我們是怎么從猴“變”成人的？

出品：科普中國

作者：冉浩（中國科學院昆明動物研究所生物多樣性基因組學課題組） 周龍（浙江大學生命演化研究中心）

監(jiān)制：中國科普博覽

在生物學領域，人類屬于一個被稱為靈長類的哺乳動物類群。類人猿、猴類……在靈長類動物中，人類又擁有眾多“親戚”，我們和它們擁有共同的祖先，那么這個共同的祖先究竟是誰？我們是怎樣一步步變成人類的？這些靈長類動物的起源問題一直為人們所關注。近日，隨著靈長類基因組計劃階段性成果的公布，我們離回答這個問題又進了一大步。

從祖先到枝繁葉茂

要回答“我們是怎樣一步步變成人類的”這個問題，就要弄明白我們人類和靈長類“親戚”之間錯綜復雜的演化關系，靈長類基因組計劃就為我們打開了靈長類演化的“黑匣子”。

浙江大學的張國捷課題組和中國科學院昆明動物研究所的吳東東課題組，聯(lián)合國內外學者，利用50種靈長類動物的全基因組數(shù)據(jù)進行了溯祖分析（也就是反推靈長類各個類群的起源）。

這項工作需要樣本對生物類群有較高的覆蓋度，才能獲得比較準確的結果。此次研究的樣本涵蓋了14個科共38個屬的樣本，其中加入了27個新的高質量基因組數(shù)據(jù)，還包括了之前研究中較少涉及的種群。

因此，這項研究在結果的可靠度和物種的覆蓋度上比之前的研究有了較大的提升。

靈長類樣本選擇完畢后，研究團隊又以鼯猴和樹鼩這兩種與靈長類關系比較近但并非靈長動物的基因組作為外群，重構了靈長類的演化關系，并得到了各主要類群之間在歷史上彼此朝不同方向演化的發(fā)生時間。

結果如何？這要從靈長類這個龐大的“家族”說起。

靈長類動物有超過500個現(xiàn)生物種，生物分類學家將他們歸入到了靈長目共計16個科的79個屬中。

靈長目演化樹

（圖片來源：靈長類圖片由Stephen D. Nash繪制，圖片由張國捷課題組和吳東東課題組合作提供）

其中，原猴類（原猴亞目，Strepsirrhini）是比較原始的類群，它們分布在非洲、南亞和東亞，狐猴、懶猴和叢猴等就屬于這個類群。而現(xiàn)代靈長類的主體簡鼻類（簡鼻亞目，Haplorrhini）則又包括了狹鼻類（Catarrhini）和闊鼻類（Platyrrhini）兩個大類，后者也是兩個不同的演化分支。

狹鼻類主要分布在歐亞大陸和非洲大陸，比較直觀的形態(tài)特征之一是兩個鼻孔的間距很短，我們人類就屬于狹鼻類（你可以摸摸自己的鼻子感受一下這個特征）。狹鼻類中的猴類被習慣性地稱為舊世界猴（按照傳統(tǒng)說法，歐亞非大陸屬于“舊大陸”，美洲大陸則是“新大陸”），包括了我們常說的狒狒、獼猴、葉猴等等。

狹鼻類的另一支——猿類，是舊世界猴的姐妹群，也分布在“舊大陸”。詩詞“兩岸猿聲啼不住”中的長臂猿屬于小猿，而黑猩猩、紅毛猩猩、大猩猩和人類等則屬于大猿，在一些刻意強調我們出身的場合，有時我們也會自稱“裸猿”。人類在從大猿中演化出來的過程中，失去了濃密的體毛，獲得了更加徹底的直立行走姿態(tài)、更加發(fā)達的大腦結構以及更加復雜的社會結構。

美洲大陸沒有猿類，那里的靈長類動物是闊鼻類，也被稱為新世界猴，新世界猴包括狨類、卷尾猴類、夜猴類、僧面猴類和蜘蛛猴類等。顧名思義，它們的鼻孔間距很大。此外，新世界猴的尾巴非常靈活，可以輔助攀爬。

這項研究分析得出了所有靈長類的最近共同祖先可能出現(xiàn)在大約6829萬—6495萬年前。這個時間段，距離6550萬年前那次造成非鳥恐龍滅絕的白堊紀末期大滅絕事件非常近，大致處于白堊紀的時間邊界位置。這意味著靈長類動物的演化可能受到了物種大滅絕事件的影響，至于如何受到影響的，那就是未來的研究需要回答的問題了。

快速演化的大腦

從猿到人，大腦的變化非常關鍵。

人類可能擁有動物界最聰明的大腦，不僅腦容量較大，大腦皮層的結構也更為復雜。和身體的其他部分一樣，人類的大腦也是從靈長類的祖先那里演化而來的。

在漫長的演化過程中，靈長類的腦部容量逐漸增加，占身體的比例也逐步增加，且皮層折疊程度不斷復雜化。在靈長類的演化過程中，相對腦容量的顯著增大有四個關鍵節(jié)點，分別發(fā)生在類人猿下目的祖先、狹鼻類祖先、大猿祖先和人類身上。

