紅皇后假設是演化學中知名的理論，原本只是提出生物因為彼此競爭而會有共同演化現象，後更引伸來解釋有性生殖的出現。
程樹德
英國作家卡洛（Lewis Carroll）在他的奇幻大作《愛麗絲鏡中奇遇》（Through the looking glass, and what Alice found there）裡，描寫小女孩愛麗絲在夢中變成棋子，與紅皇后博弈（圖一）。紅皇后腳步疾行如風，但人卻總留在原地，落後於她的愛麗絲喘著大氣說：「在我們家鄉，您走得這麼快，肯定早不知走到那去了！」紅皇后說：「那是多慢的國度，在這你光是費勁跑，也只能留在原地。如果想到別的地方去，你至少得跑兩倍快才行！」
化石堆裡窩出紅皇后
1973年，終日窩在美國芝加哥大學收藏的化石堆及書山中的范華倫（Leigh van Valen），在研究海洋化石多年後，得到一個結論：「一科動物，不管牠在地球史上已存活了多久，牠滅絕的機率依然不會更小，而是隨機的變動，其意義即是不管過去表現多佳，想要生存，未來依然是危機重重呢！」
多年浸淫在化石堆，沒有太注重邊幅的范華倫，提出理論時鬍子長得快要比老年時的達爾文還長了。他體會到物種之間的生存競爭一向不容易，一物種縱使再適應牠所在的物理環境，但牠的競爭者和敵人不會讓牠鬆一口氣，因為這些競爭者也要適應同一個環境。由於資源有限，生存成了一場兩方競爭者無法雙贏，趨向零和的博弈。
范華倫在自己的理論中提出兩個重點。首先，生物面臨惡劣的物理環境，如乾旱冰冷飢饉，對生存誠然是挑戰，但在造成生物死亡的原因當中，物理環境占的比例算小，大多讓生物致死或失去繁殖能力的，仍以寄生蟲、掠食者及競爭者為主，因此他在論文中把演化壓力的主方向，由物理環境轉到生物環境。
其次，既然生物在需要生死搏鬥的競爭當中會不停變化，那為何有些物種的形態始終滯留不變，甚至長達百萬年呢？范華倫認為生物會變，是因為與其他生物的武裝競賽，其變的重點可能是內在的生理及生化結構。這競賽可能表面似乎不變，但底下「鴨子划水」較勁更殷呢！這讓范華倫回憶起兒時讀到的紅皇后一角，她跑得飛快卻始終留在原地，便以此為自己的這項理論取了個童話般的名字——「紅皇后假設」（Red Queen Hypothesis），用來表示物種必須不斷演化，才能在競爭中保持現有地位，不致於被競爭者淘汰。
范華倫把紅皇后假設稱為一個新演化定律，向一流學報投稿，但都被退了回來，最後論文被一個當時新設立的期刊《演化理論》（Evolutionary Theory）所接受，成了該期刊第一卷的第一篇。由於此文甚受演化學界重視，《演化理論》便因這篇論文一砲而紅。
雖然范華倫起初以「演化的軍備競賽」為主軸立論，但其他學者將之延伸到「有性生殖」上，使這一個理論有了新的面向。與無性生殖相比，有性生殖比較麻煩，不但雌雄要互相尋覓，而且雄性對生殖的貢獻雖稱緊要，但相對於雌性而言，投入資源之比例較小。因此若一個物種內，同時存在著有性生殖與無性生殖方式，那讓兩者競爭後代數量，則對行有性生殖者是很不利的。舉個例吧：若無性生殖（孤雌生殖）每次生4個子代，每一子代又生4個，第二代即有16個個體；但有性生殖要雌雄合作，方生4子，4子之中只有兩雌，故第二代只有8個個體，才兩代在數量上就有此差異，再久些有性生殖者豈不被排擠光了？因此若其他條件不變，有性生殖恐怕鬥不過無性生殖，不太可能演化出來。
有性生殖優勢何在？
但有性生殖畢竟出現了，而且不少動物都以之為唯一的繁殖方式，那麼尋求它的優點，就是眾多演化學家提出有性生殖優勢理論的目的了。就這些理論所注重的題材，大致可以區分為兩類：遺傳上或生態上的優勢論。
從遺傳的層次來看有性生殖，它的優點是能造成個體基因的重新組合。雌雄各約貢獻了一半的基因，造成新子代，因而第一個有性生殖的優勢理論，認為好基因能因代代重組而歡聚一堂，產生更能適應外在環境的個體，這些個體再生殖更多後代，讓好基因的比例繼續累積上升，最終取代較次的基因。但好基因畢竟稀少，要在大族群內讓許多好基因聚首，真要等待不少時光，因此第一個理論的缺陷，便是發生的速度太慢了。
