基因漫游记
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个体识别术:11个让你与众不同的“标签”
时间:2013-11-11 09:54:30 来源:转化医学网 点击:

不管两个人看起来有多么相像,他们永远不可能成为一个人。近日,英国《新科学家》杂志网站为我们梳理出了11个让人与众不同的特征。


看看你周围的人,你可以一目了然地发现,他们之间是多么的不同。他们的脸、身体、言行举止以及个性似乎都举世无双。


整个人类社会当然也是如此。目前大约有70亿人生活在地球上,而且据统计,在过去的5万年间,大约有1000亿人曾经在地球上生活过。所有这些曾经在尘世间出现过的人都是独一无二的个体,那些还未出生的人当然也是。


整个人类社会拥有数量如此众多的独特个体,这一点令人震惊。当我们更深一步挖掘我们的生物学属性并搜寻更加复杂的证明人类独特性的方式时,我们发现了11个让我们与众不同的标签。有些方面,比如DNA和指纹,显而易见且广为人知;而有些方面,则好似冰山的一角,需要我们奋力挖掘,才能“展露真容”。


DNA


毋庸置疑,DNA 首当其冲。而且这也确是事实:从某种意义上来说,DNA确实使你与众不同。


2001年,人类基因组项目报告称,所有人的DNA有99.9%相同,剩下的0.1%才决定了人与人之间的差异。在过去10年间,这个统计数据被修改到0.5%,但这也仅仅只是人类基因组很少的一部分,这足以解释我们目前所看到的人与人之间的差异吗?


从理论上来说,的确可以。人类基因组中共约有32亿个碱基对,约3.2万个基因,0.5%就是1600万个碱基对。每个碱基对都有4个碱基,可能的组合数量是41600万个,得到的不同的人类基因组足以给活着的每个人分配一个,而且有的人还可以分多个,这样一来,任何两个人拥有完全相同基因组的几率为零。


即使对于那些同卵双胞胎们来说,情况也是如此。尽管在受孕那一刻,这对双胞胎的遗传信息几乎100%相同,但自此他们的基因组开始分道扬镳,而且越长大,他们之间的差异也就越大。


在同卵双胞胎中(其实,对我们来说也是一样),这些差异源于DNA每次被复制时出现的细微变化和可能会产生的随机突变。这些变化和突变会导致单核苷酸多态性(SNPs)—指基因组DNA序列中由于单个核苷酸(AGCT)替换而引起的多态性;也会导致基因复制变异(CNVs)—主要指大于1kb以上的DNA片段的缺失、插入、重复等。


所谓的表观遗传标记也会出现这种情况,表观遗传标记的主要作用是调控基因的表达。出生后没多久,同卵双胞胎的表观遗传标记就开始出现差异(《国家科学院院刊》第102期,第10604页);毫无疑问,我们其他人也会出现这种情况,这又是另外一大笔遗传变异。


我们目前还不知道,将你与其他人区别开来的遗传变异占所有遗传变异的比例是多少。因为很多遗传变异出现在并不能制造蛋白质或调解基因表达的非编码区域。而且即使处于编码区域,其中的某些遗传变异也很有可能是中性的,也就是说,其既不会改变基因,也不会改变基因被表达的方式。


然而我们的确知道,微小的基因差异可能会对我们的物理特性(比如眼睛的颜色或是否容易生病等)产生巨大影响。因此你作为一个人的独特性始于你的基因组,这一说法应该不会引发争议吧。


但是将人与人区别开来的故事远非如此简单,很多其他因素也在这个故事中扮演一定的角色:环境、当你在子宫内就开始起作用的物理因素等等,虽然不像NDA那般成为领衔主演,但也算个重要角色,其中很重要的一个“配角”就是我们的指纹。


