科學家再現了人類與靈長類動物在進化中分開的歷史時刻

2020-08-23 孜然實驗室

在哺乳動物的進化過程中，大腦的進化趨勢是逐漸增大的。如果觀察人類與其他靈長類動物的區別，腦容量可能是其中最重要的區別之一。

1700萬年前，人科從長臂猿科的祖先中分離出來。1000萬年前，人族從大猩猩族的祖先中分離出來。700萬年前，人亞族從黑猩猩亞族的祖先中分離出來。

我們再對比一下腦容量。長臂猿腦容量約為100～120克。大猩猩的腦容量大約為540克，黑猩猩的腦容量大約400克，南方古猿腦容量約440～530克，猿人的腦量在850~1000克之間，現代人的腦量約為1500克。大猩猩腦容量稍大，主要原因是體重相對更大，實際上腦容量體重比並不高。通過這些數據對比，我們可以看出，腦容量是一路增大的。人類腦容量的發展速度，更是一騎絕塵，把我們的靈長類親戚遠遠的甩在了後面。

人類大腦新皮層是進化中最新出現的大腦皮層，它比人類近親黑猩猩的大腦皮層大三倍。在進化過程中，新皮層的褶皺增加，以適應有限的顱骨空間。

究竟是什麼導致了人類的新皮層變得如此巨大，科學家認為人類的祖先一定發生了某種基因突變，刺激了大腦生長。德國馬克斯·普朗克分子細胞生物學與遺傳學研究所（MPI-CBG）的研究人員識別出一個獨特的基因，這個名為「ARHGAP11B」的基因是現代人類和已滅絕的人類近親尼安德特人與丹尼索瓦人特有的。

ARHGAP11B基因有助於基底腦幹細胞繁殖，從而使人腦發育過程中產生更多的神經元，使負責說話和思維等高級認知能力的大腦體積增加。

人類和黑猩猩的共同祖先普遍擁有ARHGAP11A基因，大約500萬年前，ARHGAP11A發生突變形成了ARHGAP11B。擁有ARHGAP11B基因的一枝進化成了尼安德特人、丹尼索瓦人和現代人，而保留ARHGAP11A基因的另一枝進化成了現代的黑猩猩。

在2015年的一項研究中，MPI-CBG將這種基因植入小鼠胚胎中，小鼠胚胎產生了更多的神經祖細胞，實驗中一半的小鼠出現了人類特有的新皮層摺疊。

科學家認為這意味著該基因在人腦進化中發揮了關鍵作用。那麼這個基因是否就是那個導致人類與其他靈長類動物產生區別的關鍵基因呢？

近期，MPI-CBG與日本中央實驗動物研究所（CIEA）的研究人員合作，進一步研究了ARHGAP11B基因對絨猴胚胎的影響，並取得了重大突破。

絨猴

研究人員給絨猴胚胎插入ARHGAP11B基因，並將胚胎培育到101天大。

研究發現：

  • 絨猴大腦新皮層的大小增加，大腦表面被的摺疊，類似於人腦的摺疊方式。皮質板也比正常的厚。
  • 產生神經元的祖細胞類型增加，尤其是上層神經元的數量增加，這是靈長類動物進化過程中不斷增加的神經元。

增長的絨猴大腦。 圖片：Heide等人/MPI-CBG

左：正常胚胎的絨猴大腦，右：基因編輯的絨猴大腦。 圖片：Heide等人/MPI-CBG

現在，研究人員有了有利的證據，表明ARHGAP11B基因直接導致了靈長類動物大腦新皮層的擴張。

這項研究非常具有啟發性，可以說完美的複製了人類與其他靈長類動物分離的進化時刻。

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