你和猪只差十把香蕉:人类与香蕉基因相似度50%(图)

“你真是头猪”这句经常作为朋友之间调侃的话,近些年来被越来越多的科学研究证明可能真有几分道理。科学家们将猪的基因组与人的基因组进行比对后,发现它们之间有极高的相似性。也就是说,人和猪确实“共享”了很多基因。

不光是猪,在动植物界中还有很多物种与人类的基因组存在相似性。这其中既有黑猩猩一类灵长目近亲,也有酵母乃至香蕉等与人类完全不搭界的物种。今天我们先来盘点一番与人类基因组相似度较高的物种,再对这种相似性产生的原因加以简介。

哪些动物的基因组与人类相似?

1黑猩猩

黑猩猩是目前与人类基因组相似程度最高的动物。研究表明,黑猩猩的基因组与人类基因组的相似性大约为98.6%到99%之间。从形态特征以及生殖过程来看,黑猩猩都与人类很接近,基因组有很高的相似性也不足为奇。进化基因组学的研究显示,人类的祖先与黑猩猩的祖先大约在500-600万年前分开,各自进化成了现在的形态。

黑猩猩具有极高的智慧水平

(图片来源:TambakotheJaguaronVisualHunt)

黑猩猩属下的另外一种动物——倭黑猩猩与黑猩猩的相似度极高,二者共享了大约99.6%的基因。科学家推断,它们直到大约130万年前才演化为两个独立的物种。至于它们分道扬镳的原因听起来有点黑色幽默:二者都不善于游泳,于是在刚果河南北两岸的黑猩猩种群逐渐被地理因素隔绝,走上了略有不同的演化路线。

灵长目中不少其它物种也与人类的基因组相似度极高,例如大猩猩与人相似度达到98%,红毛大猩猩达到97%。除此以外,各种猴乃至狐猴都与人共享了90%以上的共同基因。

2 猫

目前的研究表明,猫与人类的基因相似性高达90%,这也从一个侧面反映出了猫的智慧程度实际上可能超过我们对它们的固有印象。对猫的驯化最初发生在大约1万年前,而且最初可能是猫主动将自己委身于与人类的这种共生关系中。证据显示,当时的野猫以捕猎田鼠作为交易筹码接近人类,从而获取一点额外的蛋白质和食物。

喵星人居然是主动前来“奴役”蓝星人的

(图片来源:Visualhunt.com)

3奶牛

是的,你没有看错,我们的基因组跟奶牛也有80%左右的相似性,这一数据甚至高于与我们拥有更近共同祖先的啮齿类。科学家们对此给出的解释是啮齿类更小的体型催生了更快的繁殖周期和更高的繁殖能力,从而使得种群的演化能力和基因突变进程大大加速。

奶牛与人类存在共同祖先

(图片来源:NHN_2009onVisualhunt)

4小鼠

如果只比较蛋白质编码基因,小鼠有85%的基因与人类相似;但如果将人类和小鼠的非编码RNA进行比较,却只有50%具有相似性。有科学家估计小鼠的祖先和人类的祖先大约在8000万年前分开,各自进化。小鼠作为目前科学研究中最常用的模式动物,与人类基因组的高度相似性是其中很重要的原因。

小鼠为人类医学事业的发展立下了汗马功劳

(图片来源:VisualHunt.com)

5果蝇

看似跟人类体型差距极大,外貌特征完全不一样的果蝇,与人类基因的相似性居然有60%。可能很多人不敢相信,但基因比对的结果确实证明了人类的体内有一半以上的基因跟果蝇是相似的。

果蝇虽小,却协助人类揭开无数谜题

(图片来源:VisualHunt.com)

6 鸡

鸡的生殖方式跟哺乳动物完全不同。尽管在繁殖后代上存在着巨大的差异,但基因比对的结果显示,鸡的体内依然有60%的基因与人类相似。

鸟类是哺乳类以外现存唯一的恒温动物

(图片来源:VisualHunt.com)

7香蕉

大盘点中唯一一种植物出现了,它就是香蕉!一种连动物都不是的生物,居然跟人类的基因有50%的相似性。虽然笔者也感觉很不可思议,但从生物学角度来说确实也有合理的解释,我们将会在后面的段落详细介绍。

香蕉基因组与人的相似程度之高出乎很多人意料

(图片来源:VisualHunt.com)

8酵母

酵母是一种单细胞真菌,因为在生物学实验中经常会用到,所以有人将它的基因组与人的基因组进行了比较。结果发现这种单细胞生物,依然有26%的基因与人类相似。

酵母是知名的模式生物

(图片来源:VisualHunt.com)

以上,笔者为大家盘点了8种生物与人类基因组进行相似性比较的结果。为了让大家更好地理解上面的内容,并且消除可能存在的误解,我们将从以下两个角度为大家进一步解读。

盘点中为什么没有其它我们熟悉的动物?

