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是DNA的什么变化使猿变成了人? 精选

已有 3590 次阅读 2022-10-24 00:06 |系统分类:科普集锦

DNA的什么变化使猿变成了人?

 

人类从何而来?使人出现的生理机制是什么?人类还在演化吗?经过科学家们多年的研究,这些问题都已经有了一些答案。近年来迅猛发展的分子生物学,更是在这些研究中发挥了重要作用,不仅为现代人类出现的过程提供了重要线索,许多人类特征的出现,也可以从DNA的变化中得到解释。


人是智力最高的动物

猩猩和一些鸟类已经能够使用甚至制造工具,但是那些工具都是简单和原始的。人类不仅能够制造的工具,而且制造的工具也越来越复杂和先进。制造工具的材料从石头到土壤烧制(陶器),青铜、铁直到现代的冶金和各种合成材料,运输工具从独轮车、马车到汽车、火车、飞机、轮船,以致宇宙飞船,动力从人拉肩扛到蒸汽机、内燃机、电动机,从用火照明到电灯,从人工传书到电报电话再到视频通讯,人类制造的工具极大地改变了人的生活方式,使其越来越方便、高效和舒适。人类发明的科学研究工具,如显微镜、望远镜、离心机、X-射线衍射仪、各种光谱仪、质谱仪、核磁共振仪、电子自旋共振等,都极大地扩展了人类认识世界的能力。

许多鸟类能够给自己建窝,但是这些窝多不能遮日晒,也不能挡雨淋;最聪明的哺乳动物黑猩猩,仍然居无定所。而人类不但能够给自己建造长期居住的房屋,还发展到具有上下水、通电、通气、通互联网、带空调的现代化住宅,并且建造出各种功能齐全的现代化城市,使人类生活在自己创造的环境中。

动物之间也可以通过声音来交换信息,但是声音信号数量不多,信号之间的组合少,而人类的语言不仅有成千上万的词汇,还有语法,让这些词汇用多种方式进行组合,形成千变万化的句子,高效地传播和交流信息。

文字更是人类的发明。文字可以将语言记录下来,使得人类的知识可以在大脑之外储存和传播,积累成为一个整体并且不断丰富,成为人类的共同财富。每个人原则上都可以通过文字中接触到人类过去积累的全部知识,又通过文字贡献自己的知识和想法,大大加速人类社会的发展。

鸟和猩猩已经有抽象思维,人类的抽象思维则大大扩展,产生出宗教、哲学、科学。人类不但被这个世界所产生,还可以反过来研究和理解这个世界。

有些动物已经会舞蹈和歌唱,而人类的舞蹈和歌唱不仅复杂和丰富得多,还发明了乐器和组建乐队。绘画、雕塑、小说、电影、戏剧等,更是人类特有的文化艺术活动。

人类所有这些进步背后的原因,除了身体的改变使人直立行走,演化出了做事情的手和发声器官外,最重要的就是人类智力发展。这些变化不是凭空突然出现的,而是在猿类动物的基础上发展出来的。

 

古代人类从非洲猿类演化而来

达尔文早就注意到人与猩猩之间的相似性,在1871年出版的《人类起源与性的选择》(The Descent of Man and Selection in Relation to Sex)一书中,达尔文就认为在非洲生活的黑猩猩和大猩猩是和人亲缘关系最近的动物,并由此推断人类是从非洲这类动物演化出来的(In each great region of the world the living mammals are closely related to the extinct species of the same region. It is, therefore, probable that Africa was formerly inhabited by extinct apes closely allied to the gorilla and chimpanzee; and as these two species are now man's nearest allies, it is somewhat more probable that our early progenitors lived on the African continent than elsewhere.)。在当时,还几乎没有早期人类的化石证据,更没有分子生物学的数据,但是随后的研究表明,达尔文的这两个推断是完全正确的。

分子生物学的研究表明,黑猩猩(chimpanzee)的DNA有98%以上与人类相同,是所有动物中相似程度最高的,绝大部分基因也与人类相同,因此是与人类关系最近的亲戚,大猩猩(gorilla)其次,在亚洲生活的红毛猩猩(orangutan)和长臂猿(gibbon)的关系就更远一些,证明了达尔文当初的论断 

人类、黑猩猩、大猩猩、长臂猿和红毛猩猩都属于哺乳动物中“灵长类动物”(primate)里面的“人猿总科”(Hominoidae)。在本文中,我们把除人类以外的人猿总科动物都称之为“猿”,以与人类相区别。猿体型较大,没有尾巴;另一些灵长类动物是“猴”,体型较小,身后有尾巴。灵长类动物的脑容量与体重的比例都超过其他哺乳动物两倍以上,也就是具有比较发达的大脑。

不仅如此,比较灵长类动物与其他哺乳动物以及灵长类动物之间DNA差异的程度,科学家还能够推断出人类从哺乳动物演化出来的过程中主要事件的时间段。大约在8500万年以前,灵长类动物与其他哺乳动物分开;大约2500-3000万年前,猿类与猴类分开;大约1500万年前,非洲猿与亚洲猿分开;大约800-900万年前,大猩猩从非洲猿中分化出去;大约700万年前,黑猩猩又从非洲猿中分化出去,余下的猿类则逐渐演化成为人类。

对古人类化石研究的结果也与分子生物学研究的结论相一致。迄今发现的最古老的,骨骼特征已经和猿类动物有明显区别的早期人类化石,都在非洲。例如在乍得发现的“沙赫人”(Sahelanthropus)的化石有大约700万年的历史。在肯尼亚北部发现的“图根猿人”(orrorin)化石有600万年的历史,在埃塞俄比亚发现的“卡达巴地猿”(Ardipithecus kaddaba)化石有大约560万年的历史,在埃塞俄比亚发现的“露西”(Lucy)化石有大约320万年的历史。

相比之下,非洲以外最早的人类遗迹只有200万年左右的历史。例如在中国重庆市巫山县庙宇镇龙坪村龙骨坡发现的“巫山人”是迄今为止在中国发现的最早的人类化石,有214万年的历史;在中国西安市蓝田县上陈村发现的石器有大约210万年的历史;在格鲁吉亚的“德马尼西”(Dmanisi)镇发现的人类化石有大约180万年的历史。当然不能完全排除非洲以外还会发现更早人类化石的可能性,但是从非洲大量出土的700万-200万年前的人类化石,以及黑猩猩只生活在非洲来看,最大的可能性还是人类是从非洲黑猩猩类的动物演化而来的。

 

现代人类的诞生:走出非洲说

古代人类在非洲诞生的看法已经很少受到质疑,但是非洲以外人类的化石也有大约200万年的历史,是一个相当长的时期。现代不同地区的人类是从世界各地的古人类分别演化而来,还是都来自一个共同的,年代比较近的现代人类祖先,就是一个难以回答的问题。在这里,分子生物学又发挥了它的威力,即用DNA序列的中的信息来追踪世界各地现代人类的演化史,根据的主要是线粒体DNA,Y染色体DNA,以及一种叫做“Alu”重复序列在DNA中插入的位置。

