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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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问题在于，维持品质的代价取决于突变线粒体的数量。突变线粒体越多，代价就越高。单亲遗传的好处也与突变线粒体的数量有关，但是趋势正好相反。突变线粒体越少，好处就越小。换言之，单亲遗传的代价和好处并不是固定不变的，而是随着种群中突变线粒体的数量而改变；而这个数量本身，经过几代单亲遗传就会下降（图 29）。我们发现，这三种模型中，单亲遗传确实都会提高种群的品质；但是单亲遗传的基因一旦在种群中传播，它的好处就开始减少，直到被缺点抵消为止。最主要的缺点就是单亲遗传的细胞只能与种群中的一部分细胞交配。当单亲遗传细胞在种群中占到约20%的比例时，优缺点就会达到平衡。如果提高线粒体的突变率，平衡点的单亲遗传细胞占比可以上推到50%左右。但是与此同时，种群中的另一半细胞仍在内部互相交配；如果说有什么结果，就是会演化出三种性别。总之，线粒体遗传无法驱使生物演化出两种性别。单亲遗传可以增加配子之间的多态性，改善种群品质；但是，光凭这种优势并不足以左右生物交配型的演化。
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这个结果直接否定了我自己提出的假说，一时让人很难接受。我们继续尝试了各种能想到的调整，希望能得出更符合假说的结果。但我最终不得不承认，在各种可能的现实环境下，单亲遗传的突变基因都无法驱使生物演化出两种交配型。交配型一定是因为别的原因而演化出现的。⑫即便如此，单亲遗传是现实的存在。如果我们无法解释它，那只可能是我们的模型出错了。实际上，我们的研究显示，如果两种交配型（出于其他原因）已经存在，那么在某些条件下，单亲遗传突变基因会在种群中趋于固定。条件就是细胞内有大量线粒体，且线粒体基因的突变率很高。这个结论似乎无懈可击，而且我们的解释更符合自然界中非单亲遗传的例外生物。还有，所有多细胞生物（包括人类）的线粒体都是单亲遗传。这让我们的理论面对多细胞生物更显得正确，因为多细胞生物的细胞普遍拥有大量线粒体，而且突变率更高。
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这是一个很好的例子，证明了群体遗传学采用数学工具的重要性：任何科学假设，必须用尽可能规范的方法进行检验。在上面的实例中，规范的模型计算清楚显示，除非已经先有两种交配型存在，否则单亲遗传无法在种群中传播至固定状态。这是我们所能得到的最严谨的证明。不过，这个结果也算不上全盘否定。交配型和“真正的性别”（即雌性与雄性个体有非常明显的不同），二者之间的差别相当模糊。许多植物和藻类既有交配型也有性别。也许我们对性别的定义还不够精准，我们真正应该考虑的，是“真正的性别”的演化，而不是两种个体外形完全相同的交配型的演化。会不会是单亲遗传促成了动物与植物不同性别之间的明显差异？如果是这样，交配型的出现可能是基于其他原因，但真正的性别的演化，仍然可能由线粒体遗传推动。坦白说，这个逻辑听起来很薄弱，不过仍然值得一试。这项研究的结论否定了我们自己从前的理论，但恰恰是因为我们没有从通常的预设条件出发，即认为单亲遗传是普遍存在的现象。这种严格的推论方式最后得出的结论不是我们所期待的，但另有启发意义。
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不朽的种系，无常的肉体
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动物有非常多的线粒体，我们使用它们提供能量，来支持我们高能的生活方式，这导致我们的线粒体有很高的突变率。对吗？既对也不对。我们的每一个细胞中都有数百到数千个线粒体。我们并不确知它们的突变率（直接测量很困难），但确实知道在很多代的时间跨度上，线粒体基因的演化速度比核基因快10～50倍。这意味着，单亲遗传在动物身上很容易达到固定。根据我们的模型，单亲遗传在多细胞生物中确实更容易固定。这些都在意料之中。