指纹


“每个人的指纹都是独一无二的”,这句话人尽皆知,也是整个指纹鉴定技术最重要的基本设定。指纹不会遗传,在胚胎时期就形成,指纹的大小和形状在很大程度上由基因所决定。不过正在发育的胎儿的指纹也会受到某些微妙因素的影响,比如子宫壁的压力甚至羊水的流动等等。在每个个体的天生基因和后天环境的影响下,每个人形成了特有的固定指纹模式和特征,并伴随其一生。


这意味着,尽管同卵双胞胎的指纹可能会非常相似,但它们之间的差异也很大,足以将这对双胞胎分开。这些微小的差异包括我们指纹上所谓的螺纹(包括斗和筲箕。手指纹路像树的年轮一样是一圈一圈闭合圆的是斗,也称为涡纹;敞开不闭合的是簸箕,也称为流纹)。脚纹也是如此。


1892年,达尔文的表兄高尔顿出版了专著《指纹》。其中有一句著名的话:“在640亿人中才能找到一对特征完全相同的指纹。”事实上科学家的确还没有发现不同的人拥有同样指纹的情况。有科学家对这个概率进行重新计算,虽然结果不同,但概率都几乎为零。


指纹有什么用呢?我们最为熟悉的作用是刑侦人员利用指纹来抓捕罪犯。指纹鉴定曾经是犯罪学科中最重要的学科。有的教科书甚至将指纹鉴定称为“现代犯罪识别的支柱”,很多人把它称为“物证之首”,甚至认为一旦在法庭上摆出了指纹证据,真相立见分晓。然而,随着DNA技术的发展,指纹鉴别的意义有所减退,指纹鉴定的科学性也遭遇了前所未有的挑战。


美国最高科学机构国家科学院在2009年9月发布的官方报告中,指纹成了首要讨论对象,报告要求加强指纹鉴定的精确性。随后,2010年2月,美国司法部也介入,要求美国的科研机构对指纹分析的准确率和误差率进行重新调查。而最新的一项研究甚至证实,现有水平下,指纹对抓捕犯罪的帮助并没那么大(《实验生物学杂志》第212期第2016页),这真让人大跌眼镜。


被称为“物证之首”的指纹鉴定,正在迈进一场前所未有的科学洗礼。挑战不等于否定,并不意味着这门技术将被遗弃,相反,经历了科研风暴洗礼的指纹鉴定技术可能会变得更可靠、更强大。


指纹的其他作用或许也包括,它们会使我们的手指皮肤更加柔韧,从而更好地保护皮肤;它们或许也会通过增强振动来强化我们的触感。


不管指纹存在的目的是什么,很显然,它们并非生存不可或缺之物。今年年初,研究人员发现了一个基因变异,其导致5个家庭中的一小撮人天生没有指纹(《美国人类遗传学杂志》第89期第302页)。这些无指纹人士一直过得很好,只是在入境过关时遇到了麻烦,因此他们所罹患的这种病又被称为入境延期病。


脸部


脸部也是我们最显而易见的身份标记,而且我们也发现,通过识别脸部,我们能很轻松地将人与人区别开来。但其实脸部或许也并非我们所认为的那么独一无二。同卵双胞胎的容貌非常相似这一点毋庸置疑,除此之外,我们也会发现,在自己身边存在着不少容貌有些相似的人。科学研究也佐证了这一点。科学家们最近对数千名挪威人进行的研究表明,其中92%的实验对象至少有一名容貌与其相似者,而且,人眼和面部识别软件都很难将其区别开。


在另一项研究中,当被问到两张非常相似的脸部图片是否属于同一人时,人和机器的表现都差强人意。在这一实验中,人类识别不熟悉脸孔的正确率为56%,识别熟悉脸孔的正确率也仅为66%。考虑到脸部对我们身份的重要性,这一比例低得令人有些吃惊。


步态


自从150万年前,我们的祖先开始直立行走以来,我们的走路方式似乎始终如一:一只脚在前,一只脚在后,而且人与人之间走路的姿势似乎也没有太大的区别。


尽管我们还不能确信,每个人的走路方式是否独一无二,但早在上世纪70年代,就有研究证明,步态之间的差异足以让我们将彼此区别开来,准确率高达90%。


孩童时期,我们的步态会随着年岁的增长而发生变化,但当我们停止发育之后,我们的步态就稳定下来。接着,我们腿部的长度和髋部的宽度,再加上我们通过锻炼获得的肌肉数之间的差异结合在一起,让我们每个人拥有独特的步态。


