人類的進化停止了?

2021年08月23日10:20

  自從人類祖先走出非洲,遷徙到全球各地之後,不同地區的人群很快適應了當地環境,演化出不同的特性,這似乎表明,人類近期的演化加快了。然而,對人類基因組的分析,卻讓科學家發現了一個完全不同的事實:自然選擇的發生極為緩慢,5000年後的人類仍會和今天的人類一樣。

  撰文 | 喬納森·普里查德(Jonathan Pritchard)

  翻譯 | 王傳超 李輝

  幾千年前,人類跋山涉水,首次來到海拔4 200多米的青藏高原。在海拔如此高的地區,空氣中的平均含氧量大約只有海平面的60%,這會導致慢性高原病,提高嬰兒死亡率,對他們的身體是嚴峻考驗。大約10年前,一系列研究發現了一種在中國藏族人中很常見,但在其他人群中很罕見的基因變異,它可以調節藏族人體內的紅細胞生成量,這或許有助於解釋藏族人為什麼能適應惡劣的生存環境。這一發現提供了一個生動的例證,向我們展示了人類如何在不太遙遠的過去快速適應新環境。一項研究估計,這個有益變異擴散至大多數藏族人體內的時間距今不到3 000年——在演化長河中,這隻是一瞬間而已。

  在藏族人身上的發現,似乎印證了這樣一種觀點:自從大約6萬年前(估計的時間範圍為5萬年前~10萬年前)人類走出非洲大陸後,在生理上已經經曆過多次這樣的適應性改變。不可否認,人類對環境的很多次適應都含有“技術”成分,比如為了抵禦寒冷,我們製造出了衣服。但在史前時代,僅憑技術根本不足以解決傳染病大範圍流行、高山上空氣稀薄等環境難題。在這些情況下,人類對環境的適應只能通過遺傳演化而不是技術來解決。因此,我們有理由預期,對人類基因組的全面檢測會發現很多最近才擴散至不同人群的新基因突變,原因則是自然選擇——也就是說,攜帶這些突變的人生出的孩子,會比其他人的孩子更健康、更有利於繁殖。

  2004年,我和同事開始尋找那些影響深遠的環境難題在人類基因組里留下的印記。我們想要弄清楚,在幾萬年前開始那次全球之旅後,人類是如何演化的。世界不同地區人類的遺傳差異,在多大程度上是因為人們在自然選擇的作用下為適應不同環境壓力而產生的?這些遺傳差異中,又有多少是由其他因素造成的?得益於遺傳變異研究領域不斷進步的技術,我們開始有能力解答上述問題。

  研究證明,在人類基因組中,由非常快速而強烈的自然選擇過程導致的基因突變幾乎沒有。相反,我們在人類基因組中看到的大部分自然選擇,它們的發生過程似乎都要耗費好幾萬年的時間。一種看起來似乎經常發生的情況是:很久以前為了應對當地的環境壓力,一種有益突變擴散至整個人類群體中,然後隨著這些人向新的領地遷移,該突變也會被帶到更遠的地方。這些古老的自然選擇印記在基因組中一呆就是好幾千年,沒有被新的環境壓力所改變,這說明自然選擇的發生過程遠比科學家想像的慢得多。看起來,藏族人中的那個重要基因的迅速演化可能只是一個特例。

  作為一名演化生物學家,我時常會問:今天的人類是否仍在演化。我們當然仍在演化。只是,對於我們到底在怎樣演化,答案則要複雜得多。經典的自然選擇是這樣的:一種有益突變像野火燎原一般,迅速擴散至整個人類群體。但我們的數據顯示,在過去6萬年中,這種方式的自然選擇在人類中其實並不多見。這種演化方式通常需要一些環境壓力保持數萬年不變——一旦人類開始向全球遷徙,技術發明的速度開始加快,這種情況就不常見了。

  上述發現不僅加深了我們對於人類近期演化的瞭解,還讓我們對於人類未來可能怎樣有了更深的認識。當前,我們面臨太多的挑戰,比如全球氣候變化、傳染病頻發,自然選擇發生太慢,不大可能給我們提供多少幫助,我們能依靠的就只有文化和技術。

  選擇印記

  在20世紀,科學家要想尋找人類祖先為應對環境變化而產生的基因突變,還是一件極為困難的事情,因為做這項研究所需的工具還不存在。隨著人類基因組測序的完成,越來越多的基因突變為科學家所發現,這種局面發生了根本性轉變。

  從整體來看,任何兩個人的基因組都極其相似,大概每1 000個核苷酸對里僅有1個不同。一個核苷酸對被另一個取代的DNA位點叫做單核苷酸多態性(SNP),每個SNP位點上的各個DNA片段就叫做等位基因。由於基因組中大部分序列既不編碼蛋白質,也不能調控基因表達,因此很多SNP可能都不會對個體產生明顯作用。但是,如果一個SNP出現在編碼蛋白質或者調控基因表達的區域時,就可能影響某種蛋白質的結構和功能,或者影響該蛋白合成的地點或產量。