在猩猩等大猿物種出現(xiàn)之后，這種趨勢變得尤其突出，并在人類中達到了頂峰。人類不僅擁有了靈長類動物中最大的腦容量，還擁有了折疊程度最為復雜的大腦皮層。

靈長類物種腦容量演化歷程以及此過程中基因組上的變化

（圖片來源：大腦圖像來自密歇根州立大學，圖片由張國捷課題組和吳東東課題組合作提供）

研究發(fā)現(xiàn)，在靈長類演化的過程中,很多與大腦發(fā)育相關的基因在演化的關鍵節(jié)點受到了正向選擇，也就是說，這些基因被自然選擇強化了。因此，研究人員推測，這些基因對靈長類腦容量的增大發(fā)揮了重要作用。

這些基因中還包括一些前人的實驗研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、與大腦發(fā)育相關的關鍵基因，這些基因的突變會導致小鼠的大腦功能受損。例如，小頭畸形是人類嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，病人腦容量由于神經(jīng)細胞增殖的能力受到阻斷而變小。與小頭畸形相關的基因在多個分支中都受到了強烈的正向選擇，很可能在靈長類的腦容量增大過程中發(fā)揮了作用。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，一些非編碼區(qū)域在靈長類演化過程的關鍵節(jié)點發(fā)生了加速演化。非編碼區(qū)域是一些不會表達出蛋白質的DNA區(qū)域，但是這一區(qū)域會影響基因表達，如最終增加或減少相應蛋白質的合成量。這些區(qū)域很多落在大腦發(fā)育相關基因的調控區(qū)域，這些結果表明了靈長類動物在漫長的演化過程中，通過調節(jié)大腦相關基因的表達不斷地優(yōu)化大腦的構造。

以上這些發(fā)現(xiàn)表明，**靈長類動物在演化歷程中，最終演化成大腦更為發(fā)達的形態(tài)，有很多基因及其調控區(qū)域參與其中，**這豐富了我們對靈長類大腦演化分子機制的認識。

尋找人類失去的尾巴

在演化過程中，人類丟掉了身后的尾巴。

不論長短，幾乎所有的脊椎動物都有尾巴，在屁股上長的尾巴也叫肛后尾。對于一些動作靈敏的靈長類物種，長短不一的尾巴能夠幫助它們穩(wěn)定身體，轉向和控制速度，闊鼻猴的尾巴還能起到輔助攀爬的抓握作用。然而值得注意的是，猿類的祖先卻失去了尾巴，這也成為了猿類的重要特征。猿類是如何失去尾巴的呢？

有意思的是，猿類的尾巴消失得非常徹底，直到目前也沒有猿類祖先逐漸失去尾巴的化石記錄。早期猿類化石——距今約2000萬年前的原康修爾猿（Proconsul），就已經(jīng)沒有了尾巴。猿類失去尾巴獲得了直立行走的優(yōu)勢，同時也喪失了攀爬時用尾巴保持平衡的功能，這可能促進了部分猿類從樹冠走向地面。

此前，已有生物學家對此做出了一些探討，從適應性方面推測了猿類失去尾巴的原因。在分子生物學層面上，相關研究還非常有限，推測這一現(xiàn)象可能與一些特定的基因調控序列的突變有關。

在此次研究中，通過檢測人猿超科物種的基因組相對于其他靈長類發(fā)生的變化，研究人員發(fā)現(xiàn)，多個基因的非編碼調控區(qū)域積累了大量變異，比如基因KIAA1217的調控區(qū)域。

KIAA1217基因在人類身上發(fā)生突變可能會導致脊柱和尾椎畸形，影響脊柱的正常發(fā)育；而在小鼠中，這個基因的突變則會導致尾椎數(shù)量的減少?；蛘{控區(qū)域是DNA上能夠調控基因發(fā)揮作用的特殊區(qū)域，或者說，是一些特殊的DNA序列。這個基因調控區(qū)域在基因KIAA1217的增強子區(qū)域，并且與基因在同一個拓撲結構關聯(lián)域（TAD）中。這提示著，這個基因調控區(qū)域和基因有很強的交互作用，可能調控了KIAA1217基因的表達。

猿類的這個基因調控區(qū)域的DNA序列和其他靈長類有很大不同。研究人員推測，很可能是這些區(qū)域的突變導致了KIAA1217基因表達失衡，導致猿類失去尾巴。盡管這一假說仍需進一步的研究和驗證，但是這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們更好地理解猿類演化史提供了新的線索。

KIAA1217基因的調控區(qū)域在猿類中的快速演化可能導致其丟失尾巴

（圖片來源：張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖）

骨骼、體型、消化系統(tǒng)……

在演化過程中，靈長類動物的共同祖先在適應著各種環(huán)境和食物的同時，也不斷地經(jīng)歷著骨骼、體型和消化系統(tǒng)的演變。除了大腦的快速演化，這些方面的演化也對靈長類的適應性和生存能力有著重要的影響。本次研究還發(fā)現(xiàn)了許多重要的基因與這些變化相關。

