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為什麽只有人類前進演化出高度發達的大腦?

2012-06-30知識

我來做個國外最新基因學教科書的搬運工,先說幾個普遍的常識錯誤:

  1. 並不是腦容量越大智商越發達 ,我們現代人(智人)成年男子的大腦重量約1350克,不僅現代人類的腦容量小於我們的祖先海德堡人(1500克以上),而且,還比很多動物的小,海豚大約為1500克、大象的約6000克、鯨魚的約7800克。

2. 人類和動物的差異要從500-700萬年前,人類從古猿支系發生開始。(經評論區討論後修改) 刨除大量無法比對的片段,在已破解的基因序列中,現代的人類和另外兩種非洲黑猩猩的DNA基因差異很小,只有1.6%,這是現在已知的人類前進演化的關鍵。在這之前的所有前進演化,猩猩身上也能找到,因為其他基因是前面5億年積累下來的。(2012年之後學術界把人類和猩猩全基因序列對比的結果是,整體所有片段70.7%左右的相似性。具體說,69%的X染色體類似,43%的Y染色體類似。之前的相關著作都是錯誤的,尤其是著名的【第三種猩猩】)

3. 從整體來說,人類不是在前進演化,而更多是退化 。人類DNA中有11,224個因退化而不再起作用的偽基因,這些都是人類退化的證據和痕跡。DNA中人類加速前進演化區HAR基本上主要是大腦,還有一些手的靈活性。其他全身的基因比起猩猩都大幅退化,簡單舉例,黑猩猩對幾乎絕大部份人類疾病天然免疫,包括艾滋、癌癥、新冠等所有高致死率的疾病。比其他動物就更是退化嚴重,聽力,視覺,嗅覺,熱感應,肌肉等等全都不行。不同物種前進演化路徑不同而已,沒有優劣。

一、先說一些 人類特征

  1. 基因分叉點:

人類古猿和黑猩猩大約在公元前7百萬年的乍得人猿之後分叉,大約在6百萬年前人類從圖根原人的人族這個分支開始前進演化。 在黑猩猩這次分叉後,人類只有23對染色體,而其他猿還有24對 。乍得人猿已經適應了早期的兩足動物的陸地行動形態,可以在陸地覓食並建造庇護居所,但推測仍然樹棲為主。

2. 偽基因記錄了人類的前進演化過程:

偽基因就是因突變不再起作用的基因, 人類整個基因組中發現了大約有11,224個偽基因,這些都是人類退化的證據和痕跡。 在偽基因中,我們發現了各種基因遺跡,比如厚毛的皮毛,可以消化很多植物的長腸,消失的尾巴,像成年猿一樣粗壯的下顎。 還有一個偽基因是曾經可以制造維生素C的,幾乎所有的哺乳動物,都可以自己體內制造維生素C有助於抗壞血酸,但包括我們人類的靈長類動物都做不到了。

3. 人類的自我馴化(幼態持續的古同質性):

人類在往更加幼稚的狀態前進演化。 我們人類都是性成熟的小黑猩猩, 這也稱為Paedomorphism幼態持續的古同質性。 Paedo表示孩子,morphism表示身體。也就是說人類前進演化可以看作是一種幼稚主義。成年黑猩猩的骨骼和現代人差異很大,但是人和小黑猩猩則高度相同。嬰兒猩猩也更喜歡像人類一樣直立,更像兩足動物。

關於我們的幼態持續的另一點是,我們的童年很長。 現在解釋一下為什麽如此重要,讓我們考慮一下 幼小的動物。 他們充滿了生活的歡樂, 他們是自發的,他們的行為自由。 同樣,許多人一生都保持嬉戲和好奇, 像小動物一樣, 人喜歡嘗試新事物,這可能使我們成為了一個獨特的創造力猿類。 成年的黑猩猩很笨拙,被困在自己固有的行為方式中,不利於創意和創新。

在過去的一萬年中,我們人類已經適應了不同氣候下的農業和城市生活,而許多這些適應調整只涉及一個或兩個基因。 這些變化只是您基因組的一小部份, 但它們仍然對您身體的生理變化產生了深遠的影響。 關於幾個基因就能產生重大影響,我們可以用狗來舉例。 狗是在大約一萬五千年前從狼中馴化而來的, 現在它們是世界上差異最大的動物。 科學實驗發現,狗控制體型大小的關鍵基因中只有少數幾個的突變,就導致了丹麥種大狗和袖珍的吉娃娃之間的許多區別,所以不同品種的狗之間都可以雜交生出後代。 所以決定體征差異大小的不是有多少突變,而是這些突變發生在基因中的什麽地方。

