和古菌的水平基因转移过程中也有出现，但一般不是对等进行的。细菌只是用这种机制修复受损的染色体，或是重新纳入以前丢弃的基因。两类基因重组用到的分子机器基本相同。而有性生殖的特别之处在于重组的规模和对等基因交换。有性生殖在整个基因组中进行广泛的对等基因交换和重组，后续还会有生殖细胞之间的结合，以及整个基因组的物理转移。这些在原核生物中就算真的存在，也非常罕见。
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有性生殖曾被认为是20世纪生物学难题中的“皇后”，不过现在我们深入理解了它的优势（至少相对于严格的无性生殖——比如克隆）。有性生殖可以打破原本固定的基因组合，让自然选择可以“看见”单独的基因，把我们的特质逐个分列出来。这有助于生物抵御寄生物的侵袭，适应变化的环境，以及维持种群中必要的多态性。中世纪的石匠在雕刻时，就算石像的背部会被教堂的神龛完全隐藏，他们也会在背面精雕细刻，因为上帝无所不见。有性生殖也是这样，它让自然选择的全能之眼能够一个基因一个基因地审视自己的作品。有性生殖让真核生物拥有“流动”的染色体，组合中的基因版本不断变动（同一个基因的不同版本用专业术语说就是等位基因⑥），让自然选择以前所未有的精细程度作用于生物个体。
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设想有100个基因排列在一条染色体上，从不进行重组。对这种固定组合，自然选择只能鉴别整条染色体的适应能力。假设这条染色体上有几个非常重要的基因，稍有突变就会导致个体死亡。然而，对其他不太重要的基因突变，自然选择几乎无动于衷。轻微却有害的突变会在这些基因上逐渐积累，因为它们导致的小麻烦，会被保留几个关键基因带来的重大利益抵消。长此以往，这条染色体以及生物个体的健康都会被逐渐破坏。男性的Y染色体就在经历类似的衰退。Y染色体因为无法进行基因重组，上面的绝大多数基因都在慢慢衰朽退化，只有几个最关键的基因⑦承受自然选择的作用，因此保持着活力。最终，整条Y染色体都可能消失。土黄鼹形田鼠（Ellobius lutescens）就是一个例子，其Y染色体已经完全丢失。
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但如果自然选择积极地作用于固定基因组合，结果可能更糟。假设某个关键基因发生了一个罕见且非常有益的突变，它带来的显著优势会让突变扩散至整个种群。继承了这个新突变的生物因为显著的优势，在种群中的占比越来越高；最终，这个突变基因会扩散到“固定”（fixation）的程度，即种群中所有的个体都携带它。然而，自然选择只能“看见”整条染色体。所以这条染色体上的其他99个基因也会搭上优秀基因的便车，在种群中固定下来。这是一种灾难。假设种群中的每个基因都有两三个版本（即两三种等位基因），这100个基因本来可以提供一万到一百万种不同的等位基因组合。但这条染色体固定之后，所有这些多态性都被一扫而空；从此，这一百个基因在种群中只会有一种组合：就是这条染色体上的组合，不过是碰巧与有益的突变基因共享一条染色体罢了。这种多态性的丢失是灾难性的。100个基因的例子还只是过度简化。无性生殖的生物通常有数千个基因，它们的多态性会在某一次类似的选择性清除（selective sweep）过程中全部消失。“有效”种群的规模会严重萎缩，这使得无性生殖的生物种群相当容易灭绝⑧。对无性生殖的原核生物来说，这是常态。而几乎所有无性生殖的动物和植物，都会在数百万年内灭绝。
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这两种过程：累积轻微但有害的突变，以及选择性清除造成种群的多态性丧失，合在一起被称为选择干扰（selective interference）。如果没有基因重组，对特定基因的自然选择就会干扰其他基因的选择情况。而有性生殖产生的染色体承载着等位基因千变万化的组合，即流动的染色体。这使得自然选择能够直接作用于每个基因。自然选择如同全知的神，逐个检视每个基因的优劣并加以裁决——这才是有性生殖最大的优点。
