自從人類祖先走出非洲，遷徙到全球各地之后，不同地區(qū)的人群很快適應(yīng)了當(dāng)?shù)丨h(huán)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(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個完全不同的事實(shí)：自然選擇的發(fā)生極為緩慢，5000年后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(qū)，空氣中的平均含氧量大約只有海平面的60%，這會導(dǎo)致慢性高原病，提高嬰兒死亡率，對他們的身體是嚴(yán)峻考驗(yàn)。大約10年前，一系列研究發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)藏族人體內(nèi)的紅細(xì)胞生成量，這或許有助于解釋藏族人為什么能適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)的過去快速適應(yīng)新環(huán)境。一項(xiàng)研究估計(jì)，這個有益變異擴(kuò)散至大多數(shù)藏族人體內(nèi)的時間距今不到3 000年——在演化長河中，這只是一瞬間而已。

　　在藏族人身上的發(fā)現(xiàn)，似乎印證了這樣一種觀點(diǎn)：自從大約6萬年前（估計(jì)的時間范圍為5萬年前~10萬年前）人類走出非洲大陸后，在生理上已經(jīng)經(jīng)歷過多次這樣的適應(yīng)性改變。不可否認(rèn)，人類對環(huán)境的很多次適應(yīng)都含有“技術(shù)”成分，比如為了抵御寒冷，我們制造出了衣服。但在史前時代，僅憑技術(shù)根本不足以解決傳染病大范圍流行、高山上空氣稀薄等環(huán)境難題。在這些情況下，人類對環(huán)境的適應(yīng)只能通過遺傳演化而不是技術(shù)來解決。因此，我們有理由預(yù)期，對人類基因組的全面檢測會發(fā)現(xiàn)很多最近才擴(kuò)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、更有利于繁殖。

　　2004年，我和同事開始尋找那些影響深遠(yuǎn)的環(huán)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后，人類是如何演化的。世界不同地區(qū)人類的遺傳差異，在多大程度上是因?yàn)槿藗冊谧匀贿x擇的作用下為適應(yīng)不同環(huán)境壓力而產(chǎn)生的？這些遺傳差異中，又有多少是由其他因素造成的？得益于遺傳變異研究領(lǐng)域不斷進(jìn)步的技術(shù)，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(qiáng)烈的自然選擇過程導(dǎo)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(fā)生過程似乎都要耗費(fèi)好幾萬年的時間。一種看起來似乎經(jīng)常發(fā)生的情況是：很久以前為了應(yīng)對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境壓力，一種有益突變擴(kuò)散至整個人類群體中，然后隨著這些人向新的領(lǐng)地遷移，該突變也會被帶到更遠(yuǎn)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(huán)境壓力所改變，這說明自然選擇的發(fā)生過程遠(yuǎn)比科學(xué)家想象的慢得多。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(xué)家，我時常會問：今天的人類是否仍在演化。我們當(dāng)然仍在演化。只是，對于我們到底在怎樣演化，答案則要復(fù)雜得多。經(jīng)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(kuò)散至整個人類群體。但我們的數(shù)據(jù)顯示，在過去6萬年中，這種方式的自然選擇在人類中其實(shí)并不多見。這種演化方式通常需要一些環(huán)境壓力保持?jǐn)?shù)萬年不變——一旦人類開始向全球遷徙，技術(shù)發(fā)明的速度開始加快，這種情況就不常見了。

　　上述發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對于人類近期演化的了解，還讓我們對于人類未來可能怎樣有了更深的認(rèn)識。當(dāng)前，我們面臨太多的挑戰(zhàn)，比如全球氣候變化、傳染病頻發(fā)，自然選擇發(fā)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(shù)。

　　選擇印記

　　在20世紀(jì)，科學(xué)家要想尋找人類祖先為應(yīng)對環(huán)境變化而產(chǎn)生的基因突變，還是一件極為困難的事情，因?yàn)樽鲞@項(xiàng)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?yōu)榭茖W(xué)家所發(fā)現(xiàn)，這種局面發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)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(diǎn)叫做單核苷酸多態(tài)性（SNP），每個SNP位點(diǎn)上的各個DNA片段就叫做等位基因。由于基因組中大部分序列既不編碼蛋白質(zhì)，也不能調(diào)控基因表達(dá)，因此很多SNP可能都不會對個體產(chǎn)生明顯作用。但是，如果一個SNP出現(xiàn)在編碼蛋白質(zhì)或者調(diào)控基因表達(dá)的區(qū)域時，就可能影響某種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，或者影響該蛋白合成的地點(diǎn)或產(chǎn)量。

