你和豬之間只差十把香蕉——人類與香蕉基因相似度達50%?

2020-12-07 中國科普博覽

"你真是頭豬"這句經常作為朋友之間調侃的話，近些年來被越來越多的科學研究證明可能真有幾分道理。

出品：科普中國

製作：京都大學生物科學研究科 六八七

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

"你真是頭豬"這句經常作為朋友之間調侃的話，近些年來被越來越多的科學研究證明可能真有幾分道理。科學家們將豬的基因組與人的基因組進行比對後，發現它們之間有極高的相似性。也就是說，人和豬確實"共享"了很多基因。

不光是豬，在動植物界中還有很多物種與人類的基因組存在相似性。這其中既有黑猩猩一類靈長目近親，也有酵母乃至香蕉等與人類完全不搭界的物種。今天我們先來盤點一番與人類基因組相似度較高的物種，再對這種相似性產生的原因加以簡介。

哪些動物的基因組與人類相似？

1. 黑猩猩

黑猩猩是目前與人類基因組相似程度最高的動物。研究表明，黑猩猩的基因組與人類基因組的相似性大約為98.6%到99%之間。從形態特徵以及生殖過程來看，黑猩猩都與人類很接近，基因組有很高的相似性也不足為奇。進化基因組學的研究顯示，人類的祖先與黑猩猩的祖先大約在500-600萬年前分開，各自進化成了現在的形態。

黑猩猩具有極高的智慧水平

▲（圖片來源：Tambako the Jaguar on Visual Hunt）

黑猩猩屬下的另外一種動物——倭黑猩猩與黑猩猩的相似度極高，二者共享了大約99.6%的基因。科學家推斷，它們直到大約130萬年前才演化為兩個獨立的物種。至於它們分道揚鑣的原因聽起來有點黑色幽默：二者都不善於遊泳，於是在剛果河南北兩岸的黑猩猩種群逐漸被地理因素隔絕，走上了略有不同的演化路線。

靈長目中不少其它物種也與人類的基因組相似度極高，例如大猩猩與人相似度達到98%，紅毛大猩猩達到97%。除此以外，各種猴乃至狐猴都與人共享了90%以上的共同基因。

2. 貓

目前的研究表明，貓與人類的基因相似性高達90%，這也從一個側面反映出了貓的智慧程度實際上可能超過我們對它們的固有印象。對貓的馴化最初發生在大約1萬年前，而且最初可能是貓主動將自己委身於與人類的這種共生關係中。證據顯示，當時的野貓以捕獵田鼠作為交易籌碼接近人類，從而獲取一點額外的蛋白質和食物。

3. 奶牛

是的，你沒有看錯，我們的基因組跟奶牛也有80%左右的相似性，這一數據甚至高於與我們擁有更近共同祖先的嚙齒類。科學家們對此給出的解釋是嚙齒類更小的體型催生了更快的繁殖周期和更高的繁殖能力，從而使得種群的演化能力和基因突變進程大大加速。

4. 小鼠

如果只比較蛋白質編碼基因，小鼠有85%的基因與人類相似；但如果將人類和小鼠的非編碼RNA進行比較，卻只有50%具有相似性。有科學家估計小鼠的祖先和人類的祖先大約在8000萬年前分開，各自進化。小鼠作為目前科學研究中最常用的模式動物，與人類基因組的高度相似性是其中很重要的原因。

5. 果蠅

看似跟人類體型差距極大，外貌特徵完全不一樣的果蠅，與人類基因的相似性居然有60%。可能很多人不敢相信，但基因比對的結果確實證明了人類的體內有一半以上的基因跟果蠅是相似的。

6. 雞

雞的生殖方式跟哺乳動物完全不同。儘管在繁殖後代上存在著巨大的差異，但基因比對的結果顯示，雞的體內依然有60%的基因與人類相似。

7. 香蕉

大盤點中唯一一種植物出現了，它就是香蕉！一種連動物都不是的生物，居然跟人類的基因有50%的相似性。雖然筆者也感覺很不可思議，但從生物學角度來說確實也有合理的解釋，我們將會在後面的段落詳細介紹。

