空气稀薄的读音_让你能在稀薄空气中奔跑的古老基因

空气稀薄的读音_让你能在稀薄空气中奔跑的古老基因

　　我有生以来基本都生活在海平面附近。在英国，我住在海边的一个小渔村。在中国，我住在北京，海拔高度只有44米。我第一次到真正高海拔的地方是在大约5年前，那时我到青海省的一个野外实验基地进行青藏高原一种小型兔类——高原鼠兔的研究。野外基地海拔4000米，去之前我就有点担心可能会有高原反应。在海拔4000米，大气压力大约只有海平面的一半。因此，尽管氧气的含量仍有21%，但每次能实际吸入肺部的空气分子只有海平面的一半。换句话说，为人体新陈代谢提供能量的氧气相应地减半了。从西宁往南去往研究基地有大概10个小时的车程。汽车通过了一连串越来越高的山口。我做好了充分的思想准备，预想会发生呼吸困难，最终可能会眼冒金星，甚至失去知觉而晕倒。然而，完全出乎我的意料，我没有感觉到任何高原反应。我们还曾经在一个山口上停下车，欣赏风景并拍照，我可以轻松地随意走动，感觉不到任何空气稀薄的迹象。

　　抵达研究基地附近的小镇后，我们到宾馆登记住宿。我还在前台办手续时，已经有人鱼贯而入地把我们的大批行李从车上取下送到大堂。我的房间在四层。我有两个大行李箱，装着沉重的实验设备，每个约重35公斤。“那个女孩会帮你拿行李。”前台的工作人员说道。我转过身，身后是一个身材矮小的女孩，脸颊红红的，一看就是典型的当地藏族人。只见她拎起我的一个和她的身材差不多大的行李箱，甩到背上，就往楼梯那边走。我提起另一个行李箱，跟着她。走到第5步的时候，我开始喘粗气，又走了几步，额头就淌汗了。到第10步，我已经感到有些头晕。好不容易爬完第一段楼梯，我把箱子一扔，瘫坐在上面。女孩回头看了一下，微微一笑，然后跑着爬上四楼。我身体特别难受，只好坐在那里，把头埋进两膝之间以免晕倒，足足过了5分钟才缓过来。我生活在海平面的前半生终于有了报应。只要一进行稍微费点力的活动，我的肺就无法从稀薄的空气里获得足够的氧气。刚才，我很可能启动了无氧代谢来维持运动，但最终由于肌肉中乳酸的堆积而不得不放弃。我坐在那儿思考的时候还差点呕吐，但还是忍不住想着已经消失在远处的那个女孩，在如此稀薄的空气里，她为什么能够那么轻而易举地扛着大箱子跑上楼？我俩的差距实在太大了。

　　显而易见的回答是，这是天生的。关于生活在高海拔地区的人们如何适应低氧环境已有大量的研究。在南美高高的安第斯山上，土著居民血液中红细胞的数量明显升高，以补偿较低的与血红蛋白结合的氧分子水平。事实上，生活在海平面的人旅行到高海拔地区后，其对低氧的反应也类似。血红蛋白的增加是通过激活促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）的基因来实现的。运动员们早已熟知这一效应，他们通过在高海拔地区训练来激活EPO基因，从而提高体内血红蛋白的水平以及将氧气运送到细胞中的能力。当运动员回到低海拔时，运动表现会有显著的提高并维持一小段时间。我曾在一个运动科学的学术会议上遇到一名跑步运动员，据他说，在肯尼亚的高海拔训练结束后的一个月，是他人生中最兴奋却也最沮丧的时期之一。兴奋的是，刚从高海拔地区训练归来时，他能以自己前所未有的速度跑完1500米；但沮丧的是，一个月之后他的速度越来越慢，逐渐退回到训练前的水平。他心里明白，只要一直呆在低海拔地区，他就永远都不可能再跑出刚从高海拔训练回来时创下的个人最好成绩，这令他非常沮丧。

　　一旦EPO基因的激活被确定为支持这一效应的分子机制，那么留在低海拔地区且注射EPO就有可能实现与高海拔训练同样的效果。人工合成的EPO能增加贫血症患者体内的血红蛋白水平，被用于贫血症的治疗。对于专业运动员来说，他们也可以通过注射EPO来提高运动水平——“一针高海拔”，而不需要花很多钱到高海拔地区训练。也许是由于这一效应对耐力的影响比较大，注射EPO在长距离骑行和长跑运动员中尤其流行。EPO是让著名自行车运动员兰斯?阿姆斯特朗蒙羞的违禁药物之一，他被指控在赢得环法自行车赛冠军期间曾使用EPO。20世纪90年代，运动权威机构已经宣布禁止EPO注射，并在2000年澳大利亚悉尼奥运会中首次启动对EPO的检验。你也许会问，既然EPO是一种天然的物质，那如何能把注射的EPO检验出来呢？实际上，人工合成的EPO与人体内天然的EPO在结构上有细微的差别，因此能够区分出EPO水平升高到底是由高海拔训练所致还是坐在家里自己注射EPO的结果。然而，这听上去有点让人费解：在高海拔训练，通过促进EPO的生成而产生效果被认为是完全合法的，而在低海拔训练并注射EPO以达到同样的高海拔效果则被认为是作弊。其实，在低压舱内模拟高海拔，现在也是完全可行的，目前世界反兴奋剂机构对此并没有禁令。禁止注射EPO的主要原因在于它的作用并不全是正面的。增加血液中红细胞的数量以及血红蛋白的水平能增强血液携带氧气的能力，但同时会使血液变得黏稠，那么将血液泵到全身各处就变得更困难，从而引起一系列问题。这会导致高血压，同时会增加静息时血液阻塞静脉的风险，甚至引起脑卒中。在可能引起兴奋和沮丧的循环之外，EPO注射在短暂提升运动能力的同时，相伴随的负面影响也是显而易见的。

