看见有高票答案说维生素合成酶系要几十个酶,非常浪费,其实对于VC来说没那么复杂,人类只缺了一个酶,L-gulono-γ-lactone oxidase (GLO) L-古洛糖酸内酯氧化酶,就是催化下图VC合成最后一步的那个酶,这个基因发生了大量exon(外显子)缺失,失去了转录的能力,成了一个假基因(pseudogene)。也就是说只差临门一脚就有VC了。
GLO基因的突变,x表示已经缺失的外显子。
上一半: 类人灵长类
下一半:豚鼠
所有脊椎动物都可以自行合成VC,除了硬骨鱼,类人灵长类动物,豚鼠,以及一些蝙蝠和啄木鸟,他们失去了这一能力。所以问题不是未能进化出,而是在进化中丢弃了。对人类来说,这个突变发生得很早,在猴子中就已经没有GLO了,而狐猴(Lemur)倒是有这个基因。可见这个基因的突变已经存在数千万年了,可能在恐龙时代结束不久就存在了,当时连猿人都还不存在,显然不是因为人或猿人的生活行为方式而造成的。
灰色是失去GLO的物种。
神奇的是,所有这些物种,它们的VC合成酶系突变全都发生在这一个基因GLO上面,无一例外。这是因为这条反应链前面的产物还有其他作用。这些物种又有一个共同的特点:平时摄入的VC远远超出需要。猩猩食物中的VC可以达到需求的20-30倍,猴子、蝙蝠更是上百倍。有实验给豚鼠的食物中加入额外的VC,但是没有产生任何作用,都排泄掉了.......
有人说GLO合成VC的过程中会产生过氧化氢,会造成自由基等问题。但是者缺乏实证的支持,因为仍然有大量草食和杂食性的动物保留着GLO,而且并没有发现导致GLO突变的选择压,GLO的突变很可能就是随机的。很多互相之间十分相似的物种,有的有GLO,有的没有,有的物种食用着足够的VC但是GLO却随机恢复了活性,跟相似物种比起来它们的生存能力也完全不受影响。可见GLO的突变对于从食物中摄取足够VC的物种来说,是中性的,既不产生正向也不产生反向的选择压。
毕竟,脊椎动物种类这么多,植食性和杂食性物种这么多,只有个别几类失去了GLO,从整个脊椎动物的范围来看确实是比较随机的事件。
ref. Guy Drouin, Jean-Rémi Godin, and Benoît Pagé. The Genetics of Vitamin C Loss in Vertebrates. Curr Genomics. 2011 Aug; 12(5): 371–378.
我来吐个槽
不是所有生物都是自养生物,即使自养生物也不是全保留所有酶系。生物是负熵体系,而DNA突变是熵增的,也就是说DNA总有突变的倾向。如果一个基因突变了也不能产生反向的选择压,发生了突变的种群生存能力仍然无异,这个基因就很可能慢慢年久失修漂变掉了。进化是不以主观意志为转移的,不会主动"废退",遗传基因没有360一键清理。
摄入大量VC的草食和杂食动物中,乃至灵长类中,有的有GLO,有的GLO突变了,有的突变了又突变回来,看上去确实十分随机。人类只能看到人类自己,但人类只是灵长类的一支,人类全都没有GLO那是因为人类是从几个祖先繁衍过来的,最早的祖先没有就所有人都没有。灵长类先祖这个群体,有的有GLO,有的没有,结果有的繁衍出了猴子,有的繁衍出了猩猩,有的繁衍出了狐猴。它们的子孙就带上了这个印记。
你们都期盼着我像某位大V一样脑洞大开幻想一通硬找个理由,恐龙、火山什么的都来了,但在没有任何数据支持的情况下我更倾向于保持严谨,仅仅基于我能得到的信息进行有限度的推论,知之为知之,不知为不知。Glo酶虽然产生H2O2,但是在生物界实际生存状况里找不到它对生存有任何不利的地方,要不你出资开个课题我们做一下GLO产生的H2O2在氧化应激条件下会对细胞产生什么影响,也许能找个惊天发现出来。
如果不了解中性突变和遗传飘变理论,请参阅
这是维基百科的一个数学模拟
只考虑漂变的作用。设两种等位基因的起始频率分别为p和q。在t代后,等位基因频率的方差是
这个数学模型表明了即使一个基因对生存没有任何负面作用,它仍然有一定概率漂变消失。
如果某等位基因起初已在种群中固定,突变率为m,则在单倍体种群中,平均丢失时间是
是欧拉常数
综合考虑漂变与选择,在有限大小的种群中,一个具有选择优势s,频率为p的等位基因被固定的概率是
如果关键基因突变,个体致死或生存堪忧,还没生娃,该个体挂了,该突变没法代代相传。
然而,生物可以从外界摄入Vc,Vc合成重要基因GLO即便突变,一些哺乳动物自身无法合成Vc,也不影响生存。GLO突变可以遗传下去。
为什么GLO突变会传递下去?