线粒体(mitochondria)是一种叫做“a-变形菌”(a-Proteobacterium)的细菌进入古菌(Archaea)细胞后变成的一个细胞器,是细胞的“动力工厂”,至今保留了变形菌的一些DNA。动物在繁殖时,只有来自母亲卵细胞的线粒体遗传给了后代,精子中的线粒体要么不能进入卵细胞,要么在受精后在卵细胞中被销毁。因此分析各种现代人群中线粒体DNA序列的变化状况,就可以追踪人类母系的遗传状况。

对世界不同地区人类线粒体DNA序列的分析表明,现代人类的线粒体DNA可以分为6个支系,从L1 到L6。这6个支系都可以在非洲找到,但是在非洲以外只能找到L3,说明只有L3这一支走出了非洲,因此所有的现代人应该都起源于非洲。所有这些支系都可以追溯到现代人类最古老的线粒体DNA祖先L0,代表所有现代人类的母亲,也被称为“线粒体夏娃”,生活在大约15万年前的非洲。

Y染色体只存在于男性中,所以只能从父亲传给儿子。分析全世界不同人群的Y染色体DNA序列,也可以分为许多支系,以英文字母命名。其中最古老的A系和B系都在非洲,只有CR系(也叫M168系)走出非洲。这些支系也可以追溯到现代人类最古老的Y染色体形式,代表现在所有人类的父亲,被称为“Y染色体亚当”,生活在大约20万年前的非洲。

Alu重复序列属于一类能够在DNA中通过转录和反转录而“跳来跳去”的DNA序列,被称为“转座子”(transposon),或者“跳跃子”。由于插入DNA中同样位置的几率极低,从Alu序列插入DNA中的位置,也可以追踪DNA演化的过程。对全世界16个人群的664位个人的Alu插入状况的分析,也支持现代人类产生于非洲的说法。

现代人类起源自非洲,已经在非洲以外生活的古人类又到哪里去了呢?随着从化石中提取DNA进行测序技术的进步,科学家对欧洲和亚洲年代较早的一些人类化石进行了DNA分析,发现这些人已经灭绝了,或者说被现代人取代了,证据是他们的DNA和现代人不同,而且分为两种。

第一种最初是在德国的尼安德特山谷(Neanderthal valley)中发现的,被称为“尼安德特人”(Neaderthals)。他们身体粗壮,四肢较短,而脑容量较大(男性大约1600 立方厘米,女性大约1300立方厘米)。对欧洲和西亚14个地区,23个人类化石的DNA分析表明,这些人类都是尼安德特人,说明尼安德特人曾经居住在欧洲和西亚的广大地区,包括德国、法国、比利时、西班牙、意大利、克罗地亚、西伯利亚西部等地。

第二种最初是在西伯利亚南部阿尔泰(Altai)山脉,靠近哈萨克斯坦、中国和蒙古边境的丹尼索瓦洞穴(Denisova cave)中发现的,叫做“丹尼索瓦人”(Denisovans)。迄今为止已经有5位丹尼索瓦人的化石在该洞中发现,他们的线粒体DNA与尼安德特人的明显不同。在中国甘肃省夏河县甘加乡白石崖洞中发现的16万年前的古人类下颌骨化石,其胶原蛋白的序列特征与在西伯利亚丹尼索瓦洞穴发现的丹尼索瓦人的胶原蛋白一致,在洞里沉积层中发现的线粒体DNA也与丹尼索瓦人相同,证明16万年前在中国大陆生活的人为丹尼索瓦人。丹尼索瓦人从大约30万年前开始广泛分布于东亚,大约在2-3万年前灭绝。

现代人的DNA中有不到百分之五来自尼安德特人和丹尼索瓦人,表明现代人和这两种人曾经共同生活过相当长的时间,而且有过交配。但是现代人绝大部分的DNA不是来自尼安德特人和丹尼索瓦人这一事实表明,欧亚大陆的现代人不是从这个地区的古代人类演化而来的。现代人类产生于15-20万年前的非洲,在大约10万年前走出非洲,取代了尼安德特人和丹尼索瓦人。因此,10万年前生活在非洲以外的所有人种,包括中国的北京人,都不是现代人类的祖先。在北京周口店附近田园洞发现的“田园洞人”生活于4万年前,其DNA就已经与现代人的DNA类似,而只有大约1%的DNA来自丹尼索瓦人,支持从非洲来的现代人类取代了中国古代人类的想法。

这个现代人“走出非洲”(Out of Africa)的观点为科学界多数人所接受,同时也受到一些质疑,主要反对理由是非洲以外发现的人类化石和文化有一定的连续性。例如在中国,除了214万年前的“巫山人”,还有170万年前的“元谋人”,160万年前的“蓝田人”,70万年前的“北京人”,60万年前的“南京人”,20万年前的“金牛山人”,10万年前的 “许昌人”,7万年前的“柳江人”,4万年前的“田园洞人”,3.5万年前的“资阳人”,1万多年前的“山顶洞人”等。

这些人类化石结构的特点被认为与现代的亚洲人相似,例如70万年前的北京人头顶呈两面坡状,脸部扁平,颧骨突出,与现代东亚人的特征一致。70万年前在印度尼西亚生活的“爪哇人”,颧骨高而宽,又与附近澳大利亚的现代土著人相似。中国的旧石器时代文化、新石器时代文化、原始社会文化看上去一脉相承,没有出现断层或大的改变。如果10万年前走出非洲的现代人取代了这些在中国生活的比较古代的人,这些文化应该有比较突然的变化。这些事实似乎表明,现代的亚洲人,包括中国人,是早就在这些地方生活的古人类的后代,其他地方的现代人也是由那些地方的古人类变来的,这种学说叫做“多地区起源说”(Multiregional Evolution)。

然而多地区起源说难以解释世界各地人群之间线粒体DNA、Y染色体DNA和Alu插入位置的高度关联性,也与4万年前的田园洞人具有类似现代人的DNA,只含有1%丹尼索瓦人的DNA的事实相冲突。在中国过去200万年中不同时期古人类DNA资料缺乏的情况下,仅凭化石的结构特征是难以建立这些古代人类之间的传承关系的。

从线粒体DNA、Y染色体DNA和Alu插入位置中了解人类从猿类演化途径,只需要知道序列变化本身,并不需要知道这些DNA变化在生理功能上的意义。然而许多DNA序列的改变是有生理后果的,正是这些改变使一些猿变成了人。

 

