WeChat ID kexueyougushi About Feature 比科学故事更重要的是科学精神 上一期我们说到，达尔文和孟德尔虽然互不相识，但俩人却为二十世纪全部的生命科学奠定了基础。达尔文看到了一切生物均有联系，它们最终“都可以追溯到一个简单而共同的祖先”；而孟德尔的工作则解释了这一切是如何发生的。这样一来，尽管还存在着太多不是很清楚的问题，但我们终于可以大致回答人从哪里来这个问题了。 1871年，达尔文出版了《人类起源》一书，终于明确表达了人类与猿类是近亲的观点。但这个结论非常大胆，因为当时并没有多少化石能证明这一观点。在当时，唯一发现的早期人类的化石是著名的尼安德特人化石，是在德国发现的。还有几块不能确定的颌骨化石碎片，许多大权威并不相信它们是远古人类。总的来说，《人类起源》是一本比《物种起源》更容易引起争议的著作。但当它问世时，这个世界已经不像以前那样容易激动，它引发的争论也没有之前那么激烈了。 图：达尔文故居           达尔文晚年所研究的课题基本上与自然选择理论关系不大。他花了巨多的时间收集鸟粪，仔细检查鸟粪中包含的东西，目的是为了搞明白植物种子是怎么从一个大陆传播到另一个大陆的。他还花了大量的时间研究蚯蚓。他对蚯蚓做过的一个实验是对着它们弹钢琴，当然不是为了取悦它们，而是研究声音和震动对它们产生的影响。他第一个发现蚯蚓对于培育肥沃土壤起着至关重要的作用。他在《由蚯蚓活动引起的土壤腐殖层》一书中写道，“在世界历史上，恐怕很难找到比蚯蚓发挥作用更大的动物了。”这本书其实比他的《物种起源》更加流行。 实际上，达尔文还写过很多书，在那个年代，绝对算的上是畅销书作家。例如，《英国及其他国家兰花经由昆虫授粉的各种创新》、《人类与动物的情感表达》（这本书上市第一天就卖出了差不多5300册）、《植物王国异花受精和自花受精的效果》（这本书的主题与孟德尔的研究极其相近，却没有得出孟德尔那样的深刻见解），达尔文的最后一本书是1880年11月上市的《植物运动的力量》，而达尔文是在差不多一年半后的1882 年4 月去世的。他还投入了大量精力研究近亲繁殖的后果，这是有他私人原因的。达尔文娶了自己的表妹，而他们的孩子总有一些生理和心理上的缺陷。因此，他很悲哀地怀疑这些都是由于他的族谱缺乏多样性导致的。           达尔文的一生获得过众多的荣誉，但都不是因为《物种起源》或《人类起源》。皇家学会隆重地授予他科普利勋章，表彰他在地质学、动物学和植物学上所做的贡献，但这次颁奖与进化论无关。林奈学会在授予他荣誉时，刻意回避了他的一些激进的观点。虽然他被安葬在威斯敏斯特大教堂，紧挨着牛顿的墓，但他却没有被封为爵士。达尔文于1882年4月19日去世，孟德尔也于2年后去世。           达尔文的理论直到二十世纪三四十年代才被广为接受，生物学家们把他和孟德尔以及其他人的理论融合在了一起，统称为“现代综合进化论”。这个翻译有点约定俗成的味道，尽管生物学家们都更喜欢把进化论改称为演化论，这更符合自然选择的本意。和达尔文类似，孟德尔的理论大放异彩也是在他去世后，但到来的要比达尔文早一些。1900 年时，欧洲有三位独立开展工作的科学家几乎同时发现了孟德尔的作品。其中有一个叫雨果·德维里斯的荷兰人想把孟德尔的成果据为己有，还好他的对手据理力争，挫败了他的计划，人们这才意识到真正功勋卓越的修道士已经长眠地下，几乎被人彻底遗忘。           人类终于开始大致明白我们是怎么来到这个世界的，又是怎么互相影响着彼此，但一切都还不甚明了。想想也真是令人吃惊，直到二十世纪初以及之后的很多年，世界上最好的科学头脑也没法有理有据地告诉你，人是从哪里来的？           