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繁殖

製造生物個體

繁殖，或生殖，是透過生物的方法製造生物個體的過程。繁殖是所有生命都有的基本現象之一。每個現存的個體都是上一代繁殖所得來的結果。已知的繁殖方法可分為兩大類：有性生殖以及無性生殖。

繁殖
生物過程、​過程類型
上級分類生物過程、​創造 編輯
導致生育 編輯
產品子代 編輯
特性生物繁殖方式 編輯
名叫落地生根的植物從葉片邊緣生長出的新的個體，這株新的個體大約有1厘米高，這種植物的無性繁殖方式使得「個體」這個概念得到了拓展。
此條目介紹的是生物學上的繁殖。關於一些有性繁殖的過程，請見「性行為」。

無性繁殖的過程只牽涉一個個體，例如細菌用細胞分裂的方法進行無性繁殖。無性繁殖並不局限於單細胞生物。多數的植物都可進行無性繁殖。常見的無性繁殖有營養繁殖、出芽生殖、斷裂生殖、孢子生殖等。通過離體植物組織培養，也是一種無性繁殖的手段。一種學名為Mycocepurus smithii的螞蟻也是用無性繁殖的方式繁殖後代[1]。

而有性繁殖則與配子之結合有關。例如人類的繁殖就是一種有性繁殖。

無性生殖

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主條目：無性生殖

無性繁殖是指生物體產生與自身相似或相同的基因拷貝，無需其他個體的遺傳物質而形成的新的個體的過程。細菌通過分裂生殖的方式進行繁殖，病毒通過控制宿主細胞來產生更多的病毒，水螅與酵母通過出芽的方式來進行繁殖。這些生物通常不具有性別的概念，而是將自己「分裂」成兩個或者更多的個體。還有一些生物如水螅、酵母或者是海蜇既可以無性繁殖，也可以進行有性生殖，又如大多數植物既可以進行有性生殖，也可以進行不需要生殖細胞參與的營養繁殖。類似的還有細菌，細菌之間也可以通過接合的方式進行基因物質的交換。

另外一些無性生殖方式還有單性生殖、斷裂生殖以及僅通過有絲分裂進行的孢子生殖（英語：Sporogenesis）。單性生殖（希臘語：παρθένος）是指胚胎或種子單獨發育成完整個體而不需要雄性生殖細胞的受精。單性生殖在一些物種中很常見，包括一些低等植物（發生孤雌生殖）、無脊椎動物（例如水蚤、蚜蟲、一些蜜蜂以及寄生蜂）和一些脊椎動物（例如兩棲動物[2]、魚以及非常少的幾種鳥類[3]和鯊魚[4]）。

無性生殖有時候也別用於描述可以自我受精的雌雄同體生物的生殖過程。

有性生殖

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主條目：有性生殖
更多資訊：人類繁殖
 
食蚜蠅在半空中進行交配

有性生殖描述的是通過來自兩個生物個體（通常情況）的遺傳信息互相結合而產生新的後代的生殖過程（但自我受精的物種只需要一個生物體即可完成生殖），參與生殖過程的每個生物體通過單倍體生殖細胞的形式各提供一半的遺傳信息，這個過程中大部分生物可以形成兩種不同的生殖細胞。針對異形配子的生物存在着雄性（產生精子、花粉或孢子）與雌性（產生卵細胞、胚囊或大孢子）兩種性別。針對同配生殖的生物而言，其產生的生殖細胞在形態上相似或一致，但是由於其功能存在差異因此也有不同的名字（參見：同配生殖）。比如綠藻類生物衣藻（拉丁語：Chlamydomonas reinhardtii）的兩種生殖細胞被稱作「正配子」與「負配子」。還有一些生物例如雙小核草履蟲（拉丁語：Paramecium aurelia）擁有兩個以上的性別，他們被稱作「交配變種」[5]。

大多數動物（包括人類）與植物進行有性生殖。有性生殖的生物針對一種性狀總是存在着與之對應的基因組（稱作「等位基因」）。後代會從父母的每一方獲得決定各個形狀的一個等位基因，然後兩個非同源等位基因進行組合，這樣的過程確保了後代的基因會是來自父方與母方的基因的集合體。二倍體生物會產生每個基因的兩份拷貝，有研究結果認為單倍體與二倍體的發生過程中，基因可以進行自由重組，因此屏蔽有害基因在二倍體生物的進化過程中扮演了很重要的角色。[6][7]。

苔蘚植物也進行有性生殖，但是他們最常見的形態是單倍體的配子體。在生殖過程中他們產生生殖細胞，生殖細胞結合後會形成孢子囊，之後便會產生單倍體的孢子。苔蘚植物的二倍體時期相較於單倍體時期而言顯得很短（因此稱其生活周期為「單倍體主導」的），而二倍體的優勢（例如「雜種優勢」）也僅在二倍體時期才能體現。儘管苔蘚植物在絕大多數情況下處於單倍體時期而無法從雜種優勢中獲益，但在漫長的進化過程中卻保留了有性生殖的生殖方式，這或許可以作為一個例子，用於闡述有性生殖有更大的優勢。對苔蘚植物而言，在有性生殖過程中，來自同一物種的不同個體的生殖細胞進行隨機組合，通過自然選擇可以選擇出最適合生存的單倍配子體。