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但若是把我们自己作为典型的动物考虑，则很容易被误导。最早出现的动物和我们大不一样：它们的形态类似于海绵或者珊瑚，是固着型的滤食动物，不会四处移动（至少在成年阶段不会）。它们的细胞没有很多线粒体也在意料之中，线粒体基因的突变率也很低，可能比核基因的突变率更低。这些材料就是博士生阿鲁纳斯·拉齐维拉维修（Arunas Radzvilavicius）的研究起点，他是又一位被生物学中的重大问题吸引的物理学家。身边有这么多跨界的优秀人才，我不禁会想：物理学中最有趣的问题，是否现在都出现在生物学领域？
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阿鲁纳斯认识到，多细胞生物普通细胞的分裂效果与单亲遗传相似，它们都会增加细胞之间的多态性。为什么呢？因为细胞每分裂一轮，就会把线粒体群随机分配给两个子细胞。如果这些线粒体中出现少数突变，那么完全平均分配突变线粒体的概率会非常低。实际情况应该是，其中一个子细胞分到的突变线粒体比另一个多。这个机制重复作用，经过很多轮细胞分裂之后，最终增加了细胞之间的多态性。某些曾曾曾孙细胞，会比其他细胞累积更多的突变线粒体。这是好是坏，取决于具体是哪些细胞累积了损坏的线粒体，以及累积的数量。
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以海绵为例。它们全身每个细胞都很相似，没有大脑或肠这类特化的组织。如果把一只活海绵切成若干小块（请勿在家中尝试），这些碎片都可以自行再生。海绵有这样的能力，是因为它几乎全身到处都有干细胞。干细胞既可以发育成新的生殖细胞，也可以发育成新的体细胞。从这个角度看，海绵就像是植物：它们都不会在发育之初先把特化的生殖细胞隔离储藏起来。相反，它们会使用散布在很多组织中的干细胞来产生配子。这两种发育方式的差异非常关键。人类在胚胎发育之初就已经把专门的生殖细胞藏好，哺乳动物通常绝不会用肝脏中的干细胞来制造生殖细胞。但是，海绵、珊瑚和植物却可以从很多不同的身体部位长出新的性器官，制造新的配子细胞。过去有不少针对这种差异的科学解释，大都基于细胞之间的竞争，都不太令人信服。⑬阿鲁纳斯则发现，这些生物都有一个共同点：它们细胞中的线粒体数量都很少，突变率也很低，少数发生的突变也能通过分离（segregation）剔除。具体运作方式如下。
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我刚刚说过，多轮分裂会增加细胞之间的多态性。生殖细胞同样如此。如果生殖细胞在胚胎发育之初就被藏匿起来，那么它们之间不会有多大的差异，因为只经历了少数几次细胞分裂，多态性不会很高。但是如果从成体组织中随机选择干细胞发育成生殖细胞，它们之间的差异就会大得多（图30）。多次细胞分裂让某些生殖细胞比其他细胞累积了更多突变，有些细胞会接近完美，另一些糟糕得可怕。这正是自然选择所需要的：可以淘汰糟糕的细胞，只让好的细胞存活下去。经过很多代后，生殖细胞的质量会越来越好。所以从成体组织中随机选择生殖细胞，比在发育早期就把它们“雪藏”起来效果更好。
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图30 随机分离会增加细胞之间线粒体的多态性
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如果一个细胞开始有不同类型的线粒体混合群体，这些线粒体先倍增，后在细胞分裂时大致平均分配给两个子细胞，那么每一轮细胞分裂中，子细胞分到的线粒体类型比例会略有不同。差异会随着一代代的延续而持续放大，因为每个子代分到的线粒体种群彼此之间的差异越来越大。如果图中右侧那些最终形成的子细胞成为配子，那么多次细胞分裂就会增加配子间的多态性。其中有些配子非常优秀，另一些则非常糟糕，这样会增加它们在自然选择下的能见度，达成和单亲遗传一模一样的效果，是一件好事。反之，如果图中右侧的子细胞将来成为新组织或新器官的祖细胞（progenitor），那么多态性的增加就是灾难性的。因为这样有些组织会运作良好，但另一些组织会存在缺陷，损害生物个体作为一个整体的品质。降低组织祖细胞之间多态性的方法之一，是增加合子细胞中的线粒体数量，这样一开始线粒体分配的基数会大得多，减少子代的随机差异。这可以通过增大卵子的尺寸和容量来实现，最终形成异配生殖（anisogamy，即很大的卵子，很小的精子）。
