人类进化为什么不卵生?

瞻云,先让一部分知识有趣起来

种了什么因,就收获什么果。卵生的人类祖先都灭绝了。

灭绝的原因,和尿酸、尿素的代谢有关。

含氮物质的代谢,可以追溯到生命诞生之初。

在过去长达 30 亿年的时间,含氮物质的最终代谢产物变化不大。

生物内有多种含氮物质,主要来源于氨基酸和核酸(如 DNA)。

其中氨基酸的代谢是最为简单的,对于早期主要生活在水环境中的生物来说,只需要脱掉氨基,排出产生的氨气就可以了。

  • 氨基酸→氨气。

其他含氮物质,大多也可以经过多个步骤转化成氨气排出。

其中来自核酸的嘌呤最为特殊。

它是特殊的双环、杂环结构,含有 4 个氮原子。

它的化学性质比较稳定,通常处于强氧化剂、强酸、强碱条件下,结构才会发生改变。

因此在生物体内,嘌呤都必须先代谢为尿酸(uric acid)。

嘌呤(Purine)到尿酸(uric acid)的生化过程

对于早期生物来说,高尿酸带来的尿酸结晶不仅会导致胞体损伤,还可能干扰核苷酸代谢平衡。

再加上其它各种各样的演化压力,最终早期生物多次独立起源发展出了尿酸酶(uricase),从而有了进一步代谢尿酸的能力。

尿酸酶催化下,尿酸代谢为尿囊素

尿酸被代谢为尿囊素(allantoin)后,易溶于水,不仅容易直接排出体外,也可以进一步代谢成尿素或氨气排出体外[1]

尿囊素代谢为尿素 / 氨的过程
  • 核酸(嘌呤)→尿酸 →尿素 / 氨气

4 亿年前,当我们的祖先还是早期鱼类时,便是这样的代谢方式:

几乎身体内的所有含氮物质,都可以转化成氨气,主要通过鳃排出体外。

  • 氨基酸 /核酸(嘌呤)→氨气

除此之外,早期的多细胞动物进化出了肾管 / 肾脏为中心的泌尿系统,来调节体内离子平衡。

然而,随着 3.6 亿年,肉鳍鱼登陆,一切都发生了变化。

随着肺的演化出现,含氮物质的代谢方式发生了变化。

早期硬骨鱼发展出一个特殊的气囊,里面拥有毛细血管,可以交换氧气。因此同时具有辅助呼吸和调节浮力,提供升降作用的能力。

肉鳍鱼这一支登上陆地后,把早期的气囊演化成了后来的肺[2]。而留在水里的硬骨鱼发展出辐鳍鱼以后,最终把气囊演化成了特化的鱼鳔,专一提供浮力的调节。

随着肉鳍鱼发展成四足动物,鳃彻底消失,动物无法再通过鳃代谢氨气。

氨气的高毒性,迫使动物不得不通过其它方式代谢含氮废物。

早期动物进化出来的肝脏、肾脏,在此时发挥了关键作用。

经过不断地淘汰迭代,动物演化出了尿素循环(urea cycle),把氨气代谢为尿素。

从氨气(左上)到尿素(左下),会经历一个复杂的代谢循环过程
  • 氨基酸→氨气→尿素

尿素溶于水,可以通过泌尿系统排出体外。

而嘌呤代谢的过程中,产生氨气之前,本身就会产生尿囊素、尿素等溶于水的物质,因此无需再经过尿素循环。

核酸(嘌呤)→尿酸 →尿素

所以,四足动物虽然逐渐脱离了水环境,但含氮废物的代谢和排泄方式(尿素为主)决定了,它们需要依赖大量的饮水。

所以,两栖类难以长时间离开水源,不仅和皮肤有关,还和代谢的大量水需求有关。

但随着繁殖过程彻底脱离水环境,羊膜动物出现,一切又发生了变化。

有了前面的生化演化基础,3.2 亿年前,它们的后裔出现了两个方向的演化:

  • 合弓纲:先发展出类哺乳动物,后发展出现代哺乳动物。
  • 蜥形纲:现今的爬行类、鸟类,以及古生物学史上的恐龙,都源于此类。

合弓纲适应较为湿润环境,氨基酸和嘌呤最终都代谢为尿素,通过摄入足够多的水来排出体外。

绝大多数蜥形纲则省去了尿素代谢环节,不仅直接排除嘌呤产生的尿酸,甚至还把氨基酸代谢的尿素也转化成了尿酸,并最终以晶体形式排出体外,节约水适应干旱环境。

这样的代谢差异,以及地球气候的交替变化,直接决定了【龙兽争霸】的王朝兴衰。

2.98 亿年前,随着石炭纪因雨林崩溃事件而结束,二叠纪开启。

高度依赖水环境的两栖动物遭到重创,但此时气候依旧较为湿润,给合弓纲的大繁荣创造了条件[3]

