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《新京报·新知周刊》

 
 
 

日志

 
 

人类还在演化吗?  

2008-01-28 18:09:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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人类还在演化吗?

 

www.thebeijingnews.com · 2008-1-27 9:39:00 · 来源: 新京报

 

 

 

人类还在演化吗? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》

美国科学家哈彭丁认为,饮食习惯这样的细节可以决定人类演化的方向。

 

从单细胞生物到多细胞生物,从海洋到陆地,从爬行到直立,达尔文给世界贯穿了一条演化线路。然而,当人类出现之后,当我们每个人生活在这个世界上的时候,演化又是在怎样发生的呢?达尔文时代并未出现的基因技术给演化研究带来了一些新的问题。

 

近来,几位美国科学家借助基因基础,提出了关于人类正在加速演化的新观点。这份研究对本来就已经争执不休的演化科学界来说,不啻是又一颗重磅炸弹。此前,不少演化遗传学家认为人类演化在1万年到5万年之间就已经停止了或者发展极其缓慢,有些演化生理学家甚至认为从最后一个冰河世纪开始,人的大脑就没有再演化过。

 

 

被忽视的演化速度

 

最近发表的一项研究结果显示,大约从4万年前开始,人类加速演化。大约1万年前,农业兴起,人类的演化速度进一步加快。科学家同时发现,在人类的所有基因中,有7%的部分变化尤其之快,这一变化的结果是,各大人种之间的分化正变得越来越大。

 

科学家据此预测,如果在600万年前,人类与黑猩猩“分家”以后就一直以这个速度演化,那么两个物种的差别将比目前的水平扩大160倍———科学家普遍认为这两个物种的DNA有4%左右的差别。“人类可能正处在某个特殊阶段,这样快的演化速度,在人类演化史中已经很久未出现过了。”这项研究的参与者、美国威斯康星大学的基因学教授哈彭丁(Henry Harpending)如此评价自己的发现。这份研究由哈彭丁、犹他大学的考古学家霍克(John Hawks)和犹他大学演化生物学家可克汗(Greory Cochran)等人合作完成。相关论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

 

这一论文在科学界和媒体界引起了强烈反响。事实上,此前科学家们普遍认为,人类在进入智人阶段以后,演化就逐渐趋缓,甚至逐渐停止了。而这样的新发现显然与传统观点背道而驰。一些科学家支持最新的研究成果,而另一些则对此持反对意见,一场围绕人类演化过程的辩论展开了。

在哈彭丁看来,引起这样的争论是意料之中的事情。在接受本报记者连线采访时,哈彭丁表示,其实此前科学界对人类演化加速这个问题是忽视的。原因有三:一是在过去4000年来,人类的骨骼变化相对很小,因此从形态比较学上认为人类的演化是静止的。二是社会因素影响了人类对自身演化的关注,“我们开始认为基因演化没那么重要,相对而言,20世纪的政治运动等社会性活动对人类的改变更明显,人们相信可以在忽视生物学的同时,通过改变社会让大家生活得更美好。”第三原因则与数据材料有关,此前没有“人类基因组工程”,因此科学家们没有足够强大的数据库可供检索,当然也就不容易观察到基因层面的演化进程。

 

不过,中国北方基因组工程项目副主任于军认为,研究当前人类演化进程的科学家并不少。事实上,他自己在10年前就对这个问题进行过深入研究,研究的结论与此次哈彭丁等人的发现相似,当时的论文发表在《自然·基因学》上———当然,那个时候还没有Hapmap(国际人类基因组单体型图)。

 

“大概在2万年前,也就是最后一次冰河期最冷的阶段开始时,气候开始转暖,到大约1万年前,农业开始出现,人们开始驯化动植物,从那个时候开始,人口就快速膨胀,成百倍地增加。从那个时候到现在正好是500代人左右。”于军在那篇论文中提到,突然的人口膨胀,导致每个人的基因多样性保留下来。

 

人越多,意味着基因变异越多。

 

 

人口越多,变异越多

 

1万年前,地球上的总人口大约只有几百万。到公元一世纪,人口数量增加到了2亿。1700年时,这个数字变成了6.2亿,到了今天,则超过了60亿。智人终于成为世界上分布最广的物种。

