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研究:远古DNA和脑灰质将揭示人类进化的新证据
华翼网新闻中心 news.chinesewings.com - 科学教育校园新闻) 2007-09-11
  据中新网报道,一直以来,科学家都是利用石头和骨骼推断出人类的系谱。美国《新闻周刊 中文月刊》近期载文称,由于人类进化科学正经历自身的进化,现在又出现了新的证据。 (www.chinesewings.com)

  与牙齿、颅骨和其他骨骼不同,毛发经受不住气候、地质的剧变以及时间的无情蹂躏。因此,尽管有这样两个事实,即数百万年前的颅骨证实了人类祖先从一个人种进化为另一个人种的同时大脑体积也会随之增大,脊骨和髋关节的结构也说明了我们的祖先从什么时候开始站立起来,但是,关于他们什么时候开始失去了身体上的毛发而代之以衣物,化石记录却不能提供任何线索。幸运的是,这让马克·斯通金想到了虱子。

  头虱寄生在头发中,而大一点的体虱却名不副实:它们寄生在衣物里。头虱出现于数百万年以前,而体虱则是后来者。进化人类学家斯通金预感到,可以通过比较两种虱子的 DNA 来计算出体虱是何时由头虱进化而来的,因为 DNA 可以有规律的速度积累变异(就好像已知一名打字员每分钟会打六个错字,就可以计算出他打一份文件需要多长时间一样)。斯通金及马克斯·普朗克进化人类学研究所的同事得出结论,虱子系谱分化出不同分支不过发生于 11.4 万年以前。由于新物种通常随着新的栖息地出现而出现,所以这也就是人类祖先永久性失去体毛并代之以衣物的时间。衣物不仅能保暖,还为新进化而来的虱子提供了一个家。

  如果你问上一代的古人类学家虱子 DNA 能揭示多少有关人类进化的信息,可能会被他们取笑。但是,有关人类起源和进化的研究已经取得了长足的进展。早在 1856 年,人们从德国尼安德谷的一个矿山中发现了一块穴居人头骨化石,这意味着曾经有另一种人类生活在地球上。自那时开始,我们就用石头和骨骼来推断人类的系谱。这些化石和工具证明,我们的祖先起源于非洲,他们能够直立行走,懂得制造工具等。不过,现在又有两个新的证据出现了,那就是 DNA 和大脑。

  人类进化科学正在经历自身的进化。尽管我们倾向于将物种的进化看成是单行列队行进,认为下一代会简单直接地继承上一代,但是新的科学指出,人类的故事不但远比那些拘泥《圣经》字义的人所想的复杂得多,也比世俗科学所猜想的复杂。在分析过现代人以及黑猩猩和其他物种(甚至是虱子)的 DNA 之后,科学家将注意力集中于进化的各个转折点上,比如语言和言语是何时及如何发展而成的,以及我们的祖先是何时离开非洲的。DNA 甚至可以揭示有多少人参与迁移。在纽约美国自然历史博物馆新建成的人类起源馆里,DNA 和化石平起平坐。通过对比大脑留在头骨内的痕迹,“古神经学”找到了推动人类智力发展的结构是何时出现的,并揭示了祖先的生活和思维方式。不管你是否相信上帝引导着这些变化,这些发现都正在颠覆着长久以来人们对于人类如何进化的看法。

  这并不是说化石已经过时。这些新发现就像修剪盆景一样彻底修整并重塑人类的系谱。像《圣经》的系谱一样简洁的传统模型(即一个物种带来另一个物种)已经被取代了,变成许许多多的分支,这些分支代表着各个物种,它们与我们的直系祖先在同一个时期生活,只不过以灭绝告终。这就好像发现你的高曾祖父并非如你所想的是独子,而是有许多的兄弟姐妹,只不过他(她)们由于某些未知的原因而没有留下后代。最新的研究也表明了“进步”和“人类进化”都不过是偶然出现。在人类史前史上,进化不止一次产生了现代的特征,包括面部没有像猿人那样凸出的眉脊和颌骨,只不过这些特征后来消失了,并在数百万年之后再卷土重来。新的人类起源馆的馆长之一兼古生物学家伊恩·塔特索尔说,人种的发展间歇地进行着,许多时长期都“没有太多事情发生”,偶尔出现一些突然的变化。

