人类色觉如何进化？经历百万年的漫长改变

人类色觉是如何进化的？经历百万年的漫长改变

（神秘的地球报道）据凤凰科技（编译/严炎刘星）：科学日报报道，人类从具有昏暗朦胧视野的原始哺乳动物进化成能够看到五颜六色的更高级的猿需要发生大量视觉色素的遗传变异。现在，在经过了二十多年的辛苦研究，科学家们完成了对人类色觉进化的细节和完整绘制：也即人类是如何从紫外线（UV）视觉转化到紫色色觉，或者能够看到蓝色光的能力的全过程。这项研究被发表在期刊《公共科学图书馆·遗传学》上。

“我们追踪了所有进化通道——追溯到9000万年前——这些通道促使了人类色觉的最终发展。”研究首席作者、美国埃默里大学的生物学家横山祥三（Shozo Yokoyama）这样说道。“我们从化学层面、基因层面和功能层面确定了这些分子通道。” 这项研究的其它合作作者还包括埃默里大学的生物学家兴金逸（Jinyi Xing）、刘洋（Yang Liu）和戴维德·法格恩纳托（Davide Faggionato）、美国纽约雪城大学的生物学家威廉·斯塔尔默（William Starmer）和前埃默里大学的博士后化学家阿赫麦特·阿尔通（Ahmet Altun），阿尔通现就职于土耳其伊斯坦布尔法提赫大学。

横山和不同合作者在过去几年通过研究古代分子，解开了人类和其它脊椎动物视觉适应性进化的秘密。这一漫长的过程涉及首先估计和合成一个物种的古代蛋白质和色素，然而对它们进行实验。这一技术将微生物学与理论计算、生物物理学、量子化学以及遗传工程学相结合。

有五种类型的视觉蛋白基因编码了暗光和颜色视觉的视觉色素。随着物种生活环境的变化，这些视觉蛋白基因不断的改变，视觉也不断适应所处环境。大约在9000万年前，我们原始的哺乳动物祖先是夜间动物，并对紫外线和红色光敏感，这导致他们对整个世界有着双-彩色的视野。大约在3000万年前，我们的祖先进化了四种类型的视觉蛋白基因，这导致他们发展了看见可见光完整光谱，除了紫外线光，的能力。

“大猩猩和黑猩猩都有人类颜色视觉，” 横山说道。“或者我们应该说人类具有大猩猩和黑猩猩的视觉。”在这项研究里，研究人员关注于涉及丢失紫外线视觉和获得蓝色光敏感的色素的功能的七种遗传变异。他们追踪了9000万至3000万年前这种遗传变异的发展。

研究人员确定了造成这些遗传改变所需要的氨基酸变化的5040种可能的通道。“我们对这5040种可能性的每一种都进行了实验。” 横山解释道。“我们发现在这必要的七种遗传变异中，每一种变异本身并不会产生任何效应。只有这几种变化以特定顺序结合才能完成这一进化通道。”换句话说，动物的外部环境会驱动自然选择，从而导致动物分子环境的改变。

“在之前的研究里，横山显示了安哥拉带鱼，一种生活在水下25米至100米深处的鱼，只需要一种遗传变异就能从紫外线光转换为蓝色光视觉。然而，人类祖先需要七种遗传变异，且这些变异要发生上百万年。与鱼类相比，我们祖先视觉的进化发展的非常缓慢，这可能是因为他们生活的环境改变的非常慢。”横山解释道。

研究人员跟踪调查的5040种通道中，大约有80%在进化过程中就停止了，这是因为一种蛋白质成为了非功能性。化学家阿赫麦特·阿尔通解决了蛋白质为何会变得无功能性的谜题。蛋白质需要水发挥功能，但是如果一个变异发生在另一个之前，那么它会阻挡延伸整个视觉色素细胞膜的两个水通道。“剩余20%的通道仍是可能的通道，但我们的祖先只使用了其中一个通道，”横山说道。“我们鉴别出了那一通道。”

1990年，横山确定了导致人类祖先发展出绿色敏感色素的三种特定氨基酸变化。2008年，他带领进行了对暗光视觉，包括从鳗鱼到人类等动物的最完整的进化树。在该进化树的一个重要分支，横山的实验室小组对古代基因功能进行了工程改造，从而将环境变化与生物分子变化相联系。

这篇文章完成了人类颜色视觉的进化的整个项目，“精确到氨基酸分子的表达层面，我们对进化通道所涉及的机制不再有任何模拟两可的疑问。”横山表示。