8. 酵母

酵母是一種單細胞真菌，因為在生物學實驗中經常會用到，所以有人將它的基因組與人的基因組進行了比較。結果發現這種單細胞生物，依然有26%的基因與人類相似。

以上，筆者為大家盤點了8種生物與人類基因組進行相似性比較的結果。為了讓大家更好地理解上面的內容，並且消除可能存在的誤解，我們將從以下兩個角度為大家進一步解讀。

盤點中為什麼沒有其它我們熟悉的動物？

不少常見動物在盤點裡的缺席並不代表在自然界中與人類基因組相似的生物只有這8種。這8種生物之所以在列，是因為人類已經完成了對它們的基因組測序，而且有科學家完成了比對工作。

全基因組測序費時費力費錢，所以目前完成全基因組測序的大多屬於有科研價值以及有經濟價值的生物。例如，最新一種完成全基因組測序的動物是澳洲考拉，這項成果已於不久前的7月份登上了《自然—遺傳學》雜誌。考拉每年為澳洲帶來10億美元的直接經濟收益，而且為世界人民所喜愛，擁有自己的基因圖譜想來也不過分。

自然界中必然還存在很多跟人類基因組相似的物種，只不過因為沒有完成全基因組測序，沒有辦法進行相似性比對，因而具體的相似性數據不為人類所知罷了。

相似性比較的標準是什麼？

上面提到的基因組相似性，大多數指的是編碼蛋白質基因的相似性。但是在人類染色體中，編碼基因只佔到了整個DNA序列的1.5%到2%之間，也就是說其他98%的區域並沒有用來進行相似性比較。

那為什麼只比對這麼少的區間就能說兩個物種存在相似性了呢？這是因為在生物體內發揮功能的基因大多數都是這些編碼基因，其他非編碼區域被認為是"垃圾"區域。因此僅僅比較這些編碼蛋白的基因序列，就可以判斷不同物種之間相似性的大小了。

然而，隨著科學家對染色體認識的加深，近些年發現這些"垃圾"區間也會通過轉錄出非編碼RNA或者染色體摺疊的方式來間接影響細胞的生理活性。因此，目前的比對結果還不夠精確，相信隨著我們對生命運行規律的不斷解讀，將會得到更加科學的結果。

我長得無論如何也不像香蕉，憑什麼我們的基因組有50%相似性？

為什麼像香蕉、果蠅、雞這種跟人類外貌特徵、生活方式、繁殖方式差距這麼大的生物，還依然有半數以上的基因與人類的基因是相似的呢？

我們首先從生物體基本構成的角度來解釋這個問題。不管是酵母、香蕉、果蠅還是雞，都屬於真核生物，而真核生物都是由真核細胞構成的。高中生物學課程中我們已經學過，所有的真核細胞都具有以下幾個特點：

具有由染色體、核仁、核液、雙層核膜等構成的細胞核；有內質網、高爾基體、溶酶體、線粒體等細胞器；有發達的細胞骨架系統；轉錄方式基本一致，等等。

儘管這些不同的物種外貌差別很大，但從細胞水平來看，基本結構卻都是相似的。由於這些基本結構的形成是由基因決定的，所以也就不難理解為什麼植物和微生物還能跟人類的基因組有一定的相似性了。

其次也可以從生物進化的角度來解釋。不管是動植物還是微生物，最初都是由共同祖先進化而來的，所以不同生物之間或多或少都遺留著共同祖先的一些基因特徵。

隨著各物種向不同的方向進化，基因之間的差異也就越來越大。這也就是為什麼上述幾種動物中，黑猩猩與人類基因組相似性最高，而酵母與人類基因組的相似性最低了。

進行跨物種基因比對有什麼意義？

隨著越來越多物種全基因組測序的完成，我們還會發現更多跟人類基因組相似的動植物。實際上，對進化角度上親緣關係較近的物種進行類似的基因比對研究，是目前進化基因組學最有力的研究手段。

通過基因比對，我們可以釐清不同種近緣生物的親緣關係，確定它們種間分化發生的大致時期，以及把握物種演化的脈絡，從而優化經典的物種分類樹；科學家還能夠根據過去的物種進化軌跡進一步預測地球上生物未來的進化方向，為人類與地球的可持續發展提供建議。

地球上的現存生物雖然各自經歷了數十億年的進化歷程，但都可以追溯到共同的祖先，從這個角度來說，我們與香蕉擁有50%的共同基因其實不值得大驚小怪。

參考文獻：

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2278377/

2. https://www.thedodo.com/animals-you-had-no-idea-were-so-closely-related-to-humans-1172946617.html?from=groupmessage

3. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9284919

4. https://www.sciencemag.org/news/2013/12/when-cats-became-comrades

5. https://www.sciencemag.org/news/2009/04/mooove-over-humans-cow-genome-here

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

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