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遺傳學上的響應

當農業剛剛興起,自然選擇往往作用在已有的遺傳學改變上;就好像在小規模的人為選擇實驗裡,改變的只是現有等位基因的頻率。

大部分已有的遺傳改變形式必然是一些中性變異,其中每一個基因的中性變異都不會與其他顯著不同。這些遺傳變化可能會起一些作用,但這些中性等位基因都在干一樣的事情。歐亞大陸上未來的農牧者會遇到很多問題,我們很懷疑這些中性的基因中的大部分最終能轉化成解決這些問題的性能。更可能的是,先前存在的功能性改變更加重要。比如說,有一個基因,它的古老形式會幫助人們去保存鹽。因為人類在歷史上大部分時期都生活在溫熱地區,這個遺傳改變普遍地起作用。然而在如今的非洲裔美國人中,這個古老基因的高頻出現則很可能是這一群體日益增高的高血壓風險的其中一個原因。事實上,在熱帶非洲,幾乎每個人都攜帶這一基因的古老形式。在歐亞大陸,隨著人們向北遷移,這一基因的一個無效變體(它真的啥也不干)變得越來越常見。[4]有可能這一基因在肌體中儲存鹽的作用在更冷的地區變得有害,因為人們更少地通過流汗流失鹽分,它會導致過量鹽分引起的高血壓。

很重要的是,這個無效基因在歐洲和在東亞是一樣的,這就說明它源自非洲而且古老。如果它是分別在歐洲和亞洲獨立起源的話,我們就該在這兩個地區看到它的不同變體,就如不同的不連續色素基因帶來的兩個地區的淺色皮膚。

對這個失效的鹽分保存基因最合理的解釋是:(在人類擴張並走出非洲之前)非洲的某些地區足夠涼爽,在這些地方保存肌體鹽分不是迫切需求,因而這個基因的一種不活躍的形式反而是有利的。這有可能在冰期的埃塞俄比亞發生過,想想看即便如今埃塞俄比亞高原的氣候仍然是溫和的。如果情況就是如此,那麼這個失效的等位基因就代表了先前存在的、由非洲之內環境變化引起的適應性變化,而不是中性變異。

另一種先前存在的遺傳變異會帶有平衡的多態性。當一個群體維繫著同一個基因的兩種不同的等位基因,平衡的多態性就會出現,而這種多態性之所以平衡是因為雜合的個體比同型結合的個體有更好的適應能力。雜合優勢在比方說鐮狀細胞或瘧疾防禦中都會出現。也有一些等位基因在它們數量稀少的時候起到積極的效果,而其優勢會隨著數量增長而減弱,最終起負面影響(這稱作頻率依賴型選擇)。其中一些最有趣的例子包括了可被博弈理論分析的行為。

一個有名的例子就是鷹鴿博弈,其中一些個體在遺傳學層面上更具攻擊性,而另一些則比較傾向和平。當鷹數量較少時,它們可以輕易擊敗鴿子並具有更高的適應性。而當它們數量多起來時,它們比較容易遭遇自己的同類,常常兩敗俱傷,適應性就降低了。在一定的數量比例時,鷹和鴿子的適應性是相同的,達到平衡的多態性。[5]

平衡的行為多態性對新的選擇壓力反應迅速。如果原先的數量比例是50%的鴿子和50%的鷹,那麼當環境變化,攻擊性行為的成本升高的時候,比例也會隨之改變:比如說變成70%的鴿子和30%的鷹。這類演化變化是非常迅速的,特別是與新的選擇性清除基因的演化變化過程相比,後者的出現本來就很罕見,並且要花上數千年才能達到20%或以上的數量比例。如果鴿子能得到5%的選擇優勢,那麼數量比例從50%到70%可以在10代以內發生。

人類遺傳變化在農業到來之前相當局限,部分是因為彼時人口數量少,同時也因為這些遺傳改變沒有用;許多被農業人口青睞的遺傳改變事實上對他們的狩獵兼採集者祖先來說都是有害的。這意味著一些在農民身上有積極影響的等位基因在他們的狩獵兼採集者祖先們身上是極其罕見或不存在的。比如說,減低部分功能的G6PD(葡萄糖—6—磷酸脫氫酶)基因的變體,它可以抵禦惡性瘧疾,但也有負面影響,尤其是對人類。如今這些G6PD基因的變體在瘧疾盛行的區域有淨正效應,在許多人類群體中也變得很常見。而當惡性瘧疾傳播以前,這些變體很可能在所有人類群體中起淨負適應,所以會極為罕有。

所以,新的變異很可能在人類對農業的演化回應中起到主要的作用;而幸運的是,由於人口隨著農業的到來而增長,大致在農業出現的時段這些變異的供應也大大增加了。我們不是說農業的到來從哪個深淵中召喚出了合適的變體,讓人類適應事物的新秩序。變體是隨機出現的,而且一如既往地,它們中的絕大部分含有中性或負面效應。但大的人類群體中有更多的變異出現,而其中一些是有利的。增長的人口帶來了有利突變供應的增長,就如買更多的彩票會增加你的得獎概率。

大約5000年前有記錄的歷史開始的時候,新的適應性突變以巨快的速度出現,比在更新世時速度快了100倍。這說明了晚近人類進化在性質上不同於加諸於馴養動物上的人為選擇。這是簡單的規模問題。在人為選擇實驗中,通常只有不超過幾十或幾百個個體,所以很少出現有利突變,這就決定了選擇必然主要依賴於原有的基因變化。在晚近人類演化中,大約有幾百萬到幾億個個體,他們全是潛在的變異者,所以大部分有利變體都是新的。

人們或許會覺得在農業條件下,已經很常見的等位基因比新的變體更容易成為高頻出現的基因。該觀點基於這樣的理由:新變體最初只有單一的樣本,所以會面對許多劣勢。然而這樣想就低估了這個變體對它的承載者以及承載者的後代所產生的有利影響。即便是一個有利基因的單一樣本也有相當可觀的機會可以流傳下去(有5%進化優勢的基因流傳的概率是10%),它的指數增長更使它能夠迅速傳播。許多新變體出現在大的農業人口中,絕大部分的清掃基因一定都是新的。

農業出現後的人類演化過程不僅比人為選擇實驗涵蓋了更高數量的個體,而且還跨越了更長的時段,它大約有400代,這個時間長度對於以哺乳動物為對像進行人為選擇實驗來說根本不可能達到。而且這樣的長時間段也會促成質的變化,因為新的變異有足夠長的時間成為高頻出現的基因,並在適應性變化中起關鍵的作用。

近期研究中發現了數百個正在起作用的清掃基因,它們幾千年前就開始起作用,如今仍在繼續。有一些等位基因已經成了固定存在的基因,但更多的則以中等頻率出現,而其中最多是在部分地區存在的基因。它們中的許多是晚近出現的:在歐洲和中國的樣本中,這些清掃基因起源的高峰是大約5000年前,而在非洲樣本中是大約8500年前。有如此之多的清掃基因,事實上我們都可以進行一些統計研究了。通常我們對一個基因的功能能夠有所瞭解,比如說,看看它在哪些組織中有最高的表達率,或者是看看當它被抑制的時候會有什麼後果。通過這些信息,我們可以著手研究數百個正在起作用的清掃基因,看看它們正在幹什麼樣的活。而當我們進行這一類研究的時候,我們可以看到大部分這些執行清掃功能的等位基因可以歸納為幾個功能組:許多影響新陳代謝的變化,抵禦入侵的疾病,影響繁殖,影響DNA修復,或作用於中樞神經系統。