你可能还记得，他们中的很多人认为，科学已经快发展到尽头了。但是他们显然错了，21世纪突破最大的学科之一就是生物学。接下去，我要来给你讲讲21 世纪的生物学进展。让我们先从孩子经常会问的问题开始：妈妈，我是从哪里来的？ 如果你的父母没有在某一个恰当的时间结合，这个时间可能要精确到秒，甚至可能要精确到毫秒，就不会有你。而你父母的父母如果没有在一个同样精确的时间结合，也不会有你。我们可以继续往上推，所有父母的父母都得这么干，否则，就一定确定以及肯定不会有你了。           越是往前追溯，你欠下的人情债也就越多。仅仅回溯到 8 代之前的时间，也就是差不多咸丰皇帝和曾国潘出生的年代，决定了你的存在的“父母”总人数就要超过 250 人了。如果继续往前追溯到李时珍尝百草和五月花号到达美洲的时代，你会有 16384 个祖先，是他们的结合并交换基因物质，才最终奇迹般地造就了你。          往前 20 代，祖先的人数就会增加到 1048576 人。再往前 5 代，则不会少于 33554432 个男人和女人是你的祖先。如果按照这样的逻辑做纯数学的计算，到了往前 30 代，这一数字的总数——记住，不算你的表亲、堂亲和你的任何远亲，仅仅是你父母的父母这一线上去——将超过 10 亿。如果追溯到 60 代之前，也就是罗马帝国时代，这一数字将接近 10 亿亿，是地球上曾经生存过的人类总数的几千倍。           很明显，我们的数学计算肯定是在什么地方出错了。出错的原因你可能会有兴趣知道，那是因为你上面的这根族线是不纯的。没有一定程度上的亲戚联姻，是不会有你的。尽管人们为了优生会小心翼翼地避开近亲婚姻，但这种事情其实很多！在你族谱上面的几百万个祖先当中，会有很多对夫妻，一方是来自你母亲这边的亲戚，一方是来自父亲这边的亲戚。事实上，如果你现在的伴侣与你的国籍和种族都相同，那么极有可能你俩就是某种亲戚关系。实际上，如果你在公交车上、公园里、咖啡店中或是任何一个人多的地方环顾四周，你看到的大多数人很有可能都是亲戚。如果有人自吹是孔子的后代，你也可以立即回答他：“我也是！”我们其实都是一家人，这句话无论从象征意义上还是从生物学意义上来讲，都是正确的。           你可能听到过我们都有一个共同的祖先，在生物学上她被称为线粒体夏娃，我给你讲讲这是怎么回事。1987 年 1 月，丽贝卡·凯恩、马克·斯多金和亚伦·威尔逊在《自然》杂志发表了一篇论文，这是一枚重磅炸弹，让我们对于人类进化的理解又深了一层。在此之前，盛行的理论认为，不同的人类群体在距今二百万年前就开始在不同的地区分别进化，这就是多地区起源说，这一说法认为中国人的祖先是北京猿人。而这三位科学家开创性的工作表明，所有人类携带的线粒体 DNA 都可以追溯到一位生活在 20 万年前的女性，这位女性就此被称为“线粒体夏娃”。           线粒体是一种无核的细胞组织，是被人类单细胞祖先吞噬的古老细菌，后来进化成了细胞的“呼吸器官”，为细胞活动提供能量。1963 年时，又发现线粒体中也有 DNA。线粒体 DNA 的遗传方式十分独特。在脊椎动物精子的生成过程中，绝大多数的线粒体都被去除了，只保留极少数的线粒体提供精子运动的能量。接着，在受精时，精子中的线粒体 DNA 不会进入受精卵，即使个别闯入了，也会很快分解。下一代的细胞核基因，一半来自精子，一半来自卵子，但线粒体基因则全部来自卵子。也就是说，线粒体基因只属于母系遗传。如果一位母亲没有生下女儿，那么她的线粒体基因就失传了。 图：线粒体           线粒体夏娃的研究成果在最初遭到了巨大的争议，但却几乎凭借一己之力把多地区起源说扫进了历史的垃圾堆。