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在这个非洲小岛,疟疾正加速人类进化!新冠大流行是否会成为人类进化的新自然选择

生物世界

作者|nagashi  来源|生物世界(ID:ibioworld)

所有的生物都面临着自然选择的压力,而进化则是生物应对选择压力的方式。所谓“逆水行舟,不进则退”,如果一个物种缺乏进化甚至进化速度太慢,那么它最终都可能会被淘汰和灭绝。

值得注意的是,对于大多数生物进化而言,时间跨度是极为漫长的,例如我国的国宝大熊猫就最早起源于800万年前的晚中新世,经过数百万年的演变过程,才成为了拥有黑眼圈的“萌宝”。

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大熊猫被称为动物界的活化石

对比之下,人类的进化速度更为迅速。从南方古猿开始,短短的三百多万年,人类从树栖到陆栖,从非洲走向世界,从食物链的底层成为地球的主宰,人类文明正以指数级的形势不断发展扩张。

然而,从外表上看,现代人与几万年前刚走出非洲的智人相比似乎并没有什么不同。因此许多人也不禁浮现出这种疑惑——人类是不是已经停止了进化?

2021年1月29日,美国杜克大学进化人类学学系和英国莱斯特大学遗传与基因组生物学系的研究人员在 eLife 杂志上发表题为:Rapid adaptation to malaria facilitated by admixture in the human population of Cabo Verde 的研究论文。

这项研究表明,人类的进化从未停止,人类仍面临着自然选择!研究人员发现非洲岛国佛得角的一个小岛上的居民适应疟疾的痕迹——来自非洲祖先的一种基因突变被保留,而对应的来自欧洲祖先的等位基因的频率却在不但下降。

人类基因适应的其他例子被认为在数万到数十万年的时间跨度里展开,但是佛得角岛居民的抗疟疾能力发展仅仅花了500年!

这是迄今为止在人类基因组中发现的最迅速而又最富有戏剧性的进化之一。

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传染病与人类

在漫长的人类历史中,传染病的阴影一直笼罩着人类,可以毫不夸张地说,疫病是人类历史的基本参数和决定因素之一。美国著名历史学家威廉·麦克尼尔在他的著作《瘟疫与人》一书中,就列举了大量瘟疫改变人类历史的例子。

如今,我们在论述公元前430年的伯罗奔尼撒战争中,往往将雅典对斯巴达战争的失败归因于政治体制的不同。但实际上,在这场战争最激烈的时刻,雅典城曾因一场来去无踪的瘟疫折损了四分之一的兵力。如果没有这场瘟疫,战争的走向可能会被改写。

与之类似,在1870年爆发的普法战争中,瘟疫也至少部分决定了战争的胜负。当时,天花使得部分法国军人失去了作战能力,而普鲁士军人由于进行了天花的预防接种而未受影响。

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在漫长的人类历史中,天花病毒是最可怕的病毒之一

不仅如此,传染病还会对人类的生命安全造成巨大的威胁——几乎贯穿了整个人类文明史的天花,中世纪欧洲肆虐的黑死病,不治之症艾滋病以及新近爆发的新冠肺炎大流行。这些可怕的传染病造成了大量的人员伤亡。

由此看来,传染病正是人类抵达食物链顶端之后所面临的最大的自然选择压力之一,传染病在某种程度上促进了人类的进化!

疟疾加速了这些岛民的进化

在杜克大学Iman Hamid博士领导完成的这项研究中,研究人员在非洲海岸外的佛得角岛(Cabo Verde)居民的DNA中发现了适应疟疾的痕迹——Duffy抗原趋化因子受体(DARC)的基因频率在快速增加。

佛得角是大西洋上的一个群岛,由十个岛屿组成,距离塞内加尔约385英里,在15世纪中叶之前一直无人居住,当时葡萄牙人将一些非洲奴隶带到这里,强迫他们在这片土地上劳作,自此佛得角岛上才人定居。

值得注意的是,这些被强行带到佛得角的非洲奴隶携带了一种欧洲殖民者所缺乏的基因突变,即DARC,这种基因突变可以阻止间日疟原虫入侵红细胞。这意味着拥有这种等位基因的人更不容易患上疟疾。

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佛得角岛上的居民拥有高频率的DARC突变

研究团队分析了563名岛民的DNA,研究报告显示,在非洲人和欧洲人混合居住的情况下,由于岛上疟疾肆虐横行,遗传了这种保护性突变的人拥有巨大的生存优势,以至于在仅仅20代之内,携带这种突变的岛民比例激增。

这是一个十分惊人的进化速度,相比之下,人类基因适应的其他例子被认为在数万到数十万年的时间跨度里展开,但是佛得角岛居民的抗疟疾能力发展仅仅花了500年!

