【基礎科研】猿類的起源

最近幾年全基因解碼技術飛速進展，至今只需幾天時間、幾千塊美金就可以完成。這如同電腦晶片的進步一樣，對許多方面的科學研究有極大的助力，所以我一旦開始寫這類的題材，就發現有趣的進展只在這個方向層出不窮；物理、機械、化學、數學的進步，相形之下有如蝸牛，倒不是我的興趣完全專注到生醫方面去了。

最新這期的Scientific American討論了猿類的起源（參見http://www.scientificamerican.com/article/ancient-mutation-in-apes-may-explain-human-obesity-and-diabetes/）。這個研究是由科羅拉多大學的醫學教授Richard Johnson為了解釋Uricase的謎題而開始的。哺乳動物體內一般都能生產Uricase，這是專門分解Uric Acid（尿酸）的酵素；但是Apes（人猿總科）是例外：Great Apes（包括人類和猩猩）有一個突變，Lesser Apes（長臂猿）有另一個突變，同樣都使製造Uricase的基因失效。為了不熟悉生化的讀者方便，我在這裡先簡單介紹一些相關的基本知識。尿酸是代謝的廢料之一。在演化過程中，魚類因為可以隨時對周邊的水進行排放，所以氮基分子代謝之後直接產生高毒性的Ammonia（氨），不須做減毒處理；哺乳類沒有這個方便，就必須經由化學反應生產Urea（尿素）；恐龍則演化出另一種化學通路，把含氮廢料處理成尿酸。尿酸不像尿素一樣須要用大量的水來稀釋，所以鳥類的“尿”是白色膏狀物，與糞便一同排出。兩億多年前，恐龍擊敗了爬蟲類和哺乳類而成為地球的霸主，目前古生物學界認為他們的優勢應該主要來自較低的飲水需求，很適應當時所有大陸板塊結合為一（稱為Pangaea）而導致的乾燥內陸。當然恐龍的呼吸系統是循環式而不是哺乳類和爬蟲類的往復式，效率較高，也是一個優勢；不過當時大氣的氧氣含量並不是特別低，所以可能不是太重要。（而且循環式呼吸系統反而不容易憋氣，很可能是恐龍無法取代稱霸侏羅紀海洋的大型爬蟲類的原因；這純屬我個人的猜測，沒聽說學術界有類似的理論，大家姑妄聽之。）

好，言歸正傳，回到這篇新研究結果。尿酸的毒性不強，但是並不在人體內氮代謝的主通路上，而且如果濃度過高，就會有發生Gout（痛風）的危險，那麼為什麼猿類會演化出讓尿酸濃度增高的突變呢？最近幾年，研究肥胖症的專家注意到尿酸在人體內主要是Fructose（果糖，三大單醣之一，其他兩類是葡萄糖Glucose和半乳糖Galactose）代謝通路的最終產物，而果糖原本因為甜度是等量葡萄糖的兩倍半、半乳糖的五倍半，熱量卻基本一致，被認為是減肥的可用工具。沒想到實驗對象多吃果糖後，雖然總熱量減少了，肥胖和糖尿病反而越發嚴重，因此果糖很顯然是一個特殊增肥機制的觸發因素。但是果糖這樣的單醣代謝起來很快，在體內不可能維持長久的高濃度，而增肥機制需要一種長期平穩的刺激，所以包括Johnson在內的一個流派就懷疑果糖的增肥效應是透過尿酸來觸發的。如果真是如此，人猿演化出失效的Uricase，其目的就很可能是為了進一步增肥。於是Johnson就找上了猿類演化過程的專家，倫敦大學（University College London）的教授Peter Andrews來合作。

現代的人猿只生活在非洲和東南亞的熱帶雨林區。多年來對化石的研究結論是人猿最早在2600萬年前出現於東非；2100萬年前非洲板塊與歐亞大陸連通，人猿和其他非洲動物（如大象和羚羊）一起進入西亞和南歐。自1700萬年前起，地球逐步冷化，向冰河期邁進，西亞的冬天開始變乾變冷。在土耳其出土的人猿化石顯示他們首先從樹上移居到地面（人猿主要靠吃水果為生，所以移居地面代表著食物稀少，必須長途跋涉來尋找新來源），到後來有明顯的季節性飢餓現象。巧合的是Uricase失效的基因也是這段時期演化出來的。既然今日存在的所有Great Apes都有同樣的一個突變（化石證據顯示，長臂猿那一支是在南歐經歷了類似的環境壓力，後來發生自己的突變，最後另行東進至東南亞），包括東南亞的紅猩猩在內，那麼就只有一個可能：這個突變發生在西亞，很快地取代了當地的其他人猿物種，然後一支東進，後來成為紅猩猩；另一支則在冰河期到來後返回非洲，並且消滅了所有舊有的人猿，後來演化成為大猩猩、黑猩猩和人類。我們還可以推斷出這個突變在乾冷的新環境下，有極大的生存優勢，這從側面證實了果糖經由尿酸可以刺激哺乳動物的季節性增肥機制的假設。

總而言之，這個理論是這樣的：果糖是人猿的主要熱量來源，在食物盛產期，體內的尿酸濃度稍微增高，因此演化出一個由尿酸觸發的增肥機制，把多餘的熱量儲存為脂肪。後來人猿面臨乾冷的氣候，必須設法度過長期欠缺食物的冬天，於是就利用並強化既有的機制，演化成容許更高濃度的尿酸，藉此來儲存更多的脂肪。不過我必須提醒讀者，脂肪的儲存和智商以及身高一樣，受到很多個基因通道的影響，這個果糖機制只是其中之一。例如美洲的印第安人為了適應高、冷、乾的環境，就有另一些突變，使他們特別容易肥胖。不過既然科學界已經確定果糖是現代肥胖症普及的原因之一，大家就應該注意減低果糖的攝取量，尤其是汽水裡常用的HFCS（High Fructose Corn Syrup，高果糖玉米糖漿）危害極大，我自己多年來就只喝無糖汽水（Diet Soda）；但是這幾年回台灣，注意到根本就買不到，所有的汽水都是高果糖的。中國人不像美國人那麼愛吃甜，但是肥胖症同樣是富裕之後的一個健康威脅，改喝無糖汽水對公共衛生是會有明顯助益的。