從猿到人如何進化，讓基因告訴你
長期以來，我們大多數關於人類進化的知識都來自化石。可是，發現化石畢竟是件碰運氣的事，而且化石資料往往缺失嚴重，要想單純依靠它們來勾勒出一幅完整的人類進化圖，就好比一張被撕碎的照片，在大多數碎片已經丟失的情況下，再還原出一張完整的肖像來，其難度有多大就可想而知了。
但自從有了分子生物學，生物學家出乎意料地發現，其實每個人身上都帶有一部「人類進化史」。這部「人類進化史」就藏在DNA的一些基因上。我們只要把現代人的基因與遠古人類以及其他靈長類動物的基因進行比較，找出差異——即所謂的基因突變——就可以了解到我們的祖先是如何一步步從猿變為人的。
比如說，要是發現一個在大腦中活躍的基因在人類和黑猩猩身上有所不同，那就說明，這個基因幫助我們變得更聰明;追溯這個突變發生的時間，就可以確定我們的祖先是何時與黑猩猩的祖先分道揚鑣的。
所以，尋找出那些在人類進化的過程中發生突變的基因，搞清楚這個基因突變前後的功能，並確定突變發生的時間，成了研究人類進化的一條新途徑。
2003年，第一張完整的人類基因組圖譜發表了。自那以後，得益於基因測序技術的飛速發展，我們已經完成了對大猩猩、黑猩猩，以及我們的遠親——尼安德特人和丹尼索瓦人的基因測序工作。通過比較這些基因組，我們已經獲得了「人之為人」的許多關鍵信息，其中包括人類大腦為何能夠擴張、語言如何起源等等問題的初步答案。
下巴的萎縮
你的下巴有力嗎?拜託，你可別告訴我你能咬得動蘋果。事實上，在靈長類動物中，人類下巴的咬力是最弱的。
人類下巴的肌肉力量相對較小，這可歸因於一個負責編碼肌蛋白的基因發生了突變。突變讓這個基因失去了活性，使得人類下巴的肌肉需要用另一種蛋白來構建。於是，我們的下巴就變小，力量也變弱了。
下巴變小能帶來什麼好處?一個最大的好處是可以讓頭顱長得更大。因為支撐下巴肌肉的骨骼位於頭顱後部，倘若下巴肌肉粗壯，那麼相應的，這塊骨骼也需要更加厚實。可是這樣一來，就限制了頭顱，因而也限制了大腦的生長。
所以，正是下巴的縮小使得人類大腦的「擴容」成了可能。科學家推測，這個基因突變發生於距今240萬年前，剛好處於人類大腦急劇擴大的前夕。
大腦的「擴容」
聰明智慧是我們人類最重要的特徵。我們的腦容量是1200～1500升，是靈長類中我們最近的親戚——黑猩猩腦容量的3倍。
跟黑猩猩比較，人類的大腦皮層表面積要大得多。我們知道大腦皮層是高級神經中樞，負責處理像語言、邏輯之類的高級神經活動。正是這些神經活動，標誌著我們比別的動物更聰明。
在臨床上，有一類嬰兒生下來頭特別小，其大腦體積只有正常嬰兒的1/3，而且大腦皮層尤其小。等他們長大後，認知能力有不同程度的缺陷，而且這種病可以遺傳。人們稱之為「小頭症」。
正是這種疾病為我們解開人類大腦為何能夠擴容提供了有力的幫助。基因學研究表明，大約有7個基因突變之後會導致小頭症。由此可以猜測，正是這7個基因決定了大腦的容量，而我們今天能擁有「萬物之靈長」的稱號，應該得益於在進化中這7個基因發生了突變。——當然了，患小頭症的人基因突變的結果是腦袋變小，而我們祖先基因突變的結果是腦袋變大。
研究結果也證明了這一點：所有這7個基因在腦細胞的分裂中都扮演著一個角色，從理論上說，只要有一個基因突變後能讓人未成熟的神經細胞多分裂一次，那麼大腦皮層最後的細胞總數就可以增加一倍。而且，跟黑猩猩的基因組進行比較後發現，我們身上的這些基因突變都發生在我們的祖先與黑猩猩分道揚鑣之後，所以我們的大腦能夠擴容，而黑猩猩卻不能。
大腦供能系統的升級
大腦的運行需要消耗很多能量，當我們坐著不動時，大腦的能耗占整個身體能耗的20%，而其他靈長類動物這一比例只有8%。可見，當我們進化出一顆碩大的腦袋時，對與之配套的「設施」——大腦的能量供應系統也提出了新的要求。要想讓供能「設施」更新，也需要通過基因突變來完成。
2011年，人們發現3個基因突變與此目的有關。其中1個基因倘若在人類身上發生了突變，就會使得通到大腦的動脈變窄。這表明，在人類的進化過程中，這個基因在擴大對大腦的供血方面扮演重要角色。科學家還發現，這個突變大約發生在距今1500萬至1000萬年前，那時人類、黑猩猩和大猩猩還沒有分家。
除了讓通向大腦的血管變粗，還有其他途徑可以增加對大腦的能量供應。大腦的主要「食物」是葡萄糖，而葡萄糖需要附著在血管壁的葡萄糖載體分子把它輸送到大腦中去。
葡萄糖載體有兩類，一類載體為肌肉細胞運輸葡萄糖;一類載體為大腦細胞運輸葡萄糖。這兩類載體分別由兩個基因負責編碼。與黑猩猩、猩猩和短尾猿相比，人類身體上這兩個基因都發生了微小的突變。突變的結果是，人類大腦毛細血管中的葡萄糖載體變多了，而在肌肉的毛細血中葡萄糖載體則變少了。這一變化用簡單的話說就是，我們為提高智力而犧牲了體力。
