為什麼人類卵子的體積是精子的1000多萬倍？

在大多數現生動物中，卵細胞的體積總是比精細胞大得多。以人類為例，單個卵子的體積是精子的1000萬倍。

在一項新研究中，美國西北大學工程科學與應用數學系的研究人員發現，這種懸殊的體積差異是由競爭和自然選擇造成的。

研究人員開發了一個數學模型，考慮了動物進化史上非常早期的一段時間，即原始物種還通過體外進行受精並繁殖的時期。

在該模型中，更大的生殖細胞（即配子）具有更明顯的競爭優勢，因為它們可以為潛在的合子提供更多營養；不過，更小的配子在產生時只需要很少的資源，這就減少了父母的壓力。

該研究的主要作者、美國西北大學麥考密克工程學院工程科學與應用數學系教授丹尼爾·艾布拉姆斯說：「生物體要麼用最多的資源配給來產生最大的配子，要麼用最少的資源來產生最小的配子。根據有性繁殖和自然選擇的合理假設，我們認為，這種體型上的巨大差異幾乎是不可避免的。」

這項研究發表在《理論生物學雜誌》（Journal of Theoretical Biology）網絡版上。艾布拉姆斯實驗室的博士研究生約瑟夫·約翰遜是這篇論文的第一作者，本科生內森·懷特和阿蘭·康加比爾也參與撰寫了這篇論文。

該研究小組的模型從同配生殖（isogamy）開始，在這種原始狀態下，所有配子的大小都大致相同，尚不存在明顯的性別差異。

然後，研究小組開發並應用了一個簡單的數學模型，以說明同配生殖如何轉變為異配生殖（anisogamy）。

在異配生殖中，配子要麼非常小，要麼非常大——這便是精細胞和卵細胞的前身。產生精細胞的個體被定義為雄性，產生卵細胞的個體則被定義為雌性，也就是我們今天所熟悉的生物學性別。

在該模型中，異配生殖是在資源有限的環境中不斷競爭而產生的。如果配子因為在體積上比鄰近配子更有優勢而更有可能存活下來，那就會導致一場有利於更大配子的「軍備競賽」。

另一方面，為了產生大量的生殖細胞，就要求生物體本身需要越來越多的資源。不過，它們可以通過產生大量微小的配子來節省資源。

「在進化早期，有性生殖剛剛出現的時候，配子是對稱的，但這種對稱性被打破了，」艾布拉姆斯說，「我們最終發現，一些生物體專門產生大配子，另一些專門產生小配子。」

艾布拉姆斯表示，至今仍未解開的一個謎題是，為什麼自然界中仍然存在一些同配生殖的物種。例如，一些藻類和真菌要麼是無性繁殖，要麼會產生對稱的交配型。

「從查爾斯·達爾文開始，關於異配生殖的起源有很多不同的理論，」艾布拉姆斯補充道，「進化生物學中的問題很難驗證，因為我們只能研究當今的物種。我們無法看到它們數十億年前的樣子，而利用數學模型，我們可以獲得新的觀點和見解。」