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一個氨基酸居然決定現(xiàn)代人和尼安德特人的智力鴻溝?《科學(xué)》新發(fā)現(xiàn)

2022年9月8日,一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》雜志的古人類分子生物學(xué)研究顯示,現(xiàn)代人與尼安德特人的TKTL1基因存在一個堿基對的差異,也正是這處點(diǎn)突變使現(xiàn)代人擁有更多大腦神經(jīng)元,以及更高水平的智力。論文作者如此評價該基因:“它幫助人類成為了真正意義上的人類。

一個堿基對的不同居然能決定兩個人種的智力差異?

人類大腦額葉的核磁共振影像


仿佛被上帝親吻過的神奇大腦令現(xiàn)代人擁有其他任何生物都望塵莫及的智能,完成各種“高維度”的任務(wù),例如使用成熟的語言,為未來制定復(fù)雜計(jì)劃。

過去幾十年間,科學(xué)家一直在比較人類與其他哺乳動物的大腦解剖結(jié)構(gòu),試圖揭示這些復(fù)雜功能的進(jìn)化奧秘。

一處最明顯的特征在于尺寸——人腦大小是遠(yuǎn)親黑猩猩的4倍。

獨(dú)特解剖學(xué)特征也是科學(xué)家的觀察重點(diǎn)。舉個例子,我們眼睛后方的皮層區(qū)域叫作額葉(frontal lobe),是人類能產(chǎn)生一些高維度復(fù)雜想法的關(guān)鍵區(qū)域。2018年一項(xiàng)的工作顯示,人類額葉的神經(jīng)元數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于黑猩猩。

不過話說回來,人類祖先與黑猩猩祖先在七八百萬年前便已分家,況且拿黑猩猩來跟自己比確實(shí)也不算英雄好漢。如果要了解700萬年以后的情況,了解過去幾十萬年間的智人(解剖學(xué)意義上的現(xiàn)代人)巔峰,我們必須借助各種遠(yuǎn)古人類的化石。

TKTL1酶的殘基317

古人類學(xué)家通過觀察頭骨化石發(fā)現(xiàn),現(xiàn)代人祖先的大腦從大約200萬年前開始顯著增加尺寸,并在大約60萬年前達(dá)到現(xiàn)代人水平。尼安德特人是最接近我們的已滅絕人類之一,其大腦尺寸與我們相當(dāng)。

但尼人的大腦形態(tài)屬于“拉長型”,而人類的則更接近球形。學(xué)者們暫時說不出此種差異的根源。一種可能性是我們祖先大腦的多個區(qū)域都改變了大小,因此表現(xiàn)為球式擴(kuò)增。

左右分別示意尼安德特人與現(xiàn)代人的顱骨

近年來,科學(xué)家開始借助新材料研究古大腦:針對保存于人類化石里的古DNA片段,進(jìn)行分子生物學(xué)的分析。目前學(xué)術(shù)界已重建出尼安德特人及其東方近親丹尼索瓦人的完整基因組。

眼下,科學(xué)家聚焦現(xiàn)代人、尼人、丹人的基因組,試圖找出它們之間潛在的關(guān)鍵差異。人類基因組包含大約19000個基因,其編碼的蛋白質(zhì)大多與尼人和丹人的相同。不過研究人員也發(fā)現(xiàn)了96種專屬人類的特異性突變。

神經(jīng)科學(xué)家維蘭德·哈特納(Wieland Huttner)現(xiàn)任職于馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所。2017年,哈特納實(shí)驗(yàn)室的研究員安妮琳·平森(Anneline Pinson)在那96種突變基因里挑出了TKTL1基因,負(fù)責(zé)編碼一種名為“轉(zhuǎn)酮醇酶樣蛋白1”(TKTL1)的蛋白質(zhì)。

關(guān)于TKTL1,當(dāng)時科學(xué)家們已知的內(nèi)容是:
它是一種由596個氨基酸殘基組成的酶,在尚未成熟的胎兒大腦皮層(尤其是額葉)中表達(dá)水平顯著增加,也與腦腫瘤細(xì)胞的增殖有關(guān)。