  正如展品所揭示的那样,人类深深植根于东非热带大草原。人类和黑猩猩(与我们血缘关系最接近的现存物种)的最后一位共同的生物祖先在那里居住,在人类系谱的分岔点上,不仅意义重大,而且引起了许多争议。化石不曾为我们解答系谱何时出现了分化,而 DNA 也许可以。人类的 DNA 和黑猩猩的 DNA 的分别只有 1.2%,而且 DNA 的变异速度也非常有规律性。因此,科学家完全可以利用这个速度来校准“分子钟”,从而测出发生基因变异的时间。举个例子来说,现存的黑猩猩和人类的 DNA 有约 3,500 万个化学“符号”是不相同的,这就意味着这两个系谱是在 500 万到 600 万年前开始分化。这与地球气候在 650 万年前变得极端寒冷和干旱的发现刚好吻合,而这种气候变化恰恰可以刺激新物种的产生。留在森林的类人猿几乎没有出现任何变化,它们就是今天的黑猩猩的祖先。而那些冒险进入新形成的栖息地干旱草原的类人猿,则迈出了成为人类的第一步。

  现在轮到具争议性的部分了。2001 年,一支在乍得挖掘的研究组出土了一块化石,并声称这是人类(而非黑猩猩)祖先的最古老化石。如果这是真的,它一定生活在两个系谱出现分化之后。问题是,萨赫勒人乍得种活在近 700 万年前,该人种的昵称为“图迈”(Toumai),当地语是“小孩”的意思。而根据基因数据,人类和黑猩猩的分化发生在至少在这之后的 100 万年,暗示图迈根本不是原始人种,即人类而非同族的黑猩猩的第一个祖先。

  如果图迈不是我们的祖先,那么他为什么长着与 500 万年后的人种相像、类似人的面部和牙齿呢?乔治华盛顿大学的古人类学家伯纳德·伍德说:“700 万年前的原始人应该开始像个原始人,而不是拥有这么多年后在化石记录中看到的特征。”图迈即使不是我们的祖先,也具有非常重要的价值。因为他打破了人类进化的“系谱”模型,这个模型指出,图迈的后代是南方古猿,然后是能人、直立人和智人;它假定每次的生物革新 ── 不论是出现两足特征、大脑体积变大还是其他 ── 都只发生一次,然后便停留在那里。

  相反,进化将不同的特征组合集中在原始人身上,然后让它们消失,直到后来的人种将它们进化。伍德说:“相似的特征进化了不止一次,这意味着你不能把它们当作金科玉律来证明一块化石遗传自另一块,或者一块化石具有某个高级特征,就意味着它是现代人类的直接祖先。人类系谱中的许多分支都还没有被发现。”

  事实上,从 400 万年前开始,有六种属于南方古猿的人种来自非洲。南方古猿阿法种的化石(称为露西)于 1974 年被发现,拥有硕大的颌骨和突出的面部等类人猿特征,可能为了安全和寻找住所而攀爬到树上。但他也直立地在草原上行走,这正是现代人类的特点。在 360 万年前的火山灰中保存着的脚印无声地见证了身材一大一小的两个阿法种 ── 女性与配偶或父母与孩子 ── 走过今天的坦桑尼亚平原。

  到底是什么触发了这一突变,是什么让我们开始成为人类,这些难题一直困扰着专家。尽管石头和骨骼都帮不上忙,基因和大脑已经开始说话了。去年夏天,科学家发现了叫做 HAR1(代表人类加速进化区)的基因,这种基因存在于鸡、黑猩猩和人类等动物的身上。从 3.1 亿年前(系谱上鸡和黑猩猩在这时分为两支)到 500 万年前,该基因的 118 个化学“符号”中只有两个发生了变化。但是,戴维斯加州大学的凯瑟琳·波拉德与同事发表的报告指出,自从人类系谱从黑猩猩分化出来以后,有 18 个化学“符号”在瞬间(相对而言)发生了变化。变化速度如此快,象征了这种基因在进化过程中不断使携带者具有优势,也许从南方古猿就开始出现这种情况。

  相对于其他器官来说,大脑获得这些基因优势的可能性最大。人类怀孕的第七周至第九周期间,HAR1 最活跃,显然刺激了大脑的发育。而且,在形成人类大脑皮层的六层神经元的细胞中可以找到大量的这种基因。波拉德说:“HAR1 存在于影响皮层的几何形状和布局的神经元中。”它有可能帮助人类祖先的大脑皮层发育出复杂大脑所特有的精细褶皱。

  除了使大脑结构更为复杂之外,基因变异也帮助大脑的化学特性进一步发展。2005 年,杜克大学的马修·罗克曼和同事发现了一种叫做 PDYN 的基因,它于 700 万年前,就是在人类最古老的直系祖先出现后不久,开始积累变异。这种基因可以控制一种叫做强啡肽原的分子的产生,它就像大脑的上汤一样,可以根据加入什么配料而变成一些神经化学物质,为感知、行为和记忆奠定基础。人类起源馆的馆长之一罗布·德萨莱说:“化石可以为我们提供许多信息,但是基因组能够告诉我们是什么使语言成为可能,是什么使大脑发育成今天的样子。” 

