尋找人體內(nèi)的“魚祖先”

邵峰

今天生活在地球上的每一只爬行動(dòng)物、每一只鳥、每一頭哺乳動(dòng)物和每一個(gè)人都是古代魚類的后代。我們的身體構(gòu)造就講述了這段歷史。

如果我們想讓一輛老爺車跑上200千米/小時(shí)，改裝工程師必須重新調(diào)校所有零部件，如果調(diào)校依然無(wú)法解決問題，就必須更換零件。從許多方面看，人類就像是這臺(tái)改裝后的老爺車。進(jìn)化這個(gè)“工程師”將魚類的身體構(gòu)造重新調(diào)整，得到了兩棲動(dòng)物、爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物。然后，哺乳動(dòng)物被逐漸改造成用兩條腿行走、會(huì)用各種語(yǔ)言交流、能主動(dòng)思考解決問題、能控制手指完成精細(xì)工作的人類。

人之所以會(huì)打嗝，人的膝蓋之所以容易受傷，歸根結(jié)底，這些人類先天弱點(diǎn)都來(lái)源于進(jìn)化鏈條的上游。其實(shí)，可以說(shuō)人類的大多數(shù)身體構(gòu)造上的缺陷，來(lái)源都能追溯到人類祖先物種——魚類。

魚給了我們卵黃囊

魚卵都有卵黃囊。在所有魚類中，鯊魚卵的卵黃囊可能是最顯眼的。鯊魚是一種非常古老的軟骨魚，在距今4.2億年前的志留紀(jì)時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)在地球上。部分鯊魚是卵生，它們產(chǎn)下的卵很像一個(gè)錢包。透過(guò)黃色透明的卵鞘，我們可以看見其中的幼鯊和為其提供營(yíng)養(yǎng)的巨大卵黃囊。

大約在3.75億年前，遠(yuǎn)古魚成功登上大陸。當(dāng)時(shí)，這批“先驅(qū)”面臨的最大挑戰(zhàn)之一，就是如何防止它們的卵失水變干、死亡。兩棲動(dòng)物選擇回到水中產(chǎn)卵，避開了這個(gè)難題。爬行類則進(jìn)化出更激進(jìn)的解決方案：一種全新形態(tài)的卵——將胚胎裝進(jìn)羊膜這個(gè)充滿液體的囊中，然后在外層包圍一層硬殼以保護(hù)卵。結(jié)果就有了蛋。于是，爬行動(dòng)物可以在陸地上產(chǎn)卵，方便它們進(jìn)一步征服陸地。在這過(guò)程中，卵黃囊也被保留了下來(lái)。

人類胚胎在發(fā)育初期，也會(huì)形成卵黃囊，它對(duì)胚胎有造血和營(yíng)養(yǎng)作用。雖然此時(shí)胚胎還太小，B超成像無(wú)法看到，但醫(yī)生能夠通過(guò)卵黃囊判斷胚胎存在。隨著胚胎長(zhǎng)大，卵黃囊漸漸消失。其實(shí)，人類等哺乳動(dòng)物胚胎時(shí)期的卵黃囊可以被看作一種“痕跡器官”，它的存在提醒著我們的祖先是遠(yuǎn)古魚。

人類胚胎中的卵黃囊負(fù)責(zé)為胎兒造血。

透過(guò)鯊魚半透明的卵鞘，可以見到碩大的黃色卵黃囊

魚鰭變?nèi)耸郑抗穷^能作證！

人類等靈長(zhǎng)類動(dòng)物能夠進(jìn)行精確的手部運(yùn)動(dòng)，這是靈長(zhǎng)類區(qū)別于其他動(dòng)物的特點(diǎn)之一。那么靈長(zhǎng)類的手是如何演化而來(lái)的？150多年前，英國(guó)古生物學(xué)家理查·歐文經(jīng)常收到出海回國(guó)的人帶給他的各種奇怪生物。在解剖了大量生物并研究了它們的構(gòu)造后，他發(fā)現(xiàn)了一些相同點(diǎn)。盡管不同動(dòng)物之間，四肢的形狀和結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，但四肢骨骼都由三根主要的骨骼、趾骨以及連接兩者的許多小骨組成。這就好像是同樣的結(jié)構(gòu)在不同動(dòng)物身體上被壓縮、延展，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。人和狗等哺乳類動(dòng)物都具有這種模式，鳥盡管上肢變成了翅膀，但也屬于這種模式。

