研究人员发现，古代原始人类（包括早期人类）在整个童年时期都暴露于铅环境中，这些化学痕迹留存在牙齿化石中。实验表明，这种暴露可能驱动了基因变化，从而强化了现代人类与语言相关的大脑功能。
这项发表在《科学进展》上的研究，也为现代人类最终超越尼安德特人提供了一个新的视角。实验室培养的、带有尼安德特人基因变异的大脑类器官，在接触铅后，其反应比带有人类基因的类器官更为强烈，这暗示尼安德特人可能更容易受到铅对神经系统的影响。
来自澳大利亚南十字星大学地质考古与考古测量研究组、美国纽约西奈山伊坎医学院环境医学系以及加州大学圣地亚哥分校医学院的研究人员，结合了化石化学、大脑类器官实验和进化遗传学，揭示了铅是如何影响人类进化历史的。
化石牙齿中古代铅暴露的证据
多年来，铅中毒一直被认为与人类工业活动密切相关，包括冶炼、采矿以及含铅汽油和油漆的使用。当研究人员分析了来自一系列古人类和大型猿类的51颗化石牙齿后，这一观点发生了改变，这些古人类包括非洲南方古猿、罗百氏傍人、早期人属、尼安德特人和智人。这些牙齿显示出清晰的化学痕迹，表明间歇性铅暴露可追溯至近两百万年前。
在南十字星大学GARG实验室和西奈山暴露组学实验室进行的高精度激光剥蚀地球化学分析显示，牙釉质和牙本质上存在明显的“铅带”。这些铅带形成于童年时期，表明存在周期性的环境铅摄入（例如来自污染的水、土壤或火山活动），或者来自储存在骨骼中并在压力或疾病时期释放出来的铅。
“我们的数据显示，铅暴露不仅仅是工业革命的产物——它本就是我们进化历程的一部分，”南十字星大学GARG研究组负责人Renaud Joannes-Boyau教授说。
“这意味着我们祖先的大脑是在一种强效有毒金属的影响下发育的，这种影响可能在数千年的时间里塑造了他们的社会行为和认知能力。”
铅如何与早期大脑发育相互作用
为了理解这种暴露的功能性影响，研究团队研究了人类大脑类器官，这些类器官可作为早期大脑发育的简化实验室模型。他们测试了铅如何影响一个关键发育基因NOVA1的两个版本，该基因在神经发育过程中调节铅暴露下的基因表达。现代人类的NOVA1基因版本与尼安德特人和其他已灭绝古人类的变体不同，尽管这种进化变化的原因此前尚不清楚。
携带尼安德特人样NOVA1变体的类器官在接触铅后，大脑皮层和丘脑中表达FOXP2的神经元显示出显著的破坏。这些大脑区域对语言和言语发育至关重要。而带有现代人类NOVA1基因的类器官则表现出远为轻微的破坏。
“这些结果表明，我们的NOVA1变体可能提供了抵御铅有害神经影响的保护，”加州大学圣地亚哥分校儿科学/细胞与分子医学教授、桑福德干细胞研究所综合空间干细胞轨道研究中心主任Alysson Muotri教授说。
“这是一个非同寻常的例子，说明环境压力——在这里是铅毒性——如何推动了改善生存和语言交流能力的基因变化，但这些变化现在也影响着我们对现代铅暴露的易感性。”
对现代人类崛起的遗传学见解
研究中的遗传和蛋白质组数据显示，在带有古老基因变体的类器官中，铅暴露破坏了与神经发育、交流和社会行为相关的多条通路。FOXP2的破坏尤其值得注意，因为FOXP2在言语和语言中的作用已被充分证实。这些结果表明，来自环境毒素的长期压力可能促使现代人类和尼安德特人的认知和沟通特征沿着不同的进化路径发展。
“这项研究展示了我们的环境暴露如何塑造了我们的进化，”环境医学教授兼副主席Manish Arora教授说。
“从物种间竞争的角度来看，观察到有毒物质暴露能提供整体生存优势，为环境医学审视与环境暴露相关疾病的进化根源提供了一个新的范式。”
古代铅暴露对今天的我们意味着什么
尽管现代铅暴露主要与工业活动相关，但它仍然构成严重的健康威胁，尤其是对儿童。这项新发现表明，人类对铅的易感性可能深深植根于我们的进化历史，并由基因与环境条件之间的相互作用塑造而成。
“我们的工作不仅改写了铅暴露的历史，”Joannes-Boyau教授补充道，“也提醒我们，基因与环境的相互作用已经在数百万年间塑造着我们的物种，并且将继续如此。”
这项研究利用了来自非洲、亚洲、欧洲和大洋洲的化石牙齿，通过详细的地球化学图谱追踪童年时期的铅摄入事件。同时，使用含有现代或古老NOVA1基因的大脑类器官来研究铅如何影响大脑发育，特别关注对语言至关重要的FOXP2基因。结合遗传、转录组和蛋白质组分析，以全面理解铅可能如何影响古人类认知和社会行为的进化。