  诚然,要改进大脑并推动新人种的产生,光靠强啡肽原的魔法是不够的。为了找出令我们成为人类的其他因素,由洛杉矶加州大学的神经遗传学家丹尼尔·格舍温德领导的一组科学家正在研究哪些基因组合活跃于黑猩猩和人类的大脑皮层,那是更高等思维的区域。去年,他们得出了结论:那些影响电信号从一个神经元跳到另一个的速度并从而影响大脑处理信息的速度的基因,那些能增进细胞之间的联系并从而增强学习和记忆能力的基因,以及那些能促进大脑发育的基因,都会变为“高等”的人类基因。看来,这种基因活性模式是随着南方古猿人种的出现而开始存在的。而且它有助解释露西人种的形成。阿法种女性和男性的身高为 1 到 1.5 米,体重为 27 到 45 公斤。他们的牙齿较小,有利咀嚼水果和坚果,而不利于咀嚼肉类(当时存在的猎物是像熊一样大小的土狼、剑齿虎和其他巨型爬行动物和肉食性鸟类,足以使这些人种成为坚定不移的素食者)。2005 年,华盛顿大学的人类学家罗伯特·萨斯曼与人合著了《被猎杀的人类》一书,他指出,这表明早期的人类在大多数情况下是猎物而非猎食者。证据极明显,许多化石头骨上都有大型猫科动物留下的洞和由肉食性鸟类留下的爪痕。

  早期的人类是猎物而非猎人这一发现,颠覆了有关人种如何茁壮成长的传统观点。几十年以来,主流观点一直认为猎杀技术和战胜竞争对手的能力,是我们的祖先成功进化的关键所在(现在的批评家认为,在 20 世纪的大部分时间内,男性在人类学中的主导地位令这个观点普及)。但是,萨斯曼坚持认为,猎物物种的幸存与这些无关。相反,他们依赖的是智慧,尤其是社交技巧,而得以幸存的。猎杀为我们的祖先带来了进化的压力,迫使他们相互协作并群居。这才是我们的进化遗产,而非侵犯和战争。

  遗传学和古神经学都支持这个观点。一种叫做后叶催产素的荷尔蒙,最为人熟悉的功能是在妇女体内起到催产和促进乳汁分泌的作用,同时它也会在大脑(包括男性和女性)中发挥作用。在大脑里,它令人在交往过程中产生信任,从而促进协作行为,使他们为了共同利益而生活在一起。科学家在比较黑猩猩和人类的基因组之后得出结论,认为后叶催产素存在于两个物种的祖先体内。但是,后叶催产素自那时起已经历了变化,也许在于大脑对它的反应强度及它产生的数量。研究仍然继续,但是其中一个可能的发现是,变化发生在 170 万年前左右,此时我们的祖先已习惯了基于男女之间的持久结合而建立起来的体系。

  这是一个成功的方程式,而且它也可能在大脑上留下印记。除了揭示大脑的体积之外,古神经学也分析大脑留在头骨内侧的表面特征的印记。这将为探索大脑组织结构提供线索。科学家比较了 250 万年前的南方古猿非洲种和傍人属两个人种的大脑形状,发现控制更高等认知的额叶在形状上有着较大的差别。佛罗里达州立大学的迪安·福尔克说:“傍人属的大脑形状像泪珠,而非洲种则更像方形;非洲种的大脑底部陡斜,而傍人属则有点尖。”这种构造显示,非洲种有一个发育更好的区域称做第十区,主要负责决策、主动性和预先规划的能力。这可能就是非洲种能够进化而傍人属以灭绝告终的原因所在。

  古神经学承诺要完成针对古代物种大脑的简单研究(只集中研究体积)所不能够完成的任务,那就是解释人类祖先的伟大进步。在大约 250 万年前,一个新的人种能人出现在非洲。著名的路易斯·利基和玛丽·利基发现,能人是第一个大脑比黑猩猩大的人种,而且也是第一个懂得制造工具的人种:石器工具(锋利的片状石头),这些工具随着能人的出现而出现。他们的直接后代直立人,向前迈出了同样重要的一步,那就是走出非洲。在格鲁吉亚共和国一个叫做德马尼西的遗址,科学家出土了 180 万年前的直立人化石。宾厄姆顿大学的菲利普·赖特迈尔说:“这是我们所知道的非洲以外的第一个偏远村落,看来这些人在离开非洲后似乎足迹踏遍整个欧亚大陆。”他们成为了爪哇人和北京人等(没有一块北京人化石从第二次世界大战中幸存下来。当时,人们准备将化石运往美国保存,却在运输途中把它们丢失,只有模具得以保留下来)。古人类不仅会走路,他们穿越了广阔无边的海洋,于 6 万年前到达澳大利亚。