歐文雖然發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律，但他沒能找到背后的原因。真正回答這個(gè)問題的，是和他同時(shí)代的查理·達(dá)爾文。達(dá)爾文通過(guò)長(zhǎng)年大量觀察，總結(jié)出生物之間的這種共同模式，是因?yàn)樵谶b遠(yuǎn)的過(guò)去，它們都有共同祖先。不過(guò)，如果順著進(jìn)化樹追溯，這種上肢骨模式最遠(yuǎn)只能追溯到最早出現(xiàn)的陸地四足動(dòng)物。魚類沒有四肢，只有鰭，即便是距今4億年前遠(yuǎn)古魚類也是如此。這又是怎么回事？

大約4億年前的水下世界，史前魚類擁有的是鰭。我們?nèi)祟惾绾螐挠婿挼聂~，變成有四肢的動(dòng)物？達(dá)爾文預(yù)測(cè)在進(jìn)化過(guò)程中，存在一種過(guò)渡形式的遠(yuǎn)古生物。2004年，古生物學(xué)家在加拿大發(fā)現(xiàn)一種后來(lái)被命名為“提塔利克魚”的生活于泥盆紀(jì)的早期魚類。雖然屬于魚類，但它身上具備了許多兩棲類的特征：與過(guò)去許多更類似魚類的化石不同，它的“鰭”擁有原始的腕骨及單純的趾頭，表示它們可以承受重量。前鰭的骨骼顯示出它們可能擁有許多肌肉組織，這表示它們擁有發(fā)達(dá)的肌肉，而且有能力像手腕一樣彎曲。雖然它們很可能無(wú)法使用魚鰭行走，但是它們也許用其來(lái)支撐身體，就好像人做俯臥撐時(shí)用雙臂支撐上身。并且，提塔利克魚有肺，這意味著它們至少可以短時(shí)間離開水中，上岸活動(dòng)。

提塔利克魚——魚類和陸地四足動(dòng)物的過(guò)渡物種。

不同動(dòng)物的四肢骨骼構(gòu)造雖然不盡相同，但都具有相同的基本模式。

人靠“腮”說(shuō)話？

人類的耳朵、喉部和下顎的部分結(jié)構(gòu)都是由腮進(jìn)化來(lái)的。如果你將都處于發(fā)育初期階段的魚類胚胎和人類胚胎對(duì)比，你肯定會(huì)詫異于兩者竟然如此相似。人類胚胎發(fā)育的某個(gè)階段確實(shí)看起來(lái)像一條魚。不僅如此，魚類胚胎和人類胚胎都有相同明顯的隆起物，被稱為“腮弓”。魚類的腮弓會(huì)發(fā)育成腮骨、神經(jīng)、血管和腮部肌肉;而人的部分腮弓會(huì)發(fā)育成下顎、中耳和喉部這三個(gè)部位的部分“零件”。人類腮弓的發(fā)育過(guò)程非常復(fù)雜，這種復(fù)雜性為人類的語(yǔ)言交流打下基礎(chǔ)，但也帶來(lái)了麻煩。

人類通過(guò)控制喉部、后咽、舌、齒和唇的動(dòng)作才能發(fā)聲交流。所有這些結(jié)構(gòu)，都可以被視為在哺乳動(dòng)物或爬行動(dòng)物相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改后得來(lái)的。在你上排牙齒最后一顆臼齒后方，有一層可以將咽腔和鼻腔分隔開的軟腭。它由許多塊肌肉組成，能夠控制你說(shuō)話時(shí)發(fā)出的聲音。人類的舌頭更不用說(shuō)，其靈活在動(dòng)物界也是數(shù)一數(shù)二的。通過(guò)口腔中軟腭、舌、唇、齒的運(yùn)動(dòng)，再配合口腔的張合大小和形狀，以及聲帶振動(dòng)與否，人類才能靠說(shuō)話交流。