 

“这是人类的神奇之处,没有物种的数量增幅能与人类的相比。不过,在很长一段时间里,人类只是蜷曲在非洲的一个角落里,毫无数量优势可言。在那个时候,人类基因的发展并不快。”这项研究的另一参与者霍克说。

 

“相对来说,5000年只能算是一段很短的时间。”霍克说,“这大概相当于100到200代人。不过,这期人类基因的演化也是明显的。近5000年来出现的优势基因被不断复制传递,现在全世界大概有30%到40%的人拥有这批优势基因。”

 

这符合达尔文理论的一条基本规则;人口越多,演化越频繁。于军强调:“基因变异是DNA在复制的时候发生的,也就是说产生新人的时候才发生了 DNA变异,没有新人,哪来变异呢?”事实上,无论是在哈彭丁等人的研究结果中,还是在于军的研究结果中,这条规则都得到了体现。

 

用基因学的方法分析达尔文的话:当新人出生的时候,DNA变异也同时诞生。产生的新人越多,被保留下来的基因变异也就越多。“假设一共有1万个人,50%的变异是不好的,变异基因没有留下来,但另外50%,即5000个变异基因给保留下来了。如果人口基数降到1000,那么能被保留下来的好的变异基因就只剩500个了。因此人口基数越大,被保留的基因变异也越多。”

 

哈彭丁等人则分析了人群里普遍存在,但历史并不久远的基因。他们以SNP为例。SNP是一种特殊的DNA变化,全称是“单核苷酸多态性” (Single nucleotide polymorphism),指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的一种DNA序列多态性。对此,于军解释说:“我的一个DNA串上有四个不同的碱基,我们分别叫它们A、B、C、D,如果第二个B变成了C,这个DNA串就变成了A、C、C、D,那这个变化就是SNP.” 在人类基因组的30亿个碱基中,大约每100到300个碱基就会出现一个SNP.它是人类可遗传的变异中最常见的一种。

 

哈彭丁说,如果变异有利于人类,会很快在人群中传播开来。如果在大量人群中都能找到同一种SNP的片段,那就说明这是有利于人类的基因,因此也会有较快的演化速度。该研究小组发现,人类所有基因的7%,也就是大约1800个基因,是有利于人类演化、快速进化的基因。

 

“人口数量的猛增与文化和生态的剧烈变化同步进行,这为适应演化带来了新机遇。”研究者们强调。“事实上,过去1万年中,出现了很多与新的饮食、疾病有关的基因形态。”

 

哈彭丁进一步预测,随着人类环境和饮食的稳定,基因进化应该会放慢速度。但是,另一方面,人口越多,群体越稳定,那么人群中的传染病也会变化得越频繁。这一因素会给人类的演化带来不确定因素。“可能需要一会才会稳定下来。当然,这里的‘一会’,可能意味着上万年的时间。”

 

 

 

饮食习惯决定演化方向?


美国科学家的研究还进一步带来了更多的震撼观点。在他们看来,尽管所有人类的DNA都是几乎完全一样的,但各大人种之间的差距还是在不断加大。“我们向不同方向演化,我们正变得越来越不同。”哈彭丁说。

 

这7%的快速演化基因中,并非所有的都已经和特定特质一一对上号,但还是有一些联系被找到了。

 

他们发现的例子包括,控制色素沉淀的基因让高加索人种选择了浅色的皮肤,蓝眼睛和黄头发,也让蒙古人种选择了浅色的皮肤。“亚洲人和欧洲人都是皮肤颜色变浅了的非洲人,但这两个人种皮肤变浅的程度并不一样。”哈彭丁说。

 

此前,大部分的人类学家都同意人种之间生理形态出现差异的原因,是因为在人类从非洲走出来后,为了在较为寒冷,也较少阳光地区更好地合成维生素D而逐渐选择了较浅的肤色。

 

另一个例子与牛奶有关。石器时代的人是不喝牛奶的,因为牛奶中含有一些特殊的乳糖,人类普遍缺乏消化这些乳糖的能力。不过,近8000年来,欧洲人逐渐发展出了能容忍乳糖的基因,这样就使欧洲人开始接受了这一食物。

