对生物进化与人类骨科疾病的探索
【关键词】 生物进化与人类骨科疾病
编者按：生物进化是生命世界中令人感兴趣而又困惑的核心问题，在医学领域，生物进化与人类骨科疾病的发生、有何关系，如何应用生物进化这一武器解释各种骨科疾病的发生、发展并指导临床医师诊治某些骨科疾病，一直是人们关注和探讨的课题。本文作者多年来结合自己的临床实践，查阅，大胆探索，刻苦钻研，不断形成观念，试图分析生物进化与人类骨科疾病发生、发展的一些内在联系和一些性的东西，这种精神极为可贵。本刊征得作者同意，全文刊载，以飨读者。
医学已经进入了从生命的遗传物质，生命的起源与进化过程，从人类的生态、生活模式与情感行为等方面，解释人体生命与健康、躯体与灵魂、疾病与衰老等奥秘的时代。达尔文创立的以“选择，适者生存”为核心内容的生物进化论，已成为整个自然乃至社会科学的普遍规律。正如当代物家普里高京、斯唐热所言：“无论向哪里看去，我们所看到的都是演化”［1］。
人们对生物进化与科技进步、生态医学、人体疾病，与医疗模式之间的关系，还缺乏较多的研究。这是因为从事生物进化和人类学研究的学者，缺乏医学知识背景和临床经验，又没有主动和临床医师交流，而医学领域的学者由于过细的分科，又把主要精力和研究经费，投到微观物质与生命某一现象的观察、分析与细节的描述；忽视用生物进化论的武器，解释某些疾病的成因、演变过程以及指导临床医师的诊疗决策。
作者复习生物进化的新近文献，比较脊椎动物骨骼演化的结构改变，分析人类直立行走的身体结构特点、行为方式与其他灵长目的差异；结合自己的临床医学背景，初步探索进化与人类骨科疾病发生的一些内在联系。
1 从原始生命到人的进化历程
古生物化石证明［2］，地球上最早的原核生物约在太古宙早期（距今约38亿年）出现，经过10亿年之后才由原核生物进化成含有细胞核的真核生物（细胞）。脊椎动物约发生在距今约3.5～5亿年的显生宙-古生代-石碳纪；约3 300～2 400万年前从旧世界的猴子中进化出猿；约600～700万年前人类与黑猩猩分手，直立起来用双足行走，走向属于人的大道。而人类的脑量快速膨胀约在不足200万年前才开始，比人类直立行走晚了几百万年。因此，直立行走引发了人类解剖学上的巨大改变，为其他方面的天择演化奠定了基础。
由单细胞生物进化到脊椎动物经过了20多亿年的时间，占了整个进化史的2／3。从生物进化的时间跨度上也说明了脊椎动物结构的复杂性。脊椎动物进化成灵长类动物用了约3亿年，而灵长目进化成人猿超科动物仅用了2 000多万年的时间，与38亿年的生物进化史比较，仅是短短的瞬间。大约在15万年前智人在地球上出现了，从此人类的形态与脑的重量就基本没有改变。由此昭示出一个奇特的现象，就是脊椎动物的进化速度越接近人的阶段，其变成新物种的“转型周期”越短，产生了与直立行走相关的结构缺陷与“特有疾病”：如下肢静脉曲张、膝关节与足踝畸形、颈椎病、腰腿痛、股骨头坏死塌陷、脊柱侧凸、骨质疏松、高血压、内脏下垂、阑尾炎、痔疮、难产、近视眼等。
2 脊椎动物的出现为人类的诞生打下了基础
脊椎动物是生物进化史上低级迈上高级的分水岭。以脊椎骨为轴心机体形成完美的对称结构，脊椎是身体运动中轴和中枢神经的保护屏障。背神经管分化成脑和脊髓，加上头骨就形成了动物的头部。嗅、听、视觉等感觉器官集中于头部，增加了对外界感知的敏感度与广度，完成了中枢神经系统对全身运动与生理的调节，为陆生爬行纲、哺乳纲动物的诞生奠定了基础。
低级脊椎动物（如鱼）脊椎全由肋骨包绕，爬行类仅颈椎出现，故身体的灵活性运动受到很大限制。进化首先表现在颈椎、腰椎部的肋骨退化，到哺乳动物形成了灵活的颈部与腰部2个躯体的多自由度的旋转中心（图1）。