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因此，增加多态性对种系的品质来说是有利的，但是对成体的健康，很可能是毁灭性的打击。坏的生殖细胞会被自然选择剔除，留下好的去播种下一代。但是坏的干细胞会发育成有缺陷的组织，很可能无法支持个体的生命。生物作为整体的品质，取决于品质最差的器官。如果我心脏病发作，那么肾功能的好坏就没有意义，因为全身的健康器官都会随着其他关键部分的死亡而死亡。所以，增加一个生物线粒体的多态性既有好处也有坏处。对种系的好处，可能会被对个体的坏处抵消，抵消的程度取决于组织的数量和突变率。
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一个成体有越多的组织，就越有可能在某个关键组织中累积最糟糕的线粒体。相反，如果某个生物只有一种组织，那就不成为问题，因为不存在组织间的依赖性，不会有关键器官损坏危及整个个体的生存。所以，对那些只有一种组织的简单生物来说，增加多态性毫无疑问会带来优势。它对种系有好处，同时对身体又没有多少坏处。因此我们可以预测，最早出现的动物因为线粒体突变率低，组织分化也很少，所以线粒体应该是双亲遗传，生殖细胞也没有进行隔离。然而，当早期动物变得更加复杂，分化出多种组织，体细胞的多态性增加，成体的品质就会受到灾难性的影响，因为这样会不可避免地产生好组织和坏组织，就像刚才举到的心脏病的例子。为了增进成体的品质，线粒体的多态性必须减少，这样所有的新生组织才能接收到相似的、大致运作良好的线粒体。
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要降低成体组织的多态性，最简单的办法是从一开始就让卵子具有更多的线粒体。根据统计学原理，如果把规模很大的线粒体初始种群分给好几个接受者，那么接受者之间的差异会比较小；如果初始种群很小，靠不断倍增复制再分给同样数目的接受者，接受者之间的差异会比较大。结论就是，增加卵子的体积、塞进更多的线粒体，会大有好处。根据我们的计算，一个导致卵子变大的基因会在简单的多细胞生物种群中迅速散播，因为它可以降低成体组织间的多态性，抹平灾难性的组织功能差异。另一方面，多态性的降低对配子没有好处，因为这样它们会变得彼此更加相似，对自然选择作用的“能见度”就会降低。这两种截然相反的倾向，如何才能调和？很简单！只需要两个配子中的卵子增大体积，另一个缩小体积成为精子，两个问题就都解决了。巨大的卵子降低了组织之间的多态性，增进成体的品质；而精子的线粒体被排除在受精卵之外，形成单亲遗传，结果是双亲中只有一方能把线粒体传下去。之前我们讨论过，线粒体的单亲遗传可以增加配子之间的多态性，可以增进它们的品质。对有多种组织的生物而言，从最简单的起点出发，就会倾向于演化出异配生殖（即外形差异很大的配子结合生殖，例如精子与卵子），同时伴随着线粒体的单亲遗传。
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我要再强调一次，前面的种种推论，前提都是线粒体的突变率很低。对于海绵、珊瑚和植物来说，这是实际情况；但对于更“高等”的动物来说并非如此。如果线粒体突变率增高，又会发生什么呢？推迟制造生殖细胞的好处现在就没有了。我们的模型显示，这种情况下线粒体突变会快速累积，后期形成的生殖细胞中会充满线粒体突变。正如遗传学家詹姆斯·克罗（James Crow）的调侃：“人类种群中最大的突变风险，来自生育能力尚存的老男人。”幸好，单亲遗传让男人的线粒体根本不会传给下一代。在高突变率的条件下，我们发现造成生殖细胞早期隔离的基因会在种群中广泛传播：在发育早期就把生殖细胞储存起来，让雌性配子处于雪藏状态，限制线粒体突变的累积。其他可以降低生殖细胞突变的适应性变化，也会受到自然选择的青睐。我的同事约翰·艾伦就发现，事实上雌性生殖细胞的线粒体像是被关掉了。早在胚胎发育时期，线粒体就被深藏在卵巢中的初级卵母细胞内，连同细胞一起被隔离。艾伦一直认为卵子中的线粒体是作为遗传“模板”存在，处于不活动状态，突变率较低。对于生活节奏快、线粒体多且突变率高的现代动物而言，我们的模型支持艾伦的观点。但是对于生活节奏缓慢的动物祖先，或者植物、藻类和原生生物这些更广的类群，这就不再成立。