Friday, August 29, 2014
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人类进化:生存不易

麦迪逊——毫无疑问,人类是复杂的,你我也为之自豪。我们相信,我们在生物学上高出其他物种一等。我们的生物功能被精巧地控制着,并能能够适应外部变化,这是因为我们有着复杂的互动网络。与其他物种不同,我们天生具有毅力和智力,因此我们能够改变环境,以此缓冲健康恶化带来的影响。

但是,或许正因为我们的复杂性的产生方式,我们注定要成为人类这个物种。套用科普作家鲍尔(Phillip Ball)的说法,大自然激活了一颗定时炸弹,而我们的复杂性只能短暂地延缓让计时器停摆。

为了抓住这一问题的本质,我们需要在分子水平上考察一下人类的构成,把我们与那些我们称之为“原始”的物种(比如单细胞生物)做个比较。该分析让我们考察大量不同物种体内的蛋白质,即组成我们的分子基石和生物功能的执行者。拥有同一祖先的不同物种的蛋白质,即所谓的“同源体”,为我们提供了很好的比较基准。

一般认为,蛋白质的基本“折叠”(即形状)应该不随物种的改变而改变,因为蛋白质的结构与功能紧密相关。不同物种间功能相同的蛋白质——大致上与同源体相同——被认为具有相同的折叠。

但组成这些同源体的蛋白质链的氨基酸序列可以大相径庭。有时,两种同源体的序列一致性程度可以低至只有25—30%,与此同时,它们的折叠却仍保持着极大的相似性,这证明蛋白质功能对进化是鲁棒的。

物种之间蛋白质折叠的不变性让人类复杂性的起源变得更加扑朔迷离了,众所周知,人类基因数量少得令人难以置信,只比水稻这样的物种多出一个数量级。如果蛋白质结构具有物种之间的不变性,那么我们的复杂性又源自何处?更大的问题是,我们的复杂性体现在什么地方?

研究者最近发现了在几十亿年的漫长进化中变得逐渐不同的物种体内的同源体所发生的微小的结构变化。在这些结构中,比整体拓扑更细微的东西在同源体之间发生了变化。一些同源体的结构比另一些更“松”(即包装更简单)它们表面区域能被水侵蚀,水可以轻易地与蛋白质主干链产生互动,从而破坏其结构。这些结构脆弱性被称为去水性(dehydron)。

当我们考察同源体时,我们发现,有效群体规模更小的物种,其蛋白质出现了更多的退化,或者说去水性更丰富——生物规模和复杂性与其生殖方式的复杂性之间存在一种模糊的逆相关关系。因此,人类(或哺乳类)数量要比菌类少得多(相差10个以上的数量级)。

结构退化这一观察结果是对物种规模在进化过程中不断减小的反映,因为随着物种规模变得更小,自然选择就会变得更无效。因此,结构退化就成了物种对随机基因漂移风险敞口大小的指标:在通常情况下会造成蛋白质结构退化的微害突变不太可能在细菌中发生,因为这类突变可以在整个物种(大概有几万亿个体)的层面上得到修复,而类似的突变在人类中蔓延开来的概率就大得多了。

与其同源体相比去水性更强的但被指更容易被周围的水所分解。正是因为这个原因,这类蛋白质更加“艰难”,也就是说,更依赖其与其绑定的伙伴来维持结构的完整性。此外,我们知道去水性具有粘性,因此结构上发生了退化的蛋白质要比去水性不那么强的同源体更可能提高蛋白质-蛋白质联系。因此,蛋白质-蛋白质互动——复杂性的标志——实际上是由随机漂移——即蛋白质退化过程背后的进化力量——驱动的。

因此,复杂性似乎并不是真正的自然选择,而是一种对选择无效性的短期修复。乍看上去,这一观点似乎是反直觉的,但这一悖论的根源在于我们教条主义的思维方式,我们先入为主地认定复杂性应该是自然选择的结果。

那么,自然的开端是怎样造就了我们呢?结构性缺陷最多的蛋白质是朊病毒,这是一种可溶性蛋白质,遇水就会功能性折叠,形成一种畸变组合体,这种组合体可以引发退行性神经病变。

这一“异常软弱的蛋白质”的极端例子说明,由于物种规模太小,我们暴露于极高的基因风险之中。朊病毒是“健康”大灾难,它给了我们一个关于自然开端是如何形成人类的线索。也许我们的复杂性的长期进化代价太大了,我们作为一个物种能够生存下来,最终取决于我们通过越来越复杂的治疗方案降低健康成本的能力。但愿我们能够经受考验。

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