生物之间为什么存在生殖隔离?

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生殖隔离的形成

生殖隔离形成的第一步通常是地理隔离,同一物种的不同种群因为气候、地形变化等原因分开了,彼此间相隔不可逾越的地理屏障。它们各自发生不定向的变异,但只有适应所处环境的个体才能生存下去。自然选择推着它们往不同方向走,长此以往它们的基因和形态差异就越来越大,直至它们之间形成生殖隔离。

除地理隔离外,生殖隔离形成的外因还有生态隔离、行为性隔离、季节隔离等,最终的结果要么是无法完成交配动作、配子不亲和,要么是杂种不成活或衰败、后代不育,这样生殖隔离就形成了。

生殖隔离和物种形成的关系

生殖隔离是物种形成的充分不必要条件。如果种群之间形成了生殖隔离,那么新物种必然就出现了。但并不是所有的物种之间都有生殖隔离,新物种的形成归根结底还是彼此之间在基因和形态上不可忽视的差异,并且这种差异可以稳定的遗传给后代。生殖隔离是物种形成的最后一步,在物种形成之初,它们之间由于分歧时间尚短或者进化速度较慢等原因,彼此间差异较小,还是可以发生基因流动的。

比如我们说犬属的几个物种。灰狼和郊狼在物种形成之初必然是存在地理隔离的,后来由于各自的适应辐射,它们又见面了。灰狼是北美西部大东部小,而郊狼则相反。在北美西部,由于体型方面差异太大,它们无法完成交配动作,可以实现生殖隔离。但在北美东部,由于它们体型差距不算大,而它们的基因差异还不足以阻止它们之间发生基因流动,所以它们可以完成交配,而且杂种后代是完全可育的,也就是说没有生殖隔离。类似的情况还有小亚种狼和金背胡狼。

灰狼
郊狼

郊狼和灰狼杂交后代

所以近缘物种之间不一定存在严格的生殖隔离,但是如果没有生殖隔离,那么新物种的地位是不稳固的。例如北极熊和棕熊,它们的分化只有60多万年,如果发生交配,它们的配子能够亲和,而且后代完全可育。分子遗传学证据显示,公棕熊在历史上没少做给公北极熊戴绿帽子的事。更奇特的是,有个棕熊亚种的母系基因完全来自于母北极熊,这就是生活在阿拉斯加东南部亚历山大群岛的锡特卡棕熊。这是公棕熊入侵这个史前北极熊种群并迅速将其侵蚀的结果,只用了一万年就把这个种群完全棕熊化了。当然,一般情况下北极熊和棕熊是见不上面的,只有这样北极熊才能保住自己物种的纯洁性。

北极熊

棕熊

北极熊和棕熊杂交后代

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生物之间的生殖隔离从最微观的原理来说是基因变异和漂移的结果,基因型的改变不仅造成细胞内遗传物质的不兼容,也造成生物生理结构和行为上的差异导致无法完成生殖过程,如此也形成了生殖隔离。


生殖隔离的因素分为,合子前因素(受精前)和合子后因素(受精后)。


合子前隔离机制

就种群的自然选择而言,合子前隔离机制是最经济的,因为资源不会浪费在较弱、无活力或无菌的后代的繁殖上。这些机制包括物理生境障碍(诸如种属生活的环境不同),或者生理性以及系统性的受精障碍(诸如性器官无法达成受精)。相关的合子前障碍因素可以分为:时空或者栖息地的隔离、行为隔离,以及繁殖机制、配置隔离等等。

鸟类、昆虫和许多其他动物的叫声是吸引了同物种的性伙伴的一种识别机制,这些叫声呈现出特定的模式,只能由同一物种的成员识别,因此构造了某种生殖隔离的机制。也就是说有时候性选择的信息传递机制造成了生殖隔离,以低识别成本高精度的识别手段淘汰了换模棱两可低识别度的信息机制,导致这种机制越来越特化,而繁殖成功率也随之上升。

被许多种被子植物的花已经进化成只吸引和奖励一种或某几种传粉物种(昆虫、鸟类、哺乳动物),它们在形态,颜色,香味和花蜜存在方面的广泛多样性在许多情况下是与传粉媒介物种共同进化的结果。这种对传粉媒介物种的依赖和选择也成为了某种生殖隔离的屏障。也就是说生殖隔离有时候是物种共同专性(而不是泛性)进化的结果,这非常类似社会学中的“社会大分工”——物种适应与其共生的其他物种的多样性的成本压力促进了生殖隔离的形成。

上图:花的结构差异造成了传粉动物的差异,造成了授粉过程的隔离。

上图:如果卵子拒绝精子,也从微观生理上形成了生殖隔离的最基本防线



合子后隔离机制

在受精后形成的合子发育直到能够进行下一代繁殖的成体这整个过程中的障碍机制,就是合子后隔离机制,此机制可以防止种群间成功的杂交。相关因素有配置的死亡率以及杂交后代的活力不足(无法繁殖下一代)。