组成人体脊椎的33块骨头中，每一块骨头又有6个关节，向6个不同的方向旋转，可以形成2亿种不同转动方向的排列组合，其中任何一种非正常的组合都有可能造成身体的不适［4］。所有哺乳动物都有7个颈椎，人的腰椎由其他脊椎动物的6～7个减少至5个［3］，骶椎融合在一起，这是直立行走的结果。
图1 脊椎动物骨骼的进化图（略）
1a.鱼；1b.蝾螈类；1c.爬行动物；1d.地球上已经消失的雷塞兽；1e.哺乳动物；从上图所示，脊椎动物越高级，骨与关节的结构越适应于灵活性运动。
在其它灵长目动物，脊柱原本起到拱顶的作用，一旦人类直立起来它就只好充当承重的立柱了。为了支撑我们的脑袋并平衡髋关节和下肢以上的体重，脊柱演化成S形弯曲，从而维持了人体平衡和省力的双足运动。但也为人类颈背部疼痛、脊柱多发性疾患留下了隐患。
3 人手的诞生过程
人类在运动行为上最特有的物种区别是两只手得到完全解放与自由自在的运动。某些灵长类动物的前爪正在向手的方向演变，但从结构看，他们的前爪还不能运用自如，大拇指不能完成与其它四指的对掌动作，奔跑时常常需要前爪辅助。由灵长目前爪演化成人手的基本过程可能是：
3.1 灵长目攀缘、采摘的树栖生存方式，使上肢的功能与结构逐渐发生有利于灵活运动的变化与相应神经系统的复杂调控。
3.2 环境的变化迫使下到地面生存的猿类，为更好的采摘食物，不定期的直立或半直立行走，胳膊变短，腿变长，如此，能腾出前肢并在前肢的辅助下进食，学会对同类拥抱、抚摩、用胳膊携带幼儿等温情行为，这些行为都增加了前爪进化成人手的内在动力需求。灵活、复杂的行为需求世代积累，便可能促成个体的微小变异或基因突变，使运动器官结构的改变与功能升级，这就是内因的累积进化［5］。从不同种的哺乳动物与人前肢的比较解剖学，可以证明人手的演化过程（图2）。图2 不同种的哺乳动物前肢结构比较：哺乳动物前肢经过选择和适应导致的变化，人类、猫、鲸和蝙蝠的同源性骨骼构成，已具备了各自种的特定功能，但都有5个趾（指）骨（选自恩斯特·迈尔著，田洺译，进化是什么，第25页）
3.3 目前生活在地球上的250多个灵长类物种，大猩猩与黑猩猩与人的血缘最近，人与黑猩猩的基因98.87%是相同的，远小于黑猩猩与其它灵长目的基因差异［6］。手与舌头在人的大脑皮层功能代表区所占的区域最大。脑科学研究发现，手在进行精细运动时如弹钢琴，会促使脑血流量明显增加［6］，证明了手的劳动与语言的形成促使了人脑的发展，手的精细运动必然与人类的心理活动联系在一起。
4 人类的“幼态持续”现象
人类是所有哺乳动物中“幼态持续”或生长发育期最长的动物，幼儿从10～15个月学会站立行走，20岁以后，行走的方法（步态）才基本定型［8］。从幼年到成年，身体的骨骺一般于22～25岁才完全闭合。生长期几乎占整个生命周期的30%［9］。而其它哺乳动物幼儿的生长期一般约占生命周期的1／5～1／6。如此漫长的运动系统发育过程，使人类出现比其它高等脊椎动物多的骨关节发育障碍性疾病。大自然之所以给人类规定这么长的生长、发育周期，主要原因是由于直立行走中股骨头迫使双髋臼内陷，骨盆缩窄，难产率增加，迫使婴儿只能在未发育成熟之前（幼胎阶段）即降生。且人类属于社会性动物，身体发育与智能发育必须同步，才能成为合格的具有独立生活与善于劳动的社会人［10］。
5 人类直立行走的代价