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但有性生殖也有很多严重的缺点，所以长久以来，它一直被称为演化生物学难题中的皇后。有性生殖会打破在特定环境中已经获得成功的等位基因组合。这些基因组合让生物的亲代繁衍兴盛，但有性生殖又在子代把它们随机打乱。每一代的基因组合都会重新洗牌，所以永远没有可能复刻出莫扎特一样的天才。更糟糕的是，有性生殖要付出双倍的代价。无性生殖的细胞，每分裂一次会产生两个子代细胞，每个子代细胞又可以再产生两个自己的子代。如此循环，种群数量呈指数级扩张。而有性生殖的细胞制造出两个子代细胞之后，这两个细胞必须先融合成一个新的细胞，才能再产生两个配子。因此，无性生殖的种群每一代的数量都可以翻倍；而有性生殖的种群数量，还是和原来一样（从细胞的角度来计算）。而且无性生殖只需要你自己就可以复制，有性生殖却引入了新的麻烦：必须先找到一个配偶。对人类来说，这又增加了情感（以及经济）上的代价。还有所谓的雄性代价：如果是无性生殖，就完全不需要雄性的侵略性和显摆，不需要抵角争斗、开屏炫耀和霸道总裁。无性生殖还避免了艾滋病或梅毒之类可怕的性病，也能制止逆转录病毒和“跳跃基因”等基因寄生体在我们的基因组中到处散布垃圾。
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真正令人费解的是，有性生殖存在于所有的真核生物中。你或许会认为，在某些情况下有性生殖的收益会超过代价，在其他情况下则相反。一定意义上，确实如此。比如有些微生物可以连续用无性生殖方式分裂三十几代，然后偶尔“纵欲”一下，开始交配。这通常发生在有生存压力的状态下。但是有性生殖在真核生物中的完全普及，远远超过了“合理”的程度。原因很可能在于，真核生物的最后共祖已经是有性生殖，所以它的所有后代都继承了这个特征。虽然现在很多微生物不再经常进行有性生殖，却几乎没有哪一种可以完全放弃有性生殖而不灭绝。从不进行有性生殖的生命体会有难以承受的代价。早期真核生物的生存状况也可以用同样的逻辑解释。从不进行有性生殖的早期真核细胞（也就是那些没有演化出有性生殖的细胞个体），恐怕很快就灭绝了。
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到这里，我们又得重新考虑水平基因转移带来的问题，因为水平基因转移在某些方面与有性生殖很相似，都会导致基因重组，都产生“流动染色体”。直到最近，生物学界都认为细菌把无性生殖优化到了最高境界。它们的数量呈指数级增长。如果完全不受限制，从一个大肠杆菌开始分裂，每三十分钟数量就会倍增，三天之内就会成为一个质量相当于地球的超大菌团。大肠杆菌的本事还不止于此。它们会广泛地散布和获取基因，通过水平基因转移把新基因插入自己的染色体，同时抛弃不需要的基因。导致肠胃炎的细菌与住在你鼻子里的“同种”细菌，可能有30%的基因都不一样。所以，细菌不但保持着无性生殖快速简单的优点，同时也享受着某些有性生殖才有的好处（流动染色体）。但细菌不会把两个细胞融合在一起，也没有两种性别，所以避免了很多有性生殖带来的麻烦。它们似乎兼顾了两个世界的优点，那么，为什么最早的真核生物拥有水平基因转移之外，还要再发展有性生殖呢？
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群体遗传学家萨莉·奥托（Sally Otto）和尼克·巴顿（Nick Barton）通过研究提出了一个三合一的解释，三个因素都明显符合真核生物起源时的状况：当基因突变率很高、自然选择压力很大，以及种群中充满基因多态性时，有性生殖的优势最大。
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首先考虑突变率。对于无性生殖，高突变率意味着轻微有害的突变累积得更快，在发生选择性清除时损失也更大，合起来的效果是选择干扰的危害更大。考虑到早期内含子入侵，最早的真核生物必定有较高的突变率。究竟有多高难以确知，但可以用计算机模型估计。我正与波米杨科夫斯基和博士生耶斯·欧文（Jez Owen）一起研究这个问题。欧文原本的专业是物理学，但是他对生物学中的重大问题充满兴趣。他正在研发一个计算机模型，用来研究在什么情况下，有性生殖的优势会超过水平基因转移。这里还需要考虑一个因素，就是基因组的大小。即使突变率维持不变（假设突变率为每一百亿个DNA字母才出现一个致命突变），基因组的大小也不能无限扩张；大到一定程度，突变熔毁就不可避免。给定这种条件，基因组小于一百亿个DNA字母的细胞没什么问题，但是基因组比这个数字大得多的细胞会死亡，因为从概率上计算，它们至少会发生一次致命突变。在真核生物起源时，获得线粒体会让这两个问题都恶化：它们几乎必然会增加基因组的突变率，同时也会大幅增加基因组的大小，扩张几个数量级以上。