从进化来讲,这两种说法都合适:
1.GLO有害,导致GLO突变传递下去。
Vc可通过食物获得后,GLO变得不重要。合成一个不重要的基因,需要耗能,因此生物体把GLO突变掉更节约资源。
同时GLO合成的Vc和外界摄入的Vc加一起,Vc太多,还原性强,产生大量H2O2和自由基,有害健康(对这说法表示怀疑,不知目前过量补充Vc的人,是否体内自由基也过量)。
如果是这样,第一个产生GLO突变的个体,减少了耗能,和它的同类相比更有优势。微小优势随时间推移,逐渐放大,导致携带GLO突变的后代更适合生存。
因此,如果是这个假设,GLO突变最早可以追溯到单位点突变,追溯到一个祖先。
2.GLO不重要,导致GLO突变传递下去。
某个体GLO突变,基因不重要,突变不突变无所谓,突变通过后代传下来。随后,突变GLO代代相传,上面累积的突变越来越多,这个基因彻底退出历史舞台。
没用就会淘汰。如果是这样,GLO并非通过一个突变个体往下传。而是一段时间内,很多吃瓜果蔬菜摄入Vc的个体都能容忍GLO出现不同位点突变,每个突变位点都能传递下去。所以能看到GLO的突变追溯到多个祖先。
在进化中,一个基因因有害而突变,是强选择,可以追溯到少数祖先。一个基因因无用而突变,是弱选择,可以追溯到很多祖先。通过这个方式,可以确定GLO突变如何传下去,Vc为何变成维生素。
在没做这些分析前,这两种说法都合适。
答案很简单:因为丢掉这个东西对我们适应有利。
先列三个证据,由于缺乏人类这个基因的进化分析,所以我找到了一篇翼手目的研究论证了选择而非随机。
蝙蝠也不能合成维C
1,翼手目失去维生素C合成能力和灵长目不是一个时间。
翼手目是在300万年前,而灵长目是5800万年前
2,很多物种都出现,似乎并非是随机事件
目前鸟类中的雀形目,动物中的豚鼠均出现了维C不能合成的现象。
3,基因失活过程是一个假基因化,而且呈现选择压力。
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我们本来能合成维生素,但是我们进化过程中,把这个东西给选择掉了。
第一部分,我们何时丢掉了这个合成基因?
关于维生素C本身的合成,其实很多答案讲的非常完善了,我们就看一下,什么时候,我们丧失了维生素C的合成能力?
答案是恐龙灭绝的那个时候。
这是我们近亲们的比较,LGO也就是维生素c合成的一个关键酶失效的时间如下图所示。
在大约为
6300-6000万年前,早期灵长类分化出简鼻亚目(Haplorrhini)以及原猴亚目(Strepsirhini)两大类[1]。
前者是我们的直系祖先,特点就是上嘴唇没有直接连着鼻子,所以可以做很多面部表情哈哈
而另一类是这样子的
很快的,前者随即丧失了维生素合成能力,而后者却保留有该能力。当然了,进一步,最早丧失了维生素C合成的简鼻亚目是5800万年前分化的,也就意味着, 我们维生素C的合成能力是在
6300-5800万年前[2]
这是巧合吗?
二、并非巧合!
偶然吗?巧合吗?
要是只有某个族群缺乏维生素C合成能力,你可以用随机漂变建立者效应之类的解释,对于一大类生物,都缺乏,用偶然来解释,不管你信不信,我是不信!!!
其实第一部分给大家反复看到的时间节点,就是一个最为关键的时间点。
大部分人都知道,大概在6500万年前,地球发生了一次超级灾难,有人说是小行星撞地球,有人说是火山喷发,有人说是恐龙放屁,反正结局只有一个,恐龙(除了鸡之类)大部分灭绝了。
恐龙的灭绝,最大的好处在于:笼罩在哺乳类头顶上的乌云彻底消失了。
要知道,跟绝大多数人认识相反的是,地球上每一次生命的巨大改变,并非进化起作用,而是地球变化的作用。
在天地的力量之下,生命其实很微小的,所以进化只是做了一点小贡献而已。
如果没有奥陶纪大灭绝,寒武纪的统治者们会是地球的王,爬行类根本无法统治地球;
如果没有白垩纪大灭绝,存活1.6亿年的恐龙依然漫步地球,哺乳类永远只是躲在阴暗的角落里。
哺乳类,从出现在地球,到登上地球的统治舞台,沉默了2亿多年。
我们一直战战兢兢的在地球霸主恐龙的夹缝里求生存,如履薄冰,如临深渊。
直到有一天,地球给了我们机会。
那个恐龙时代只有老鼠大小的哺乳类,最终成长为人类,成为地球的主宰之一。
当恐龙灭绝后,哺乳类赢来了人生的第二春,在沉积了2亿年后,哺乳动物开始大爆发。
而大爆发的时候,给我们带来机会。
第三、并非偶然的进化
事实上,进化上虽然有很多随机事件,这一点
@赵三川说的很好。
但是,突变之后,选择也是很重要滴。
如果我们合成维生素C的能力丢失后使得我们本身不利于生存了,那么必然会被淘汰,从而留下可以合成维生素C的猴子。
那么维生素C的丧失有什么意义呢?
