博古睿讲座09 | 不完美的基因:新基因起源中的人类演化

日期
2019-12-10

地点:
北京大学

已完结

博古睿讲座09 | 不完美的基因:新基因起源中的人类演化

12月10日晚,由北京大学博古睿研究中心举办的2019年最后一场博古睿讲座(09)——“不完美的基因:新基因起源中的人类演化”在北京大学举行。


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我们知道,地球上有着数以百万计的物种,它们各具姿态,特征迥异,共有同一个祖先。而不同物种的基因(作为生命活动的基本单位)数目却有数个到十五万个以上,足足跨越了5个数量级。对于这个问题,本期主讲人、芝加哥大学Edna K. Papazian杰出讲席教授龙漫远告诉听众:只有“新基因”才能解释同宗的物种为什么有如此巨大的差异。

龙漫远于1993年在Science杂志上发布了他所发现的第一个新基因,从而开创了“新基因的起源和演化”这一研究领域。他以中国典籍《山海经》中的“精卫”来命名这一基因,让来自中国的古老神话登上了世界科学舞台。在此后的20多年时间里,他的实验室在宏观自然力量如何作用于微观的遗传物质、DNA序列在演化中如何变化、新基因如何起源等“新基因”方面的研究,对学术界和其他各领域都产生了巨大的反响。


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“新基因是指那些在演化过程中产生于较近时间的基因,或者较老的基因经过复制产生的年轻基因。作为生命活动的基本单位,新基因如何产生和演化是解释生命现象的一个最重要、最基本的问题。”发言中,龙漫远结合自己数十年的研究工作,以新基因和人类演化为出发点,向大家阐释了“不完美的基因,不完美的人类”这一命题。

“东亚人、非洲人、高加索人是不同物种吗?”在讲座的开始,龙漫远引用Y染色体上的遗传学证据和恩斯特迈尔的生物物种概念来向大家说明——现在地球上生活的人是同一个物种,人类群体之间并不存在生殖隔离。在历史上,人类由于地理的分隔、环境的特殊性、以及从古人类获得少数基因的不同人类的各个群体产生了一些形态上的变异。但人类群体互相分离的历史非常短,只有大约2000代到3000代,这一看似漫长的历史在演化上约等于今天与昨天之时间差。结合现代社会的发展,龙漫远对未来的人类演化进行了展望:随着交通工具的改善与经济全球化进程的加快,不同地区的人将受益于廉价的交通而彼此汇聚,未来的人类也将不再因地理障碍而隔绝,人的遗传来源将更加复杂和多样,文明冲突的前提将逐渐消解,现今人类群体之间的关系也将因此被改变。


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“新基因创造了人类的大脑”,龙漫远介绍道,人类具有非常大的脑容量,大约是我们的近亲黑猩猩的3.5倍。化石考古证据显示人类脑容量的逐渐增大与人类使用工具的能力、使用火的能力以及进行艺术创作和抽象思维的能力是密切相关的。在人类和黑猩猩产生本质差异之后的四百万年中,有54个与大脑相关的新基因产生,它们都在人类婴儿大脑的前额叶和颞叶中表达,而这两个部位恰与人类的复杂认知能力、语言能力等禀赋紧密相关。

“虽然基因的变化造就了独特的人类特征,但人类作为演化的产物却并不是完美的。”龙漫远进一步解释道,“不完美在这里是基于生物个体适合度(衡量生物个体后代数目多少的一个客观指标)的考虑”。从解剖学上来看,人的一些特征并不是最优选择。例如,喉返神经会把大脑的指令传给喉部肌肉,若是按照最优设计原则,喉部和大脑神经应该直接连接。但事实上,人类的喉返神经从脑干出发,先绕过心脏大动脉再绕180度转向朝喉部而去。增长的喉返神经降低了信息的传输速度和效率,同时也更容易受到伤害。这种不完美实际上是人类的演化历史遗留下来的问题:人和鱼有共同的祖先,鱼的喉返神经就是位于大动脉之后的。这种受限于演化历史的一个更为极端的例子是,长颈鹿的喉返神经足有4米多长。龙漫远教授进一步谈到,人类不光在解剖学上是不完美的,在行为决策层面也无法做到完美。芝加哥大学经济学家理查德·泰勒在他的《Nudge》一书中详细阐述了人类常常会做出非理性决策的问题,著名的“阿希从众实验”也表明:人类常常会因为社会压力等因素做出违背理性的判断或行为。

“在基因层面上,不完美也是一种常态。”龙漫远随后表示,“生命演化的动力学制造了基因常态的不完美”。他以自己实验室最近在果蝇上的研究工作为例,阐释了“不完美的基因”。大约20万年前,黑腹果蝇体内的一个基因通过复制的方式产生了两个基因:称为阿波罗(Apollo)与阿特米思(Artemis)。研究人员通过基因编辑技术敲除果蝇的阿波罗基因并破坏其功能,发现雄性的生殖能力丧失,但却增加了雌性的生殖能力。相反,破坏阿特米思的功能以后雌性的生殖能力丧失,但雄性的生殖能力增加。这说明阿波罗和阿特米思对于雄性生殖和雌性生殖分别来说是必要的,但是它们不可避免的都以另一性别的生殖能力丧失作为代价。两性虽然共享了绝大部分的基因组,但由于在生殖上的利益不同,这种冲突所导致的基因不完美是常见的,在人类中也存在类似的情况。


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在后续的交流讨论中,龙漫远谈论到“滞后的基因”与快速发展的人类社会之间的矛盾,并进一步完善了“基因不完美”的观点。他强调,自然选择的过程是缓慢的,以几百个世代作为时间单位,我们当前的遗传信息与4万年前人类祖先相差不大,但是人类的发展非常迅速,这使得基因无法及时适应人类发展。例如,“节俭基因假说”认为过去有利的“节俭基因”帮助人类在食物匮乏的年代充分利用营养存活下来,但在物质充足的现今却可能会造成糖尿病、肥胖等健康问题。


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“不完美的基因,不完美的人类”,龙漫远在演讲中对这一观点的讲述,可以帮助我们理解人类演化历史以及人作为一个生物物种的局限性,这些认识上的进步有助于我们对人类未来的变化进行合理有效的预期。

 

* 本文内容由北京大学生命科学学院在读研究生陈俊豪、姚欣敏采写。

                                                           (杨嘉琪/编辑)