不少常见动物在盘点里的缺席并不代表在自然界中与人类基因组相似的生物只有这8种。这8种生物之所以在列,是因为人类已经完成了对它们的基因组测序,而且有科学家完成了比对工作。

全基因组测序费时费力费钱,所以目前完成全基因组测序的大多属于有科研价值以及有经济价值的生物。例如,最新一种完成全基因组测序的动物是澳洲考拉,这项成果已于不久前的7月份登上了《自然—遗传学》杂志。考拉每年为澳洲带来10亿美元的直接经济收益,而且为世界人民所喜爱,拥有自己的基因图谱想来也不过分。

考拉的全基因组测序于今年7月完成

(图片来源:Pixabay.com)

自然界中必然还存在很多跟人类基因组相似的物种,只不过因为没有完成全基因组测序,没有办法进行相似性比对,因而具体的相似性数据不为人类所知罢了。

相似性比较的标准是什么?

上面提到的基因组相似性,大多数指的是编码蛋白质基因的相似性。但是在人类染色体中,编码基因只占到了整个DNA序列的1.5%到2%之间,也就是说其他98%的区域并没有用来进行相似性比较。

那为什么只比对这么少的区间就能说两个物种存在相似性了呢?这是因为在生物体内发挥功能的基因大多数都是这些编码基因,其他非编码区域被认为是“垃圾”区域。因此仅仅比较这些编码蛋白的基因序列,就可以判断不同物种之间相似性的大小了。

DNA序列中仅有不到2%的编码基因

(图片来源:Freepik.com)

然而,随着科学家对染色体认识的加深,近些年发现这些“垃圾”区间也会通过转录出非编码RNA或者染色体折叠的方式来间接影响细胞的生理活性。因此,目前的比对结果还不够精确,相信随着我们对生命运行规律的不断解读,将会得到更加科学的结果。

我长得无论如何也不像香蕉,凭什么我们的基因组有50%相似性?

为什么像香蕉、果蝇、鸡这种跟人类外貌特征、生活方式、繁殖方式差距这么大的生物,还依然有半数以上的基因与人类的基因是相似的呢?

我们首先从生物体基本构成的角度来解释这个问题。不管是酵母、香蕉、果蝇还是鸡,都属于真核生物,而真核生物都是由真核细胞构成的。高中生物学课程中我们已经学过,所有的真核细胞都具有以下几个特点:

具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成的细胞核;有内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体等细胞器;有发达的细胞骨架系统;转录方式基本一致,等等。

典型的动物细胞结构

(图片来源:Freepik.com)

尽管这些不同的物种外貌差别很大,但从细胞水平来看,基本结构却都是相似的。由于这些基本结构的形成是由基因决定的,所以也就不难理解为什么植物和微生物还能跟人类的基因组有一定的相似性了。

其次也可以从生物进化的角度来解释。不管是动植物还是微生物,最初都是由共同祖先进化而来的,所以不同生物之间或多或少都遗留着共同祖先的一些基因特征。

生物进化的系统发生树

(图片来源:公有领域)

随着各物种向不同的方向进化,基因之间的差异也就越来越大。这也就是为什么上述几种动物中,黑猩猩与人类基因组相似性最高,而酵母与人类基因组的相似性最低了。

进行跨物种基因比对有什么意义?

随着越来越多物种全基因组测序的完成,我们还会发现更多跟人类基因组相似的动植物。实际上,对进化角度上亲缘关系较近的物种进行类似的基因比对研究,是目前进化基因组学最有力的研究手段。

通过基因比对,我们可以厘清不同种近缘生物的亲缘关系,确定它们种间分化发生的大致时期,以及把握物种演化的脉络,从而优化经典的物种分类树;科学家还能够根据过去的物种进化轨迹进一步预测地球上生物未来的进化方向,为人类与地球的可持续发展提供建议。

地球上的现存生物虽然各自经历了数十亿年的进化历程,但都可以追溯到共同的祖先,从这个角度来说,我们与香蕉拥有50%的共同基因其实不值得大惊小怪。

物种演化史

(图片来源:公有领域)

参考文献:

1.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2278377/

2.https://www.thedodo.com/animals-you-had-no-idea-were-so-closely-related-to-humans-1172946617.html?from=groupmessage

3.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9284919

4.https://www.sciencemag.org/news/2013/12/when-cats-became-comrades

5.https://www.sciencemag.org/news/2009/04/mooove-over-humans-cow-genome-here

(本文中标明来源的图片均已获得授权)

出品:科普中国

制作:京都大学生物科学研究科六八七

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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