在此之前，旧有的人类起源观点认为：我们的前身直立人二百万年前离开了非洲，分散到了世界各地，然后这些不同的人群为了适应新环境而进化为智人，而他们身上持续交换与融合的基因使他们仍然能够被称为同一物种。当时，这一理论被认为可以解释在非洲、欧亚大陆和澳洲发现的所有直立人的化石样本。但是，后来的进一步的考古却发现了很多无法用这种理论解释的现象，于是，科学界又兴起了智人非洲起源学说，这个学说认为，现代人类都是智人的后代，最有可能起源于东非，距今 15-20 万年前。多地区起源说中所有其余地区发现的古化石追溯的人类，都已经灭绝。而线粒体夏娃的发现给这个新学说提供了最强有力的支持，目前是主流科学界接受度最高的学说。           但是，我们不要被夏娃这个名称误导，和《圣经》中的夏娃不同，她并不是那个时期地球上唯一的女性，那个时期生活着成千上万和她一样的女性，但她却是唯一一个将自己的线粒体遗传至今的女性。在有性生殖中，一个人只能传递一半的基因，后代的传递也将持续减半。只需要短短一千年，任何一个祖先绝大多数的基因差不多就会被降为零。但是现代人类，几乎完整地继承了“线粒体夏娃”的线粒体，并且我们的女性将会继续无限期地传递这位夏娃的线粒体。           线粒体 DNA 一般很难发生改变，平均要过 2 万年线粒体 DNA 才会发生微小的变异。通过追溯成千上万年积累下来的细微突变，我们可以找出哪些人种是密切相关的，并最终将线粒体夏娃的存在时间锁定为历史中的某一时间段。目前得出的结论是大约在 20 万年前。这几乎排除了多地区起源说存在的可能性，否则线粒体夏娃应该存在于几百万年前。之前提到过的《自然》杂志文章发表者之一的威尔逊就研究了世界不同种族居民的线粒体 DNA，他们发现全人类的线粒体 DNA 基本相同，差异很少，平均差异率仅为 0.32%。而通过追溯不同种族线粒体 DNA 的原型，威尔逊又进一步确认了现代人类线粒体 DNA 的发展谱系。他发现，现代人类的线粒体 DNA 分为两大类，第一类仅见于一些非洲人中，第二类则分布于包括其他非洲人在内的所有种族中，且第二类的最终源头也在非洲人中。这些研究成果都说明，线粒体夏娃是一位非洲女性，这也进一步奠定了人类单地起源说的科学地位。           对于我们所有人类的共同母亲，大家可能会抱有美好的幻想，但是，夏娃并不一定漂亮优雅或才华横溢。她只是当时生活着的人类中很普通的一员。只是完全出于偶然，其他的女性的后代没有延续到今天，她们线粒体的传递都终止了。你可能会觉得这事很不可思议，这样的几率是不是非常非常微小呢？其实不是，从上帝视角来看，只要经过的时间足够长，从数学上来说，这是逻辑必然，我们必然有一个共同的母亲。           用同样的数学逻辑我们可以推断出，我们也拥有一个共同的父亲，当然这个共同父亲未必和夏娃生活在同一个年代，因为我们不能肯定夏娃只有一个性伴侣。而是遗传学上，有一位亚当，把他的 Y 染色体传递给了现在的人类。如果说母亲传给女儿的是线粒体 DNA，那么爸爸传给儿子的就是 Y 染色体。遗传学家通过与追溯线粒体夏娃差不多的方式，锁定了“Y 染色体亚当”。他生活在距今六至九万年前。           我们每个人都令人不可思议地相似。把你的基因与任何一个人类的基因相比较，平均来说，它们的 99.9% 是完全相同的。事实上，人类只有一个种族。区别不同种族最常用的特征，比如皮肤和眼睛的颜色，是由相对而言极少数的基因控制的。