西藏人如何在“世界屋脊”生存

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很久很久以前,有这么一个家庭:一家几口坐在世界之巅,仰望星空。他们住在西藏高原上一个叫楚桑(Chusang)的地方,那里海拔4200米(14,100英尺),他们称其为家。

虽然远离低海拔地区的舒适,但住在高处也有好处。抬升并支持着西藏高原的构造力在高原表层生成了能够缓解高原上刺股冷风的温泉。夜晚,一家人围坐于斜坡上挖出的洞穴里,点上火,仅以这孤独的火光对抗漫长的黑夜。

如今,这一处火光早已消失在历史中,但这个家庭却给今天的人们留下了深深的印象。在这些家庭成员行走、玩闹的过程中,19个手印和脚印留在了粘土一般的温泉泥浆上,后来,泥浆逐渐干燥,而这些印迹则保存至今。

从印迹的大小,以及印在上面的不同手脚形状可以判断,这个家庭有六个成员,其中两个是孩子。但他们是谁?是什么将他们带去高海拔地区?难道是一次觅食之旅的结果?或是打猎?又或者是寻求无人之境的单纯的好奇心?

那些保存至今的手印和脚印无法为我们解答这些问题。我们仅仅知道——正如2017年1月发布的研究报告所公布的——发现自楚桑的手足印迹形成于12,700年至7,400年前之间的某一时段,这也证明了楚桑是西藏高原上最古老的遗址之一。

然而,让楚桑家庭显得尤为特殊的是其孤寂的生活方式。由于他们住在西藏高原最顶端,他们无法像其他同时期的西藏人一样,随着季节的变化在山上和山下之间迁徙。他们终年生活于同一个地方,忍受着肆虐的暴雪、刺骨的寒风,以及冬季冰川的侵袭。

他们生存了下来,这是非常了不起的现象。虽然火把的温暖能够为楚桑家庭驱赶严寒,但生活在高原之上的他们依旧需要面对一个无法克服的显著问题:每向上爬一步,空气就更加稀薄一些。在海拔超过4,000米(13,000英尺)的高度,人们每吸进肺里的一口气,其含氧量比低处减少了大约三分之一。然而,在他们体内的血液和DNA里,蕴藏着古老而神奇的力量,帮助他们对抗高海拔,在稀薄的空气中建起家园。

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Image caption 人类居于西藏高原已数千年——然而直至最近,科学家才解开了人类为何能够在西藏高原上生存的谜题(图片来源: Getty Images)

任何登山者都能够形容随着海拔上升,其所感受到的呼吸愈加困难的情形。这并不是因为,高海拔地区空气的含氧量降低了——不论我们站在世界的哪个地方,空气的含氧量都大约处于21%的水平。原因是:随着人们相对于海平面所处的位置越来越高,气压会越来越低,这就导致了空气分子四散,而人体肺部追赶空气分子的补偿能力是有限的。

面对气压的变化,人类有其应对方式。在成百上千代人的发展过程中,居住在秘鲁至玻利维亚一线的安第斯高原(Andean altiplano)居民进化出了桶状的胸腔,帮助他们扩大每一次呼吸时的空气吸入量。19世纪晚期以后,科学家们发现,安第斯高原居民的血液中充满了红细胞和能够输送氧气的血红蛋白(haemoglobin)。

当空气变得稀薄,人的血液就会变得更粘厚,增加其能够向身体各处细胞运送的含氧量。所有登山者的身体当中都会产生这种造血反应(hematopoietic,在希腊语中意为"血液"和"制造")。"在高海拔处,我们的身体反应和安第斯高原居民的非常相似。"俄亥俄州凯斯西储大学(Case Western Reserve University)人类学家辛西娅·比阿勒(Cynthia Beall)说道。"虽然不完全一样,但身体大致上的反应是一样的。"

因为基本上所有高海拔人口研究都选择安第斯人为研究样本,所以在近两个世纪的时间当中,造血机能(haematopoiesis)被看作人类对低氧水平的普遍反应。直到20世纪70年代晚期至80年代早期,徒步穿越了七个尼泊尔乡村的比阿勒逐渐发现,生活在西藏高原的人们并不符合上述研究结论。

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Image caption 研究人员起初很惊讶地发现,生活在西藏高原的人们,其身体当中缺少生存在高海拔地区所必需的生理适应机制(图片来源: Getty Images)