骨骼系統(tǒng)在靈長類動物演化過程中的作用異常突出，骨發(fā)育相關的基因在樹棲生活方式的適應性演化中扮演著特別重要的角色。在靈長類祖先中，有四個與骨發(fā)育相關的基因（PIEZ01, EGFR, BMPER and NOTCH2）受到了強烈的正選擇，具體功能有待進一步明確。研究人員在長臂猿中也發(fā)現(xiàn)了四個正選擇基因（LONP1, BRCA2, NEK1 and SLC25A24），這些基因的變異會影響骨骼長度，從而延長前臂，并且對長臂猿在樹上活動和覓食等方面產生重要作用。

靈長類動物的體型變化很大，小如只有幾十克的鼠狐猴，大有超過200千克的大猩猩。研究者在大猿祖先的基因中發(fā)現(xiàn)了幾個重要基因，可能對大猩猩體型的演化產生了影響。其中一個是DUOX2基因，它參與對身體發(fā)育有重要作用的甲狀腺激素的合成。DUOX2基因變異能導致小鼠體型變小。此外，還有一些基因參與塑造了骨骼發(fā)育和體型大小的調節(jié)通路。

不同的靈長類有不同的飲食習慣和對應的消化系統(tǒng)，有些靈長類（如葉食性的疣猴類）很喜歡吃樹葉，并且已經(jīng)演化出了獨特的前腸系統(tǒng)以適應這類飲食。研究發(fā)現(xiàn)了一些關鍵的消化基因，這些基因在疣猴類的祖先身上受到了正選擇，從而積累了特殊的氨基酸變異，來適應這種特殊飲食的狀態(tài)。

例如，ACADM基因編碼一種在代謝攝入的脂肪酸方面起著關鍵作用的Acyl-CoA脫氫酶，疣猴在這個基因上發(fā)生的變化提高了它們消化脂肪酸的能力。再例如，累積的NOX1基因變異可以進一步幫助疣猴調節(jié)體內的微生物，讓它們更好地消化葉子。它們的腸道還可以通過微生物發(fā)酵，產生短鏈揮發(fā)性脂肪酸，從而提供更多的能量。

靈長目基因組演化特征與表型特征之間的關聯(lián)

（圖片來源：張國捷課題組和吳東東課題組合作供圖）

結語

靈長類基因組計劃不僅探討了包括猿類在內的靈長類的演化歷程和物種形成（如首次報道了靈長類的雜交成種現(xiàn)象），還對染色體演化、快速演化DNA序列、基因的不完全譜系分流等等進行了探討，它的成果遠遠不止這些，要知道，這是一項龐大又深入的研究。

在尋找生命起源的旅途中，生物學家們從不會因為畏難而止步不前。我們究竟是誰？為了回答這個問題，人類在一組組字母中“解謎”，探求演化的奧秘。我們堅信，終有一天，人類會書寫出完整的生命故事。

注：

靈長類基因組計劃介紹

全球現(xiàn)存有超過500個靈長類物種，分屬于16科9屬。非人靈長類由于其與人類的近緣關系，對于理解人類的起源、演化、生理性狀、疾病等方面的研究具有重要意義。我國科學家聯(lián)合國內外多個研究中心，發(fā)起了靈長類基因組計劃，旨在通過多學科交叉技術手段和團隊合作，研究人類在內的靈長類物種的起源和分化過程，以及靈長類社會組織和各種生理特征的演化和遺傳基礎。此外，該計劃還將研究靈長類遺傳變異圖譜及其對人類致病基因變異模式的影響。

靈長類基因組計劃的研究聯(lián)盟

浙江大學生命演化研究中心張國捷教授團隊

中國科學院昆明動物所吳東東研究員團隊

西北大學生命科學學院齊曉光教授團隊

云南大學生命科學學院于黎研究員團隊

西班牙龐培法布拉大學聯(lián)合演化生物學研究所Tomàs Marquès-Bonet教授團隊

Illumina人工智能實驗室

美國貝勒醫(yī)學院人類基因組測序中心Jeffrey Rogers教授團隊

丹麥奧胡斯大學Mikkel H. Schierup團隊

德國萊布尼茨靈長類研究所Christian Roos教授團隊

階段性研究成果（11篇研究論文）

Science研究?？?篇論文）

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Wu H, Wang Z, Zhang Y, ..., Yu L. 2023. Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey. Science 380. Doi: 10.1126/science.abl4997.

Science Advances（2篇）

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Zhang BL, Chen W, Wang ZF, ..., Wu DD. 2023. Comparative genomics reveals the hybrid origin of a macaque group. Science Advances 9. Doi: 10.1126/sciadv.add3580.

Nature Ecology & Evolution（1篇）

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（注：文中拉丁文部分應為斜體。）