英国南安普顿大学专门研究步态的专家马克·尼克松表示,步态之间的差异只可意会不可言传。


但计算机可以很好地描述步态。计算机一般通过追踪四肢的行进线路并将其转化为数字或通过追踪髋部、膝盖、脚踝以及脚步等不同点的运动并测量当人移动时,这些点之间关系的变化来对人的步态进行精准的描述。


另一种测量步态的方式是让人在压板上行走并且记录下其独特的脚步,这类系统由日本信州大学的托德·宝塔基研发而成。据英国《新科学家》网站2011年9月15日报道,宝塔基团队让104位志愿者走过半米长、布满数千个压力传感器的踏板,每个人都被记录下10步行走信息。


传感器记录下了志愿者的每只脚如何对地面施压,以及随着志愿者的行走压力分布的变化。随后,他们将收集到的信息输入到电脑,并使用一种算法来找出人们步伐的模式。对于记录下的1040步,其中只有3步算法没有能够正确地识别,因此准确率为99.8%。保陶基解释道:“就算人们的脚掌一样大,甚至连脚掌的形状都一样,但他们的脚对地施加的力也是不同的,这种特性是不变的。机场可以购买类似的传感器(市场价格约2万美元),当乘客赤脚走过这些设备时,乘客的身份即可被识别。”


而另外一种迄今为止还处于萌芽阶段的想法是,将这类运动传感器用于智能手机中。如果将其绑到腿上,其能测量速度、加速度以及腿部的运动情况。这一技术或能被当做手机的安全“卫士”—鉴于每个人步态的独一无二性,只有当合法的拥有者携带这款手机时它才能工作。


耳朵


平时,你或许根本不会注意自己耳朵的形状,但其实耳朵也蕴含着很多人体奥秘。如果你从镜子中查看并轻拉你的耳朵,你会发现每个人的耳朵都有些许不同。不仅如此,你的每只耳朵也都是独一无二的。


这是因为人耳由六个细小的隆起发育而成,这些细小的隆起在受孕5周后就形成了,接着这些隆起会慢慢融合在一起。尽管基因会勾勒出耳朵的大致形状,但子宫内的环境,比如胎儿的胎位等因素都会影响长出的耳朵的形状。一旦耳朵形成,其形状几乎不会发生变化。


有些研究人员正在研究如何通过人耳的形状来鉴定人的身份。最近的一项研究发现,当通过照片来识别人时,耳朵识别的精确度几乎可与脸部识别相当。



据德国《明镜》周刊报道说,目前警方主要通过指纹和DNA样品鉴别作案者。但这种方法有一个问题,那就是作案现场常有无辜者的指纹或别的遗留物,狡猾的作案者更是常常有意把别人的DNA样品等带到现场以误导警方。


有关专家想到,除了指纹和DNA样品之外,“耳纹”也是每个人独一无二的特征。作案者在进入作案房间之前,总是把耳朵贴在门上或者窗户上,判断屋里有没有人。这样他们就在门窗上留下了“耳纹”。而且由于其他人的“耳纹”同时出现在现场的可能性很小,这种方法就基本避免了无辜者受牵连的情形。


荷兰的刑事科学研究所从这里得到启发,研究出了用“耳纹”找到作案者的方法。但人们不免想到一个问题:这种侦破方法被暴露后,稍有头脑的作案者就会想方设法避免把“耳纹”留在现场了。


另外,人们留下的“耳纹”的形状也会随着耳朵所受压力的大小和方向的影响。在美国,有一名嫌疑犯在上诉后,其耳纹分析被认为不可靠,因而被无罪释放。


眼睛


每只眼睛的虹膜都是独一无二的,因此包括英国、美国、加拿大在内的几个国家接受虹膜扫描作为身份证明。但是家庭成员的虹膜的外观几乎一样,那么眼睛如何能成为一个人独一无二的身份标签呢?