使猿变成人的DNA改变

生命活动主要是由蛋白质分子来执行的,而蛋白质又是由DNA来编码的,DNA序列的改变就有可能改变一些蛋白质分子中氨基酸的序列,影响蛋白质的功能。DNA也含有基因(为蛋白质和具有生理功能的RNA编码的DNA片段)的调控信息,规定各种基因在什么时候、什么地方表达,以及表达多少,DNA序列的改变也可能改变这些调控的状况,使得蛋白质和功能RNA形成的时间、位置和多少发生变化。之所以人类具有和黑猩猩不同的身体结构和生理功能,是一些蛋白质本身发生变化和蛋白质生成状况发生变化的综合结果,归根结底是由于DNA序列的变化。

人体的每个细胞(生殖细胞除外)含有两份遗传物质,一份来自母亲,一份来自父亲。每一份遗传物质叫做一套基因组(genome),即每份遗传物质中DNA的全部序列。女性的两套基因组彼此相同,共含有23对染色体(22对常染色体和一对性染色体XX),每套基因组含有约30亿碱基对(2022年的最新数据为3,054,815,472 bp)。男性的两套基因组在性染色体上不同,因此含有22对常染色体,一条X染色体和一条Y染色体,其中Y染色体含有约6,200万碱基对(62,460,029 bp),因此人类的DNA一共有3,117,275,501碱基对。

与黑猩猩的基因组比较,黑猩猩的第2a和第2b染色体在人类中彼此连接,形成人类的第2号染色体。在人类的第1、4、5、9、12、15、16、17和18号染色体中还有一些DNA片段的方向发生翻转,成为逆向。在人类基因组的约30亿碱基对中,有大约3500万单个核苷酸序列与黑猩猩不同,例如从C变成了T, A变成了G等等。此外还有大约500万处序列插入(新增核苷酸序列)或者丢失。这些DNA序列的变化只占人类基因组的不到2%,而且多数处于非编码区域或非调控区域,因而没有生理后果,但是其中的一些变化却产生了极大的作用,使猿变成了人。从已经发现的具有生理效果的DNA序列变化来看,这些序列变化能够以多种方式影响蛋白质的表达状况。

最直接的影响是出现人类特有的蛋白质,由人类特有的基因编码。到目前为止,还没有发现从黑猩猩的非编码DNA变成人类中为蛋白编码基因的情形。人类特有的为蛋白编码的基因,都是通过“基因复制” 或者叫“基因加倍”(gene duplication)的过程产生的,即同一基因的份数量从一份变为两份,其中一份发生人类特有的变异。基因加倍可以通过同源重组(homologous recombination)的错误或者通过mRNA逆向转录为DNA,再组入染色体而产生。基因变为两份后,其中一份基因可以保持不变,执行原来的功能,这样动物原有的生理活动不至于受到影响;而另一份基因是“多”出来的,有变化的“自由”,产生新的功能,成为人类特有的基因,产生人类特有的蛋白质。

基因复制,即使没有导致新的基因出现,也可以增加基因的份数,使被编码的蛋白质的产量增加,增强原来基因的效果。

人类特有的DNA变化也包括在人类中失活的基因。从猿到人也不一定只需要新的基因出现,有些基因失去功能,变为“伪基因”(pseudogene),不再产生蛋白质,也可以在人类演化中发挥作用。

人类特有的DNA变化还包括调控序列的变化。即使基因的编码部分保持不变,其调控机制发生变化,也可以使蛋白产生的时间、地点和多少发生变化,导致不同的生理效果,在猿变人的过程中起重要作用,甚至是主要作用。调控状态的变化可以由启动子(promoter)或增强子(enhancer)序列的变化引起,也可以由染色质(chromatin)结构的改变引起。例如组蛋白甲基化和乙酰化状况可以决定一段染色质是紧密包装的还是松弛打开的,从而影响这段染色质中基因的表达状况。

RNA分子也活跃地参与调控过程。RNA不仅可以作为信使RNA(mRNA)转达基因表达的信息,在核糖体中指导蛋白质的合成,还可以通过多种方式影响基因表达,例如影响mRNA的稳定性和转译过程、改变染色质的结构等。调控RNA也来自DNA序列,DNA序列的改变也会使调控RNA的序列发生变化,改变其功能。

甚至mRNA的剪接方式的变化也在人类演化中发挥作用。剪接方式的变化可以从同一个基因形成不同的蛋白质,被发现与人类大脑的形成有关。

下面是一些已经取得的具体成果。

 

CMAH基因的失活增强人的奔跑能力

猿类动物在变成直立行走的人的过程中具有先天优势:它们栖息在树上。由于树干主要是竖直方向的,使得猿的躯干在大部分时间都处于竖直状态,就是在地面上时,它们也多取坐姿,而且所有的猿类都有一定程度的用后肢行走的能力。而在地面上食草的哺乳动物如牛和羊,它们的躯干就一直处于水平状态,不会坐,也不会用后肢行走。

多次发生的干旱使非洲的森林逐渐变为草原,猿人也被迫从树上生活转变为在草原上生活。原来在树上身体竖直的状态也比较容易地转变为在草地上身体直立的状态,而且由于不再需要爬树,猿人也从原来的四肢攀爬改为用两条后肢行走。

直立行走可以使头部的位置提高,在广阔的草原上获得更好的视野。后肢行走也使前肢解放出来,演化为可以做各种工作的“手”,因此直立行走是猿变人的一个重要标志。

从森林到草原,水果和嫩叶的来源大减,迫使猿人变为狩猎者,早期猿人居住地发现的大量动物骨骼就证明了这一点。跟踪和捕获动物都需要长途跋涉和奔跑,而肌肉不容易疲劳,具有更好奔跑耐力的猿人就拥有更好的生存优势。

这时DNA序列上的一个变化发生了。一个叫做“胞苷单磷酸-N-乙酰神经氨酸羟化酶”(Cytidine monophospho-N-acetylneuraminic acid hydroxylase,CMAH) 的基因在为蛋白质编码的区域失去了92个碱基对,使得这个基因变成伪基因。CMAH蛋白的功能是使N-乙酰神经氨酸N-Acetylneuraminic acid,Neu5Ac)的乙酰基上再加一个羟基,使其变为“羟乙酰神经氨酸”(N-Glycolylneuraminic acid,Neu5Gc,唾液酸sialic acids 中的一种)。这是一种非常古老的分子,通常位于糖链的末端,在细菌的荚膜,分泌的糖蛋白,以及动物细胞表面广泛存在,CMAH基因的这个突变使得人类不再能够生产N-羟乙酰神经氨酸。

小鼠、猪和黑猩猩的CMAH基因高度相似,而且都具有活性。尼安德特人的骨化石中就只有N-乙酰神经氨酸,而没有羟乙酰神经氨酸,说明在尼安德特人中,CMAH基因已经失活,因此其编码区92个碱基对的丢失发生在人类与黑猩猩分化之后,大约在320万年前。