異體受精

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主條目：異體受精

異體受精描述的是卵細胞與來自另一個體的精子結合受精的過程。

自體受精

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自體受精發生於雌雄同體的物種中，這一生殖方式描述了來自同一生物個體的兩種生殖細胞互相結合受精的過程。

有絲分裂與減數分裂

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有絲分裂與減數分裂是細胞分裂的兩種形式[8]，有絲分裂發生於體細胞內，減數分裂發生於生殖細胞中。

  • 有絲分裂：有絲分裂的結果是產生參與分裂的細胞數量兩倍的新細胞，且新細胞的染色體與分裂之前的細胞中的染色體保持一致[8]。
  • 減數分裂：減數分裂的結果是產生參與分裂的細胞數量四倍的新細胞，這些細胞的染色體數量是原細胞染色體數量的一半。一個二倍體細胞首先自我複製，然後進行兩次分裂（四倍體分裂為二倍體，然後二倍體分裂為單倍體），形成四個單倍體細胞。減數分裂共有兩個過程，分別為減數第一次分裂與減數第二次分裂[8]。

同性生殖

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近幾十年來，一些發育生物學開始着手研究並建立新的技術來實現同性之間的生殖[9]。根據現有的研究，實現同性生殖的方法可能是培育雌性精子與雄性卵子。日本科學家已經培育出了雞的雌性精子，從中得到雌性精子更容易培育人類的結論，同時科學家還指出，由於培育出的含有W染色體的雄性卵子的數量卻顯著低於預期值[10]。在2004年，通過修改幾個涉及基因銘印的基因的功能後，日本科學家成功地通過兩個老鼠的卵細胞培育出了一隻小鼠[11]。

繁殖策略

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不同的物種會有不同的繁殖策略。有一些物種如人類和北方塘鵝會在出生後數年才達到性成熟來繁衍後代，另一些則會比較快地進行繁殖，但是他們的後代長大至成體的比例相對較低。例如兔子在出生後8個月即可達到性成熟，每年可以繁殖10到30隻後代，又如黑腹果蠅在出生後10-14天後即可達到性成熟，每年可以以繁殖400隻後代。這樣的兩種繁殖策略分別被稱為K選擇理論（少量的後代）與R選擇理論（許多後代），由於生活環境的不同，在不同生物的進化過程中物種會選擇不同的繁殖戰略。繁殖少量後代的物種可以將更多的資源集中起來才撫養和保護後代，另一類則會有相當數量的後代在出生後死亡，但是剩下的後代可以維持整個種群的數量。還有一些生物如蜜蜂和果蠅會通過精子儲存的過程將精子存儲起來，以便延長自己的繁殖力。

其他類型的繁殖策略

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主條目：生物的單次繁殖和多次繁殖
  • 多輪生殖動物會在一生中間歇地進行繁殖。
  • 單次繁殖動物在一生中只進行一次生殖，例如一年生植物（包括所有的穀物作物）、一些種類的鮭魚、蜘蛛和竹子等。這些生物通常在繁殖後很快便會死亡，他們的繁殖策略與R選擇理論有關。
  • 多次繁殖動物會按照連續的周期（例如每年或每季度）產生後代，例如多年生植物等。多次繁殖動物可以適應多個季節以及周期性的環境變化，他們的繁殖策略更類似於K選擇理論。

不用繁殖產生的生命

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自然發生是生物學上在關生物如何由沒有生命的化合物演變而來的研究。不論有沒有出現過自然發生的事件，生物學家認為地球上所有生物的最後共同祖先可追溯到三十五億年前。

今日有些科學家設法在實驗至中用非生殖的方式產生生命。有幾位科學家已經從完全沒有生命的材料中製造出簡單的病毒[12]。不過一般而言，病毒不算是生命，病毒可以視為包覆在蛋白質內的許多RNA或DNA，但病毒沒有新陳代謝，而且要靠著宿主細胞的新陳代謝才能自我複製。

不用繁殖的方式製造真正的生物（例如簡單的細菌）是更加複雜的工作，但根據現有的生物學知識，已經可以進行到一定程度。有實驗將合成基因（英語：Synthetic genomics）放到細菌中，取代原來的DNA，因此產生了新的人工絲狀支原體（英語：M. mycoides）[13]。

有關上述細胞是否算由完全由人工合成，在科學社群中仍有爭議[14]。因為人工合成的基因幾乎是完全複製天然的基因，而且後來也是加到一個天然的細菌中克雷格文特爾研究所（Craig Venter Institute）仍使用「人工細菌細胞」（synthetic bacterial cell）一詞，但也說明「我們認為這不算是從頭開始創造生命」[15]。格文特爾研究所計劃針對實驗的細胞申請專利，內容是「這些很明確是人類的發明」[14]。這些細胞的創建者認為製造「人工生命」可以讓研究者在製作過程中學習生物的知識，而不是一定要將生物切開後才能學習。研究者也希望可以縮小生命和機器之間的分別，最後可以得到「真正可程式化的生物體」[16]。相關的研究者認為以現有的技術而言，要創造「完全人工合成的生命體」要比將人送到月球要簡單[17]。