答案在于虹膜结构的复杂性,虹膜是由肌肉、韧带、血管和色素细胞组合在一起的“大杂烩”,这些因素会影响虹膜的颜色、深度、是否有皱纹、褶皱以及是否有斑点等等。


虹膜的颜色和基本纹理由遗传决定,这可以解释家庭成员的虹膜为何比较类似,也可以解释为什么每个人的左眼和右眼的虹膜看起来几乎一样。目前机场使用的虹膜识别系统并不关注虹膜的颜色和纹理,而主要强调虹膜的褶皱、皱纹和色斑等细枝末节。这些细枝末节取决于在婴儿出生前,虹膜在发育过程中,其韧带、肌肉以及色素细胞的位置,这些并不受基因的控制,而具有很大的随机性。因此你的两只眼睛之间的差异如同其与别人的眼睛的差异都是云泥之别。


声音


当人们说话时,最终说出来的声音其实是很多部分的总和:空气通过喉部振动时发出的噪音;声音来回通过嘴巴和鼻子的方式以及声音如何通过颚、舌头、嘴唇和脸颊形成单词等等。


既然两个人不可能拥有大小和形状一样的喉咙、嘴巴、鼻子、牙齿以及肌肉,那么,声音就是独一无二的,而且具有很高的辨识度。


不过与指纹和虹膜等其他特征不同的是,我们很容易通过改变自身对脸部和喉咙肌肉的控制来制造出不同的声调、声量,从而改变自己的声音。


英国伦敦大学学院的神经科学家索菲·斯科特认为,大部分人都擅长改变声音,不管他们是否想改变,而且我们的声音常常会随着社会环境的变化而不知不觉地改变。


其中有些人显然非常擅长改变自己的声音,斯科特一直希望能够厘清,那些表演口技的人为何能如此令人信服地模仿他人的声音。目前还没有很明确的答案,但她说,好的口技者似乎具有很好的乐感,而且也很善于模仿别人的言行举止。


以上诸多种种无非是想告诉我们一个事实,我们无法通过比较声音的波形或者重音来可靠地进行身份识别。目前市场上确实存在一些声音信号系统,但它们一般需要身份证或密码的支持才能“发威”。在这种情况下,没有身份卡或密码,即使是好的口技者也只能望洋兴叹。


气味


这一点,嗅觉灵敏的狗狗一直都知道,现在科学家们也对此进行了科学验证:那就是,没有两个人“闻起来”一样。这表明全球70亿人真的就有70亿种不同的气味吗?对此美国费城莫奈尔化学感觉中心的乔治·普瑞蒂表示:“的确如此。你想想,DNA中只有四个碱基,就能将70亿人区别开,而仅仅在我们的腋窝处,就有至少几十种或者更多有气味的东西。而且这些气味还有不同的数量和浓度。”


当然,每个人并非仅仅只有一种气味,而是多种气味混杂在一起。我们身体上不同的地方有不同类型和数量的分泌物,也驻扎有各种各样的细菌,这些细菌会让我们身体内大多数无气味的分泌物变得有气味。


最近科学家们对200名志愿者汗液里易挥发的有机化合物进行了分析,结果表明,在这些混合物中,大约有500种酸、酒精、酮、醛,其中44种的差别非常大,足以像指纹一样,成为人独特的化学标签,凭此可以鉴定出这个人的身份(《英国皇家学会交界杂志》第14期第331页)。其中很多化合物的功能似乎并非是为了使我们有味道,它们或许在我们识别彼此方面扮演着重要角色。


目前还没有研究人员找到捕获一个人所有气味并通过这些气味对这个人进行身份识别的方法。不过据信,美国政府对这样的技术很感兴趣,而且普瑞蒂也打算继续这方面的实验。


心跳


歌手们一直在歌中唱到,两颗心可以像一颗心那样跳动。但实际生活中,没有心跳是一样的。虽然你无法通过将耳朵凑在别人的胸腔上证实这一点,但可以通过记录心跳的电脉冲来将不同的心区别开。


