从宇宙的起源与演化解读生命与疾病

北京时间10月8日,2019年诺贝尔物理学奖揭晓,加拿大裔美国科学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、以及瑞士2位科学家米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)获得这一奖项。吉姆·皮布尔斯的理论发现让我们理解了宇宙在大爆炸后如何演化,而米歇尔·麦耶、迪迪埃·奎洛兹则在探索系外行星的过程中发现了地球的邻居,他们的发现将永远改变人类对宇宙的认知。

《生命新知》曾以宇宙的起源为线索,衍生出地球的起源、生命的起源、人类的起源,并沿着这条线索对生命、健康与疾病进行了解读。现与大家分享。

本集要点

回顾宇宙、地球的起源、生命的起源、人类的起源。

生命在不断进化,为了适应环境,我们牺牲了很多,但是也获得了很多。

我们获得了发达的大脑,牺牲了强壮的肌肉,也带来了难产及婴儿死亡的风险,同时带来了老年痴呆的问题;

我们获得了语言、社会交往能力,牺牲了嗅觉和听觉。

疾病发生的4大原因:基因、环境、生活习惯、运气。

“我为什么会得病?”“乌龟不爱动,为什么能活得那么长?”要回答这些问题,先要探讨一下我们人是从哪儿来的,生命是怎么形成的,再扩大一点——我们所处的这个宇宙是从哪儿来的,地球是什么时候诞生的?当看到历史长河的演进过程以后,我们可能就会悟出一些道理。

这张图来自《科学》杂志上的一篇文章。美国宇航局NASA发射了一颗卫星,它走出太阳系,发现宇宙是一次大爆炸以后形成的。这个大爆炸发生在137亿年前,瞬间形成了时间、空间,之后形成了物质,然后不断地扩张、扩张、扩张……到46亿年前,太阳系的雏形形成了;45亿年前,在一片混沌中,我们的地球已经成为了一个球体,开始围着太阳转了。那地球上的生命是什么时候出现的呢?地球非常神奇,它处于一个离太阳不远不近的位置,水不会蒸发,地球内部的深处有铁水,不断的翻腾中形成了磁场,这个磁场保护着地球,不被太阳的射线穿透。在这样的状态下,水在地球上保留了下来,磁场保护了我们的生存环境,让宇宙射线进不来。非常偶然的机会下,地球上的生命诞生了。38亿年前出现了生命的迹象。

什么叫生命?生命有两个特点,一个是不走样的传代复制;第二是可以根据环境的变化而适应,也就是进化。如果满足这两点,生命就形成了。

至于生命是怎么形成的,有多种假说,有的说是外星过来的,有的说是大气层里的化学反应,现在比较主流的一种说法是生命来自于大西洋底,那里有很多跟地热相接的vent,像烟囱一样喷出数尺高的黑色烟柱,可以达到37度左右,非常偶然的机会下,化学反应发生了,形成了一种可复制的化学结构——RNA。我们知道病毒分成RNA病毒DNA病毒,而RNA就可以复制,而且可以传代,它还可以根据周围环境,适应性地形成保护自己的膜,就这样,早期的生物体形成了。但是RNA不太稳定,之后它又变成了双链,就变成了DNA。DNA就比较稳定了,可以传代、可以适应、可以维持自己的生长。此时,偶然的机会下,一个单细胞吞噬了另外一个细胞,而被吞入的细胞在宿主体内变成了发电机,专门供应能量,这就是线粒体。因为线粒体的出现,复杂的生命得以形成,也就是说,大量的单细胞变成了多细胞的生物。最后不断延续,成了现在世界上各种的生命现象。

那么人是什么时候形成的呢?实际上,人类是七百万年前和兄弟猩猩分道扬镳后形成的。遗传学证据表明,我们每一代在精子里可能都有二百个碱基差错,也就是二百个不同。七百万年前,我们和兄弟猩猩一模一样,此后,基因上的错误逐渐累积,现在我们和猩猩DNA的区别有1%到1.5%。这种差错让我们可以被动、主动地适应环境,也就是进化。

为了适应环境,我们牺牲了很多。比如,我们和兄弟猩猩分开以后,非洲出现了一个巨大的变化——森林消失了,我们进入了平原,不再爬树,转而直立行走,而直立带给我们的一个副作用是生小孩变得不是那么顺利了,产妇需要别人的帮助。我们的大脑不断进化,猩猩的大脑只有300克,而我们的有1300克到1400克。而如此重大脑的形成是由于社会(人类靠群体作战)以及人类在交流中语言的产生。此外,我们不是奔跑最快的,却是最能奔跑的。我们可以把动物追到筋疲力尽,最后把它抓住。在人类整个的演化过程中,有几个极为关键的点:人类会使用火,比如天火、钻石取火、钻木取火,取了火以后,会把火种留下来。有了火,我们可以吃熟的食物,同时可以取暖、可以控制温度。而且熟的食物更有利于吸收,有更多的能量可以供应大脑。人类社会的形成。语言的产生。

最后人类生存了下来。人类共同的祖先就是从非洲南部启程,之后往北跨过红海,进入中东,所以非洲南部是我们人类文化的摇篮。六七万年前,又有一部分人从中东地区走到了南亚,有的还穿过了南边的太平洋,走到了欧洲。大约四万多年前走到了东亚,以及中国大陆。两万多年前的冰川时代,人类跨过白令海峡进入美洲。这些历史是怎么被发现的呢?现在,我们可以追踪自己的基因,发现了我们共同的祖先,我们都是从非洲走出来的。

人类不同个体间各种生理指标几乎是一样的,行为和思想也几乎一样,但是因为每一代都有200个碱基差错,因此不同种族之间是有差异的,比如汉族、壮族、傣族之间都存在差异。

(从日本人和白种人的对比中,研究人员发现了超过1000个表达不同的基因)

要说清楚差异,还要从一个科学上的伟大发现说起。20世纪50年代初,两个科学家,一个叫J. D. Watson(沃森),一个叫F. H. C. Crick(克里克),他们把细胞核打碎以后,发现有很多碱基,最后,他们拼出了双链DNA,发现原来遗传物质是双链排列的,所有的生命现象都是基于这个双链DNA模型。2003年的时候,在全世界科学家的努力下,终于把人类所有的DNA全都搞清楚了,发现人类身上所有的细胞里都有31亿个碱基对,包括了两万多个功能基因,它们合成出6万多种蛋白,支撑着我们的整个生命。为什么2万个基因能支撑6万种蛋白呢?很多基因是可以互相组合或交错的。2013年以后,我们对人类基因组学寄予了巨大希望,希望它可以解析疾病,解析生命现象。很多疾病都是因为基因突变或者是其他问题导致的。除了基因以外,还有一种操控基因表达的叫表观基因(epigenetic)。比如两个双胞胎,他们的DNA完全一样,但是一个进入了一个富裕的家庭,一个进入了穷人的家庭,经过几十年之后,他们的体型出现了巨大的变化。基因一样,为什么会有这样的不同呢?因为环境不同,环境会通过表观基因控制DNA的表达,而且会遗传下来。也就是说,你的祖父抽烟,你的身上就会留下痕迹。所以,疾病不光是基因的原因还有表观基因的原因。基因装上了子弹,环境和生活习惯抠动了扳机,还有一点就是我们的运气。

基因现在不可改变,这不能怪我们的父母,运气也很难掌控,但是我们可以选择爱护环境、改善生活习惯,从而避免慢性疾病的发生。

参考文献:

1. Nature 1953;171:737-738

2. Science 2008;319:1100-1104

3. Science 2007;315:173-174

4. PNAS 2005;102:10604-10609