将小鼠的CMAH基因敲除,小鼠的奔跑耐力会增加,肌肉中有更多的毛细血管,也更不容易疲劳,说明人类中这个基因的失活可能是人类奔跑耐力增加的原因。人类是运动耐力最高的动物之一,马拉松比赛就证明了人类的奔跑耐力。猎豹可以跑得很快,但那只是短时间的爆发力,不能持久。


EN1基因增强子的序列变化使人类成为最能出汗的动物 

人类奔跑时会产生大量的热,制造工具、狩猎、建造住所,也会产生额外的热,而出汗就可以加速热量的散发。汗大部分由水组成,由于水分子是极性的,分子之间通过氢键形成的吸引力非常强,不容易脱离其它水分子而“飞”到空中去(即蒸发)。在37摄氏度时,每克水蒸发时能够带走574卡的热量,是所有已知溶剂中最高的,因此出汗是人类散发多余热量非常有效的方式。

为了应对人类劳动带来的散热需求,人类皮肤上汗腺的密度是所有灵长类动物中最高的。例如在人的脸部每平方厘米有大约200个汗腺,是黑猩猩汗腺密度的10倍以上。人类每小时可以排出1升甚至更多的汗液,全部蒸发时可以吸收近60万卡的热量。没有这种排汗能力,人类就会因强体力活动导致的体温升高而死亡。

在哺乳动物中,汗腺的生成主要是由一个叫“engrailed 1EN1)”的蛋白控制的。敲除小鼠的EN1基因,就没有汗腺生成。比较人和其他灵长类动物的EN1基因,发现为EN1蛋白编码的区域并没有改变,而是在“增强子”(enhancerDNA序列中增加基因表达的部分)的序列发生了变化。使得EN1基因的表达水平更高,生成更多的EN1蛋白质,导致汗腺数量的增加。

在增强子的序列改变中,有两个位置上人类特有的突变特别重要。其中一处序列TCTCCGCCTTT在人类中变成TCTCCGCCTCT(变化的核苷酸用粗体表示),另一处序列ACTGCGCCTTC在人类中变为GCTGCGCCTTC。这两个序列都含有转录因子SP1的结合点,而这些突变使得人类的这个增强子对SP1的结合力更强,使得EN1基因的表达水平更高。


体毛消失和肤色变化

在树林中生活的黑猩猩不用长途奔跑,也很少晒到太阳,因此身体散热不是问题,保温反而更重要,因此黑猩猩都有浓厚的体毛。但是到草原上后,阳光暴晒加上长途奔跑,都会使身体中有大量的热,再拥有体毛就会严重妨碍散热,因此早期人类解决散热问题的一个办法就是脱去大部分体毛。

脱去体毛后皮肤裸露,阳光中的紫外线直接照射到皮肤上,又会造成皮肤伤害甚至引起皮肤癌。为了减少紫外线造成的伤害,早期人类用“黑色素”(melanin)来吸收阳光中的紫外线,因此早期人类的皮肤很可能是黑色的,而且一直持续到今天的非洲裔身上。

随着冰川期消失,人类扩散到非洲以外的地区,包括欧亚大陆的高纬度地区。这些地区日照时间短,阳光较弱。由于维生素D的合成需要阳光照射才能完成,深色的皮肤不利于吸收太阳光,于是高纬度地区的人类皮肤逐渐失去黑色素而颜色变浅,在这个过程中DNA序列的变化起了重要作用。

影响皮肤颜色的黑色素是在皮肤基底层中专门的“黑色素细胞”(melanocyte)中生产的,可以大致分为两种,即“真黑素”(Eumelanin)和“棕黑色素”(Pheomelanin)。真黑素的多少影响皮肤的黑白深浅,而棕黑色素的多少影响皮肤从棕色到黄色的变化。這兩種色素不同量的结合就决定皮膚的具体顏色。从黑色、棕色、黄色到白色。除了皮肤下层的黑色素细胞,毛囊中也有黑色素细胞,影响毛发的颜色。

黑色素的合成是一个非常复杂的过程。细胞以氨基酸中的酪氨酸为原料,通过“酪氨酸酶”(tyrosinase,TRY)的作用,再聚合而形成。细胞合成哪种黑色素,合成多少,受许多因素影响,因此许多基因及其表达状况都可以影响人毛发和皮肤的颜色。

酪氨酸酶TYR是催化黑色素合成的第一步。在40-50%的欧洲人中,这个酶在第192位的氨基酸从丝氨酸变为酪氨酸,与这些欧洲人头发变为金色,皮肤颜色变浅有关。

位于黑色素细胞表面的“黑皮质素受体”(melanocortin 1 receptor,MC1R)决定细胞生产哪种黑色素,是决定皮肤颜色的重要基因。当MC1R受體未被激活时,黑色素細胞產生棕黑色素,而MC1R被激活時,则產生真黑素。 MC1R有100多个变种,其中已经有三种被发现与头发变红和皮肤变白有关,包括第84位的天冬氨酸变为谷氨酸,第142位精氨酸变为组氨酸,和第151位的精氨酸变为半胱氨酸。在中国,第163位的精氨酸变为谷氨酰胺,与皮肤颜色变浅有关。

黑色素细胞产生于动物发育中的神经脊,再移动到皮肤和毛囊。黑色素被合成后,还会被转运到角质细胞内。“KITLG”蛋白(KIT ligand protein)控制这个移动过程,也会影响毛发和皮肤的颜色。在北欧人中,控制这个基因表达的DNA序列中有一个A到G的突变,使头发变为金色,而这个突变在非洲和亚洲极为少见。在超过80%的欧洲人和亚洲人中,第326位的丙氨酸变为甘氨酸,与皮肤颜色变浅有关。

SLC24A5”(Solute Carrier Family 24 Member 5)基因的产物是一种离子交换通道,与黑色素的合成有关。在蛋白质第111位的丙氨酸变为苏氨酸后,黑色素的合成减少,与欧洲人的皮肤颜色变浅有关。

SLC45A2”(Solute Carrier Family 45 Member 2)基因的产物是一种转运蛋白,与黑色素前体酪氨酸的转运有关。其374位的苯丙氨酸变为亮氨酸后,黑色素合成减少,皮肤变白。这个变种在欧洲人中极为普遍,但是在其他地区的人群中极为稀少。

细胞中生产黑色素的结构叫做“黑色素体”(melanosome),里面的环境偏酸时生产棕黑色素,环境偏碱时生产真黑素。“OCA2”(oculocutaneous albinism II)基因的产物能够调节黑色素体的酸碱度,因此也影响黑色素的合成。在亚洲东部和南部的人群中,包括中国的汉族人,第615位上的组氨酸变为精氨酸,与这些人群皮肤颜色变浅有关。

 

熟食使肌球蛋白16基因失活和唾液淀粉酶基因份数增加

干旱的气候也使得火灾(可由闪电引起)频发。猿人发现被烧过的动物和植物更好吃,火在晚上还可以用来照明,于是开始主动用火。烧过的土壤会变硬,导致陶器的出现,使猿人除了烤食物外,还可以煮食物,包括“熬汤”。