 

研究者指出,在东亚以及非洲大部分地区,人们依然无法很好地接受牛奶,很多人一喝牛奶就因为消化不良而腹泻、腹痛。而在北欧地区,能吸收牛奶的乳糖酶基因逐渐形成,因此几乎人人都能顺畅地享用牛奶。霍克解释,这一基因通常情况下是会随着人长大而消退,停止运作的,但如今现代人生成的这一机制却说明了人身上发生的新的演化,而这还导致了欧洲北部的畜牧业比地中海地区和非洲等地更发达。

 

其他的优势基因带来的成功例子还包括,在亚洲,人们逐渐生成了抑制体臭的基因。而非洲人则生成了能抵抗疟疾的基因。

 

哈彭丁表示,很多类似的演化都和人类饮食的变化相关,这正好说明了农业出现,人类饮食改变对演化产生的影响。比如,欧洲人消化谷物会比较容易,但非洲南部沙漠地区的居民,澳大利亚的原住民和美国的一些原住民却常常因为吃了高碳水化合物而得糖尿病。“我们可以看到基因在改变,这些人正在往能顺利消化谷物的方向演化。”哈彭丁说。

 

传染病也是导致基因演化的原因之一。霍克表示,演化加速最大的动力还是抵抗疾病的需要。大约1万年前,人们开始大规模群居。这让传染病获得了扩张的机会,疟疾、天花、霍乱等传染病开始扫荡人类定居点。其结果就是人类也选择产生了抵抗这些传染病的适应基因。

 

在此前,有一些研究者称发现了能帮助人体抵抗HIV病毒的基因CCR5.这个基因在大约4000年前就已出现,而现在,约10%的欧洲人身上依然带有这一基因。“自然选择下,有很多东西会阻止病原体杀死我们。”霍克说。

 

 

留下的不全是好基因

 

不过,在于军看来,农业的发展并不会直接影响基因变异。当农业发展刺激人口增长之后,才会间接加快基因变异的速度。“外界环境可能对基因的影响不是决定性的,饮食不会导致变异,不会因为吃的不好导致后代基因变异。”他强调指出,人的变异是自发的,不受任何东西的影响。从冰河世纪到现在,人类基因的变异也是严格受到了地球环境而非文化、社会的影响。地球转暖才导致农业的产生,人口增长才导致变异被保留下来的多了。

 

哈彭丁同样没法解释饮食造成基因改变的原因。他表示,讨论基因和环境之间的关系有点像是在讨论“先有鸡,还是先有蛋”。拿人类产生帮助吸收乳糖的基因例子来说,“现在有很多欧洲人习惯喝牛奶,但到底是周围环境中牛奶的出现,决定了人们产生新的适应基因呢,还是因为人们自己生成了这种基因,才导致奶牛越来越多呢?”他表示,这还需要进一步的研究。

 

古人类学家黄万波则认为环境是影响演化的最重要因素:“非洲的果物和中国的果物是不一样的,吃的东西不一样,变化的方向也不同。”他以非洲的类人猿为例:“东非大裂谷恶劣环境下的黑猩猩可以下地行走,而环境稍好的西非的黑猩猩则到现在还一直在树上。我们不能把环境抛开谈物种的演化。”

 

于军对此则有不同的看法,他强调内因才是变化的主导。“基因变化是必然的、绝对的,不需要任何外力。环境可能有一定关系,比如紫外线照射多了,受损伤基因多了,变异也就多了,但这些情况的概率与基因主动变异的概率相比小很多。”

 

另外很重要的一个问题是,并非只有有利于人的基因才被保留下来。一个基因变异究竟能否被保留下来,并不取决于其是否对人类有利,而在于其是否会影响人类的繁殖活动。

 

于军举例说:“假如一个不好的变异出现了,它会导致一个人在30岁的时候死掉,但这个人在25岁的时候就生了后代,那这个‘不好’的基因可能还是会被保留下来。我们并不能说因为这个基因好,这个人才活满了30岁。事实是,因为这个基因不影响人的繁殖活动,所以被保留下来了。”反之,即使新出现的基因再“好”,如果后代一生下来就夭折了,那这个基因也无法被保留下来。