各种体型的早期合弓纲动物

2.51 亿年前,发生了五次大灭绝事件中最严重的二叠纪末期大灭绝事件,合弓纲和早期植被(蕨类)都遭到重创。

随着三叠纪开启,因为植被的缺少,整个地球都表现出干燥、炎热、低氧的状态,甚至赤道附近一度缺少生命踪迹,被称为“死亡带”[4]

干燥、炎热的环境让我们的兽类祖先在排泄上的更高需求量,成为了致命的缺点,从而导致了物种的大衰退。

大多数蜥形纲,则因为排泄尿酸晶体需水量很少,从而在干燥的三叠纪,得到了繁荣发展。

虽然到侏罗纪以后,气候再次湿润了起来,恐龙王朝已经取得了主宰地位。

时间来到 6600 万年前,一颗小行星结束了白垩纪,也结束了经历近 2 亿年前的恐龙王朝。

恐龙灭绝后,兽族才再次崛起。

完全胎生的真兽起源于 1.6 亿年前,以中华侏罗兽为代表。

哺乳动物祖先从卵生演化为胎生,其实也和尿素代谢方式有关。

合弓纲动物的卵在孵化的过程中,尿素浓度也会随着胚胎生长发育的过程,不断代谢积累。

达到一定的浓度,这些幼崽就只剩下了两个选择:

要么留在蛋中的被尿素毒死 / 或水分过度流失死亡,要么破壳而出,作为“早产儿”迎接恶劣的环境。

另一方面,尿素的易溶性,又方便通过胎盘进入母体循环而代谢。

因此在一正一反的长期演化压力下,哺乳动物祖先最终发展出了胎生的方式,来提升后代的存活率。

所以,从某种意义上来说,不是人类不进化为卵生,而是卵生的人类远祖都灭绝了。

恐龙为首的蜥形纲所代谢的尿酸,由于微溶于水,能以白色胶状固体沉积快速排出,不仅直接的生化毒害低,且消耗水分极少,从而可以长期保持卵中的胚胎健康。

而在胎生演化方面,它们则几乎面临着死胡同。尿酸沉积,无法通过胎盘进入母体。而且尿酸一般需要通过泄殖腔及时排除,才会维持低危害。

胎生需要专门的产道演化,尿肠道分离,而这些都不利于尿酸排泄。

可以说,无论是哺乳动物的胎生还是恐龙的卵生,都是种了什么因就收获什么果。

从 3.6 亿年前的早期四足动物开始,一直到哺乳动物崛起,这一支的嘌呤代谢都以尿素为主,可以说相当的保守。

而我们人类这一支,更是走向了一个极端,几乎彻底失去了尿酸代谢能力。

2000 万年前左右开始的基因突变,改变了早期类人猿的嘌呤代谢方式。

我们祖先的尿酸酶(uricase)基因发生了多个点突变(已鉴定 3 种)和插入 / 缺失事件,使其成为伪基因,失去了编码蛋白质的功能[5][6]

人类祖先与食肉目(共属北方真兽高目)分野后,尿酸酶逐渐减弱,直到最终消失(灰色部分,类人猿几次关键突变)

由于这一时期的类人猿生活在果实丰富、低盐的环境中,高尿酸血症可能带来糖脂转化、抗氧化的存活优势[7]

或者由于奠基者效应等遗传效应,都使得后来的类人猿没有尿酸酶。

遗传漂变与奠基者效应

虽然类人猿的血尿酸(3~4 mg/dL)比其它哺乳动物更高(1~2mg/dL),但由于早期类人猿嘌呤摄入少,血液中尿酸含量并没有超出健康范围,所以野生非人猿类几乎不见痛风病例。

然而随着人类这一支逐渐崛起后,饮食发生了截然不同的变化。

狩猎能力提升,高蛋白、高嘌呤的摄入,是人类演化的关键,但也带来了痛风(尿酸结晶沉积)的后果。

至少从智人开始,就可能已经有了痛风。

健康成人血尿酸浓度男性范围为 3.5~7.2mg/dL,女性为 2.6~6.0mg/dL[8]。是其它类人猿的 2 倍左右,更是比其它哺乳动物高 3 倍左右。

痛风病人的血尿酸浓度可以达到大多其它哺乳动物的 3~10 倍[9]。而对于我们熟悉的猫狗来说,这个倍数则可以达到数十倍以上。

猫狗和我们有着 9000 万年的亲缘差距,它们的尿酸酶不仅具有功能,而且活性没有怎么衰退,它们身体内的血尿酸浓度可以低至 0.1mg/dL 左右[10][11]

是的,除了一些异常的动物,几乎只有人类才会痛风。

不过这里所指的异常动物,主要是蜥形纲动物(包括鸟类)肾相关功能受损时,可能出现内脏 / 体腔的尿酸结晶沉积。

严格来说,这并不能算是痛风。但至少和痛风一起,都属于尿酸沉积病。

虽然人类祖先选择了胎生,但人类最终还是要和一些蜥形纲一样,承受尿酸沉积之苦,也是时也命也了。