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我们对可见的空气污染十分关注——例如,现在从太空中可以看到澳大利亚丛林大火的卷须状烟雾,或是冬天降临在新德里等城市的有毒雾霾。
但空气污染也在持续伤害数十亿人。在户外,我们呼吸着汽车、燃煤电厂和炼油厂排放的毒素。在贫穷国家,室内烧火取暖和做饭也污染了数十亿人所呼吸的空气。超过十亿人通过吸烟或最近流行的电子烟将毒素吸入肺部。
世界上92%的人生活在细颗粒物——对人体组织最危险的微小颗粒——超出世界卫生组织健康空气指标的地方。空气污染和烟草每年导致多达2000万人过早死亡。
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空气传播的毒素伤害我们身体的方式多得惊人。除了确认与肺癌和心脏病有关外,研究人员如今还发现了与糖尿病阿尔茨海默病等疾病的关联。
科学家们仍在研究空气污染是如何导致这些疾病的。同样让他们感到困惑的是,为什么有一些人在这种现代冲击下表现出的明显抵抗力。
一些研究人员现在认为,这些问题的答案就在我们遥远的进化史之中,在第一根香烟被点燃、第一辆汽车上路之前的数百万年里。
还是非洲大草原上行走的双足猿之时,我们的祖先就已经被空气中的毒素所困扰,亚利桑那州立大学的生物学家本杰明·特朗布尔(Benjamin Trumble)和南加州大学的凯莱布·芬奇(Caleb Finch)在《生物学季评》(Quarterly Review of Biology)12月刊上写道。
肯尼亚安博塞利国家公园遭遇沙尘暴。生物学家认为,现代人类的祖先可能已经进化出了对这些空气污染物的防御能力。
肯尼亚安博塞利国家公园遭遇沙尘暴。生物学家认为,现代人类的祖先可能已经进化出了对这些空气污染物的防御能力。 Steve Holroyd/Alamy
科学家们提出,我们的祖先进化出了抵御这些污染物的能力。如今面对烟草烟气等空气传播的威胁,这些抵抗力可能在保护我们(尽管效力有限)。
但特朗布尔和芬奇推测,我们的进化遗产也可能是个负担。有些基因的适应性或许会让我们在面对与空气污染有关的疾病时更脆弱。
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这“确实是对进化医学非常有创意和趣味的贡献,”加州大学洛杉矶分校的人类学家莫莉·福克斯(Molly Fox)说,她没有参与这项新研究。
故事在大约七百万年前开始。当时的非洲正逐渐变得干旱。撒哈拉沙漠出现在北非,而非洲东部和南部则露出了草原。
黑猩猩和大猩猩的祖先留在了正在消失的森林里,但我们这些远祖亲戚适应了新环境。它们进化出瘦高的体格,非常适合长距离行走和奔跑。
芬奇和特朗布尔认为,早期人类还面临着另一个很大程度上被忽视的挑战:空气。
大草原会周期性地经历来自撒哈拉的强烈沙尘暴,我们的远祖可能因吸入了含有大量硅的微粒而导致肺部受损。
“当尘土升腾,我们就会看到更多肺部问题出现,”芬奇说。即使在今天,希腊研究人员也发现,当撒哈拉沙漠的风吹到他们国家时,就会有大批病人因为呼吸疾病涌入医院
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茂密的热带丛林为黑猩猩和大猩猩提供了躲避尘土的避难所。但最早的人类就在空旷的草原上游荡,无处藏身。
尘土并不是唯一的危险。花粉含量高的空气和草原上大量食草动物的粪便颗粒也可能导致早期人类的肺部不适。
芬奇和特朗布尔认为,科学家应该思考这些新挑战是否通过自然选择改变了我们的生理。比如,那些对香烟烟气有抵抗力的人是否可能遗传了基因变异,而这种变异就曾保护他们的远祖免受洞穴火灾的伤害?