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有性生殖很可能是针对这个问题的唯一解决之道。原则上，水平基因转移可以通过基因重组避免选择干扰效应，但根据欧文的计算，它的效果很有限。基因组越大，就越难通过水平基因转移获取“正确”的基因。这是个简单的数字游戏。要确保基因组拥有全部所需的基因，而且都能正常运作，唯一的办法就是把它们全部保留，并且定期进行全基因组的重组。这是水平基因转移力所不能及的。只有真正意义上的有性生殖，才能进行全基因组的重组。
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选择压力有什么影响呢？在这方面，内含子可能再次扮演了重要角色。对现代生物来说，让有性生殖更具优势的标准选择压力，来自寄生感染与变化的环境。不过，要让这种优势压倒无性生殖，选择压力必须很大。比如说，寄生感染必须非常厉害，严重影响宿主健康，才会让有性生殖取得压倒优势。同样的机制也适用于早期真核生物，而且它们恰恰需要对付基因层面的寄生感染：内含子入侵。为什么移动内含子入侵能够推动有性生殖的演化？因为只有全基因组范围内的重组才能有效增加基因多态性。会有一些细胞的内含子插在糟糕的位置上，也会有一些细胞的内含子插在较为无害的位置。接下去，自然选择会淘汰那些最不幸的细胞。水平基因转移的影响方式是零碎的，无法产生全系统规模的多态性。有性生殖才能通过多态性的大撒网，来重新分布基因寄生物的危害：有些细胞获得的基因都是干净的，而有些细胞累积了超过平均剂量的突变。英国生物学家马克·里德利⑨（Mark Ridley）在他的名作《孟德尔妖》中，用《圣经·新约》中的原罪概念来比喻有性生殖：正如耶稣基督将全人类的原罪揽在自己身上而被钉上十字架，有性生殖则把种群中的所有突变累积在一只代罪羔羊身上，将它牺牲。
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个体细胞之间的差异程度也可能与内含子有关。细菌和古菌通常都有单条环状染色体，而真核生物则有多条棒状染色体。为什么是这样？最简单的答案是，当内含子切进切出基因组时，它们可能导致染色体形状出错。它们切出染色体时如果没有把缺口的两端连接起来，那么染色体就断开了。环状的染色体断开一处，就会变成一条棒状染色体；如果断开好几处，就会变成好几条棒状染色体。所以，在真核生物演化早期，移动内含子重新连接染色体时发生的错误，可能导致真核细胞出现了多条棒状染色体。
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这一定让早期真核生物的分裂周期处在可怕的混乱中。不同的细胞可能会有不同数目的染色体，每个染色体又都累积了不同的突变或缺失。它们还可能从线粒体那里获得新的基因和DNA，复制错误也一定会导致重复复制出多余的染色体。细菌式的水平基因转移对于这种混乱没什么帮助；标准的细菌基因重组方式（对齐染色体，然后互相比照，装配上缺少的基因）会让细胞倾向于单纯累积基因和特征；只有有性生殖才能一边累积有用的基因，一边剔除无用的基因。这种通过有性生殖和基因重组来累积新基因的倾向，能很好地解释早期真核生物的基因组为什么会膨胀。这种累积基因的方式，一定程度上解决了基因不稳定的问题；同时，线粒体带来的能量优势又让真核生物不会像细菌一样，在基因组的规模上受到能量的制约。当然，这些设想现在都只是推测，但我们可以通过数学建模来估计其可能性。
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既然有了多条染色体，那么细胞分裂时是如何学会让染色体分离的呢？答案很可能与细菌分离大型质粒的机制有关。质粒是一种移动的基因“盒子”，其携带的基因会让细菌具有抗药性之类的特征。细菌分裂时，通常会用一种由微管组成的网架分离大型质粒，分给两个子细胞。这个微管构造，很像真核生物细胞分裂时使用的纺锤体。早期真核生物为了分开那些杂乱的染色体，很可能沿用了细菌的质粒分离机制。不仅质粒是这样分离的，有一些种类的细菌还会用一种较为动态的纺锤体来分离染色体，而不是像普通细菌那样用细胞膜附着染色体。如果对原核生物世界进行更深入的采样研究，我们对真核生物有丝分裂和减数分裂中染色体分离机制的起源，会有更多的探索。