現(xiàn)代人與尼人的TKTL1基因存在一個堿基對的差異,對應(yīng)到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上就是一個氨基酸的不同——尼人TKTL1的殘基317為賴氨酸,現(xiàn)代人的殘基317則是精氨酸。

平森博士表示:“我們知道額葉對于認(rèn)知功能至關(guān)重要。所以與額葉密切相關(guān)的TKTL1突變可能是一個揭示人類認(rèn)知奧妙的絕佳線索?!?/span>

類腦模型浮現(xiàn)1/96的奧秘

之后,平森和同事們對小鼠和雪貂進(jìn)行了初步的TKTL1相關(guān)實(shí)驗(yàn)。他們將人類版本的TKTL1基因注入實(shí)驗(yàn)動物的胚胎,結(jié)果發(fā)現(xiàn)它會導(dǎo)致小鼠和雪貂的發(fā)育大腦產(chǎn)生更多的神經(jīng)元。而當(dāng)他們選擇注入尼人基因時,神奇的情況沒有發(fā)生。

接下來,平森等人使用分子剪刀,刪去了從人類胎兒腦組織細(xì)胞(樣本來自德國醫(yī)院的墮胎女性)中的TKTL1基因。結(jié)果顯示,沒有了TKTL1的腦組織會產(chǎn)生更少的神經(jīng)祖細(xì)胞。

基底放射狀膠質(zhì)細(xì)胞的顯微鏡照片。該細(xì)胞是大腦發(fā)育過程中產(chǎn)生的神經(jīng)祖細(xì)胞類型之一


接連得到喜人結(jié)果后,研究團(tuán)隊(duì)開啟最后一個實(shí)驗(yàn)——微型“大腦類器官”(類腦)的創(chuàng)建和觀察:

他們對人類胚胎干細(xì)胞進(jìn)行編輯,令其失去專屬人類的TKTL1突變,并以其他物種的突變代替。替代者包括尼人、黑猩猩以及其他哺乳動物。


然后,平森和同事把干細(xì)胞放進(jìn)特定化學(xué)浴,后者會誘使其變成一團(tuán)正在發(fā)育的腦組織,也就是大腦類器官。大腦類器官產(chǎn)生祖細(xì)胞,繼而形成一個由神經(jīng)元層組成的微型皮層。


未經(jīng)基因替換的胚胎干細(xì)胞發(fā)育而來的,自然是標(biāo)準(zhǔn)人類類腦;若被替換了,則形成尼人或黑猩猩的類腦。


相比標(biāo)準(zhǔn)人類版本,尼人類腦產(chǎn)生的神經(jīng)元更少。

這表明TKTL1基因的突變幫助我們的祖先產(chǎn)生更多額葉神經(jīng)元。雖然這種變化并未增加我們大腦的整體尺寸,但它可能重構(gòu)了神經(jīng)系統(tǒng)。


平森與哈特納的成果最終發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

比利時列日大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家洛朗·阮(Laurent Nguyen)未參與該項(xiàng)研究,不過給予了高度評價:“如此微小的變化對神經(jīng)元形成產(chǎn)生如此巨大的影響。這真的是一次絕妙的表演,非常了不起。”

當(dāng)然,新發(fā)現(xiàn)并不意味著TKTL1是人類智能的終極答案。其他學(xué)者正積極探索著其他95種突變蛋白,開展自己的類器官實(shí)驗(yàn)。

哈特納博士實(shí)驗(yàn)室的其他成員于今年7月報告稱,另外2個突變改變了發(fā)育中大腦的細(xì)胞分裂速度。2021年,加州大學(xué)圣地亞哥分校的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),另一種突變似乎改變了人類神經(jīng)元連接的數(shù)量。

此外,阮博士觀察到,人類特有的96種突變中的一部分改變了可能參與細(xì)胞遷移的基因。他推測,此類突變可能使我們的神經(jīng)元移動方式不同于尼安德特人。

這一發(fā)現(xiàn)為我們進(jìn)一步揭示尼人和現(xiàn)代人的演化差異提供新線索。


資料來源:

What Makes Your Brain Different From a Neanderthal’s?

END
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