十万年只是历史长河中的片刻，在这短暂的人类进化史中，为了适应环境带来的巨大压力，这些极少数的基因发生了改变，例如，赤道地区的人皮肤变得黝黑，是为了减少紫外线辐射的伤害；而北方地区的人皮肤白皙，是为了在较弱阳光下，人体能产生较多的维生素 D。这些外表上的基因差异只占到所有基因的不到 0.1%。所以，其实中国人、美国人、阿拉伯人，我们都是人属、人科、人种，不管从生物学的角度还是从家谱的角度来说，地球人真的都是一家人。这千分之一的微小差异，就构成了我们每个人的独特个性。 图：一个独一无二的“我”           近年来，科学家们为完成人类基因组计划做出了巨大的努力。准确地说，并不存在一个共有的人类基因组，每一个人的基因组都是不相同的，否则的话，我们每一个人就是一模一样的了。正是因为我们的基因组不停地重组，使得我们每个人都大体相同，但又不是完全一样。所谓龙生九子，各个不同，但又都属于同一物种。           到底什么是基因，什么又是基因组呢？这又要从细胞开始说起了。每一个细胞中都有一个细胞核，而每个细胞核中又都有一种叫染色体的东西，之所以叫染色体，就是因为字面意思，它首次被发现是因为染上了颜色。这是 46 束很复杂的物质，其中有 23 束来自你的母亲，23 束来自你的父亲。你身体中的几乎每一个细胞（约99.999%）都含有相同数量的染色体，只有极少数的例外（这些例外是红细胞、一些免疫细胞、卵子、精子，由于不同的组织结构方面的原因，它们并不携带完整的基因信息）。染色体包含一套完整的指令，用于创造出你，以及维持你的生命。这些指令是由一长串微小和神奇的化学物质构成，也就是脱氧核糖核酸，简称为 DNA，人们也称它们为“地球上最非凡的分子”。 图：DNA DNA 存在的原因只有一个，那就是制造更多的 DNA。你的身体中包含大量的DNA，差不多每一个细胞中都被压缩进了近 2 米长的DNA分子。而从上世纪九十年代开始，人类就向自己的遗传密码发起了一次超大规模的国际合作项目，这就是人类基因组计划。到了2001 年 2 月 12 日，由 6 国的科学家共同参与的国际人类基因组计划公布了一些重大进展。科学家经过初步解读，发现人类基因组一共约有 32 亿个碱基对，包含了大约 3 到 4 万个蛋白编码基因。请你看着镜子中的自己，然后想象一下这么一个事实：有 100 万亿个细胞在我的体内，几乎每一个细胞中又都含有 2 米多长，紧紧压缩在一起的 DNA。如果把你体内的所有 DNA 全部编成一条直线，足以从地球到月球再拉回来，而且远不止一个来回，是许许多多个来回。按照一个 DNA 长 2 米来计算，你体内的 DNA 总长度达到 2000 亿公里。           如果你有兴趣从考古学的角度多了解一下人类的进化史，可以在本公号中回复“人类起源”这四个字，观看一个讲解的视频。科学有故事，咱们下期接着聊。   请你开个脑洞 本期思考题：假设技术上都能实现，你认为还有没有比追踪 DNA 更可靠的研究人类进化来源的方式吗？ 把你的想法留言写下来吧~ 达尔文和谁一起奠定了二十世纪生命科学的基础？ 细胞如此拥挤，却又如此井井有条 世界很大，还有多少未知的惊喜在等待我们去发现 大自然依旧神秘的原因，除了地广物博还有什么呢？  在 KT 撞击前，恐龙到底是什么情况？  经历过五次物种大灭绝的地球，到底失去了多少物种  如果地球的历史是二十四小时，人类的历史只有一分钟  寒武纪生命大爆发的真相  病毒的威胁 【更多免费内容，就在科学声音小程序】 ▼▼▼ 我和科学声音的故事 Go to "Discover" > "Top Stories" > "Wow" Posted Sending Scan with WeChat tofollow the Official Account