首先,西藏高原人没有桶状的胸腔,但他们的呼吸比安第斯人要快。其次,1981年秋天,比阿勒及其同事们发现,西藏人的血红蛋白水平惊人的低,处于生活在海平面的人们血红蛋白水平的正常范围内。虽然他们居住在所谓的"世界屋脊"他们的生理状态居然和那些从未离开过"世界地板"的人一样。

"一开始,这个发现让我感到好不焦虑,"比阿勒说道。"你会想,'天哪,我是不是选错研究对象了?我的实验方法是不是有问题?我是不是漏掉了什么?'"然而,又前往西藏和尼泊尔若干次,从各个乡村收集了更多数据之后,比阿勒却搜集到了更多信息,这些信息支持了其最初结论:在高海拔和低氧环境下,西藏高原人的体内减少了血液输送的氧气含量。

这是怎么一回事?这一结论乍听上去非常矛盾,而其似乎对人体的风险也非常大,不过事实上,这样的生理机制却保护了西藏高原人免受高海拔生活的某些糟糕的副作用。

比如,益处之一便是,血管的损耗更小。"如果你的血红蛋白水平比较高,你的血液的粘滞性会更强,这会导致许多破坏性结果,"加利福尼亚大学圣地亚哥分校(University of California in San Diego)的塔图姆·西蒙森(Tatum Simonson)解释道。"这基本上意味着,你需要将这种粘厚、浓度很高的血液输送去身体的各个系统,你的心脏负荷过大。"

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Image caption 西藏吸引了成百上千万的游客,虽然西藏人在低氧环境下游刃有余,可是游客们却须经受高山病的折磨(图片来源: Getty Images)

这种给人体循环系统带来压力的症状即慢性高山病(CMS,chronic mountain sickness)。1925年秘鲁医生卡洛斯·芒格·莫迪拉诺(Carlos Monge Medrano)首次将这种症状总结为慢性高山病(也被称为"芒格病"),而许多在高海拔地区快乐地生活了许多年的人也会罹患高山病。"我们尚不清楚触发高山病发作的因素是什么,"比阿勒说道。"但是,患上高山病的人会感到呼吸困难,嘴唇和手足发青,无法正常工作和入睡——这是一种严重的疾病。"

正如短期高山病,慢性高山病的治疗方法是逐渐下降至气压更高、氧气聚集的地方。但这并不是万全之策。因为液体很可能已经积聚在肺部(一种高海拔肺水肿,pulmonary oedema,Hape)或大脑中(一种高海拔脑水肿,cerebral oedema,Hace),人体重要的生命器官当中很可能已经充满了浓厚的血液。最坏的情况足以致命。

超过18%的秘鲁安第斯人在其人生的某一阶段会患上慢性高山病。然而在西藏高原,这个数字仅稍稍高于1%。

稀薄的血液帮助西藏的高原人减少患慢性高山病的风险,不过这绝非西藏高原人能够在极端环境下快乐生活的唯一原因。比如,2005年,比阿勒和她的同事们发现,与安第斯人及生活在海平面的人相比,西藏人会呼出更多一氧化氮(nitric oxide)。一氧化氮被称为舒张因子(relaxation factor),会引起肺部及全身血管的扩张,即"血管舒张"(vasodilation)。血管舒张后,血液流动量和氧气传输量都会增加。

正如西蒙森所认为的,说不定西藏人并不需要其他人所需那么多的氧气,说不定西藏人的肌肉运动更高效。"说不定西藏人的生理机制已经足够适应高海拔环境了,他们并不需要更多的红细胞和血红蛋白来传输更多氧气,"西蒙森说道。目前,西蒙森的工作就是探索这方面的可能性。

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Image caption 快速的基因变异或许是古代高海拔人群得以生存繁衍下去的原因(图片来源: Getty Images)

西蒙森为其研究项目已前往西藏高原多次,而她在自己的实验室中也对这一地区的历史做了调查研究。作为一名遗传学家,西蒙森能够通过分析西藏人的基因组(一个人所有的DNA序列),发现其适应高海拔环境的特殊原因。

2010年,通过对比30个西藏人和一些居住在北京的汉民族中国人的基因组,西蒙森识别出了与高海拔环境适应性相关的基因。实际操作比听上去容易。由于两个民族关系密切,只不过其中一个民族在高海拔地区生活了上万年,两种基因组的任何重大差异都有可能是西藏人适应氧气稀薄的高海拔环境的重要原因。