　　當(dāng)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(huán)境一直保持這種狀態(tài)，有益的等位基因就會擴(kuò)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(yōu)勢，在短短幾百年內(nèi)該基因就能在人群中固定下來；反之，如果它帶來的優(yōu)勢并不那么明顯，則需要好幾千年時間才能在人群中穩(wěn)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，然后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(xué)家開發(fā)出了一些方法，通過研究現(xiàn)代人的遺傳變異，去尋找發(fā)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(shù)據(jù)，從中搜尋僅有細(xì)微差異的SNP等位基因片段。當(dāng)一種新的有益突變在群體中快速擴(kuò)散時，染色體上與之相鄰的DNA片段也會隨之?dāng)U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于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(zhì)的結(jié)構(gòu)和生成量，但會隨著有益等位基因一起遺傳。結(jié)果，這個有益等位基因所在的基因組區(qū)域上，SNP位點(diǎn)的數(shù)量會很少甚至完全消失，這種現(xiàn)象被稱為選擇性清除（selective sweep）。等位基因在自然選擇作用下擴(kuò)散時，在基因組中還會留下另一種完全不同的印記：當(dāng)一個群體進(jìn)入一種新環(huán)境時，如果現(xiàn)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(xiàn)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(xiàng)研究已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個過去6萬年間、也就是人類祖先走出非洲后，自然選擇在人類基因組中留下的明顯記號。對于其中的少數(shù)記號，科學(xué)家已經(jīng)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、中東和東亞的游牧民族身上，基因組中含有乳糖酶（lactase，能分解乳制品中的乳糖）基因的區(qū)域明顯經(jīng)歷過高強(qiáng)度的自然選擇作用。在大多數(shù)人群中，嬰兒一出生就具有消化乳糖的能力，但斷奶后，乳糖酶基因就會停止表達(dá)，以至于人們成年后就不再能消化乳糖。2004年，美國麻省理工學(xué)院的一個研究小組在《美國人類遺傳學(xué)雜志》（American Journal of Human Genetics）上發(fā)表文章稱，據(jù)他們估計(jì)，在成年人體內(nèi)仍有活性的乳糖酶基因突變型，僅僅用了5 000~10 000年時間，就在歐洲游牧民族中普及。2006年，現(xiàn)就職于美國賓夕法尼亞大學(xué)的薩拉·蒂什科夫（Sarah Tishkoff）領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組在《自然·遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上報(bào)告稱，他們在東亞游牧民族中發(fā)現(xiàn)了乳糖酶基因快速演化的證據(jù)。這些改變肯定是對新的生存條件的一種適應(yīng)。

　　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(xué)的帕迪斯·撒貝蒂（Pardis Sabeti）發(fā)現(xiàn)了一個最近才擴(kuò)散到大多數(shù)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(yīng)對近期才出現(xiàn)在當(dāng)?shù)氐睦�沙熱（Lassa fever，急性病毒性出血熱疾�。┑慕Y(jié)果。

　　緩慢的演化

　　上述例子和少數(shù)其他案例有力地證明，自然選擇能迅速促進(jìn)有益等位基因的擴(kuò)散。然而，對于其余幾百個候選印記，我們還不知道是什么環(huán)境條件促進(jìn)了這些被選中的等位基因的擴(kuò)散，也不清楚攜帶這些等位基因會有什么作用。我們和其他科學(xué)家分析認(rèn)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(fā)生了好幾百次快速的選擇性清除。但在一項(xiàng)更新的研究中，我和同事找到的證據(jù)表明，這些印記中的絕大多數(shù)其實(shí)根本不是在近期人類對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的快速適應(yīng)中產(chǎn)生的。