不過(guò)，人類為說(shuō)話付出了代價(jià)，其中之一就是“睡眠呼吸暫停”。隨著人類獲取的食物越來(lái)越精細(xì)，通過(guò)上下頜碾磨食物的需求越來(lái)越小，下頜發(fā)育也遠(yuǎn)不如我們的祖先，這就造成了軟腭和舌根后的間隙變得越來(lái)越小。仰臥時(shí)喉部肌肉放松，口腔內(nèi)的軟腭下墜，很容易引起睡眠呼吸暫停。一些患者甚至因此在睡眠時(shí)窒息身亡。

為了能夠說(shuō)話，人類付出的代價(jià)之二是容易被食物卡住氣管而窒息。我們的口腔不但用來(lái)交談，也用來(lái)呼吸和進(jìn)食。這些功能之間偶爾也會(huì)出錯(cuò)，比如吞下的食物進(jìn)錯(cuò)了地方，被卡在氣管。科學(xué)家通過(guò)多年的解剖學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，人類的喉部位置明顯低于其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物。喉頭位置下降，使人類從唇到喉的共振腔空間增大，整體形狀也更彎曲。通過(guò)改變口腔和咽腔的形狀和大小，人類能夠產(chǎn)生豐富的共振頻率。但喉部下降也會(huì)造成麻煩，因?yàn)槭车篮蜌夤軙?huì)有交叉，增加了食物嗆入氣管的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)，比起語(yǔ)言交流所獲得的生存利益，這點(diǎn)安全隱患算不得什么。

人類胚胎和魚類胚胎在初期十分相似，且都具有腮弓結(jié)構(gòu)。

人進(jìn)化出了適合說(shuō)話的咽喉，卻也因此容易阻塞氣道。

“魚祖先”給了我們有缺陷的呼吸神經(jīng)

人類大腦控制呼吸并不需要意識(shí)參與，主要由腦干（脊髓和大腦的連接部分）控制。腦干負(fù)責(zé)產(chǎn)生沖動(dòng)，由神經(jīng)傳遞到幾個(gè)主要呼吸肌，且必須按照胸肌、橫膈肌、喉部肌肉的順序先后收縮。除了呼吸，吞咽的肌肉活動(dòng)順序也由腦干控制。

人類的腦干也是遠(yuǎn)古魚類的進(jìn)化版。鯊魚和骨魚需要使用腮部附近的肌肉才能呼吸。從有4億年歷史的甲胄魚化石中，科學(xué)家看到了和現(xiàn)代魚類一樣的大腦和顱內(nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)，而且控制呼吸的神經(jīng)同樣是由腦干延伸出來(lái)的。這種神經(jīng)結(jié)構(gòu)適合魚類，但對(duì)哺乳動(dòng)物卻很糟糕。因?yàn)轸~類控制呼吸的神經(jīng)距離腮部很近，魚類大腦幾乎被腮部包圍，神經(jīng)信號(hào)傳遞很便捷。

哺乳動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)與魚類大不相同，肺部遠(yuǎn)離大腦，而控制肌肉活動(dòng)的神經(jīng)又很長(zhǎng)。比如，膈肌是人體最重要的呼吸肌，75%的呼吸功能得益于膈肌，可以說(shuō)沒有膈肌人就無(wú)法呼吸。然而，控制膈肌的神經(jīng)卻有“設(shè)計(jì)缺陷”：位于腦干的膈神經(jīng)發(fā)出沖動(dòng)信號(hào)，信號(hào)由神經(jīng)傳導(dǎo)，一路經(jīng)過(guò)頸部和胸腔，最后才達(dá)到膈肌。這條長(zhǎng)長(zhǎng)的信號(hào)通路穿過(guò)各種軟組織，既沒有保護(hù)，也很容易受損或干擾。比如，如果胸腔長(zhǎng)了腫瘤，會(huì)干擾這些呼吸相關(guān)神經(jīng)——要么讓相應(yīng)的肌肉“罷工”，要么使其過(guò)度興奮。如果人體的結(jié)構(gòu)更加完美，這條對(duì)人體至關(guān)重要的“呼吸信號(hào)電纜”應(yīng)該穿過(guò)堅(jiān)硬的脊椎，再?gòu)碾跫「浇┏黾棺担拖窠o裸露在外的電線加一層硬質(zhì)保護(hù)殼，如此才能更好地保護(hù)神經(jīng)。

膈神經(jīng)（黃色細(xì)線）既長(zhǎng)又缺乏保護(hù)，可以說(shuō)是進(jìn)化過(guò)程的“設(shè)計(jì)缺陷”

