为何人类卵子的体积是精子的1000万倍？科学家们给出答案

利用数学模型，研究人员考虑了在进化的早期，原始物种使用外部受精进行繁殖的时间。在该模型中，较大的生殖细胞，或配子，具有竞争优势，因为它们可以为潜在的子宫容纳更多的营养物质。然而，较小的配子需要较少的资源，这给父母带来的压力较小。

美国西北大学麦考密克工程学院工程科学和应用数学教授、该研究的资深作者Daniel Abrams表示：“生物体要么需要用最多的规定生产最大的配子，要么需要用最小的配子来使用最少的资源。我们相信这种大小差异几乎是不可避免的，基于对有性繁殖如何运作和自然选择如何运作的合理假设。"

该研究报告在线发表于《理论生物学杂志》。Abrams实验室的博士生Joseph Johnson是该论文的第一作者。Abrams实验室的本科生Nathan White和Alain Kangabire共同撰写了这篇论文。

西北大学团队的模型从同配生殖（isogamy）开始，这是有性生殖方式之一，在这种状态下，所有配子的大小都大致相同，而且还不存在不同的性别。然后，该团队开发并应用了一个简单的数学模型，以显示同配生殖是如何过渡到异配生殖的，在这种状态下，配子要么变得非常小，要么变得相当大--这是今天与生物性别有关的精子和卵子的前身。

在该模型中，异配生殖的出现是为了在资源有限的环境中生存而产生的竞争。如果配子在尺寸上比它们的“邻居”有优势，它们就更有可能生存下来，这导致了一场有利于越来越大的配子的"军备竞赛"。但是，生物体如果不需要越来越多的资源，就不能产生许多性细胞。然而，它们可以通过生产大量的微小配子来节省资源。

“在进化的早期，当有性生殖出现时，配子是对称的。但这是这种对称性被打破的地方，”Abrams说。“我们最终会出现一些生物专攻大配子，而另一些生物专攻小配子。”

Abrams表示，一个仍然存在的谜团是为什么一些同配生殖的物种今天仍然存在。例如，一些类型的藻类和真菌，要么无性繁殖，要么采用对称的交配类型。

“关于异配生殖是如何出现的，一直到查尔斯-达尔文，都有不同的理论，”Abrams说。“进化生物学中的问题是很难检验的，因为我们只能研究今天的物种。我们无法看到它们在数十亿年前是什么样子。使用数学模型可以产生新的见解和理解。”