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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。
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这个观点始于几十年前，支持者中不乏一些最杰出的演化生物学家，包括比尔·汉密尔顿（Bill Hamilton）在内。然而，也不是没有反对的声音。首先，有一些已知的例外：不同基因的线粒体混在同一细胞中，并非总会导致灾难性的结果。其次是一个实际的问题。假设有一个线粒体基因发生突变，取得了复制优势，突变体就会长得比其他线粒体都快。要么这个突变是致命的，线粒体就会和宿主细胞一起死亡；要么是良性的，突变就会散布到整个种群。任何能够限制突变线粒体传播的基因机制（比如某个核基因发生改变，能阻止线粒体混合）都必须快速出现，才能在突变线粒体散布至整个种群前将其阻止。如果所需的基因没能及时出现，等到突变体在种群中散布到固定下来的程度，那无论做什么都来不及了。但是，演化是盲目且没有先见之明的，它无法预见下一次线粒体突变。此外还有第三点：线粒体只保留了极少的基因。这让我怀疑，也许快速复制线粒体并不是什么坏事。可能有很多相关解释，但其中之一肯定是快速生长的线粒体占选择优势。这意味着，演化史上曾经出现过很多次加快线粒体复制速度的突变。它们并没有在有性生殖的演化过程中被剔除。
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鉴于以上这些原因，我在以前的著作中提出了一个新观点：也许真正的原因在于，线粒体基因必须适应细胞核基因。在下一章中我会详细讨论这个观点。这里我们只需要理解关键一点：要让呼吸作用顺利进行，线粒体基因和细胞核基因必须密切合作。两个基因组中任何一个发生突变，都会影响个体的健康。所以我认为，线粒体的单亲遗传（即只有一种性别的线粒体会被合子继承），原因很可能在于改善两个基因组之间的相互适应。我自己觉得这个假设非常合理，如果没有泽娜·哈吉瓦西露（Zena Hadjivasiliou）的参与，可能我会一直这样以为。哈吉瓦西露是我和波米杨科夫斯基共同指导的博士生，她是一名很有能力的数学家，对生物学也萌发了兴趣。
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哈吉瓦西露的研究显示，单亲遗传确实可以让线粒体基因组和核基因组互相适应得更好。原理很简单，与取样效应有关——后面我们还会用到这个效应。假设一个细胞有一百个线粒体，每个线粒体的基因都各不相同。如果抽出其中一个线粒体，把它单独放进另一个细胞，让它自我复制，直到新细胞中也有100个线粒体。除了极少数可能的新突变，这些线粒体都应该完全一样，是原版的克隆。现在回到原来的细胞，重复这些步骤，直到把100个线粒体都分别送进100个新细胞为止。现在的100个新细胞中都有不同的线粒体种群，有些很优秀，有些较差。这样操作的效果，是增加了细胞之间的多态性（variance）。如果只是把原来的细胞复制100次，结果是每个子细胞都有与母细胞差不多的混合线粒体群。自然选择无法鉴别后面这一群细胞，因为它们彼此太相似了。但是前一种做法通过抽样和克隆，制造出了一群不同的细胞，其中有些比母细胞更好，有些更差。
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这是个极端的例子，但很能说明单亲遗传的意义。单亲遗传只从双亲之一抽样线粒体，所以能够增加不同受精卵之间线粒体的多态性。对自然选择而言，细胞的差异变得更容易辨识，因而也更容易剔除最差的细胞，留下更好的细胞。如此一来，整个种群的品质才能逐代改进。这种机制的原理和好处，与有性生殖有异曲同工之妙。只不过有性生殖增加的是核基因的多态性，而两种性别增加的是不同细胞之间线粒体的多态性，就这么简单。或者说，至少我们当时就是这么想的。
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我们的研究方法，是直接对比有无单亲遗传时细胞的品质差异。截至目前，我们还没有考虑在一个双亲遗传（两个配子的线粒体都会遗传给后代）的种群中出现一个强制单亲遗传的基因后会发生什么状况。它会在种群中传播至固定状态吗？如果会的话，两种性别就成功演化出现了：一种性别的线粒体将传承下去，另一种性别的线粒体会被消灭。我们设计了一个数学模型来验证它的可能性。为了更好地对照，我们把自己的相互适应假说、前面提到的自私线粒体冲突假说，还有简单突变累积这三种模式都用数学模型实现，并进行对比。⑪结果让我们惊讶，至少一开始相当令人失望。单亲遗传的基因在种群中很难扩散，更不可能达到固定状态。
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图29 线粒体遗传中品质优势的“泄漏”
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图中的配子，它们的某个核基因有不同的等位基因，我们用A和a来表示。带有a基因的配子与另一个a基因配子结合时，二者都会把线粒体遗传给后代，这是双亲遗传。带有A基因的配子是单亲遗传突变体：当A配子与a配子结合时，只有A配子的线粒体会遗传下去。图中×记号代表配子的交配结合。第一次A配子与a配子结合形成了一个带有两种等位基因的合子，但是所有的线粒体都来自A配子。如果a配子中存在带有某些缺陷的线粒体（图中淡灰色的代表带有缺陷的线粒体，黑色的为正常的线粒体），那么它们在单亲遗传的过程中就会被剔除。这个合子又产生了两个配子，一个带有等位基因A，另一个带有等位基因a。这两个配子又分别再与另两个带有缺陷线粒体的a配子结合。在图右上半部，A配子与a配子结合又会产生一个Aa合子。因为所有线粒体都来自A配子，所以缺陷线粒体再次被剔除。但在图右的下半部，当两个a配子结合时，缺陷线粒体就会进入aa合子。这两个合子（Aa和aa）又分别形成配子。经过几轮单亲遗传，原先a配子带有的缺陷线粒体被渐渐清除出种群，双亲遗传配子的品质得到提升。单亲遗传的品质优势就这样“泄漏”到种群中，最终反而阻止了自己的传播。
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