和魚類一樣，人類在胚胎發(fā)育初期，性腺也位于心臟剛近。性腺下降這個(gè)過(guò)程重演了數(shù)億年進(jìn)化史。

從魚到人，性腺搬家

魚類的性腺非常靠近心臟，這種布局不但方便供血，也能盡可能保護(hù)性腺。但人類的性腺——睪丸和卵巢卻遠(yuǎn)離心臟。這要怎樣解釋呢？如果人類的性腺位于胸腔，結(jié)果會(huì)是災(zāi)難性的。人類男性終生都會(huì)持續(xù)產(chǎn)生精子，精子生成的溫度要比體溫低2℃。太熱或太冷都會(huì)導(dǎo)致精子死亡或畸形發(fā)育。為了滿足精子對(duì)溫度的苛刻要求，哺乳動(dòng)物進(jìn)化出了陰囊結(jié)構(gòu)。

不過(guò)，在人類胚胎階段，性腺的初始位置確實(shí)和魚類一樣，都位于心臟附近。但隨著胚胎發(fā)育，性腺開始下降。女性卵巢會(huì)下降到尿道和輸卵管附近，這樣卵子要受精就不用“長(zhǎng)途跋涉”。不過(guò)，男性的性腺會(huì)繼續(xù)下降，移出腹腔，最終落入陰囊。這個(gè)過(guò)程重現(xiàn)了漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程。

但是，睪丸位于腹腔外也帶來(lái)了麻煩：睪丸疝氣（脫腸）。睪丸下降的同時(shí)，鞘突這個(gè)“口袋”也一起進(jìn)入陰囊。如果這個(gè)口袋沒有完全閉合，腸子就可能掉進(jìn)去，形成疝氣。

為什么人的膝蓋那么脆弱？

人類膝蓋很容易受損，而且一旦受損，肯定會(huì)涉及內(nèi)側(cè)半月板、內(nèi)側(cè)副韌帶和前十字韌帶。這三個(gè)“零件”往往同時(shí)發(fā)生問題，因此它們?cè)诠强平绫环Q為“不幸三兄弟”。人類的膝蓋容易受損，也反映了人類由魚進(jìn)化而來(lái)的過(guò)程。

保存在化石中3.8億年前的古代魚類向我們展示了第一批膝蓋的樣子。原始膝蓋最初誕生于古魚的腹鰭，樣子就像由三根骨頭組成的鉸鏈。由于魚主要生活在水里，它們的“膝蓋”不用承重，所以，其形狀類似船槳的扁平狀。人類胚胎6～7周時(shí)，雙腿的樣子就像魚的腹鰭。當(dāng)胚胎發(fā)育到第8周時(shí)，突然發(fā)生不可思議的變化：膝蓋會(huì)180°旋轉(zhuǎn)，小腿由向前彎曲變?yōu)橄蚝髲澢Ｔ诔扇说纳砩暇涂梢钥吹较ドw翻轉(zhuǎn)的證據(jù)——許多控制下肢的神經(jīng)偏偏在膝蓋處掉頭。這解釋了為什么人類的膝蓋彎曲方向和大多數(shù)動(dòng)物相反。

人類胚胎時(shí)期膝蓋發(fā)生旋轉(zhuǎn)，對(duì)雙足行走有重要意義。人類行走時(shí)整個(gè)腳掌著地，這種行走模式被稱為跖行，也叫掌行。靈長(zhǎng)類和熊類都屬于典型的掌行動(dòng)物。掌行雖然不利于運(yùn)動(dòng)爆發(fā)力和運(yùn)動(dòng)速度，但具有很好的支撐性。掌行最突出的貢獻(xiàn)，是為抓握動(dòng)作提供了便利，正因?yàn)檫@個(gè)關(guān)鍵的改變，人類的手才能使用工具。