熟食使营养的消化和吸收大幅度改善,给大脑的扩张创造了条件,还可以消灭食物中的细菌和寄生虫,使得猿人的健康状况也得到改善。晚上用火照明也改变猿人“天黑即睡”的生活方式,有更多的时间用于社交和发展语言,因此用火也是猿向人转变的又一个标志。

食物变熟后不再需要强大的咀嚼功能,使得人类的咀嚼肌变少,下巴和脸部变小。比较人和黑猩猩的DNA,发现人第16型肌球蛋白重链(Myosin heavy chain 16,MHY16)的基因中第18个外显子(基因中为蛋白质编码的DNA片段之一)中失去了两个碱基,使得随后的三连码移位,产生错误的蛋白质,MHY16基因也由此失活,变成伪基因。这是又一个在人类演化过程中基因失活的例子。

加热过的淀粉分子断为许多小片段成为“糊精”,可以被“唾液淀粉酶”(Alpha-amylase 1, AMY1)消化,人类中唾液淀粉酶基因的份数也增加,在口腔中就开始对淀粉的消化。我们嚼馒头时会感觉到甜味,就是唾液淀粉酶作用的结果。黑猩猩每份遗传物质只含有1份AMY1基因,而在人类中达到3份。以富含淀粉的食物为主食的人,例如日本人,每份遗传物质中就有3份或以上的唾液淀粉酶基因,而以肉食为主的雅库特人(Yakut,主要在俄羅斯境內的薩哈共和國,以饲养驯鹿为生)人每份遗传物质就只含有2份AMY1基因。

吃容易消化的熟食也使得人的消化系统变小。由于消化食物是相当消耗能量的过程,消化系统的缩减也可以腾出更多的能量用于大脑的扩张。

 

对高海拔地区的适应

人类在非洲产生后,又走出非洲,到世界各地安家,其中也包括高海拔地区,例如中国的青藏高原和南美的安第斯山脉。在这些地方空气比较稀薄,所含的氧气也相应较少。

人从低海拔地区到高海拔地区时,为了保证身体得到足够的氧气,呼吸会加快变深,血液中血红蛋白增多,红血球数量增加。如果不能很好地适应,就会出现 “高原病”的症状。红血球过多会导致血液粘稠,流动阻力增大,增大循环系统的负担。动脉压力增高和血管通透性的增加会导致血浆渗出,发生肺水肿和脑水肿。循环系统的负担长期加大也会导致心力衰竭。怀孕的妇女中流过子宫的血液减少,增加流产的几率。

为了适应在高海拔地区的生活,居住在青藏高原和安第斯山的人DNA都发生了改变,导致基因类型和表达状况发生改变,但是这两个地区的人采取的策略不同。

在青藏高原生活的藏族人的适应方式是减少身体对缺氧的反应,防止红血球过多症。在身体缺氧时,一种感受缺氧的蛋白质,“低氧诱导因子”(Hypoxia-inducible factor,HIF)增多。HIF是转录因子,能够启动与缺氧反应有关基因的表达,因此要防止红血球过多症,一个办法就是阻止在低氧条件下HIF增多。

在氧气供应正常的情况下,HIF在一种叫做“EGLN1”(Egl nine homolog 1)的蛋白质的作用下不断被降解,因此被保持在低水平。在低氧状况下,EGLN1活性降低,使得HIF的浓度增加,启动缺氧反应。而在藏族人中,EGLN1基因发生了突变,第4位的天冬氨酸变为谷氨酸,第127位的半胱氨酸变为丝氨酸。这些变化增加了EGLN1的活性,在低氧情况下仍然能够使HIF降解。

HIF本身是由“EPAS1”(Endothelial PAS domain-containing protein 1)基因编码的。在藏族人中,EPSA1基因的调控序列中有一个TA的突变,使得结合转录因子的能力降低,使HIF蛋白的合成减少。FGLN1基因的变化和EPAS1基因调控序列的的变化都使藏族人HIF的水平即使是在高海拔地区也不升高,避免了红血球过多症的发生。

居住在安第斯山的人则采取了另一种策略,不是防止HIF浓度增高,而是改善循环系统,使缺氧对心血管系统的损害不致发生。他们特有的几个基因的类型都与心血管系统有关。例如基因“BRINP3”(BMP/Retinoic Acid Inducible Neural Specific 3)的产物就表达在动脉的平滑肌细胞中,在调控部位有一个AG的变化;“NOS2”(Nitric Oxide Synthase 2)基因的产物是合成一氧化氮(NO)的酶,其调控部位有一个CA的变化,而一氧化氮有松弛血管的作用;“TBX5”(T-box transcription factor)基因的产物是一个转录因子,与心脏的发育有关。其调控部位有一个CA的变化。这些DNA序列的改变都不影响为蛋白质编码的部分,但是可以影响基因的表达状况,为安第斯人所特有。

由于这些基因类型的变化,居住在安第斯人的人虽然血红蛋白的水平稍高,但是血液中与血液黏度有关的纤维蛋白原的水平却比较低,孕妇子宫中血液供应也非常充足。

 

人类与语言文字有关的基因

人类的语言文字要求有对听觉信号和视觉信号的转换和理解,以及对发声器官(说话时)和手(写字时)肌肉的精确控制。任何一种能力受到损害都会影响人类的语言文字能力。

与人类语言文字有关的基因主要是通过对有语言障碍的人的研究发现的,包括FOXP2基因、KIAA319基因和ROBO1基因。


FOXP2基因

在英国一个家族的三代人中,有15个人有语言障碍。比较这些人与正常人的DNA,发现是一个叫“FOXP2”(Forkhead box P2)的基因发生了突变,第553位的精氨酸变成了组氨酸。

FOXP2基因编码的,是一个转录因子,能够控制与语言有关的基因的表达。它影响脑中神经细胞之间的连接和对肌肉运动的控制,在头部结构的形成中也发挥重要作用。把刚出生的小鼠从母亲身边移开时,会发出人耳听不见的超声波叫声。敲除小鼠的FOXP2基因,这种叫声就大大减少,FOX2基因也与鸣鸟学习叫法有关。英国家族受影响的成员中FOXP2蛋白在第553位氨基酸的改变使得这个蛋白不再能够结合到DNA上,而且在细胞中的位置也从细胞核中转移到细胞质中,从而失去它作为转录因子的功能。

比较人和黑猩猩的FOXP2基因,发现人类的FOXP2基因在第7个外显子中有两处改变,第303处的苏氨酸变为天冬酰胺,第325位的天冬氨酸变为丝氨酸。这些氨基酸的替换在所有测试过的人(9位非裔美国人,10位高加索人,9位亚洲人,4位美洲印第安人)都有发现,而在29种测试过的其他灵长类动物(例如黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、长臂猿)未有发现,说明这两处氨基酸改变是人类特有的,也改变FOXP2蛋白在基因调控中的功能,在人类的语言发展中起重要作用。