相對地，壞基因常因突變而產生，無性生殖者除不掉這些阻礙生存能力的基因，長久累積下來，後代子孫便會含有許多壞基因，適應不了環境，容易早夭。這個理論是由遺傳學家穆勒（Herman Muller）所提出，別名叫穆勒撐高機（Muller’s ratchet），取自撐高機裝置的特性——以單方向懸動拉抬重物，若反向運動恐會壓死底下的工作者，故會有安全裝置預防意外發生，藉此來形容基因的累積不會輕易往反向移動。相較之下，有性生殖可藉基因重組，拋棄壞突變，故有性生殖的第二個優勢理論，便是立足於避免壞基因在穆勒撐高機下累積的困境，甚至讓撐高機的機制反轉，經有性生殖淘汰掉壞突變較多的後代。
然而以上兩個基於遺傳上的優勢理論，均有發生時間過於遲緩，難以觀察的缺陷，於是生態解釋應運而生。理論演化學家威廉斯（George Williams）注意到，草在所生長環境周邊蔓延時，會向外長出無性的根或莖，但是當要送出遠行的小種子時，才會行有性生殖。相似的還有蚜蟲在氣候穩定的夏天行無性生殖，秋末才進行有性生殖，讓後代待在囊狀卵中熬過環境惡劣的冬天。威廉斯以彩票為例，說明這兩種模式背後的策略。
無性生殖就像購買大量同號碼的彩票，而有性生殖像買少量但號碼張張不同的彩票，兩者相較，前者中獎時雖然獲益會比後者高，但是後者的得獎機會要遠高於只買單一號碼，以此來比喻無性生殖與有性生殖在不穩定環境下尋求生存的效宜，故他的理論又被稱為彩票理論（lottery principle）。
加拿大蒙羅特羅市的貝爾（Graham Bell）試著為彩票理論來尋找證據。依據彩票理論，動植物若處在高緯度或高海拔處，因地理環境艱困而多變，那麼為了產生能適應變化的後代，行有性生殖者應該多於無性生殖。此外淡水環境易有旱澇、冰凍及溽暑等變化，而海水環境較穩定，故淡水生物行有性生殖的機會應該較海水生物要高。但貝爾研究的結果卻跟預期相反，反而是體形較小的無性生物喜住在多變或相對艱困的環境。
既然彩票理論也不怎麼受現實的證據支持，美國科學家季士林（Michael Ghiselin）便根據經濟學理論，提出分歧是對物種較佳經營策略的說法，他認為同種生物其實也會和同胞兄弟競爭，如果這些子代能有不同之處，可能會提高整體的存活率。就像是若父母靠某行業維生，到子代時如果沒有作出改變，兄弟全都開設同樣的店，則這個行業可能就會因為出現太多同行的競爭者導致難以為繼了。貝爾將這理論命名為「樹根糾纏的河岸論」（tangled bank hypothesis），源自於達爾文大作《物種起源》的最後一段，提到一個生物聚集的河岸。
貝爾的一位學生伯特（Austin Burt）接著推論，若河岸論有理，那麼體形小而生育率高的生物在行減數分裂時，染色體交換（crossover）發生的比率應該會多些，以增加後代的變異。結果卻又跟理論相反。他算出在一個週期的減數分裂中，人類染色體發生交換的平均數量有30個、兔子10個，原本預期應該最高的小鼠只有3個，表示長壽且成熟較晚的哺乳類，其染色體交換的頻率反而比較高。
以上諸多理論不是發生時效太慢，就是缺乏證據支持，因此演化學家只好繼續構思新的理論。當范華倫的紅皇后假設一出現，應用該理論的有性生殖優勢理論就應時而生，其中一例是針對寄主跟寄生蟲的關係，來說明有性生殖的好處。
由於寄生蟲既多種又難防，因此寄主與寄生蟲的演化鬥爭，就無時無地不在進行，而有性生殖的好處，恰好在於能創造不同於親代的子代。只是有性生殖的子代基因會重組，上一代能有效抵禦寄生蟲的基因組合，在下一代反可能被打破，這似乎與前文有些矛盾，但考慮寄生蟲也可能演化出破解上一代抵禦能力的招數，則下一代寄主產生的新招數，反而讓同在演化的寄生蟲所難以預料。
