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打嗝:来自两栖类祖先的演化缺陷

2017/08/29 来源:环球科学
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导读
鱼类和蝌蚪逐渐演化成人类的同时,也把疝气、打嗝和其他一些病症遗传给了我们。

本文转载自环球科学微信公众号

撰文 | 尼尔·舒宾(Neil Shubin)

翻译 | 冯泽君

我开始教授人类解剖学的时候,我所在的大学正好也在翻新实验室。现在看来,这一巧合对我来说最恰当不过了。要知道,第一次教解剖学委实令人头痛,这可不仅仅因为你必须得记住一大堆专业名词,更重要的是,漫长的演化过程使人体内部的血管、神经以及其他组织,通过千奇百怪的渠道贯穿于身体的各个部位,看上去极其复杂混乱。

当我正忙于理解人体内部结构时,实验室所在的这幢百年建筑开始翻新。我们凿开墙壁,查看管道、电线以及其他内部设施,发现里面是一团乱麻:电缆、电线、管道混乱地缠绕在一起,毫无秩序地贯穿于整幢建筑内。没有哪个正常人会依照这团令人抓狂的乱麻来设计这一建筑——这幢大楼建于1896年,在其后的百年间,进行过几次翻修。每次翻修都添加了一些临时设施进去,最终形成了现在这个样子。要想搞清楚一条电缆或一条管道扭曲的路径,你必须先要了解它们的历史,了解在过去这些年里它们经过了怎样的改建。同样,要想了解人体结构,也需要这样的深入探究。

就拿男性精索(spermatic cord)来说。精索连接着阴囊(scrotum)内的睾丸(testis)和阴茎内的尿道(urethra),是精子排出体外的通道。阴囊就位于阴茎附近,所以你可能会以为,将两者直接连接起来才是最佳的设计方案,但事实并非如此。精索从阴囊发出,上行弯入耻骨(pubic bone),再向下穿过髋关节下方的开口,最后才进入阴茎内的尿道。这一结构是在演化过程中遗留下来的,它始终困扰着医学院的学生以及因为它而遭受疝气折磨的男性同胞。


鱼类的遗产

要想了解人类的身体结构,必须搞清楚我们和其他生物(从细菌、蠕虫到鱼类和灵长类)共有的演化史。仍以精索为例,人类性腺的演化过程,与鲨鱼、其他鱼类以及其他多骨动物十分相似。在发育初期,人类性腺(女性的卵巢或男性的睾丸)在体内的位置较高,位于肝脏附近,这很可能是因为发育为性腺的组织就是在此发生相互作用的。在成年鲨鱼和其他鱼类体内,性腺就位于肝脏附近较高的位置。这很可能是因为鱼类的精子能够在体腔内形成,所以它们保留了祖先的这一结构。

在这一点上,人类和其他哺乳动物则与鱼类祖先不同。在发育过程中,男性胎儿的性腺不断下移,而女性胎儿的卵巢也从体腔中部下移到子宫和输卵管附近,这样卵细胞不用移动太远的距离就可以受精。相比之下,男性性腺下移的距离更远,一直要下移到位于体外的阴囊内。

男性性腺位置的下移对产生健康的精子十分重要。一个可能的原因是,哺乳动物是恒温动物,而产生大量健康精子所需的温度是低于体温的。事实上,一项研究甚至表明,穿紧身三角内裤的男性,改穿宽松的四角短裤后,的确能在某些方面改善精子质量。这是因为,紧身三角内裤压迫阴囊紧紧贴着身体,而宽松的四角短裤则可以保持阴囊悬挂其中。所以,哺乳动物的阴囊位于温度相对恒定的体腔之外,有利于调节适宜精子发育的温度。

但性腺下移也带来了一个问题:睾丸要下移很长的距离才能到达阴囊内,因此在下移过程中,原本连接睾丸和尿道的精索就会形成迂回曲折的圈。不幸的是,对男性来说,这个圈会在顶点附近的体壁上造成一块薄弱区域。有几种类型的疝气,正是由于体内一小段肠子从这个薄弱区域穿出而形成的。这种类型的疝气可能是先天性的:小肠片段在随着性腺下移的过程中,穿破体壁薄弱区域;也可能是后天逐渐形成的:体壁上存在的薄弱区域,随时可能被小肠穿破。演化遗留给人类的疝气,反映了人类演化史的不同层面:曾经是鱼,现在是哺乳动物。


我们为什么会打嗝

除了上面说的疝气,类似的演化分析法也可用于其他一些人类病症,比如打嗝。有的人打嗝几分钟就好;有的人则会打几个月,严重影响生活质量;更有甚者连打几年——不过这种情况很罕见。打嗝是喉咙或胸腔的肌肉痉挛所致。“嗝”的一声是由于急速吸进空气时,会厌(epiglottis,喉咙后方的一瓣软组织)闭合而产生的。所有这些动作都是在完全无意识的状况下产生的。打嗝的诱因有很多,比如吃得太快或者太多。胸部的肿瘤也会引起打嗝,当然这种情况就比较严重了。

根据一个论据充足的假说,打嗝至少揭示了人类演化过程中的两个阶段:鱼类阶段和两栖类阶段。我们从鱼类那里继承了主要的呼吸神经,其中之一是膈神经(phrenic),这条神经从头骨基部发出,最后穿过胸腔和横隔膜(diaphragm)。然而蜿蜒曲折的神经路径也带来了一系列问题:在这长长的神经纤维上,只要任何一个地方出现问题,都可能影响我们的呼吸能力。如果神经纤维受到刺激,就可能引起打嗝。其实,呼吸系统更合理的设计应该是,使神经从横隔膜附近的某一位置发出,而不是从颈部发出。遗憾的是,我们的呼吸神经是从鱼类祖先那里演化来的,而鱼类的呼吸器官——鳃就位于颈部附近,而下面的横隔膜是我们后来才演化出来的。

如果说神经传递的怪异路径源于我们的鱼类祖先,那么打嗝大概可以归咎于两栖类祖先了。研究表明,打嗝时的肌肉与神经活动模式也可以在其他生物体上观察到,但并不是所有生物——确切地说,蝌蚪身上会发生类似的神经肌肉活动。蝌蚪是用肺和鳃呼吸的两栖类动物。用鳃呼吸时,水被泵入口里和喉咙,再经鳃排除,在此期间还要防止水进入肺里。这要怎么实现呢?吸水时,蝌蚪会合上声门关闭气管。实际上,蝌蚪用鳃呼吸的时候,就是用类似人类打嗝的机制来避免水进入肺部的。


我们并非一开始就活跃在办公室、滑雪坡、足球场。在漫长演化史的不同阶段,人类生存环境各异:远古海洋、小溪流水、热带草原……过去和现在的环境迥然不同,这也意味着身体的某些病症并非无理可依。人类膝盖、背部和腕关节的主要骨骼,都是从百万年前的水生生物演化而来的。由此看来,我们膝盖会撕裂;走路可能导致背痛;长时间打字、编织或写字又可能引发腕管综合征……这些也就不足为奇了,因为我们的鱼类和两栖类祖先并不做这些事情。

展开鱼的身体构架,将构建蠕虫的基因稍加改进之后对此构架进行修饰,然后将它装扮成哺乳动物,再锻炼它直立行走、说话、思考并灵活使用双手。这样,我们就知道病痛从何而来了——将鱼进行如此装扮是需要付出代价的。如果这一设计完美无缺,不留任何演化历史的痕迹,那么我们就不会遭受痔疮或疝气的困扰了。同样道理,我们实验大楼的翻修也就不会这么昂贵了。

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