尼安德特人的FOXP2蛋白序列中就已经有这两处氨基酸变异,也许他们在一定程度上已经开始有语言交流。


KIAA0319基因

1990年,美国康涅狄格州State of Connecticut)的一些学生被报道有阅读障碍,包括不能快速阅读,拼写困难等,尽管他们的智力并不差。对这些学生的DNA进行检查,发现与一个基因(KIAA0319)的突变有关,并且直接把这个基因编码的蛋白叫做“读写障碍相关蛋白”(Dyslexia-associated protein)。研究发现,患者KIAA0319蛋白外显子中的一处氨基酸由丙氨酸变成了缬氨酸,由DNA序列中的一处GA的突变引起,使得这个蛋白不能发挥正常的功能。另一种变化是在启动子区域有一个GA的改变,形成一个对Oct-1蛋白质的结合点,而Oct-1蛋白的结合抑制启动子的活性,使得KIAA0319的表达降低。这两种变化都会影响KIAA0319的功能,导致语言障碍。

KIAA0319蛋白是一个膜蛋白,可能与大脑发育时神经细胞之间的粘连和移动有关。比较人类和黑猩猩的DNA,发现KIAA0319基因编码的蛋白质发生了两处人类特有的氨基酸序列变化,包括第364位的氨基酸变为天冬酰胺和第865位的氨基酸变为精氨酸,是人类特有的KIAA0319基因形式。

 

ROBO1基因

对一个芬兰家族中21位有阅读障碍症患者DNA的分析,还发现了一个叫做“ROBO1”(Roundabout Guidance Receptor 1)的基因被破坏,因此没有ROBO1蛋白的表达。ROBO1基因的产物是位于细胞膜上的受体,在大脑发育过程中有引导轴突生长方向的作用,例如连接左右脑半球。

比较人类和黑猩猩的ROBO1基因,发现人类有7处氨基酸变异,说明人类的ROBO1是人类特有的基因形式,在人类特有大脑的发育中起作用。

语言文字已经是人类智力的表现,而人类的智力也是通过人类大脑的扩张而实现的。

 

 

人类与大脑发育有关的基因

人类从黑猩猩分化出来以后,伴随着智力的提高,大脑的体积也不断增加。例如黑猩猩的脑容量约为337毫升,320万年前在在埃塞俄比亚直立行走的“露西”(Lucy),其脑容量在375-500毫升之间。生活在230万年至165万年前的非洲“能人”(Homo habilis),脑容量增加到600-650毫升;在能人之后出现的“直立人”(Homo erectus),脑容量更增加到900-1000毫升,接近现代人(Homo sapiens)的1350毫升。人类有大约860亿神经细胞,远超黑猩猩的280亿和大猩猩的330亿。

人类大脑的增大,与一系列DNA序列的改变有关。比较人和黑猩猩的DNA序列,已经发现有多个与此有关的基因和调控序列变化。


NOTCH2NL基因

NOTCH基因编码的蛋白质是细胞表面的受体,在与邻近细胞上的蛋白质配体结合时,能够使邻近细胞向不同的方向发展,在神经系统的发育中起重要作用。在大脑皮质的神经干细胞中,NOTCH信号通路决定这些干细胞更多地自我复制以生成更多的干细胞,还是促使这些干细胞分化为神经细胞。

在红毛猩猩分化出去以后, NOTCH基因的一部分被复制,但是还没有功能,在今天的大猩猩和黑猩猩中仍然没有功能。但是在大约300-400万年前,黑猩猩分化出去以后,这部分基因被“修理”而变得有功能,为一个缩短了的NOTCH蛋白编码。这样产生的蛋白质不再是细胞膜上的受体,而是分泌到细胞外,结合在原来NOTCH蛋白的细胞外部分上,增加其活性。这个在人类祖先中产生的新基因就叫做NOTCH2NL(Notch 2 N-Terminal),在尼安德特人和丹尼索瓦人中就已经存在。 

NOTCH2NL基因在人类大脑皮质中高度表达,它能够延缓神经干细胞分化为神经细胞的速度,增加神经干细胞的数量,最后能够生成更多的神经细胞。将NOTCH2NL基因表达在小鼠中,也能增加小鼠脑皮质中神经干细胞的数量。

在神经干细胞的体外实验中,NOTCH2NL能够增加这些干细胞的数量。而如果敲除这种干细胞中的NOTCH2NL基因,干细胞的数量会逐渐减少,最后消失,从这些干细胞长出的类脑组织也比较小。

 

ARHGAP11B基因

ARHGAP11B (Rho GTPase Activating Protein 11B) 基因ARHGAP11A基因部分复制而来。它表达于人胚胎脑的新皮质前体细胞中,增加神经前体细胞的数量,生成更多的神经细胞,并且在脑表面形成褶皱和沟回。如果表达在灵长类动物狨猴(marmoset)中,大脑会变得更大,而且表面有更多沟回。它甚至能够在小鼠的脑上产生沟回。

这个基因复制事件发生在大约在500万年前,在人与黑猩猩分开之后,因此是人类特有的基因。一个C到G的突变使ARHGAP11B蛋白有不同的羧基端,使得它专门结合于线粒体,促使更多的谷氨酰胺转化为谷氨酸盐进入三羧酸循环,促进神经细胞增殖。

 

SRGAP2C基因

SRGAP2C(SLIT-ROBO Rho GTPase activating protein 2C)基因从SRGAP2A基因的一部分复制而来,因而生成的蛋白比SRGAP2A蛋白要短。SRGAP2C蛋白能够与SRGAP2A蛋白结合,生成不溶于水的沉淀而使后者失去作用,从而加快神经细胞的迁移,并且增加神经细胞之间的突触联系。将SRGAP2C基因表达于小鼠中能够增加大脑皮层中第2-3层锥体神经细胞(pyramidal neurons)突触的数量。

这个基因复制也发生在人类与黑猩猩分开之后,因此也是人类特有的基因。

 

HYDIN2基因

HYDIN2基因(Hydrocephalus-inducing 2)从HYDIN基因部分复制而来,在此过程中丢失了两端的7个外显子(对应于氨基端的5个外显子和羧基端的2个外显子),而且失去了原来的启动子。复制的部分基因从人类第16号染色体(16q22.2)转移到第1号染色体上(1q21.1),在那里获得了新的启动子,使它的表达位置从HYDIN基因的呼吸道变为在神经系统中。

这个基因复制和转移的过程发生在大约320万年前,人类与黑猩猩分开以后,因此HYDIN2不存在于其他灵长类动物中,是人类特有的基因。

HYDIN2蛋白在人类大脑发育中的具体作用还不清楚,但是它在神经系统中的集中表达说明它很可能与人类神经系统的特殊发育有关。人类中1q21.1区域缺失的患者会发生“小头畸形”(microcephaly),而1q21.1区域局部复制的患者又会发生“大头畸形”(macrocephaly),为HYDIN2基因在人脑发育过程中的重要性提供了支持。