1、被替代,减少了消耗
有一点非常值得注意,那就是灵长类丧失维生素合成能力是与丧失分解尿酸能力同时进行[3,4]。
大家经常去医院体检会知道有一项尿酸指标,这东西人体无法分解,经常大量食用海鲜肉类或者喝水少会导致尿酸高!
尿酸是一种很重要的强还原剂,它可以发挥部分维生素的功能。而人类的尿酸酶基因失活的时间大致和维生素C失活一致。
好处在哪里?
尿酸可是代谢产物,而维生素C是合成产物。
如果一个代谢产物可以替代合成产物,那么,人体何必选择去合成呢?
对于高等灵长类而言,分别丧失了古洛糖酸内脂氧化酶与尿酸酶对早期灵长类适应变化的环境,以及保护机体降低癌变速率,延长寿命等起到了推动性的作用
2、稳定后促进进化。
请注意稳定后这三个字哈。
维生素C的重要作用之一是抗氧化,而当灵长类度过了最初的艰难时刻后,缺乏维生素C大大的加速了灵长类的分化。由于相对抗氧化剂的减少,导致机体内氧化自由基增多,于是基因突变更加活跃,最终推动了古人类从灵长类中出现[5,6]。
至于如果灵长类缺了维生素C怎么办?吃呗,自然界那么多维C。
如果吃不到怎么办呢?死呗,所以过去航海很不容易。
进化就这么残酷,人类成为杂食性动物的优势之一,扩大了我们的食谱,不至于像太单一的某些生物因为食物链受到影响,所以大熊猫吃竹子,在山里活,而人类却可以生活在撒哈拉沙漠,在青藏高原,在北极,更别提广袤的平原地带。
我们身体不必事事亲为,合成所有的东西,比如必需氨基酸我们就不需要合成,这可比VC关键多了。
如果我们把大量的精力和能量消耗在了合成这些东西上,那人类就别想着九天揽月、五洋捉鳖了。
这就是进化,进化从来不是走向高大全,而是走向最利于本身的传承。每种生物都有自己的策略。
就像人类不能光合作用一样,这本身就是一种选择的结果。
最后,谈进化不谈选择那就是耍流氓!
ref.
[1]Pollock J I, Mullin R J. Vitamin C biosynthesis in prosimians: evidence for the anthropoid affinity of Tarsius[J]. American journal of physical anthropology, 1987, 73(1): 65-70.
[2]Goodman M, Porter C A, Czelusniak J, et al. Toward a phylogenetic classification of primates based on DNA evidence complemented by fossil evidence[J]. Molecular phylogenetics and evolution, 1998, 9(3): 585-598.
[3]Johnson R J, Gaucher E A, Sautin Y Y, et al. The planetary biology of ascorbate and uric acid and their relationship with the epidemic of obesity and cardiovascular disease[J]. Medical hypotheses, 2008, 71(1): 22-31.
[4]Wu X W, Lee C C, Muzny D M, et al. Urate oxidase: primary structure and evolutionary implications[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989, 86(23):
9412-9416.
[5]Bánhegyi G, Braun L, Csala M, et al. Ascorbate metabolism and its regulation in animals[J]. Free Radical Biology and Medicine, 1997, 23(5): 793-803.
[6]Challem J J. Did the loss of endogenous ascorbate propel the evolution of Anthropoidea and Homo sapiens?[J]. Medical hypotheses, 1997, 48(5): 387-392.
ps:
a Serena Yu批判我“脑洞大开幻想一通硬找个理由”,真的不至于,不就是观念之争,至于嘛
以后再也不指出别人错误了——打脸有风险 - 生生不息 - 知乎专栏我可真的不是脑洞大开,我的主要观点来自于《evolution study on vitaminiC synthesis of chiropterans》
1,恐龙灭绝的节点和维C失活的节点是在一起的
2,恐龙灭绝涉及到了哺乳动物获取生态位的问题。
至于恐龙灭绝理论,随手Google scholar,这种研究不要太多,我提到的火山,小行星和废气问题都是有正规的研究论文的
b关于蛋白质产生尿酸的问题
原文我用蛋白质来替代是方便理解,不过有人觉得不严谨,我就修改一下,另说明:蛋白质代谢是有嘌呤的,有兴趣的去翻生物化学教材