一幅心电图(ECG)会记录三个峰值:收缩上心房脉冲的P波的峰值;更强烈的收缩下心房的QRS波群的峰值以及当心脏放松时更小的T波的峰值。


每颗心的大小和形状都不一样,因此这些峰值的高度、长度以及间距都存在个体差异。而且尽管人们在运动或受到压力时,心率会加速,峰值的间距也会随之发生变化,但属于个人的独特信号仍然能被探测到。


因为心跳由人们的潜意识所控制,所以心跳几乎不可能作假。现在,有几家生物测定公司正在研究可以通过扫描心跳进行身份验证的设备。苹果公司也在研发利用心跳作为密码来保护个人的隐私。苹果公司既然开了头,那些唯苹果马首是瞻的公司们自会追随。


脑波


每个人思考问题的方式都是独一无二的,这一点似乎毋庸置疑,但直到最近,才有证据浮出水面,证明个人思考问题的方式确实存在着可测量的差异。


人类与生俱来就有多种神经细胞,而且在婴儿和孩提时代,我们的大脑会慢慢修剪掉几乎一半的神经细胞。这个漫长的过程(主要由我们的经验所驱动)导致的结果就是,每个人的大脑会变得独一无二,会采用不同的办法来完成同样的任务。因此有科学家们表示,通过使用EEG来监听大脑的电活动,人们能够看到人脑之间的细微差异。


2001年,加拿大里贾纳大学的拉曼·帕拉加谱发现,名为α波的大脑活动的差异足以将40名志愿者区分开来。另外一项研究也发现,尽管100名实验对象都在进行同样标准的物体识别活动,但另外一种脑波活动——γ振荡的强度也各有不同。


大脑差异能用来解释为什么我们拥有不同的个性吗?或许可以,不过我们仍然不知道,个人的脑波是否能被识别出来,而且几天甚至几年后,采用不同的方式是否会得到同样的测量结果。如果不弄清这一点,我们就不清楚脑波是始终如一,还是会不时发生变化。


微生物组


严格说来,决定你独特性的这个方面并非你身体的一部分,而是生活在你身体内和你周围的约100万亿个细菌。这些细菌的数量与身体内细胞数量的比为10比1,而且从遗传学的角度来看,它们更占优势:微生物组有330万个基因;而人只有2.3万个基因。英国帝国理工学院的生物化学家、国际系统代谢组学创始人杰里米·尼科尔森表示:“人的基因只有微生物组基因的0.7%。”

有超过1000种物种生活在人体内和人体上,我们每个人身上大约驻扎有150个左右(《自然》杂志第464期,第56页),每个人的细菌种群也具有不同的特征。


尽管皮肤细菌一直非常稳定,但人与人之间的皮肤细胞也非常不同。最近的一项研究发现,一种独特的细菌指纹会从我们的手指移到我们所接触的物体比如计算机键盘或鼠标上,而且会在此驻扎2周多的时间。(《美国国家科学院院刊》第107期,第6477页)。因此即使很难通过检查DNA来对其进行区分的同卵双胞胎,检查他们身体上或身体内的细菌“伴侣”就能轻易将其区别开。


细菌也会通过改变我们的新陈代谢来巩固和增强我们的独特性。所有人都共享一个基本的生物化学属性,但在其之上,是一个更加多样的细菌的生物化学属性。细菌产生的新陈代谢会对人体的新陈代谢产生重大影响,包括影响胆固醇和类固醇的新陈代谢等。


尼科尔森说:“人体内存在着数千种基本的酶反应,但存在着数万种新陈代谢,因为我们的新陈代谢同微生物的新陈代谢息息相关。”这最终意味着,没有环绕在我们周围的这些非人类的“同伴”,我们根本不可能成为我们自己。

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