 

TBC1D3基因

使组蛋白甲基化的酶G9a在组蛋白3中第9位的赖氨酸上加上两个甲基(H3K9me2),改变DNA的包装状况,抑制基因表达。TBC1D3(TBC1 Domain Family Member 3)抑制G9a的活性,使受此影响的基因得到表达,从而增加神经前体细胞的形成和数量。在体外培养的状况下,TBC1D3能够使神经干细胞长成更大的类脑结构。

在小鼠中表达TBC1D3基因能够使小鼠的大脑皮层扩张,并且在脑表面形成沟回,类似NOTCH2NL基因和ARHGAP11B基因的作用。

TBC1D3基因不是人类特有的,但是在人类中基因的份数大量增加。例如黑猩猩每份遗传物质中只有1份TBC1D3基因,而人类有8份。份数的大量增加使得TBC1D3蛋白的生成更多,对G9a的抑制作用也更彻底。

 

HAR1 基因

比较人类和黑猩猩的DNA,还发现有若干区域在人类DNA中演化速度特别快,叫做“人类加速演化区”(Human Accelerated Regions,HAR)。这些区域所含的一些人类特有的基因与人类神经系统的发育有关,HAR1基因(Human Accelerated Regions 1)就是其中的一个例子。

HAR1基因位于人类的第20号染色体上,含有118个碱基对,其中有18处与黑猩猩不同,远高于预期的0.28个变异。 相比之下,黑猩猩和鸡之间也只有两处变异。

HAR1 基因不是为蛋白质编码的,而是产生一个RNA分子,在人类胎儿发育的第7到第18个星期在脑中的Cajal-Retzius 细胞(又叫做“卡哈耳水平细胞” horizontal cell of cajal)中有高度表达。HAR1分子影响大脑发育过程中神经细胞的迁移,在新皮质上形成6层神经细胞,这就比古老皮质中的3层神经细胞层数加倍,大大提高神经系统处理信息的能力。

 

HAR2是Gbx2基因的增强子

另一个人类加速演化区是HAR2,与黑猩猩相比,在其546 bp的 DNA序列中有16处人类特有的变异,而且其中的13处变异集中在一段81 bp的区域内,是变化最快的HAR,叫做HAR2。

这段DNA在Gbx2(Gastrulation brain homeobox 2)基因的附近,是Gbx2 基因的增强子,叫做HACNS1(human-accelerated conserved non-coding sequence)。将人类的这段DNA取代小鼠对应的DNA,能够增加Gbx2基因的表达,而且在自身和Gbx2基因的启动子部分增加组蛋白3中第27位赖氨酸的乙酰化(H3K27ac),组蛋白的这个变化能够使与DNA结合的程度减弱,增加相关部分基因的表达。

Gbx2基因的蛋白产物是一个转录因子,有广泛的调节基因表达的功能,包括运动神经细胞和中间神经细胞的发育,控制丘脑-大脑皮质之间连接轴突的导向,以及中脑和后脑的发育等,因此HAR2在人类大脑的特殊发育中可能也起到重要作用。

 

FZD8基因的增强子是另一处HAR

FZD8(Frizzled-8)基因编码的FZD8蛋白是Wnt信号传输链上的重要成员,这条信号通路在神经系统的发育上也起重要作用。比较人和黑猩猩FZD8基因增强子的DNA序列,发现在81碱基对的区域内有16处是人类特有的。在这么短的DNA序列中有这么多DNA序列变异,说明这和HAR1基因和HAR2增强子一样,也是人类加速演化区,叫做“人类加速演化的增强子”(human-accelerated regulatory enhancer,HARE5)。

如果把人类的这个增强子用在小鼠中来驱动“报告基因”(reporter gene,因其表达产物容易监测而用来测定启动子和增强子的活性,例如β-半乳糖苷酶基因LacZ)在小鼠脑中的表达,发现人类的增强子的活性比黑猩猩的强得多。

当用人类的FZD8增强子来驱动小鼠自己的FZD8基因表达时,发现人类的增强子能够使神经前体细胞增殖分裂加快,生成更多的神经细胞,增大小鼠脑的体积,说明这个人类独有的增强子能够提高Wnt信号通路在脑中的活性,在人类大脑的发育中起促进作用。

在人类中因增强子序列变化而影响与脑发育的基因还有NPAS3(Neuronal PAS domain-containing protein 3)和AUSTS2 (Autism susceptibility candidate 2)等。这些结果说明人类大脑的扩张和结构改变是多个基因通过多种方式进行调节的结果,很可能还有许多与人类大脑发育有关的DNA序列改变没有被发现。

 

人类改为直立行走可能涉及多个基因和调控机制的改变

有些人类的性状不是单个或者少数基因变化的结果,而是涉及大量的基因和调控机制的变化,研究起来就比较困难。例如人类从四肢行走变为直立行走,承受身体重量的方式发生巨大变化,涉及多处骨骼形状变化和肌肉连接变化,还和神经系统控制动作的回路有关。影响人类语言能力的FOXP2基因除了与神经系统的发育有关,也与肌肉的控制有关,被认为在人类改为直立行走中发挥了作用。但是到目前为止,还没有具体的基因或调控机制被明确表明与人类的直立行走有关。 

值得关注的是,在土耳其南部的几个家族中发现了一些成员,他们只能用四肢行走。婴儿时期的爬行和正常婴儿基本相同,但是在爬行期过后,却不能用两脚行走。他们偶尔也能够站立,但是不能迈步。此外,这些成员还有严重的语言障碍,词汇量有限,只能使用少数的词来表达意思,不会使用 and和 with 这样的词,而且说话缓慢,难以听懂。他们也有严重的智障,不能从1数到10,没有时间和地点的观念,叫不出许多事物的名称,也说不出他们父母的名字,。

这些成员上臂和腿长度比例(0.90)也远高于现代人类(0.70),而和古人类如露西的比例(0.88)类似。这些特征似乎表明,这些成员退回到了古人类的状态,被认为是人类的“反向演化”(reverse evolution),被土耳其科学家Uner Tan研究和报道,叫做“乌诺坦综合征”(Uner Tan Syndrome)。这些成员都是家族中近亲结婚的后代,说明遗传因素起了关键作用。 

对这些成员的DNA分析发现,不同家族中受影响的成员的基因变化不同。已经发现的基因变异包括“极低密度脂蛋白受体”基因(very low density lipoprotein receptor gene、VLDLR)、微管蛋白(tubulin)基因变种TUBB2B、“碳酸酐酶”基因(Carbonic anhydrase 8,CA8)、WDR81基因(WD Repeat domain 8)、ATP8A2基因(ATPase phospholipid transporting 8A2)等。现在还不知道这些基因变异是如何导致乌诺坦综合征的,也没有报道这些基因是否是人类特有的基因变种。因此导致人类从四肢爬行到两脚行走的DNA序列变化,现在还不清楚。