5.1 四足行走的脊椎动物快速演变为两足行走的人，赢得了双手的自由和人脑的智慧，但形成了并不完善的人体结构。为了支撑身体的重量并缓冲直立移动所形成的冲击应力，四肢的关节和脊椎骨都变大了，足部也演化出了足弓，关节与肌肉的总数增多，全身约282个关节，639条肌肉，还有无数的按规律分布的韧带，使人体的灵活、精细运动与平衡功能达到高等动物的顶峰。但双足着地直立行走终究是一个不稳定的结构，人体不管采用什么样的站立行走方式（包括走钢丝的杂技演员），必须维持身体的平衡，即从头到足的着地着力部位必须保持动态的相对垂直的持重力线，如此，人体才能完成在各种不同的地面行走。一个看似简单的站立、行走运动，需要内耳的平衡器官，深浅感觉、无数条神经、肌肉的参入调节，如果其中有一个环节出现问题，就会产生运动与行走功能障碍有关的疾病。
5.2 颈椎病
枕骨大孔是脊髓和颅骨连接脊柱的位置。在四足行走的哺乳动物，枕骨大孔朝后，头位于脊柱的前方，扑获食物与生存斗争主要靠牙齿的撕咬和头部（牙齿）的强力运动，且需要克服头下垂的垂直剪力，颈椎比腰椎强壮、粗大（图3）。人类的脑袋增大，枕骨大孔朝下使头颅位于脊柱的顶端，枕骨大孔的横断面与眼窝的横断面几乎相交成直角（图4）。头的重量相对垂直的压在躯干上，头能后仰，基本脱离了头下垂的剪力。不需要强壮的椎骨与颈部的肌肉支持，更需要颈部的柔软自如的运动与美学要求，由此使人类的颈部较之于相同体重的其它哺乳动物明显变细，这个进化上的弱点也证明了人的脖子不能长时间一个姿势或长期低头位置下工作，也不能经受快速、暴力的运动。否则很容易发生颈肌劳损、损伤和各种类型的颈椎病。图3 黑猩猩与人类脊椎角度的比较 图4 人与黑猩猩的头颅、脊柱结构比较：人的脊椎从颈椎到腰椎逐渐强大，矢状位有“S”型弯曲，黑猩猩的脊椎颈椎比腰椎强大，呈拱形弯曲
5.3 直立运动的枢纽与腰部的脆弱
在胚胎发育过程中，脊索是原始的中枢支架，胎儿在第10周才形成完整的软骨性脊椎，后逐渐发生骨化，至青春期后在每一节脊椎上就出现5个2次骨化中心，直到25岁左右腰椎的骨化中心才能完全融合。
对人类腰椎的结构、生理、类别、协调运动轨迹与老化过程，腰部疾病对全身健康的影响等，还有许多未知数。但有一些观点已经得到科学界与社会界的公认，如男人普遍喜爱细腰肥臀的女性，奥斯汀大学的辛格教授认为［11］细腰、肥臀的女性运动的灵活性与生育能力都高于同龄腰粗的女性，最迷人的腰臀比例在0.6～0.7之间［14］，维护腰椎灵活性运动的存在，是个体健康与生活质量的一个重要指标。因为，从事任何运动都几乎不同程度的有腰椎的参入，腰部是机体的重心，名副其实的人类运动枢纽，是脊椎动物进化成人类后，最突出的薄弱点。腰椎间盘约在30岁左右就开始退变。腰椎的急性扭伤与慢性劳损非常多见，如腰肌劳损、椎间盘疾患、不名原因的腰骶部疼痛等。若腰围≥臀围者，必然影响了腰椎的灵活性，容易继发许多代谢性与心、脑血管性疾病，平均寿命会缩短。
骨科医师应开展对“腰椎保护方法和避免腰椎损伤”的研究，临床上制定腰椎疾病策略时，应首先考虑如何尽量保留腰椎的灵活性运动。如椎间盘脱出的治疗从直立行走的要求看，治疗的基本原则是消除对神经根的压迫，恢复腰部的灵活运动，而不应该固定脊柱关节。
5.4 脊柱、髋、膝关节畸形
特发性脊柱侧凸、发育性髋关节脱位、股骨头缺血性坏死、膝内、外翻畸形等，属于人类直立行走的代价，尚未发现其它的哺乳动物患有以上类似的骨科疾病。各种实验用的动物模型基本上用的是四足动物，纵然是用两足行走的动物鸟类，也与人类的直立行走模式与生活行为相差甚远，因此，实验动物模型很难真实的反应人类许多骨科疾病的病因、病理与疾病转化过程。如果从脊椎动物进化的角度探讨这些疾病的发生原因与病理转化过程，有助于医生跳出纯技术的圈子看问题，提出更符合生物学和人性化的预防和治疗策略。