西蒙森的实验室并非唯一研究这一课题的研究团队。在2010年,两周内三个研究小组中每一个都发布了研究报告,证明西藏人和汉族人的基因组中有少数基因具有显著区别。最引起研究人员注意的是叫作EPAS1和EGLN1的这两个基因,而这两个基因已经因其调节血液中血红蛋白的能力为研究人员所熟悉。

"令人称奇的是,所有人的发现是一样的,"比阿勒说道。比阿勒也参与了其中一个研究小组的研究。"在基因组研究中,多数情况是,一项研究发现了某一特征和某一基因之间的关联,但其他研究小组却无法复制这一发现。"比阿勒说道。"可是在这次研究中,我们的研究结果一样,这是真的。"

人类作为一个整体具有本质上的共同特征,这一点令人类基因组学研究更容易了:在DNA和基因组方面,每个人都非常相似。"平均看来,不同种群之间的差异不大,"加利福尼亚大学伯克利分校(University of California in Berkeley)的拉斯姆斯·尼尔森(Rasmus Nielsen)说道。"不同种群间基因变体(genetic variants)差异最大的是那些决定毛发、眼球及皮肤颜色的基因变体。"

人类的差异都体现在表面,且差异是微小的;而在皮肤之下,我们的DNA几乎相同。在相似性的大海里,种群之间的基因变异就非常重要了,它们就好比冲出基因组表面的小而陡峭的岛屿。然而,在仔细观察了西藏人基因组的EPAS1基因后,尼尔森发现,其改变不仅是突出的,同样还是特别的。对名副其实的"千例基因组项目"(1,000 Genomes Project)进行调研后,尼尔森并未在其他研究中发现相似的结果。"我们在西藏人身体当中监测到的DNA序列实在是太特别了,"尼尔森说道。

研究人员发现,似乎西藏人的基因是从另一物种那里继承来的,而实际上这也是事实。

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Image caption 拯救了西藏人、使得他们能够在高海拔环境生存的基因变体可能来自某一古老的(今天已经灭绝)人种(图片来源: Getty Images)

2010年发布研究报告之前,尼尔森与德国莱比锡马克斯·普朗克进化人类学研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)的遗传学家斯范特·帕波(Svante Paabo)进行了一项尼安德特人(Neanderthals)基因组研究项目。尼尔森知道,今人的祖先曾与这些与其关系密切的表亲交配繁衍。尼尔森试图在尼安德特人的DNA里寻找西藏人独特的EPAS1基因的来源。结果并没有找到匹配的基因。

这一结果虽然令尼尔森感到些许失望,但他并不惊讶。我们知道,尼安德特人曾与今天欧洲人的祖先交配繁衍,在欧洲人的基因组当中留下了1-5%的尼安德特DNA。对于亚洲人的祖先,尼尔森研究了丹尼索瓦人(Denisovans),这是人类祖谱上的另一支。

丹尼索瓦人被发现于西伯利亚的阿尔泰山脉(Altai Mountains),仅通过两颗牙齿和一根细细的指骨,帕波和他的同事们于2012年发布了较为粗糙的基因组结果。结果显示,巴布亚新几内亚、澳大利亚,以及东南亚部分地区的人口,其1-6%的基因组继承自丹尼索瓦人。

想不到幸运可以延续至第三次。"研究结果完全匹配,"尼尔森说道。"我们简直不敢相信这个结果,但它是真的。"50,000至30,000年前,一些丹尼索瓦人、西藏人的古代祖先,以及汉族中国人在交配过程中融合了各自的基因组,各自的基因也像洗牌一样得到了新的排列组合,而他们的后代又会各自繁衍后代。

在其后的几万年中,该基因并没有给汉族中国人带来多少好处,整个汉民族人口的约1%仍带有该基因。然而,对于包括那个楚桑家庭在内,选择登上西藏高原生活的勇敢的族群,该基因帮助他们更轻松地呼吸,减少每一次心跳可能带给他们的危险。在西藏高原上,78%的人口都带有该变体的EPAS1,这种基因将西藏人与今天生活在高原之下的人们区分开来,但在更久远的年代,他们彼此相连。

经过了50,000年的基因进化,故事还未结束。虽然我们已经知道了为什么西藏人能够抵御高海拔环境,然而西藏人DNA当中的EPAS1又为何如此特别?对于这一问题,科学家们尚未得到答案,引起血红蛋白含量减少的那一变异(或者说那些变异)仍旧是个谜题。"所有的遗传学家都认为,在这一领域做基因测序非常困难,"比阿勒说道。在海量的数据和基因组面前,新的探索者们仍有很长的路要走。

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