　　那么，轻松扛起我的奇重行李箱的藏族女孩又是什么情况？她也具有很高的EPO水平么？很可能不是。其实，更可能的是她携带有其他基因的变体，使得她能够有效利用低浓度的氧气。那么到底是什么基因带来了低氧环境下如此强大的体能？四年前，一个中国和美国的科学家团队发现了与机体携带氧气有关的基因的变体，这些基因变体存在于很多藏族高原居民体内，该研究发表在著名的《科学》（Science）杂志上。这些基因变体实际上是通过两种方法发现的。首先，研究人员仔细审查了DNA登记中可能与血液中氧气浓度调控有关的基因，筛选出247个候选基因。随后，他们在31名藏族人、45名汉族人和45名日本低地居民中分析比对了这些候选基因。从一个特定基因邻近的基因组区域的结构能够识别该基因是否面临强的自然选择。利用这一叫做“选择性清除”（selectivesweeps）的方法，研究人员在高原藏族居民中鉴定出相对比较新的基因变体，这些基因在来自低海拔的汉族和日本人中缺失。用这种方法鉴定出由大概10个基因组成的集群，其功能可能与处于强选择压力下氧气的有效利用有关。这一强选择压力始于约2750～5500年前，那时藏族人群从一个与中国汉族人群共同的祖先中分离出来，并扩散到喜马拉雅山一带。上述基因集群中有一个叫EPAS1的基因，与EPO基因有关，或许参与了血红蛋白生成的调节。这个基因的一个变体在藏族人群中迅速扩散，初步的计算显示，在短短的3000年内它扩散到了87%的高海拔地区藏族人群中，成为迄今为止在人类中观察到的扩散最快的基因。

　　现在，一个国际研究团队已经在40名藏族和40名汉族人中对EPAS1基因进行了测序，论文发表在7月的《自然》（Nature）杂志上。研究发现，所有来自藏族研究对象的样品中都存在一个EPAS1基因特有的片段，而汉族研究对象中只有两人的样品中发现有该片段。他们搜索了国际千人基因组计划的基因组数据库，这些人来自世界各地，却没有在任何一个人身上找到具有同样序列的基因变体。由于在两名汉族的研究对象中也发现了该基因变体，这一基因的出现可能早于汉族和藏族人群在进化上的分离。为验证这一假设，研究团队将这一基因变异与古人类的DNA序列进行了比对，包括尼安德特人和丹尼索瓦人。尼安德特人是大约2万5000年前依然生活在欧洲的人类种群，其基因组中没有藏族人EPAS1的基因变体。丹尼索瓦人是另一个独立的人类种群，生活在西伯利亚的阿尔泰山脉地区。2008年在邻近中国和蒙古边界的丹尼索瓦洞穴中发现了一位小女孩的指骨化石，后来通过鉴定从化石中提取的线粒体DNA确定了这是一个独立的种群。分析证实，丹尼索瓦人、尼安德特人和现代人最近的共同祖先生活在100万年前。这一指骨化石的年代被确定为大约4万年前，但丹尼索瓦种群是何时灭绝的尚不清楚。

　　尽管丹尼索瓦人早已不复存在，但他们的基因却传到了今天，原因可能是他们曾经与遇到的现代人广泛杂交。因此，在许多现代人种群中都发现了丹尼索瓦人的基因。现代巴布亚新几内亚和美拉尼西亚岛原住民的基因组有大约2%～4%与丹尼索瓦人同源。令人惊讶的是，藏族人群中发现的EPAS1基因变体也是一个丹尼索瓦基因！在全世界范围内比对了各个人群EPAS1基因的完整序列后，研究人员确证藏族人群的这个基因是在约4万年前从丹尼索瓦人中遗传下来的。另外一个可能的解释是，大约40万年前有一个携带EPAS1基因变体的共同祖先，将该基因同时传给了丹尼索瓦人和现代人。但这种解释可以被排除，因为如此大的一个DNA片段会累积很多的突变，这样藏族人群和丹尼索瓦人群中该基因的各种版本就不会像实际上那么相似。

　　那么，这一基因又是如何出现在汉族和藏族人群中的呢？惟一可能的解释是，藏族人和汉族人的祖先是通过与丹尼索瓦人交配获得这一基因的。这与某些汉族人群和亚洲大陆人群保留有低水平（0.2%～2%）的丹尼索瓦谱系这一事实相符。大多数汉族人丢失了丹尼索瓦版本的EPAS1基因，可能是因为该基因在低海拔和高氧浓度环境下不具有选择优势。这个基因保留在藏族人群中并迅速扩散，是因为它给在高海拔地区的生活带来了优势。今天，很少一部分汉族人（可能为1%～2%）仍然携带有丹尼索瓦版本的EPAS1基因。但是，这究竟是远古历史的残迹，还是来自较近时期汉族与藏族的杂交，目前尚不清楚。

　　但归根结底，宾馆里的那个藏族女孩能扛着大行李箱跑上楼，而把我甩在后面大口喘气，很可能是因为她从数万年前古老的人类种群中继承的遗传优势。这让我想到了什么？如果说在体育竞技中注射像EPO这样的天然的基因产品是违法的，那么具有一种能够影响该基因（或者像EPAS1这样的相关基因）的遗传变异，这一遗传变异同样能够增强运动能力，为什么不算违法呢？不知将来何时，因为遗传上的优势而具有超强的运动能力也会被认为是作弊？这听起来像是杞人忧天，但是再仔细想想吧，如果这不被认为是违法，那么通过基因治疗改变基因结构而诞生奥运金牌运动员的日子还会远吗？

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