　　我們與美國斯坦福大學(xué)的同事合作，對大量SNP數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，而這些數(shù)據(jù)來自全球范圍內(nèi)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布時發(fā)現(xiàn)，大部分明顯的選擇印記都遵從三種分布模式中的一種，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布產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響，而自然選擇幾乎沒有對這些分布作出任何調(diào)整，以使它與現(xiàn)代環(huán)境壓力相匹配。

　　以SLC24A5基因的一種突變?yōu)槔�，它是�?dǎo)致膚色變淺最重要的基因之一。由于這是對光照強(qiáng)度降低的一種適應(yīng)，因此有人可能會預(yù)計(jì)，該突變在人群中的出現(xiàn)頻率會隨著緯度升高而升高，它在北亞與北歐人群中的分布應(yīng)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。這樣的分布模式意味著，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后，才在歐亞西部人群中產(chǎn)生并被帶到該人群所生存的區(qū)域。因此，SLC24A5基因最初在人群中廣泛出現(xiàn)是自然選擇的結(jié)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(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)期，自然選擇在促進(jìn)這些新的等位基因快速擴(kuò)散時，會出現(xiàn)很明顯的“搭車效應(yīng)”。但這些基因中的絕大多數(shù)都沒有表現(xiàn)出這種效應(yīng)。相反，這些基因似乎是在人類祖先走出非洲后的6萬年里逐步擴(kuò)散的。

　　鑒于這些發(fā)現(xiàn)，我和同事認(rèn)為，經(jīng)典的選擇性清除——在自然選擇作用下，一種新的優(yōu)勢突變在人群中迅速固定下來，實(shí)際上很少發(fā)生于我們的祖先踏上環(huán)球旅行之后。我們推測，自然選擇對單個等位基因的作用其實(shí)相對微弱，因此僅能緩慢地推進(jìn)基因的擴(kuò)散。這樣一來，只有當(dāng)環(huán)境壓力數(shù)萬年持續(xù)不變的時候，大多數(shù)等位基因才可能在選擇壓力下擴(kuò)散至整個人群。

　　繼續(xù)演化？

　　我們的結(jié)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，那么人類為何能迅速適應(yīng)新環(huán)境？盡管我們理解得最充分的適應(yīng)性變化都源于單基因突變，但絕大部分的適應(yīng)性變化可能并非以這種方式產(chǎn)生，而是由一些對基因組中上千或上萬個相關(guān)基因具有溫和影響的基因變異造成的。

　　自然選擇調(diào)節(jié)人類身高時，它的作用范圍很大，會改變成百上千個不同等位基因的出現(xiàn)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(yīng)營養(yǎng)物質(zhì)匱乏的環(huán)境。如果每一個“矮身高基因”的普及程度都只能升高10%，那么大多數(shù)俾格米人就會在短時間內(nèi)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(qiáng)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?yàn)槿绱�，多基因性適應(yīng)不會在基因組中留下我們在研究中�？吹降哪切┻x擇印記。

　　人類是否仍在演化？現(xiàn)在還很難找到自然選擇作用于當(dāng)今人類的證據(jù)。但是不難想象，人類有哪些性狀可能受到自然選擇的影響。在發(fā)展中國家，瘧疾、艾滋病等傳染病給這些國家的人民施加了強(qiáng)大的選擇壓力。那些能讓當(dāng)?shù)孛癖妼�這些疾病產(chǎn)生一定抵抗的已知基因突變，可能就正在經(jīng)歷強(qiáng)大的選擇作用，因?yàn)閿y帶這些突變的人存活幾率更大，繁殖的后代可能也比沒有這類突變的人多。

　　在發(fā)達(dá)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(shù)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(biāo)。

　　不過，與文化、技術(shù)——當(dāng)然，還有地球環(huán)境——的變化速度相比，絕大部分人類遺傳特征的變化都極其緩慢。而且，較大的適應(yīng)性轉(zhuǎn)變需要環(huán)境保持千萬年不變。因此，從今以后的5 000年里，人類所處的環(huán)境無疑會發(fā)生極大的改變，但只要基因組沒有經(jīng)過大規(guī)模的人為改造，人類大概仍然會是今天的人類，不會有什么變化。

　　本文轉(zhuǎn)自環(huán)球科學(xué)

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