  直立人显示了用大脑的体积来衡量物种的才能太过原始。在德马尼西,大脑的体积从 600 到 770 立方厘米不等,与更为原始的能人差不多。但是,直立人并非由于大脑体积而引人注目,而是其大脑结构。他们是人类祖先当中首个具有不对称大脑的物种,就像现代人类一样;南方古猿的大脑并不是这样的。大脑不对称是分工日益明确并因此能够进行复杂认知的标志。直立人将它用在许多地方,包括发现并懂得用火,不过并没有应用到技术领域。同德马尼西化石一起发现的工具包括切割用石片、制造石片的石头“核心部分”和一件砍伐工具。即使是在那个时代,这些工具也都显得原始。伯纳德·伍德说:“以前一直认为要取得石器工具专业的硕士学位才能离开非洲的想法太不切实际了。”

  有些科学家认为,尽管在 200 万到 100 万年前直立人遍布欧亚大陆,DNA 却清楚地显示,该人种几乎肯定走向灭绝,不可能是我们的祖先。根据这个观点,散布在旧世界的各个直立人群体应该都积累了同样的突变并经历了成为智人的物竞天择。但是,Y 染色体却显示了情况并非如此。Y 染色体完整地由父亲遗传到儿子身上,换句话说,它就好像姓氏一样,可以用来追溯血统。但是,正如姓氏在埃利斯岛会被英国化一样,Y 染色体有时候也会改变,而改变之后的版本会传递给所有的男性后代。在来自全世界 21 个种群的 1,062 名男性的 Y 染色体中,斯坦福大学的分子人类学家彼得·昂德希尔发现了 160 例此类变化。他使用分子钟技术得出了结论,所有现存男性的最后一位共同祖先生活在 8.9 万年前的非洲。第一批现代人类 ── 因此并不是在这 100 万年前更早进入亚洲的我们的祖先直立人 ── 于 6.6 万年前左右离开了非洲。

  这批原始定居者的数量少得惊人。人口遗传学家根据现今 Y 染色体的变异数量,推断出了这批“创始人”的人数。最佳的估算结果是 2,000 名男性。假设女性的数量也相同,那么只有 4,000 名勇士冒险走出非洲。我们就是他(她)们的后代。

  有关早期的人种,有一件事让人觉得非常好奇,就是他们从很早开始就已经很像人类。斯坦福大学的考古学家理查德·克莱因说:“60 万年以前,大家都长着硕大的大脑,而到了 20 万年以前,非洲的人看起来就像现代人了。但是,直到 5 万年前才出现了具象艺术、雕像和珠宝。这需要他们在某种认知的进步,也许在语言或劳动记忆方面。但是,由于大脑的体积几乎没有发生变化,所以一定是大脑结构发生了变化,才促使行为意义上的现代人类出现。”

  正如我们的生理机能的各个方面一样,这种结构上的变化一定是来源于基因。研究人员仔地细研究基因组,搜寻着与语言、艺术、文化和其他高智商的产物同时出现的基因,结果发现了三个在时间上吻合的基因。

  第一个叫做 FOXP2,负责人类的言语和语言,不过它在其他物种身上一定扮演着不同的角色,因为没有语言表达能力的老鼠也有这种基因。马克斯普朗克研究所的斯万特·帕博和同事利用标准的分子钟技术推断,人类的 FOXP2 是在不到 20 万年以前出现的,差不多是解剖学意义上的现代人登上世界舞台的时间,也可能仅仅是在 5 万年前出现的。如果真是这样的话,那么只有那些最后一批离开非洲的人种才发展出先进的口语。另一个是影响大脑体积的小脑症基因。它出现于 3.7 万年之前。非常有趣的是,这又恰好是象征性思维在离我们最近的祖先身上出现的时间。第三种基因 ASPM 也与大脑体积有关,出现在 5,800 年以前。这刚好发生在人们在近东建立第一批城市之前,也是智人获得现代的外形之后。因此,这说明我们仍然处在进化当中。

  当然,化石的故事还没有说完。这些来自远古的无数“明信片”仍然躺在旧世界的岩石中。不过,远古 DNA 和脑灰质不断地向我们揭示秘密,为我们由来已久的探求增添了活力,帮助我们理解人类的起源和进化过程。
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