特发性脊柱侧凸至今病因不清。目前的矫正与融合脊柱关节的治疗原则，不符合脊柱灵活性运动的生理要求。能否用生物进化这个大统一场的理论，分析脊柱侧凸畸形的发生、与人类直立行走之间的个体关系，探讨脊柱的平衡运动与头颅的位置，分析不同个体的生存环境、躯干类型以及与步态之间的关系，采用不融合或尽可能少的融合脊柱关节而矫正脊柱畸形的方法，可能是脊柱侧凸畸形矫正的最有价值的研究方向。
股骨头缺血性坏死与扁平髋目前研究的重点集中在股骨头血液循环的障碍，而其真正的发病原因是人类直立行走、生活方式改变与医源性因素。
5.5 与行走有关的足疾病
树栖生活的猴类，手、足外形与骨关节结构相似。前足向内旋转，足内缘凹陷，外缘凸起［11］。足跟不负重，故跟骨较小，美国人类学家曾研究比较体重160 kg的雄性大猩猩比体重45 kg的女人的跟骨还小。为适应人体直立行走的需要，跟骨发育成足最大的骨骼，且皮质骨较薄，松软的网状海绵骨很多，如此，可减少跟骨着地时震荡。具有弹簧作用的纵弓和横弓在幼童发育过程中形成；趾与第2趾靠近平行（图5），足的跖屈内翻肌力明显大于足的背伸外翻肌力，足部韧带发育壮大，而足的内在肌萎缩退化。这些足的结构和形态变化适应了足的稳定站立、行走、跑跳时的弹性推进与节省运动能量的效应。
图5 人足的进化 （略）
5a.树栖生活，无纵弓；5b.人直立行走，形成足弓跟骨发达；5c.树栖生活，第1跖骨向内张开；5d.人足第1、2跖骨靠拢
由猿猴灵活的具有抓握等功能的后爪，变成“只能推动身体前进与缓冲前进中震动的人足”，结构演化的并不完美，如足的稳定与灵活之间的平衡还不协凋；经常发生足的内翻性扭伤，足内翻畸形的发生率远多于足的外翻畸形，足踝骨间韧带演化的强度尚达不到人类长期站立的承重要求。先天性马蹄内翻足、爪状趾、外翻畸形以及平足症、疼痛性鸡眼、踝关节退变性疾病十分常见〔12〕。若用生物进化的思想和人类直立行走的代价，解释足踝疾病的成因，会启示我们对这些疾病提出更合理的预防和治疗原则。例如目前世界上正大力推广的潘塞梯（Dr.Ignacio Ponseti）马蹄足矫正方法，将手法、石膏、矫形器与有限矫形手术结合在一起，凡2岁以内的患儿不用开刀、仅需要很少的医疗费就能治愈。本方法的理论基础就是生物学和足的功能解剖学，认为马蹄内翻畸形足的发生并非是先天性原因，而是足的结构与进化有关的发育性原因。
6 “进化医学”将有很大的发展远景
自1859年达尔文发表《物种起源》专著算起，148年过去了，这期间有许多学者对生物进化论进行了宏观与微观的系列研究，目前世界上发表的分子生物学中，约1/3以上的文献是关于如何通过进化的方法揭示出一些重要分子的性质，通过研究进化问题，确定不同的基因种类及其在种系发生过程中的详尽细节［13］。
进化问题是生命世界中最令人着迷也最令人困惑的问题，不仅科学家需要了解进化，公众也需要了解进化。医学工作者如果不了解进化的某些方面，就无法理解我们身边的生物世界；无法理解人类的独特性、个体的差异性；无法理解遗传性疾病及其可能的治疗办法；无法理解细菌的耐药、某些人的过敏体质、机体的结构层次及内外环境的和谐调节等问题。直立行走使人类得到了高效率的直立移动能力，却换来髋、膝、踝、足关节众多的特有疾病和潜在问题［15］，作者预见，“进化医学”或用进化的思想和模式来解决医学上的许多问题，将是现代医学发展的重要方向。
（本文请科学院古脊椎动物与古人类研究所周忠和研究员审阅修改，特此致谢。）
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