  當自然選擇特別“青睞”某個等位基因時,這個基因就會隨著群體的繁衍而變得越來越常見。相反,不受青睞的基因則會越來越少見。如果環境一直保持這種狀態,有益的等位基因就會擴散,直至群體中的每個人都攜帶著它——此時,該等位基因就算在群體中固定下來了。理論上,如果一個有益等位基因能賦予個體極大的生存優勢,在短短幾百年內該基因就能在人群中固定下來;反之,如果它帶來的優勢並不那麼明顯,則需要好幾千年時間才能在人群中穩定下來。

  如果在研究人類近期演化的過程中,我們可以從古老的人類殘骸中提取到DNA樣本,然後以此追蹤有益等位基因是如何隨時間變化的,這無疑是非常理想的。但是,古老殘骸中的DNA通常會迅速降解,從中提取DNA樣本是行不通的。因此,我們和全球的很多科學家開發出了一些方法,通過研究現代人的遺傳變異,去尋找發生在過去的自然選擇作用的蛛絲馬跡。

  圖片來源:pixabay

  一種策略是,分析一個群體中不同個體的DNA數據,從中搜尋僅有細微差異的SNP等位基因片段。當一種新的有益突變在群體中快速擴散時,染色體上與之相鄰的DNA片段也會隨之擴散,這個過程叫做“遺傳搭車”。隨著時間的流逝,有益等位基因在群體中會越來越普遍,而與之相鄰的中性或近於中性的等位基因也會越來越常見——它們幾乎不會影響蛋白質的結構和生成量,但會隨著有益等位基因一起遺傳。結果,這個有益等位基因所在的基因組區域上,SNP位點的數量會很少甚至完全消失,這種現象被稱為選擇性清除(selective sweep)。等位基因在自然選擇作用下擴散時,在基因組中還會留下另一種完全不同的印記:當一個群體進入一種新環境時,如果現有的一種等位基因立即就能為他們提供很大的幫助,這個基因不一定會引起“遺傳搭車”現象,就能在該群體中變得非常普遍(但在其他群體中仍很罕見)。

  多項研究已發現了數百個過去6萬年間、也就是人類祖先走出非洲後,自然選擇在人類基因組中留下的明顯記號。對於其中的少數記號,科學家已經知道它們代表了哪些選擇壓力,帶有這些記號的等位基因又會給人類帶來哪些好處。

  在歐洲、中東和東亞的遊牧民族身上,基因組中含有乳糖酶(lactase,能分解乳製品中的乳糖)基因的區域明顯經曆過高強度的自然選擇作用。在大多數人群中,嬰兒一出生就具有消化乳糖的能力,但斷奶後,乳糖酶基因就會停止表達,以至於人們成年後就不再能消化乳糖。2004年,美國麻省理工學院的一個研究小組在《美國人類遺傳學雜誌》(American Journal of Human Genetics)上發表文章稱,據他們估計,在成年人體內仍有活性的乳糖酶基因突變型,僅僅用了5 000~10 000年時間,就在歐洲遊牧民族中普及。2006年,現就職於美國賓夕法尼亞大學的薩拉·蒂什科夫(Sarah Tishkoff)領導的一個研究小組在《自然·遺傳學》(Nature Genetics)上報告稱,他們在東亞遊牧民族中發現了乳糖酶基因快速演化的證據。這些改變肯定是對新的生存條件的一種適應。

  在賦予人們傳染病抵抗力的一系列基因中,我們也能看到選擇印記。美國哈佛大學的帕迪斯·撒貝蒂(Pardis Sabeti)發現了一個最近才擴散到大多數尼日利亞約魯巴人身上的基因,也就是所謂的LARGE基因。這很可能是約魯巴人應對近期才出現在當地的拉沙熱(Lassa fever,急性病毒性出血熱疾病)的結果。

  緩慢的演化

  上述例子和少數其他案例有力地證明,自然選擇能迅速促進有益等位基因的擴散。然而,對於其餘幾百個候選印記,我們還不知道是什麼環境條件促進了這些被選中的等位基因的擴散,也不清楚攜帶這些等位基因會有什麼作用。我們和其他科學家分析認為,這幾百個候選印記可能意味著,被研究過的那幾個人類群體中,過去1.5萬年里至少發生了好幾百次快速的選擇性清除。但在一項更新的研究中,我和同事找到的證據表明,這些印記中的絕大多數其實根本不是在近期人類對當地環境的快速適應中產生的。