要回答这一问题,其中一个办法是观察自我们祖先离开森林以来经历了显著进化的基因。
其中之一是MARCO,它提供了制造一种分子钩的蓝图,这种分子钩为我们肺部的免疫细胞所使用。细胞用这个分子钩来清除细菌和颗粒,包括硅尘。
去年11月,印度泰姬陵的部分景观被雾霾掩盖。
去年11月,印度泰姬陵的部分景观被雾霾掩盖。 Pawan Sharma/Agence France-Presse — Getty Images
MARCO基因的人类版本与其它猿类有明显不同。这种转变至少发生在50万年前。(尼安德特人也携带这种变异基因。)芬奇和特朗布尔推测,呼吸含尘空气导致了我们在大草原上行走的祖先的MARCO基因进化。
后来,我们的祖先掌握了火种,更增加了空气传播的威胁。当逗留在炉边做饭、取暖或抵御昆虫袭击时,他们就会吸入烟雾。早期人类开始建造住所后,环境对他们肺部的危害就更大了。
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“传统人类大多生活在烟雾缭绕的环境中,”芬奇说。“我认为在我们这个物种出现之前,这已经是人类生活的一个现实。”
他和特朗布尔都认为,烟雾制造了新的进化压力。例如,人类进化出了功能强大的肝酶来分解从肺部进入血液的毒质。
宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)的分子毒理学家加里·珀杜(Gary Perdew)和他的同事们发现了另一种在烟雾驱动下进化的基因证据,那就是AHR基因。
这种基因会产生一种存在于肠道、肺部和皮肤细胞中的蛋白质。当毒质附着在蛋白质之上,细胞就释放出酶来分解毒素。
其它哺乳动物也利用AHR基因对食物进行排毒。但这种蛋白质对木材烟雾中的一些化合物也有效。
与其它物种相比,人类版本的AHR基因对毒质反应较弱,或许是因为AHR蛋白质并不是完美的保护剂,它留下的碎段会造成组织损伤。
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在学会取火之前,我们的祖先不需要经常使用AHR的能力;从理论上讲,他们的身体可以承受这种蛋白质造成的有限损伤。
但当我们开始频繁吸入烟雾,不断需要AHR蛋白质的时候,这种基因就可能对我们的健康造成威胁
珀杜认为,人类进化出了较弱的AHR反应,是在寻找“最佳平衡点”——即将空气污染物的损害降至最低,又不会造成太多副作用的折衷办法。
这些适应从来都不是完美的,正如今天仍有数百万人死于室内空气污染的事实所证明的那样。但进化并不追求完美的健康。
“从进化的角度来看,做重要的是保证繁殖,”珀杜说。“如果你40多岁就死了,那又怎么样呢?这是一种冷酷无情的思考方式,但事实就是如此。”
大气的改变
1940年代,伦敦的巴特西发电厂烟雾缭绕。当工业革命改变了人类呼吸的空气,我们的身体做出了反应,这种防御能力历经了数十万年的磨练。
1940年代,伦敦的巴特西发电厂烟雾缭绕。当工业革命改变了人类呼吸的空气,我们的身体做出了反应,这种防御能力历经了数十万年的磨练。 Daily Mirror/Mirrorpix, via Getty Images
我们人类在两个世纪前经历工业革命时,身体已经经历了数百万年高度不完善进化过程的塑造。
洁净的水、改进的药物和其它创新极大减少了传染病造成的死亡。平均预期寿命迅速增长。但我们所接触的空气中的毒质也增加了。
“如果我们把过去500万年压缩成一个单一的年份,那工业革命开始的时候就得是12月31日晚上11点40分了,”特朗布尔博士说。“我们只生活在人类存在史里一个极其微小的节点上,然而却认为周遭一切就是常规。”
工业革命的动力主要源于煤炭,人类也因此开始呼吸煤炭燃烧产生的烟雾。汽车无处不在;发电厂和炼油厂遍布各地。烟草公司以工业规模生产香烟。如今,他们每年可销售6.5万亿支香烟
我们的身体以几十万年磨练出的防御能力作为回应。最有效的反应之一就是炎症。但许多人不是短暂地发炎,而是持续不断地有炎症。
如今许多研究表明,慢性炎症是空气中毒质与疾病之间的重要联系。例如在大脑中,慢性炎症可能损害我们清除缺陷型蛋白质的能力。这些蛋白质的累积可能会导致失智。
病原体可以搭上污染颗粒物的便车。当它们进入我们的鼻子,就能接触到神经末梢。在那里,它们会引发更多炎症。
“它们提供了一条通向大脑的高速公路,”加州大学洛杉矶分校的福克斯说。“所以我认为这是件特别可怕的事情。”
我们因烟熏缭绕的过往而产生的一些基因变异,现在或许能提供一些帮助。芬奇和特朗布尔认为,一些人尽管吸烟可能还是可以很长寿。
但研究人员研究了另一种基因,其结果似乎刚好相反:在空气污染日益严重的时代,曾经有用的基因变体已经有害了。
ApoE4基因突变首次被发现是因为它大大增加了阿尔茨海默病的风险。最近,研究人员还发现ApoE4会增加暴露于污染空气而导致失智的风险。
但这些研究仅限于工业化国家的范畴。而当研究人员观察其他社会时——如加纳贫穷村庄的农民,或是玻利维亚的森林原住民——ApoE4的影响就大大不同。
在这些社会中,传染病仍是死亡主因,特别是对儿童。研究人员发现,在这些地方,ApoE4增加了人们活到成年并生育后代的几率。
几十万年来,自然选择一直青睐ApoE4,或许正是因为它这种提高人类生存率的能力。但这种基因和其它基因可能产生的有害副作用,直到被烟熏黑的现代才被发现。