Tại sao trong sinh sản hữu tính lại tạo ra được các cá thể mới đa dạng về các đặc điểm di truyền

Sinh sản hữu tính là một quá trình tạo ra một sinh vật mới bằng cách kết hợp vật chất di truyền từ hai sinh vật. Nó xảy ra ở cả những sinh vật nhân chuẩn[1][2] và sinh vật nhân sơ:[3] ở những sinh vật nhân chuẩn đa bào, một cá thể được tạo ra một lần nữa; còn ở những sinh vật nhân sơ, tế bào ban đầu có vật chất di truyền bổ sung hoặc chuyển đổi. Trong một quá trình được gọi là tái tổ hợp di truyền, vật chất di truyền [DNA] có nguồn gốc từ hai cá thể khác nhau cùng tham gia để mà các dãy tương đồng được xếp thẳng hàng với nhau, và theo sau bởi sự trao đổi thông tin di truyền. Sau khi nhiễm sắc thể tái tổ hợp mới được hình thành, nó sẽ được truyền cho thế hệ con cháu.

Ba quá trình riêng biệt ở sinh vật nhân sơ mà được xem như là tương tự với nguồn gốc và chức năng của giảm phân: 1] Sự chuyển đổi của vi khuẩn có liên quan đến sự kết hợp DNA ở ngoài vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, 2] Sự kết hợp của vi khuẩn là sự chuyển giao plasmid của DNA giữa các vi khuẩn, nhưng plasmid hiếm khi kết hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn, 3] Chuyển gen và trao đổi di truyền giữa các vi khuẩn cổ.

Sự chuyển đổi của vi khuẩn có liên quan đến sự tái tổ hợp vật chất di truyền và chức năng của nó chủ yếu là kết hợp với việc sửa đổi DNA. Sự chuyển đổi của vi khuẩn là một quá trình phức tạp được mã hóa bởi rất nhiều gen của vi khuẩn, và là sự thích nghi của vi khuẩn cho việc chuyển giao DNA.[3][6] Quá trình này xảy ra tự nhiên ở ít nhất 40 chủng loài vi khuẩn.[8] Với một vi khuẩn, để ràng buộc, kết hợp, và tái tổ hợp DNA ngoại sinh vào nhiễm sắc thể của nó, nó phải tiến vào một trạng thái sinh lý đặc biệt gọi là tải nạp [competence] [xem Tải nạp tự nhiên. Sinh sản hữu tính ở những sinh vật nhân chuẩn đơn bào đầu tiên có thể đã tiến hóa từ sự chuyển đổi của vi khuẩn,[9] Hay từ quá trình tương tự ở vi khuẩn cổ [xem bên dưới].

Trái lại, sự kết hợp của vi khuẩn là một hình thức chuyển giao trực tiếp DNA giữa hai vi khuẩn thông qua một cơ quan phụ là lông kết hợp.[10] Sự kết hợp của vi khuẩn được điều khiển bởi những gen plasmid, đã thích ứng với việc phát tán những bản sao của plasmid giữa các vi khuẩn. Sự sáp nhập không thường xuyên của một plasmid vào một nhiễm sắc thể của vi khuẩn chủ, và sự chuyển giao một phần của nhiễm sắc thể của vi khuẩn chủ ngay sau đó có vẻ như không phải là sự thích nghi của vi khuẩn.[3][11]

Sự tiếp xúc của những chủng loài vi khuẩn dạng cổ ưa nhiệt độ cao thuộc chi Sulfolobus với các điều kiện làm tổn thương DNA gây ra sự tập hợp tế bào, được kèm theo bởi sự trao đổi dấu hiệu di truyền ở tần suất cao.[12][13] Ajon et al.[13] đưa ra giả thiết rằng sự tập hợp tế bào này giúp tăng cường khả năng sửa chữa DNA tùy theo chủng loài cụ thể bằng sự tái tổ hợp tương đồng. Sự chuyển giao DNA ở chi Sulfolobus có thể là một hình thức tương tác hữu tính ban đầu tương tự như sự chuyển đổi hệ thống ở vi khuẩn mà đã được nghiên cứu kỹ, và cũng có liên quan đến sự chuyển giao DNA tùy theo chủng loài cụ thể, dẫn đến sự tái tổ hợp tương đồng để sửa chữa các thương tổn DNA.