然而，因?yàn)檎菩袆?dòng)物著地肢少了一個(gè)緩沖關(guān)節(jié)，膝蓋承受的跑跳沖擊比“踮腳走”的趾行動(dòng)物（貓、狗等）或“用腳尖走”的蹄行動(dòng)物（馬、鹿等）更大。熊和猴同為掌行動(dòng)物，但四足著地行走，運(yùn)動(dòng)沖擊由四肢分擔(dān)。而人使用二足直立行走，分擔(dān)運(yùn)動(dòng)沖擊的肢體數(shù)量本來(lái)就少，再加上人的膝蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只由幾條韌帶和兩塊軟骨板構(gòu)成，注定了人類的膝蓋比其他動(dòng)物更容易受損。

如果人類的下肢骨骼構(gòu)造和動(dòng)物一樣.會(huì)是怎樣一副畫面呢？（想象圖）

從原始魚類到原始兩棲動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)程中，動(dòng)物的膝關(guān)節(jié)逐漸成形。

回顧數(shù)億年的生命演化歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，任何生物身上的“新零件”，都是在舊有基礎(chǔ)上的重構(gòu)和改造，目的都是為了滿足生物對(duì)生存的新要求。為了登上陸地，魚鰭演化成了四足動(dòng)物的足，哺乳動(dòng)物的前掌又演化成了人類的手掌。而負(fù)責(zé)編碼這些結(jié)構(gòu)的基因，在遠(yuǎn)古時(shí)代都被用來(lái)合成古代蟲魚的身體部件。人身上的每一個(gè)結(jié)構(gòu)都在向我們講述類似的進(jìn)化史。

雖然從魚到人這段進(jìn)化歷史給我們帶來(lái)了許多麻煩，但同時(shí)也為我們指明了解決方法。理解人類身體和其他生物的共同點(diǎn)，是幫助我們揭示內(nèi)臟器官運(yùn)行奧秘，幫助我們找到疾病可能的治療方法的關(guān)鍵。

2006年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予安德魯·菲爾和克雷格·梅洛，以表彰他們發(fā)現(xiàn)可用于抗病毒和抗腫瘤等的基因治療手段——RNA干擾機(jī)制。安德魯和克雷格所用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是秀麗隱桿線蟲，這種動(dòng)物至少3896的基因在人類基因組中有同源基因。這說(shuō)明，未來(lái)人類生命科學(xué)或醫(yī)學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，或許潛藏在和我們共同生活的簡(jiǎn)單生命體中。 （責(zé)任編輯 王川）

蝌蚪和打嗝

如果說(shuō)人類的神經(jīng)布局是我們魚類祖先的遺產(chǎn)，那么打嗝機(jī)制就要?dú)w功于我們的兩棲類祖先。在人的頸部脊髓中，有負(fù)責(zé)控制打嗝的“呃逆中樞”。呃逆中樞興奮引起肌肉收縮，人會(huì)猛吸氣。約35毫秒后，喉部聲門將呼吸道迅速關(guān)閉。快速吸氣然后又立刻關(guān)閉空氣通路，就形成短促的“嗝”聲。

人類打嗝很類似蝌蚪的鰓呼吸。蝌蚪在發(fā)育某個(gè)階段，會(huì)同時(shí)用肺和鰓呼吸。當(dāng)用鰓呼吸時(shí)，它們會(huì)將水吞入口。并讓水通過(guò)鰓，但必須保證水不能進(jìn)入肺部.和人類一樣，蝌蚪也有聲門，為了不讓水進(jìn)入肺部，蝌蚪會(huì)閉上聲門，這樣氣管也就關(guān)閉了。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人類打嗝時(shí)聲門關(guān)閉并迅速吸氣，這個(gè)過(guò)程十分類似蝌蚪用鰓呼吸時(shí)快速吸氣并關(guān)閉聲門。

音猬因子

科學(xué)家最初在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種叫作“音猬因子”的基因。后來(lái)，雞體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)存在這種基因。音猬因子不僅可以指導(dǎo)雞胚胎中翅膀形成。也能控制爬行動(dòng)物和哺乳動(dòng)物的四肢形成。人類的“六指”現(xiàn)象即是音猬因子信號(hào)表達(dá)過(guò)強(qiáng)的結(jié)果。科學(xué)家曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在灰鰩胚胎時(shí)期，將音猬因子移植到胚胎鰭芽上，結(jié)果產(chǎn)生了鏡像的第二對(duì)鰭。可以看出，決定了我們手部形狀的音猬因子，同樣也決定了一些與我們關(guān)系疏遠(yuǎn)的親戚——魚類的鰭的形狀。