樂透原則

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有性生殖有很多的缺點，包括需要的能量比無性生殖要多很多，而且生物為此需要生殖系統，因此有學者在研究為何仍有這麼多物種用有性生殖來繁衍後代。

美國演化生物學家喬治·C ·威廉斯（英語：George C. Williams）用樂透彩券來說明有性生殖為何如此普遍[18]。他認為無性生殖產生的子代幾乎沒有變異，或是只有很小的變異，就好像買了很多的樂透彩券，但號碼都一様，因此產下可以存活子代的機率變低。相反的有性生殖就好像買較少的彩券，但每一張的號碼都不同，因此產下可以存活子代的機率較高。

上述類比的論點是建立在無性生殖產生的子代沒有變異，因此在環境變異時很難存活。不過很多研究發現在不穩定的環境下，生物用無性生殖的比例反而更高，因為快速繁殖大量個體更容易有變異，恰好與預測的情形相反，因此越來越少人接受這樣的論點。

參見

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參考資料

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  1. ^ 秋凌. 亞馬遜發現螞蟻女兒國成員全為雌性. 新浪網. 2009-04-15 [2012-01-01]. （原始內容存檔於2021-02-10）. 
  2. ^ Halliday, Tim R.; Kraig Adler. Reptiles & Amphibians. Torstar Books. 1986: 101. ISBN 0-920269-81-8. 
  3. ^ Savage, Thomas F. A Guide to the Recognition of Parthenogenesis in Incubated Turkey Eggs. Oregon State University. September 12, 2005 [2006-10-11]. （原始內容存檔於2006年11月15日）. 
  4. ^ "Female Sharks Can Reproduce Alone, Researchers Find" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Washington Post, Wednesday, May 23, 2007; Page A02
  5. ^ T. M. Sonneborn. Mating Types in Paramecium Aurelia: Diverse Conditions for Mating in Different Stocks; Occurrence, Number and Interrelations of the Types. Proceedings of the American Philosophical Society, Vol. 79, No. 3 (Sep. 30, 1938), pp. 411-434. American Philosophical Society. JSTOR 984858. 
  6. ^ S. P. Otto; D. B. Goldstein. Recombination and the Evolution of Diploidy. Genetics. 1992, 131: 745-751. 
  7. ^ Bernstein H, Hopf FA, Michod RE. (1987) The molecular basis of the evolution of sex. Adv Genet. 24:323-370. Review. PMID 3324702
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 國立台灣科學教育館 生命的奇幻世界. Activity.ntsec.gov.tw. 2008-02-19 [2013-12-07]. （原始內容存檔於2020-05-27）. 
  9. ^ Timeline of same-sex procreation scientific developments. samesexprocreation.com. [2013-03-15]. （原始內容存檔於2011-02-08）. 
  10. ^ Differentiation of female chicken primordial germ cells into spermatozoa in male gonads 39 (3): 267–71. June 1997. PMID 9227893. doi:10.1046/j.1440-169X.1997.t01-2-00002.x. 
  11. ^ Japanese scientists produce mice without using sperm. Washington Post (Sarasota Herald-Tribune). April 22, 2004 [2013-03-15]. （原始內容存檔於2021-04-15）. 
  12. ^ Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template
    Scientists Create Artificial Virus （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  13. ^ Daniel G. Gibson, John I. Glass, Carole Lartigue, Vladimir N. Noskov, Ray-Yuan Chuang, Mikkel A. Algire, Gwynedd A. Benders, Michael G. Montague, Li Ma, Monzia M. Moodie, Chuck Merryman, Sanjay Vashee, Radha Krishnakumar, Nacyra Assad-Garcia, Cynthia Andrews-Pfannkoch, Evgeniya A. Denisova, Lei Young, Zhi-Qing Qi, Thomas H. Segall-Shapiro, Christopher H. Calvey, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison, Hamilton O. Smith, J. Craig Venter. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science. 2010-07-02, 329 (5987): 52–56 [2018-04-02]. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1190719. （原始內容存檔於2021-04-09） （英語）. 
  14. ^ 14.0 14.1 Robert Lee Hotz. Scientists Create First Synthetic Cell. The Wall Street Journal. May 21, 2010 [April 13, 2012]. （原始內容存檔於2013-10-04）. 
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  18. ^ Williams G C. 1975. Sex and Evolution. Princeton (NJ): Princeton University Press.
  • 朱耀沂. 情色昆蟲記～昆蟲世界的愛情兵法. 商周. 2006. ISBN 986-1247-55-6. 
  • 小原嘉明著，章蓓蕾譯. 動物戀愛學～自然界的兩性關係. 玉山社. 2002. ISBN 957-8246-88-9. 
  • 吉德安·狄福著，蔡政文譯. 動物愛愛狂想曲 [How animals have sex]. 如何. 2006. ISBN 986-1360-81-6. 
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