(插入一句, 在一些馴化的動物比如貓狗豬,以及和人類長期共存的動物比如老鼠,都發現了幼態持續現象 。推測都是因為第一食物充足,使得他們比野生同類的性成熟更早,第二同類競爭較少,無需快速成熟以更具攻擊性。第三人類的選擇,人類更喜歡乖巧聽話的幼兒形體,淘汰了兇殘的個體。同時這些動物也發生了很多生理結構變化,比如嘴更短撕咬能力更弱。)

二、DNA的主要差異, 人類加速前進演化區HAR

我們是有超大腦容量的猿猴,同時我們人類的指頭都是同向朝前的,而不是猩猩那種反向的拇指。

1號人類加速前進演化區HAR1,從黑猩猩分叉之後經歷了18次替代。該基因片段在人類中經歷了巨大的改變,說明它的功能在人類中也有巨大變化。 關於HAR1的真正令人興奮的事情是,它位於在 神經元發育早期就會開啟的一個遺傳區域,對新皮層的發育起關鍵作用,這是最外層的大腦 。 當這些神經元出現問題時,您會患上大腦皮層貧血, 一種非常悲慘的狀況。 沒有人知道HAR1在這些神經元中的作用。 它只是在適當的時間活躍起來, 在有助於形成更健康皮質層的地方。 因此, HAR1很可能具有控制人類祖先大腦功能發育順序的作用, 因此人類和黑猩猩的差異主要是大腦皮層。

2號人類加速前進演化區HAR2,也就是人類與黑猩猩第二大的區別是一個調節區域,是一種強化子基因,可以 主導胎兒發育過程中的手腕和拇指發育 。 但它是一個祖傳版本,其他靈長類動物的基因完全不一樣。 人類HAR2的產生也許是因為人類需要特定的手工協調能力和制造復雜工具的靈活性 。這並不是說黑猩猩的手就更笨拙,只不過黑猩猩不需要拇指,黑猩猩需要在樹枝間搖擺穿梭,只需要鉤住樹幹,而拇指會妨礙黑猩猩的特定生活方式。也就是說 對於工具的使用,讓我們和黑猩猩區別開來。

三、 加速前進演化區為何產生 - 火的使用

烹飪是大腦前進演化的關鍵

因此,在進一步研究我們和猿類的遺傳差異之前, 我們實際上需要解決一個關鍵問題: 為什麽我們的大腦比猿猴的更大,甚至比體型更加龐大的大猩猩還要大。 這個問題的答案會幫我們找出造成我們和黑猩猩許多遺傳差異的很多原因,根據許多人類學家的研究, 答案可能是因為靈長類動物大腦的巨大能量消耗。

大腦僅占人體的2%,但它消耗了我們每天需要消耗的卡路裏的25%。 我們的大腦皮層特別密集,包含160億個神經元,支持它們運轉需要大量的能量 。 大腦和身體之間可能存在某種前進演化權衡。 因為自然界有能量攝入和代謝的限制,所以靈長類只能把有限的熱量來做選擇,更多供給大腦或者身體。 所以下一個問題就是:是什麽讓我們超越了這一限制並支持了這個龐大的大腦?

哈佛大學人類和靈長類動物學家李察·朗厄姆(Richard Wrangham)認為答案很簡單,在他2009年出版的書中重點強調了一個簡單的事實:烹飪使我們成為人類。 您可能從未想過這種觀點,我們做飯燒菜是前進演化的關鍵。 烹飪本質上是用火預消化食物的行為,讓我們從相同數量的食物中獲取更多的能量。煮熟食物就是預先消化, 烹飪讓食物變軟、更易於咀嚼、能夠在口中被快速變成泥狀。 烹飪可以讓人類在更少的時間內讓內臟完全消化掉食物。 實際上,烹飪食物會使它產生的熱量增加到原來的三倍。 這就是讓我們的大腦在相對較短的時間內前進演化變得更大的原因。