說話的天賦
如果我們把一隻黑猩猩自出生之日起就當做人來撫養，它將學會很多人類的動作，比如穿衣服、用刀叉吃飯、騎自行車等等，但有一件事情它是無論如何都學不會的，那就是說話。
事實上，單生理結構就註定了黑猩猩不可能學會像我們一樣說話，因為它們的喉和鼻腔的構造跟我們的是不同的;此外，在神經構造上，也與我們存在差別。而這一切都是「語言基因」突變帶來的。
故事要從一個英國家族說起。這一家族中三代16名成員患有嚴重的說話障礙症。說話需要涉及嘴巴和舌頭的協調等一系列複雜的動作，對於他們來說，要完成這些動作非常困難。
2001年，科學家終於找出問題所在：在他們身上一個基因發生了突變，我們現在通常稱這個基因為「語言基因」。這個基因在黑猩猩、老鼠和大多數物種身上也存在，但人類的「版本」與它們的稍有出入。譬如，與黑猩猩相比，人類的「語言基因」發生了2處變異。
為了驗證這個基因確實與語言功能有關，科學家把人類的「語言基因」植入老鼠的體內，隨後發現，老鼠發出的叫聲變得柔和了;它們大腦中負責協調嘴部肌肉和舌頭運動的大腦迴路也發生了相應的變化。
倘若把人類的「語言基因」植入黑猩猩體內，看看是否能夠提高它們的語言能力或許是一件更有意思的事情，可惜出於技術和倫理上的原因，我們還無法這樣做。
靈巧的雙手
從第一塊簡單石器的使用，到火的利用和書寫的發展，我們的點滴進步都離不開一雙靈巧的手。雙手變靈巧，看似只是一種「軟實力」的提高，但它也依然以基因為物質基礎。
科學家發現，在DNA上有一個區域，自我們與黑猩猩分家之後，發生了大約16處變異。這個區域是控制肢體發育的「開關」。當把人類「版本」的這個DNA片段植入老鼠胚胎中之後，老鼠的前爪上對應於人的腕和手指的部位，也變得更加靈活了。
有人猜測這段DNA的變異還讓我們進化出了對生的拇指(我們的拇指可與食指相對，因此叫對生拇指)。對生拇指對於我們能夠敏捷地使用工具來說是個關鍵。事實上，黑猩猩也已經有了對生拇指，但其程度不如我們;控制我們拇指運動的肌肉更加小巧，所以我們的拇指運動起來也更加靈活。
以澱粉為食
最後讓我們來看看人類食譜的變化與基因突變有何關係。黑猩猩和其他大型靈長類動物主要靠果實和樹葉為食。這些食物含熱量少，所以迫使它們一天到晚不停地覓食。而我們的直系祖先——現代智人已經開始從澱粉類作物和植物的根上獲取能量。這個轉變並不是隨心所欲就可以完成的，依然需要有基因突變作為物質基礎。
我們知道在唾液中含有唾液澱粉酶，它能夠把澱粉分解成小腸可以吸收的單糖。科學家發現，在人類的唾液中，這種酶的濃度要比黑猩猩高得多。這是怎麼回事呢?最近他們終於搞明白了其中的奧秘。
原來，黑猩猩的唾液澱粉酶基因只有2個，而人類平均有6個，某些人甚至有15個。顯然，我們的祖先最初跟黑猩猩一樣，也只擁有2個，但在生育後代的時候，DNA複製出錯，導致這個基因多複製了幾次。於是讓我們擁有了更多的澱粉酶基因。
科學家還測定了這個變異發生的時間——大約在最近10萬年內的某個時期。在這段時間裡，人類生活中最大的變化是農業的出現，所以他們認為這個突變發生在我們剛開始種植穀類的時候。由此看來，唾液澱粉酶對人類步入農業社會做出了舉足輕重的貢獻呢。
而農業的出現又帶給我們一系列多米諾骨牌式的反應：農業讓更多的人能夠聚居在一起，方便思想的交流和傳播，從而導致技術的革新，文化的發展……但此乃後話。
上面提到的這些變異，可謂都是人類進化歷程中的一些關鍵點。只要缺少了其中一種變異，我們就不可能是現在這個樣子。但我們知道，任何基因突變都是偶然的，這樣看來，人類的進化豈不成了一系列不斷的巧合?或者說，人類不斷地從一個好運走向另一個好運?
其實，這只是因為我們沒看到那些在進化過程中產生的有害突變之故，它們都被自然淘汰了。生活中有句俗語「好事不出門，壞事傳千里」，可是突變的傳播恰恰反過來，好的突變因為有利於個體的生存，所以能夠代代相傳，直至「普及」到整個種群，而壞的突變呢，因為不利於生存，一般都旋生旋滅，我們很難找到它們留下的蛛絲馬跡。
其實，人類的進化就好比萬里長征，這是一個不斷試錯的過程。我們看到有人勝利地走到了現在，他們雖然吃過不少苦頭，最後總算摸索出來，他們算是幸運兒。但許多人走岔了路，永遠走不出來呢。對於人類來說，每一次基因突變都相當於路途中的一個岔道，多數岔道都把一部分人帶進死路，只有那些好的基因突變才會把人引上正確的路線。
TAG:大科技雜誌社 |