  我們與美國斯坦福大學的同事合作,對大量SNP數據進行了分析,而這些數據來自全球範圍內1 000個人的DNA樣本。我們在研究帶有選擇印記的等位基因的地理分佈時發現,大部分明顯的選擇印記都遵從三種分佈模式中的一種,分別是“非洲外清除模式”、“歐亞西部清除模式”和“東亞清除模式”。

  這些清除模式反映出一些有趣的問題:人類祖先的遷徙對有益等位基因的全球分佈產生了強烈影響,而自然選擇幾乎沒有對這些分佈作出任何調整,以使它與現代環境壓力相匹配。

  以SLC24A5基因的一種突變為例,它是導致膚色變淺最重要的基因之一。由於這是對光照強度降低的一種適應,因此有人可能會預計,該突變在人群中的出現頻率會隨著緯度升高而升高,它在北亞與北歐人群中的分佈應該是相似的。然而,我們看到的卻是“歐亞西部清除模式”:從巴基斯坦到法國,這個突變及其“搭車DNA”在人群中都很常見,但在東亞人群,哪怕是在東北亞人群中,這個突變都幾乎不存在。這樣的分佈模式意味著,這種有益突變基因是在歐亞西部人群與東亞人群的共同祖先分開後,才在歐亞西部人群中產生並被帶到該人群所生存的區域。因此,SLC24A5基因最初在人群中廣泛出現是自然選擇的結果,但今天哪些人群還有這個基因,哪些人沒有,在一定程度上則是由早期人類的歷史決定的(東亞人的淺膚色由其他基因變異造成的)。

  對上述選擇印記及其他數據進行的更深入分析,揭露了另一種奇怪的模式。一些等位基因的常見程度在不同人群中差異極大,比方說幾乎所有亞洲人都有,卻沒有一個非洲人擁有的基因。有人可能會預期,自然選擇在促進這些新的等位基因快速擴散時,會出現很明顯的“搭車效應”。但這些基因中的絕大多數都沒有表現出這種效應。相反,這些基因似乎是在人類祖先走出非洲後的6萬年里逐步擴散的。

  鑒於這些發現,我和同事認為,經典的選擇性清除——在自然選擇作用下,一種新的優勢突變在人群中迅速固定下來,實際上很少發生於我們的祖先踏上環球旅行之後。我們推測,自然選擇對單個等位基因的作用其實相對微弱,因此僅能緩慢地推進基因的擴散。這樣一來,只有當環境壓力數萬年持續不變的時候,大多數等位基因才可能在選擇壓力下擴散至整個人群。

  繼續演化?

  我們的結論似乎自相矛盾:如果一個有用的等位基因真的需要50 000年而非5 000年才能在一個群體中普遍存在,那麼人類為何能迅速適應新環境?儘管我們理解得最充分的適應性變化都源於單基因突變,但絕大部分的適應性變化可能並非以這種方式產生,而是由一些對基因組中上千或上萬個相關基因具有溫和影響的基因變異造成的。

  自然選擇調節人類身高時,它的作用範圍很大,會改變成百上千個不同等位基因的出現頻率。就像俾格米人,他們生活在非洲、東南亞和南美的熱帶雨林中,在這些地方,矮小的身材更能適應營養物質匱乏的環境。如果每一個“矮身高基因”的普及程度都只能升高10%,那麼大多數俾格米人就會在短時間內獲得更多這類基因,整個群體的身高就會變得更矮。就算俾格米人的身高在整體上受到了非常強的選擇壓力,作用在每個“身高基因”上的選擇壓力仍然有可能很弱。正因為如此,多基因性適應不會在基因組中留下我們在研究中常看到的那些選擇印記。

  人類是否仍在演化?現在還很難找到自然選擇作用於當今人類的證據。但是不難想像,人類有哪些性狀可能受到自然選擇的影響。在發展中國家,瘧疾、愛滋病等傳染病給這些國家的人民施加了強大的選擇壓力。那些能讓當地民眾對這些疾病產生一定抵抗的已知基因突變,可能就正在經曆強大的選擇作用,因為攜帶這些突變的人存活幾率更大,繁殖的後代可能也比沒有這類突變的人多。

  在發達國家,極少有人會在成年前夭折,因此受到最大選擇壓力的,可能是那些影響人們生育孩子數量的基因。理論上,生育或繁殖行為中受基因突變影響的任何一個方面,都可能是自然選擇的作用目標。

  不過,與文化、技術——當然,還有地球環境——的變化速度相比,絕大部分人類遺傳特徵的變化都極其緩慢。而且,較大的適應性轉變需要環境保持千萬年不變。因此,從今以後的5 000年里,人類所處的環境無疑會發生極大的改變,但只要基因組沒有經過大規模的人為改造,人類大概仍然會是今天的人類,不會有什麼變化。

  本文轉自環球科學

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