早在人类建造城市或书写文字之前，我们的祖先可能就面临过一种塑造人类演化的潜在威胁。科学家通过研究古代牙齿发现，早期人类、类人猿甚至尼安德特人在数百万年前就已接触铅。这种有毒金属会损伤大脑，但现代人类产生了一个微小的基因变化，保护了我们的心智能力，从而使语言和智力得以蓬勃发展。
研究团队检测了在非洲、亚洲和欧洲发现的51个古人类化石的牙齿。样本包括现代人和尼安德特人等古代人，以及早期人类祖先如非洲南方古猿，和已灭绝的大型猿类如步氏巨猿。
在73%的研究化石中检测到铅痕迹，其中71%的现代人和古代人样本显示出污染。步氏巨猿可追溯至180万年前的化石显示出了最高水平的急性暴露。
此前人们认为，人类仅在信史时代才开始面临显著的铅暴露，特别是在罗马时代，当时铅管被用于供水系统，以及后来的工业革命时期。直到20世纪后期，铅污染才开始下降。
"当我们意识到铅的毒性后，就停止在日常生活中的使用，但此前从未有人研究过史前时期的铅暴露情况，"通讯作者、加州大学圣地亚哥分校医学院儿科及细胞与分子医学教授、考古化研究中心副主任、桑福德综合太空干细胞轨道研究中心主任阿里森·穆奥特里博士说道。
令研究人员惊讶的是，20世纪中叶（上世纪40年代至70年代）出生的人的牙齿——当时含铅汽油和油漆广泛使用——显示出与古代人类化石相似的铅模式。
科学家们认为，古代人类及其近亲可能像后来历史上的罗马人一样，在寻找水源的过程中接触到了铅。
"一种可能性是，他们在寻找内部有流动水源的洞穴，"穆奥特里说。"洞穴中含有铅，所以他们都被污染了。根据牙釉质的研究，这种污染在婴儿时期就开始了。"
铅暴露会破坏大脑的生长和功能，损害智力和情绪调节能力。
面对这些证据，穆奥特里和他的团队开始质疑，现代人类是如何在进化过程中经历如此有毒的环境却依然繁荣发展的。
微小的基因变化
一种名为神经肿瘤腹侧抗原1（NOVA1）的基因在大脑形成和突触发育中起着重要作用。作为神经发育的关键调节因子，NOVA1有助于确定神经祖细胞如何对铅暴露做出反应，其活性紊乱与神经系统疾病有关。
几乎所有现代人类携带的NOVA1基因版本，与尼安德特人中的版本相比，存在单个DNA碱基对的差异。穆奥特里团队早先的研究表明，在被称为类器官的微型大脑模型中将现代NOVA1替换为更古老的变体，会导致大脑结构和连接性的巨大变化。
"除了那个基因变体之外，类器官的一切都是相同的，这使我们能够探究我们与尼安德特人之间的这个特定突变是否给我们带来了任何优势，"穆奥特里说。古老的变体会加速大脑成熟，但随着时间的推移会导致复杂性降低。"如果全世界所有地方的人类都拥有这个较新的突变，那一定是非常强大的基因压力在我们这个物种中选择了它。"
为了测试铅暴露是否可能促成了这种基因转变，研究人员培育了同时携带现代和祖先NOVA1变体的大脑类器官，将它们暴露于铅中，并监测皮层和丘脑神经元的生长。
他们发现铅改变了两类类器官中的NOVA1活性，影响了与自闭症和癫痫等疾病相关的基因。
然而，只有古老的NOVA1变体改变了FOXP2（一个对言语和语言至关重要的基因）的活性。携带某些FOXP2突变的人难以组成复杂的词语和句子。
"这些与复杂语言相关的神经元类型在古老的NOVA1版本中容易死亡，"穆奥特里说。"FOXP2基因在我们和尼安德特人之间是相同的，但正是NOVA1调控该基因的方式很可能导致了语言能力的差异。"
进化意义
研究结果表明，现代NOVA1变体的获得可能保护我们免受铅的有害影响，促进了复杂语言的发展和社会凝聚力。即使在存在铅污染的情况下，这也可能赋予了现代人类相对于尼安德特人显著的进化优势。
穆奥特里认为，这些结果对于理解环境压力因素如何在人类进化过程中塑造大脑发育具有重要意义。他推测，铅暴露可能在约4万年前尼安德特人的灭绝中起到了一定作用。
"语言是如此重要的优势，它具有变革性，是我们的超能力，"穆奥特里说。"因为我们拥有语言，我们能够组织社会、交流思想，从而协调大规模的行动。没有证据表明尼安德特人能做到这一点。他们可能拥有抽象思维，但无法相互传达。也许原因就在于他们从未拥有像我们复杂语言那样高效的交流系统。"
理解NOVA1基因变体如何影响FOXP2表达，有助于阐明铅污染与大脑发育之间的关系，也有助于揭示与语言相关的神经系统疾病，包括言语失用症——一种使人难以正确发出语音的病症——和自闭症。
该研究的合著者包括：加州大学圣地亚哥分校的Janaina Sena de Souza、Sandra M. Sanchez-Sanchez、Jose Oviedo；南十字星大学的Marian Bailey和Matthew Tonge；南十字星大学和约翰内斯堡大学的Renaud Joannes-Boyau；约翰内斯堡大学和莫纳什大学的Justin W. Adams；西奈山伊坎医学院的Christine Austin、Manish Arora；麦考瑞大学的Kira Westaway；弗林德斯大学和剑桥大学的Ian Moffat；广西民族博物馆的王伟、廖卫；中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的张颖琦；莫纳什大学和约翰·沃尔夫冈·歌德大学的Luca Fiorenza；法国国家自然历史博物馆的Marie-Helene Moncel；亚利桑那州立大学的Gary T. Schwartz；巴西巴拉那天主教大学的Luiz Pedro Petroski和Roberto H. Herai；亚利桑那大学的Jose Oviedo；以及哈佛大学陈曾熙公共卫生学院的Bernardo Lemos。
该研究部分由美国国立卫生研究院（资助号 R01 ES027981、P30ES023515、R01ES026033）、澳大利亚研究委员会（资助号 DP170101597）、美国国家科学基金会（资助号 BCS 0962564）和利基基金会资助。
披露：穆奥特里是TISMOO公司的联合创始人并持有其股权，该公司专注于遗传分析和人脑器官发生。该安排的条款已由加州大学圣地亚哥分校根据其利益冲突政策进行审查和批准。