 

“这就是为什么有那么多‘不好’的基因被保留下来———为什么糖尿病、慢性疾病、癌症等基因变异被保留下来了,而且还变得越来越多了。原因很简单,它们不影响生育。”如果基因并没有朝“好”的方向发展,那是这种变化或许已经不能被称之为“进化”了。

 

在于军看来,美国科学家的这项研究还存在更多的问题。人类演化加速的论断就是其中之一。事实上,由于缺乏人类演化速度的参照物,这样的论断显得有些草率。

 

同时,这篇研究只针对过去人类演化的情况进行分析,它的前提是人群相对稳定,彼此缺乏交流。可是在现代社会,人群的迁移和基因流动很可能减缓了基因变异的速度,使得产生新人种的可能性逐渐趋向于0.“按照达尔文的物种隔离理论,时间越长,一个物种被隔离的两个部分间变化就越多,直到变成两个物种,比如马和驴。”于军说,“而在当代社会,人的隔离基本上是不可能的。”

 

 

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达尔文因其理论被嘲笑为一只猩猩。

 

一笔算不清的账

 

针对来自各方的批评,霍克在自己的博客中对自己的研究进行了辩护。他说,之所以有人认为他们的观点是不正确的,是因为他们混淆了“适应进化(adoptive evolution)”与“中性进化(neutral evolution)”的区别。

 

上世纪60年代,日本科学家木村(Kimura)提出了“中性进化”理论,认为在演化过程中,对生物的生存和繁殖不产生重大影响的变化,通过随机漂变在种内固定下来的。在中性条件下,物种内与物种间的进化速率是一致的,突变对生物体既没有好处,也没有坏处。从这点上,同样的,人类在过去4万年来,进化的速率也是一致的。

 

而“适应演化”则是在选择压力下,基因个别选择造成的变异,在过去2万年内,“适应演化”的基因变异速率大大提高。

 

因为出于两个概念,所以计算得出的结论不一样。于军解释说,用“中性演化”的理论来算,怎么算演化速度都是一致的,而且并无法反映单个基因的变化快慢。“对每一个物种而言,每一代的演化速度就是恒定的。”而适应理论则关注生物学意义的变化,但它只测量出1%的编码基因的变异快慢,却无法说明其他 99%的基因变异情况。“不过,真要算演化速度的话,99%可以代表整个基因组,1%是可以忽略不计的。”

 

“英文evolution,我们通常说成‘进化’,其实说‘演化’更合适。”于军说,同样的,进化速度这个概念也很混淆,与其说是一个时间概念,不如说是一个空间的概念。

 

“比如一个非洲植物,正常过程要100万年才能传遍全世界,但因为变异被保留的多,或适应了温暖气候,就减少到了50万年。人类也是一样,从500万人到上亿人,从一小块地方到遍布全球,这让人产生了快的感觉,但很难说人的演化变快了。”

 

达尔文写《物种起源》的时候还没出现基因学。他的大部分工作是基于动物的形态比较学而言的,研究现代人的演化速度问题,还是需要分子生物学的帮助。黄万波说,达尔文虽然证实了物种选择是环境造成的,但他更多提到了自然环境的变化,对现代人出现后人为环境的变化却很少提。

 

“达尔文主义不能完整代表所有的生物学理论,但从逻辑上说它不是错的,真的要补充的也不是达尔文主义,而是整个生物学理论。此前还有拉马克主义,曾经被认为是错的,但现在用分子理论来检验,拉马克主义也有可能是正确的。”

 

作为一名生物学家,达尔文不能概括生物学所有的规律,但他做了大量的实证,写了很厚的一本书,总结出了正确的理论。这也是它的理论很难被推翻的原因之一。哈彭丁反复强调:“达尔文对大量的动植物进行细致观察记录,才得出这一正确的理论,我们用他的理论就像一个人骑摩托车不用懂引擎是怎么启动一样简单。而我们现在所做的也只是更加证明他理论的正确而已。”

 

 

新知专题采写/本报记者 金煜

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