烹飪使我們能夠供給這個大的大腦皮層, 反過來又支持復雜的思想和復雜的社會。 火使人們生活在大的團體中,組建和維持聯盟。 群居時,原始人必須追蹤仇人,還需要保持警惕以免被社群中的其他人誤導。 動物群落的個體數量與該物種的平均大腦大小直接相關,再次證明了大腦的前進演化使我們能夠進行復雜的社會互動。 如果我們的祖先沒有發明一種從同一個食物中提取更多能量的方法,我們的腦容量可能還是和猿猴一樣大,並以小型群落方式生活。 隨著我們靈長類大腦的變大, 我們從吃生食到熟食,再到養殖, 農業,文明,超市和冰箱。 所有這些進步使我們現在坐在快餐店吃一頓飯就可以獲取裏一天所需的所有熱量。 技術進步太快,以至於曾經是有利於生存的路徑,現在變成了威脅生存的問題。 具有諷刺意味的是,我們現在正試圖透過退回到天然全食和生蔬菜沙拉,來解決這一問題。

四、人類在控制自己的前進演化

人類學會用火至關重要。 曼格姆教授(Mangum)認為我們的祖先直立人由於學會了用火,大約在200萬年前就出現了一些關鍵的前進演化。 直立人前進演化出了更小但更有效的消化道, 以提供更多能量給 大腦,讓大腦長得更大。 這也意味直立人的骨盆變得像我們的骨盆一樣小,因為它不必像黑猩猩一樣支撐龐大的內臟系統。 更小的內臟說明,光是用火這種社會生活方式的變化還不足以充分利用這些熟食。 我們的祖先還必須在基因上適應熟食。

大量人類和黑猩猩之間差異巨大的基因反映出, 人類在很大程度上控制著自己的前進演化方式。 我們動用了腦筋和靈活的大指姆來改變環境, 然後我們透過基因的適應力改變來充分利用我們建立的新環境。

每一項創新都會帶來新的篩選壓力, 反過來導致更多的前進演化改變。 讓我們繼續以狩獵和烹飪為範例,說明它們如何篩選遺傳變化? 我們和黑猩猩之間的許多調控突變和基因序列差異,影響著我們消化食物的方式。考慮到我們的飲食與黑猩猩飲食之間的差異,這也就不足為奇。 黑猩猩多吃熱量低的食物,例如葉子和果實。 我們為消化肉類前進演化出了超強的胺基酸代謝能力,並且大多數人類都有很多個唾液澱粉酶基因,用於消化澱粉。 黑猩猩只有兩個澱粉酶基因,我們平均有六個, 因此我們會在唾液中制造出更多的澱粉酶。 但是,未和現代人類雜交的人種,例如澳洲原住民,就沒有像我們現代人種那麽多的酶種類。 說明自從我們種出蔬菜和學會做麪包面條等主食以來,我們人類又前進演化篩選出了更多的酶。

也有一些仍在我們體內起作用的原本無效受體已經迅速前進演化, 並獲得了新功能。 因此,我們的嗅覺不同於黑猩猩。 那麽您覺得有什麽氣味是我們喜歡,而黑猩猩或其他動物不喜歡的嗎?答案是……熟肉味。 當然人類中少數的素食者可能也不喜歡。

為了獵取動物獲得蛋白質,使得獵人需要協調他們之間的行動。 復雜的語言技能 也很關鍵,幫助他們溝通協作和創新,從而開發出更好的工具、新的狩獵方式、制作新的陷阱,並且協作打造出更舒適的家。 他們也會互相八卦來辨識誰對自己有好處或威脅。 黑猩猩不能像我們人類一樣說話,不僅是因為聲帶和鼻道,也因為神經方面的差異, 其中一些是被稱為語言基因的突變前進演化的結果 。 語言基因最初是在語法和句法方面有嚴重問題的英國家庭中發現的,同時這些人的嘴和舌頭也不能進行復雜運動, 在2001年,這個問題被釘選在名為FOXP2的基因突變中。 在黑猩猩和老鼠中,該基因有助於調節同步下頜運動的其他基因。 人類的FOXP2已發生了兩個突變, 啟用了具有同步詞匯功能的其他基因。 因此我們的FOXP2基因仍然可以同步下頜運動,除此之外,它還負責同步詞匯。 如果將人類的該基因放入黑猩猩替代它的FOXP2會發生什麽?它們是不是也會發展出自己的語言?出於道德原因,我們不能這樣做。