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研究人员没有在有细胞壁的细菌中发现细胞融合的例子，但某些古菌细胞确实会融合。失去细胞壁会对细胞融合的发生大有帮助。比如L型细菌因为没有细胞壁就很容易融合。现代真核生物会对细胞融合有很多精确的控制，这意味着它们的早期真核祖先很可能会积极主动地进行细胞融合。演化生物学家尼尔·布莱克斯通（Neil Blackstone）认为，早期的细胞融合可能由线粒体推动。考虑一下线粒体面临的困境：作为内共生体，它们无法自由地离开宿主细胞去和其他细胞搭伙。所以，它们自身的演化成功依赖于宿主的茁壮生长。如果宿主被基因突变削弱，生长停滞，线粒体也会陷入无法繁殖的困境。但如果它们有办法引导宿主与另一个细胞融合呢？这会促成双赢的局面：宿主细胞可以获得另一套补充基因组，以此进行基因重组，或是直接用新基因组中的“干净”基因去掩盖原先突变损坏的等位基因——这就是远缘交配（outbreeding）的好处。因为细胞融合可以让受损的宿主细胞重新开始生长，线粒体也就可以继续复制自身，所以早期的线粒体很可能会积极“煽动”有性生殖！⑩这也许解决了细胞和线粒体迫在眉睫的问题，但也带来了另一个更普遍的问题：不同来源的线粒体之间的竞争。而这个争端的解决，很可能导致了有性生殖的另一个谜之特征：两性。
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两种性别
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“如果生物有三种或更多性别，会有什么具体后果？研究有性生殖的生物学家，只要现实一点，就都不会去碰这个无底洞般的问题。但如果不去研究，又如何才能理解为什么生物的性别总是两种呢？”演化遗传学的奠基人之罗纳德·费希尔爵士（Sir Ronald Fisher）曾经如此慨叹。这个问题至今仍然没有完全解决。
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从理论上看，两性似乎是所有选择中最糟糕的状况了。试想象，如果所有人都是同一种性别，那我们可以与任何人交配。我们选择伴侣的机会一下子增加了一倍，皆大欢喜！如果真有什么理由让我们需要一种以上的性别，那么三种、四种都比两种更好。就算限定只能与不同性别的个体交配，那我们可以和种群中2/3或3/4的人交配，而不仅仅是一半。当然，交配仍然需要两个性伴，但没有什么明显的理由性伴侣不能是同性、多种性别，甚至雌雄同体的。现实中雌雄同体的生物在交配中遇到的麻烦，把这个问题的实质澄清了一点：双方都不愿意承担充任“雌性”的代价。雌雄同体的生物，比如扁形虫，交配时会竭尽全力防止自己受精。扁形虫交配时会进行一场激烈的阴茎攻防战，胜者的精液在败者身上蚀出开裂的伤口。这部活色生香的自然志，在逻辑上却是一种循环论证，因为这是在说，作为雌性理所当然会付出更高的生物代价。为什么会这样呢？雄性和雌性最本质的区别是什么呢？两性的区别非常深刻，但与拥有X还是Y染色体，甚至产生卵子还是精子都没有什么关系。比如某些藻类、真菌等单细胞真核生物，也有两种性别（至少是两种交配型）。它们的配子非常小，从外观上也无法分辨两性，但实际上两性的差异就像人类一样大。
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最深刻的差异之一，在于线粒体的遗传。只有一种性别会把线粒体传给下一代，另一种则不会。无论是人类还是衣藻（Chlamydomonas）这样的单细胞藻类，都是如此。我们所有的线粒体都遗传自母亲，人类卵子中塞了大约十万个线粒体。而单细胞藻类尽管会产生完全相同的配子（即同形配子，isogametes），结合时也只有一个配子可以把线粒体传下去；另一个配子的线粒体会从内部被消化掉。准确地说，只有线粒体DNA会被消化掉，看来问题在于容不下这些线粒体的基因，而不是它的形态结构。这种情况真是非常古怪。我们前面刚刚讨论过，线粒体很可能会“煽动”有性生殖。其后果却不是使自己在细胞之间扩散，而是一半的线粒体会被消灭。这是怎么回事？
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最直截了当的解释是线粒体之间的自私冲突。基因完全相同的细胞之间没有真正的竞争。我们体内的所有细胞就是这样摒弃了竞争，所以可以紧密合作，构成我们的身体。一个人所有的细胞，基因组成几乎一模一样，可以看作一团巨大的克隆体。基因不同的细胞就会竞争，所以有些突变的细胞（基因发生了改变）会变成癌细胞。基因不同的线粒体如果混在同一个细胞内，也会发生类似的情况。在这种恶性竞争中，无论是细胞还是线粒体，繁殖最快的会占优势，即便危害宿主、导致某种“线粒体癌症”，也在所不惜。原因在于，细胞本质上都是自我复制的个体，随时都准备生长和分裂，只等条件许可。法国诺贝尔奖得主弗朗索瓦·雅各（François Jacob）说得很精辟：每个细胞的梦想都是变成两个细胞。令人惊讶的不是细胞经常分裂，而是它们竟然能被限制这么久不分裂，这样才能形成人体。所以，两群不同的线粒体混在同一个细胞中，就是自找麻烦。