当卵子或胚珠受精但受精卵没有发育,或者它能够发育并且由此产生的个体活力降低时,就会表现出一种常见于植物和动物中的生殖不相容性,这常见于蛙属物种之间杂交的情况:在一些杂交案例中,受精卵无法分裂(第一次有丝分裂就有问题);在某些其他情况下,正常分裂在囊胚中正常进行,但在原肠胚形成时失败。或者,在某些杂交的情况下,初始发育阶段是正常的,但在胚胎发育的最后阶段发生错误。这似乎表明这些物种中胚胎发育的基因(或基因复合物)的分化差异,决定了杂种无法存活。

这表明生殖隔离似乎是因为基因表型的不兼容而造成,即较小的表型不兼容仍然可以在生物个体的总体稳态中得到包容和平衡,但过大的基因表型不兼容则会造成生命体系统的稳态无法形成,这种不兼容性、不稳定性和不能维持性通常在生命体发育的早期就会表现出来。


此外,杂交后代不育,也最终上形成了生殖隔离。典型的例子就是骡子(马和驴杂交)。由于亲本物种中染色体数目不同,导致子代染色体失衡。


或者再换一个角度看,生殖隔离实际上是因为有性繁殖必需要两套有差异的遗传物质来构成合子的这种杂交繁殖机制所天然造成,两套遗传物质若差异太大或者太小都会给后代带来遗传所致的生理劣势。只有当两套遗传物质的差异在一个很微小的范围内,物种才能获得最高的进化选择优势。这或许就是生殖隔离的基本原因。但骡子这种情况就属于底层机制问题了(⊙﹏⊙b,生物的行为和现象是没有目的性的,有的现象走到死胡同也没办法啊)。


小宇堂


生物间的生殖隔离,是地理隔离后各自进化的结果。

同一个物种,迁移两地后,因地理隔绝,不再发生频繁的基因交流,则千百代之后,因群体基因变异,就会导致生殖隔离,变成2个物种。

有一个例子,一种鸟,起源东亚,分布于亚欧非和南亚,中间隔着印度洋和地中海。亚欧之间无隔离,欧与非无隔离,非与南亚无隔离,南亚与亚无隔离。但亚与非,南亚与欧,却有生殖隔离。充分说明地理隔离造成的生殖隔离。


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作为一名生物行业的科研人员,简单谈一下个人对这个问题的一点观点。

首先,什么是生殖隔离?生殖隔离是区别于不同物种的一个重要的因素。生殖隔离的行成能使得使得亲缘关系较为接近的类群之间在自然条件下不能进行交配或者即使能自由交配但是不能够产生子代或者产生的子代是不育的(比如骡子,马和驴的种间杂交后代)。主要包括杂种不活、杂种不育和杂种衰败

为什么会形成生殖隔离?

生殖隔离的行成包括多方面的因素:

1)地理隔离:地理隔离是指一种生物由于地理原因的差异而使得种群间不能进行正常的基因交流,随着进化以及自然环境得影响而行成生殖隔离。

2)生态隔离:由于食性、生活习性和栖息地的不同导致的不能够自然交配或交配不成功的现象。

3)季节隔离:比如不同季节的交配期等引起的隔离。

4)生理隔离:比较普遍的现象,由于生理上的差异导致不能完成受精的现象,比如异花花粉落在花柱上而由于结构的不同导致不能受精,以及不同动物的精子不能再异种体内存活太久或者活性降低等引起的受精失败等。

5)杂种不活:不同种生物受精后,能够行成合子,但合子不能存活或者虽然能存活但是发育到某一阶段就死亡了。也有的胚胎发育虽然完成,或者发育为幼体,但是不能生活到性成熟,故留下后代的概率很低。

6)杂种不育:比如骡子,因为来自于马和驴的染色体数不同,导致减数分裂紊乱不能进行正常的减数分裂和产生配子,导致不育。

7)杂种衰败:种间杂交虽能形成正常的下一代(F1),但在下一代的下一代(F2),绝大部分重组基因型对环境无适应能力而不能存活。

以上几个因素都会引起生殖隔离,而目前能解决生殖隔离的技术已经出现:转基因技术,很大程度上打破了物种间的生殖隔离,利用科学技术得到人们想要的性状等。

以上是我的一点见解,有其他的观点可以留言和我一起讨论哦~


科学直通车


为保证地球物种的多样性和竞争性,以便促进地球生物的文明与发展。避免基因的互相同化,在避免流行性疾病上起重要作用,如果不存在隔离,一场大的流行病或一种细菌,足够消灭所有的地球生物。


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