五、為什麽說 人類的退化大於前進演化

我們的基因前進演化也涉及氣味和口味,也為解釋我們的基因組如何前進演化篩選提供了一些精彩的好例子。老鼠和我們人類都大約有1400個氣味和味覺的受體基因, 但他們的基因工作狀況良好,而我們 人類的嗅覺基因中卻有大約一半的無效了 , 因為我們人類的祖先並不十分依賴良好嗅覺來生存。 擁有這些失效的基因不會影響我們的生存,因為這些突變並不重要,所以就被一代代保留和累積下來了,而沒有被淘汰掉。在遺傳學中,無用的都會被遺棄。

如果角度不同,黑猩猩的物理和生物學特性可能發生了比我們更大的變化。 我們的變化似乎較少,但我們的許多前進演化都與喪失有關,比如我們失去了厚厚的體表毛發、失去了吃生食的生存能力。 我們的前進演化如此之徹底,因為主吃熟食,我們已經不能靠吃生食維持生殖繁衍。人類中有許多基因缺失和偽基因,可 以說人類不是前進演化,而是實作了快速退化,特別是幼態持續現象 。因為人類失去了可以使自己進入下一個發育階段的基因,以便保持幼體形態。

我們身體最幼態的部份是我們的頭部,成年的黑猩猩的頭骨和我們完全不同,其下顎非常強大有力,可以咬斷人的手指,而我們人類的下顎較弱,像小黑猩猩一樣,只能咀嚼預消化的食物。讓我們的下顎變得脆弱的是一個叫做MYp6的基因的突變。MYp6負責編碼一種肌球肌肉蛋白,僅在下頜肌肉中起作用,它使猿猴咬力強勁。 我們的MYp6處於非活動狀態,因此它是偽基因之一

我們前面提到的人類加速前進演化區HARs研究員寶拉·阿拉德(Paula Allard)表明,調控突變導致了人類和黑猩猩之間許多有趣的前進演化差異。吉爾·貝耶拉諾(Gill Bejerano)和大衛·金斯利(David Kingsley) 領導了一組在史丹福大學進行的研究,在2011年他們報告,黑猩猩、猴子和老鼠中 至少有510個調控區基因在人類中消失了,其中許多都與類固醇激素的訊號傳導和神經功能有關

您可能聽說過類固醇激素,一種興奮劑藥物,每年奧運會都嚴查禁止運動員使用。 而類固醇本質是一類協調我們的許多生理過程的激素。 兩個重要的類固醇激素,影響壓力的皮質醇,和表達雄性體征的睪丸激素。睪丸激素會分散到人全身, 告訴所有細胞它們現在都處於男性體內,並采取相應的行動去發育男性器官。 它透過與受體結合而實作,然後開啟雄性基因的表達。 現在我們曾經了解的有關激素的資訊只是血液中有多少種激素,但後來才知道我們還需要了解人體有多少個受體以及這些受體的分布位置,同一種激素在不同受體也有不同反應。 單是受體的突變就會產生很大的影響。

比如,我們 人類的臉頰上沒有長出像貓一樣的感覺胡須, 而且人類也沒有貓狗的陰莖骨,因為人類失去了對應的睪丸激素受體的基因。 人類是很少真正沒有陰莖骨刺的哺乳動物之一。 與黑猩猩和老鼠的不同,貓的陰莖被與頭發或指甲相同的角蛋白制成的小而尖的突起所覆蓋。這些都說明大部份哺乳動物陰莖中有睪丸激素受體。像貓一樣,黑猩猩的臉頰上也有感官胡須,而人類沒有,因為人類的臉頰和陰莖中都缺少開啟睪丸激素受體的調節基因。 但我們的大腦和睪丸中仍然有完整的可以開啟體內睪丸激素受體的調節基因。

因為 黑猩猩是一夫多妻 ,對於雄性陰莖骨的作用推測可能是透過骨刺磨損雌性陰道,讓雌性動物覺得交配行為很痛苦,使雌性短期內不再願意與其他雄性交配。同時有骨頭無需勃起,又可以讓雄性動物可以多次地和大量雌性交配。 人類可能因為前進演化到社群生活後,基本保持一夫一妻制 ,所以我們沒有那些令人不舒服的骨刺基因,也可以保證繁衍。畢竟,無用的基因就會被遺棄。有意思的是,現代人類在這裏又一層表現出一定的反古行為,透過點狀避孕套和自慰振動器,女性又想找回祖先們曾經的快感。