用細胞及分子生物學來說明更易解釋，寄生蟲想侵入寄主，必定要結合到寄主細胞表面的接受器，故接受器似鎖，而寄生蟲的侵入蛋白似鑰匙。寄生蟲如果演化的速度夠快，便有機會演化出鑰匙蛋白，以入侵寄主；而寄主方面可以靠有性生殖存個鎖庫，每一代都拿出不同的鎖，用來防止寄生蟲破解。
美國科學家賴夫利（Curtis Lively）為此跑到紐西蘭研究一種淡水螺（Potamopyrgus antipodarum）和牠的寄生吸蟲（trematode）的關係。此螺會行純孤雌生殖，也行有性生殖，兩種生殖方法的螺均有分布在該島湖泊及河流中，而能寄生這種螺的吸蟲會吃掉螺的性器官，使其無法產生後代。
賴夫利針對66個湖中的螺，調查牠們有性及無性生殖的個體比例，以及被吸蟲侵擾的頻率，發現如果湖中的吸蟲越多，則該湖中的雄螺比例越高，表示他們比較常行有性生殖，亦表示這支持紅皇后假設。
紅皇后的性演化理論自此有了證據的支持，而范華倫原設想競爭者之間的演化軍備競賽，尚不易有實驗的佐證，因為寄生蟲雖世代較短，但若寄主壽命很長，則不易觀察出兩種生物的演化互動，但若利用可以短時間大量繁衍的微生物，讓寄主是細菌而寄生蟲是噬菌體病毒（圖二），則比較容易研究它們的共同演化關係。
軍備競爭 終獲證據
由英國利物浦大學、牛津大學等四個單位聯合發表的一篇論文，利用一個簡單的實驗，來測驗病毒與細菌的共同演化關係。這個共同演化實驗，使用了1000隻噬菌體病毒（Φ2噬菌體病毒），來感染1000萬隻假單胞桿菌（Pseudomonas fluorescens），待兩天後再取出60微升的菌液，建立下一代的細菌跟病毒。
在這種處理中，細菌跟病毒都有可能演化，故可視為一個共同演化體系。而在對照用的控制組中，則是先用氯仿破壞細菌，使其釋放菌體內的病毒，再取60微升病毒液感染原始菌株，在這種操控下只有病毒可能演化，而細菌因為一直反覆使用原始菌株，故演化的機率極低。如此做了12代（換瓶一次叫一代），共計6個共同演化的實驗組及6個病毒單獨演化的控制組，然後再分離族群內的病毒，決定其核酸序列，與起始的祖先相比對，並繪製親緣關係樹。結果發現，共同演化組中有5群病毒，與開始實驗時的原始病毒序列相差甚多，而只進行病毒演化的6個族群，與原始病毒序列相差較少，可見病毒在有寄主細菌共同演化的競爭壓力下，其分子演化速率才會較快，這正與紅皇后假設相符。
研究者還取共同演化跟單獨演化的病毒，去感染不同族群內演化的寄主，發現共同演化出來的6組病毒感染力各有不同，但是控制組單獨演化的病毒，已完全不能感染實驗組經歷過共同演化的寄主細菌，表示這些細菌有了明顯的改變，雖躲不掉被共同演化的病毒感染，但已能抵禦控制組中單獨演化的病毒侵襲。
研究者從這些病毒的序列中，發現有4個基因發生最多的變化，其中一個基因是負責病毒尾狀構造的蛋白，在病毒進行感染侵入細菌時有重要功能，所以是共同演化受到競爭壓力最大的地方。經過12代演化後，病毒的尾部長度明顯縮短了，或許表示短尾的病毒比原本尾部較長的病毒更能感染寄主。
在這個簡單實驗中，研究團隊蒐集證據，支持范華倫的軍備競賽假設，即當寄主與寄生蟲互鬥時，雙方分子可能共同發生高速演化，造成遺傳分歧的後果。相對於人類的科技發展，發展最快的時段，不也是在有競爭壓力下的幾次大戰跟冷戰期間嗎？
引用文獻：
1. Ridley, M., The red queen:sex and the evolution of human nature, Penguin Books, 1993.
2. Paterson, S., et al., Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution , Nature, vol. 464:275-278, 2010.
本文作者為程樹德，任教於陽明大學微免所
