人為什麼沒有尾巴?


文.周成功
陽明交通大學退休教授


圖.陳文盛
陽明交通大學退休教授

從老鼠到猴子,大多數哺乳動物在出生後都有一條長長的尾巴。但不知道發生什麼事,包含巨猿(Gigantopithecus)、黑猩猩(Pan troglodytes)到智人(Homo sapiens)都變得沒有尾巴了。其實猿類動物也不能說真的是沒有尾巴,因為在胚胎發育早期,牠們的尾巴雛型仍然清晰可見。像人類尾巴在胚胎發育晚期,大約在子宮內的第八週時會消失,但成年人身上仍然保留了尾巴發育殘存的結構——尾骨(coccyx, tailbone,又稱尾椎)。

美國紐約大學(New York University)博士生夏波(Bo Xia)從小就對「我的尾巴在哪裡?」這個問題很感興趣。他在紐約大學唸書時,有一次坐計程車不小心傷到尾骨,更重新激發了他對人類尾巴消失之謎的好奇心,於是便在傷勢恢復後決定認真研究這個問題。

夏波的研究策略很簡單,首先到基因資料庫搜尋,查看過去有多少基因已被證實和尾巴發育有關。他很快就找到在老鼠的基因體內有31 個基因,如果任何一個基因發生突變就會產生沒有尾巴的老鼠後代。於是他以這31 個基因作為標的,在基因資料庫中找出人類與其他15 種有尾猴的基因,比對這些基因轉錄(transcription)出的胺基酸序列,希望了解人和猴子在這31 個基因中是否有所差異。結果大失所望,這31 個基因的胺基酸序列在猴子與人之間完全相同。

接下來夏波擴大搜尋範圍,在基因資料庫中找到了老鼠的另外109 個基因,這些基因如果發生突變將導致老鼠尾巴變短或畸形。他依樣畫葫蘆地比對人類和猴子之間109 個基因的胺基酸序列有無不同,結果依然一無所獲。

不過每一個基因除了決定蛋白質胺基酸序列的編碼序列(coding sequence),也就是由外顯子(exon)組成、編碼蛋白質的部分之外,還包含了非編碼序列(non-coding sequence),例如兩個外顯子中間的内含子(intron)、3′ 端和5′ 端的非編碼序列等。夏波接下來仔細比對了這140 個基因中的所有非編碼序列,結果在一個名為TBXT 的人類基因中,發現一段在猴子基因中不存在的跳躍基因(transposon)AluY序列,只有約220 個鹼基對,插在TBXT 基因的一個内含子裡。

但由於内含子不能決定胺基酸序列,所以它多出的AluY 序列對TBXT 基因製造出的蛋白質應該不會有任何影響;但如果TBXT 基因突變,卻會導致小鼠的尾巴變短。經過進一步的研究,夏波發現原來AluY 序列會造成TBXT 基因的mRNA 錯誤剪裁,轉錄出一個缺少6 號外顯子、相對較短的TBXT 蛋白;相反的,老鼠或猴子的基因會製造出相對較長的TBXT 蛋白,讓牠們發育出長尾巴來。能長出尾巴的基因雖然存在於人類身上,但卻在發育時半途而廢,導致我們沒有尾巴!而這段AluY 序列插入哺乳動物TBXT 基因的時間大概發生在2500 萬年前,也就是說當類人猿的祖先,在2500 萬年前與現今猴子的祖先分道揚镳時,就已經沒有尾巴了!


為什麼類人猿會多出這段AluY 序列、失去尾巴?過去有些學者將這種缺失解釋為生物演化的適應,也就是說,失去尾巴也許能提供一些生存或是適應環境的優勢。像是丟掉尾巴可以讓樹棲的類人猿離開森林,從而適應在草原中雙足直立的行走模式。不過這個假說有一個最大的問題,就是我們的祖先可能在2500萬年前就已經失去了尾巴,但確定是雙足直立的類人猿——家喻戶曉的南方古猿(Australopithecus)露西(Lucy)出現的時間,不過才300 多萬年而已。300 多萬年之前那些沒有尾巴的類人猿,多數時間仍然是靠四肢在地面爬行。

此假說還有另一個挑戰,就是尾巴真的會對雙足直立的行走模式產生妨礙嗎?過去十年中,愈來愈多研究顯示尾巴影響行走的說法與實際狀況並不相符。2016 年的研究發現,少數有時會直立行走的猴子,像是捲尾猴(Cebus capucinus),當牠們偶爾要用雙手搬運物品時,必須直立行走,這時尾巴不僅不會造成妨礙,反而是一個很好的支撐杖,讓身體更能保持平衡。

演化並不會只讓生物朝更好方向前進,過程中它也會無情地淘汰那些帶了「過剩」或「浪費」特徵的生物。如果尾巴的存在有助於哺乳動物生存,那無尾猿類2500 多萬年前出現以後,就應該會在這段漫長的時間中被淘汰,而人類也就永遠不會出現。該如何解釋帶著不利於生存的尾巴特徵,居然一路過關斬將,最終演化出現無尾且雙足直立的現代人類?

一個可能的解釋是,這一切都可能來自運氣的操弄,是典型遺傳漂變 (genetic drift)加上創始者效應(founder effect) 的案例。我們可以想像大約2500萬年前的某個猿猴,因為有一小段AluY 序列無意間插入了TBXT 基因,製造出比較短的TBXT 蛋白,以致於出生時沒有尾巴。當那隻猿猴倖存下來並能繁殖後代的同時,東非大陸又發生了劇烈的地質變動,讓這群新生的無尾猿猴可以處在一個安適但與外隔絕的地區,沒有機會和其他猿猴交配。再加上,天擇始終沒有打擊到無尾的要害,這才使得一群失去尾巴的靈長類動物,一代又一代地傳承演化,出現黑猩猩、大猩猩、紅毛猩猩、長臂猿等後代,最終出現了沒有尾巴的人類。


延伸閱讀

Konkel, M. K. & Casanova, E. L. (2024). A mobile DNA sequence could explain tail loss in humans and apes. Nature, 626, 958–959. 閱讀完整內容
科學月刊2024/1月 第661期

本文摘錄自‎

人為什麼沒有尾巴?

科學月刊

2024/1月 第661期