以上使猿变人的DNA序列变化多数发生在数百万年之前,然而人类的演化并未在后来停止,在过去的数千年中也有改变人类生理状况的DNA改变。

 

成年人对乳糖的耐受

哺乳动物通过母乳给新生的下一代提供营养,其中一种重要的营养物质就是“乳糖”(lactose),由一个葡萄糖分子和一个半乳糖分子相连而成。这样的糖分子不能被动物的小肠直接吸收,而必须先被“乳糖酶”(lactase)消化成为葡萄糖和半乳糖。在年幼动物断奶后,食物中不再有乳糖,就不再生产乳糖酶,也就是乳糖酶的基因被“沉默”了。

然而在不到一万年前,欧洲一些地方的人开始饲养家畜并且使用奶制品,这些人就逐渐发展出了在成年后仍然生产乳糖酶的能力,特别是在北欧国家。而世界许多地区的人,包括中国人,并没有发展出这样的能力,因此成年人喝牛奶后会消化不良,肠道胀气,叫做对乳糖的“不耐受”。

研究发现,北欧地区的这些人中乳糖酶基因的序列发生了变化,其中研究得最为详细的是位于-13910(负号表示基因转录点前面的位置)的DNA序列从C变成了T。这个变化使得这个基因的调控序列结合转录因子Oct-1的能力更强,增加基因的表达程度。DNA的甲基化能够使基因“沉默”,而在调控区域,DNA的甲基化通常发生在C(胞嘧啶)上。这个位置的C变为T,使得在这个位置的DNA的甲基化不再可能,是另一个维持乳糖酶基因活性的方式,使得有这个变化的成年人也能够生产乳糖酶。

 

蓝色眼睛出现

人类眼珠的颜色(即虹膜的颜色)最初都是棕色的。但是在大约一万年前,一些欧洲人发展出了蓝色的眼睛。蓝眼睛被一些人认为更具吸引力,因此是比较受欢迎的变异,在人类中出现的比例也逐渐增加,在一些地区高达40%的人具有蓝眼睛。

蓝眼睛的出现是因为虹膜中黑色素的合成基本消失(见前面谈到的人类皮肤颜色的变化),但是并没有蓝色色素出现,而是眼内液体的反光显示出蓝色。虹膜中黑色素的消失又和一个叫做OCA2(oculocutaneous albinism II)基因的变异有关。其基因的第一个内含子中有三个位置可以分别是T或C,G或T,T或C,蓝眼睛的人90%在这三个位置有TGT组合,而棕色眼睛的人中有TGT组合的只有9.5%,说明这些序列的差异与蓝眼睛的出现有关。

进一步的研究发现,内含子1中这3处DNA序列的变化对应于OCA2基因增强子中一处T到C的变化,这处变化破坏了原来对转录因子HLTF(Helicase-like transcription factor)的结合位点(从TGACATTTAAT变为TGACACTTAAT),使得OCA2基因的表达降低,使黑色素合成减少,导致蓝色眼睛的出现。

除了以上变化,近年来人类的其他性状也在不断变化。

 

近年来人类性状的变化

这些变化说明人类的演化仍然在继续,只是其中对应的DNA序列变化还不清楚。

 

骨密度降低

美国科学家比较了黑猩猩,早期猿人,尼安德特人和现代人的骨密度,发现现代人的骨密度显著降低。例如掌骨的密度(骨质的体积与骨总体积之比)从黑猩猩的0.32到猿人的0.339,到尼安德特人的0.244,再到现代人的0.189。

这种变化发生在大约一万年前,大致是人类从狩猎生活转变为畜牧和农耕生活的时候。生活方式的改变使得对肌肉骨骼的要求降低。

 

失去智齿

人类吃熟食后,对咀嚼的要求降低,导致咀嚼肌中CMAH16基因失活(见前文)。在过去的一百多年中,人类的食物进一步精化,对咀嚼的要求进一步降低,智齿(离门齿最远的牙齿)的重要性也越来越低,现在已经有大约35%的人不再长智齿。

 

大脑在缩小 

在前面,我们谈到人类智力的增长是伴随着大脑的扩大的。但是现代人类的脑并没有进一步扩大,而是在逐渐变小。尼安德特人的脑容量曾经高达1500-1600毫升,但是现代人类的脑容量平均只有1350毫升,似乎与预期的相反。

这是因为智力不会永远随着大脑的变大而提高。在神经细胞数量比较少时,神经细胞数量的增加固然可以提高信息处理的能力,但是过大的大脑必然会增加脑中各个区域神经细胞之间的距离,使得脑中信号传输耗费更长的时间,降低大脑处理信息的速度,而更为紧凑的大脑可以使工作效率更高。

爱因斯坦的脑只有1280毫升,明显低于人类1350毫升的平均值。但是他的大脑顶叶部位有一些特殊的山脊状和凹槽状结构。较小的大脑和特殊的沟回结构,也许使爱因斯坦进行思考时所使用的神经通路特别短和通畅,从而形成了他超人的智力。

 

体温降低

在过去的一百多年间,人的体温也降低了。科学家们分析了从1862年 到2017年美国677,423次体温记录,发现从1800年代到1990年代,男人平均体温降低了1.06华氏度(0.59摄氏度),女性降低了0.58华氏度(0.32摄氏度)。平均起来,成年人的体温从37摄氏度降到36.6度。

体温降低可能与许多因素有关,包括室内温度的变化,接触到的微生物的变化,食物的变化,以及生活方式的改变,包括体力活动越来越少。

 

前臂中保留第三根动脉

在人胎儿的发育过程中,有三根动脉给发育中的手掌供应血液。但是在妊娠的第8个星期,中间那根动脉消失,因此成人的前臂只有两根主要的动脉,即“尺动脉”和“桡动脉”。它们分别位于前臂的两侧,其中桡动脉靠近手掌处就是中医用来号脉的地方。

但是在过去的一百多年中,有越来越多的人中间那根动脉并不退化,而是一直保留,使这些人的前臂中“多”出一根动脉。拥有第三根动脉的人在1880年代只占10%,但是到20世纪末已经占到30%。也许是人对手使用的要求越来越高,促使身体增加对手掌的血液供应。

这些事实表明,人类不仅有长时期的演化,包括从黑猩猩样的猿类演化为古代人,又从古代人演化成为现代人,还可以在几千年甚至几百年间发生明显的变化,说明人类的演化并未停止,而是在继续进行。随着都市化的发展和科学技术的进步,人类在很大程度上已经生活在自己创造的,不断变化的环境中,而这样不断变化的人造环境必然对人类的未来的继续演化有越来越大的影响。

 

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