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疟疾的肆虐横行导致五个世纪以来携带DARC突变的佛得角岛居民的比例激增

Iman Hamid博士表示,500年时间,这在进化时间尺度上不过是一眨眼的工夫,大规模移民意味着要面临与以前不同的疾病和环境,而这项研究清楚地表明,人类仍在进化!

新冠病毒与人类的协同进化

在自然界中,协同进化是一种十分常见的物种进化方式。例如,猎豹的捕杀使得跑得慢的羚羊都死了,剩下的就是跑得快的羚羊,相应的,跑得慢的猎豹抓不到猎物而被饿死,跑的快的猎豹才能活下来。长此以往,猎豹和羚羊都会跑得越来越快。

当然,这是一个相当浅显的例子,相比之下,病毒与动物的协同进化就显得更为悄然无声。有研究表明,早期哺乳动物祖先借助共生的逆转录病毒演化出了胎盘。此外,大数据分析发现,自人类与黑猩猩“分手”以来,近三分之一的蛋白质适应演化都是由病毒驱动的,而背后真正的推手正是自然选择。

当下,新冠病毒(SARS-CoV-2)正在全球范围内许多国家和地区肆虐横行,截止目前,全球累计确诊病例数突破1亿人,死亡人数超过223万人。对此,许多国内外学者推测新冠病毒或将类似于流感病毒,与人类长期共存。

2021年1月18日,国际顶尖学术期刊 Nature 以“加速评审文章”的形式在线发表了由美国洛克菲勒大学、西奈山伊坎医学院团队领衔完成的题为:Evolution of antibody immunity to SARS-CoV-2 的研究论文【2】。

这项研究表明,新冠康复患者可以抵抗新冠病毒感染6个月甚至更长时间。值得注意的是,人体也在不断优化应对病毒的抗体免疫反应,感染几个月后产生的抗体对SARS-CoV-2及其在南非、巴西等地发现的变异毒株的阻断能力增强。

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人类在感染病毒之后,免疫系统会识别抗原,并将其呈递给B细胞,后者增殖分化成相应的浆细胞,进而产生可以结合该抗原的抗体,从而抵抗病毒的进一步入侵和感染。

通常情况下,人体应对感染而产生的抗体会在血浆中停留数周或数月,但其水平会随着时间的推移而显著下降。不过机体内会留下记忆B细胞,这类细胞会快速识别二次入侵的病原体,从而迅速增殖并释放出相应的抗体。

在这项研究中,Michel C. Nussenzweig教授领导的研究团队分析了87例新冠患者的体液免疫反应。研究人员在患者感染新冠病毒后1.3个月和6.2个月检测了其血浆中的中和抗体水平,并且分析了记忆B细胞的特征。

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血浆中抗SARS-CoV-2抗体的动态变化

研究人员发现,抗SARS-CoV-2 S蛋白RBD结构域的IgM和IgG的抗体滴度显著下降,而IgA受影响较小。与此同时,抗体的血浆中和活性在假型病毒检测中降低了5倍,但RBD特异性记忆B细胞的数量没有变化。

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抗SARS-CoV-2 S蛋白RBD结构域的单克隆抗体的中和活性

更重要的是,记忆B细胞在6.2个月后表现出克隆性更替,其表达的抗体有更大的体细胞高突变,抗体效力和对RBD突变的抗性得到增强。这些迹象表明,受到新冠大流行的影响,人类的体液免疫反应正在持续进化!

总而言之,传染病与人类的进化密切相关,它在造成巨大人员伤亡的同时,也会对人群进行筛选——适者生存,弱者淘汰。人类种群中相应的等位基因频率也会随之发生变化,而基因频率的变化正是物种进化的一种体现。

因此,无论是已经灭绝的天花病毒,还是仍在地区流行的鼠疫、疟疾,亦或是新近爆发的新冠肺炎大流行,微生物与人类的斗争是一场残酷而无硝烟的战争,现代医学的发展并没有完全终结这场战争,人类依旧面临着来自自然的选择——人类仍需不断进化!

参考资料:

[1] https://elifesciences.org/articles/63177

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03207-w

[3] https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210128134710.htm

编者按:本文转载自微信公众号:生物世界(ID:ibioworld),作者:nagashi


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