付巧妹：萬年前的人類基因記憶_風聞

付巧妹：中國科學院古脊椎動物與古人類研究所古DNA實驗室主任 《Nature》中國十大科學之星之一。

原帖：http://www.self.org.cn/self_yj/201803/t20180309_29932.html

　　我今天講的是“萬年前人類基因的記憶”，我做的工作是什麼呢？我通過古DNA瞭解我們的過去，瞭解我們從何處來。那麼大家知不知道DNA在哪裏呢？相信很多人都很清楚，它就是在這樣的染色體結構下。

　　染色體內部可以看到非常明顯的這種DNA雙螺旋結構，而發現DNA結構和DNA複製機制，是分開的過程。，然後分別通過鹼基互補來實現自身的複製。在複製的過程之中，也就是產生新生代的過程中會產生一些突變，而這些突變就使得不同的人會有不一樣的地方。

　　我相信很多人都很好奇，就是人類跟黑猩猩有多大的不一樣呢？人類和黑猩猩在DNA水平大概有百分之一的不一樣，但是人和人之間大概有千分之一的不一樣。這種不一樣雖然比例上很少，但是數量巨大，為什麼這麼講呢？

　　因為我們總共有23對染色體，能達到30億個鹼基對，可以想到即使是千分之一，它的含量是非常高的。在23對染色體中，其中有一個非常特殊的染色體，這個染色體就是一對性染色體。

　　這個性染色體就決定了我們的性別，也就是説當受精卵形成的那一瞬間其實性別就確定了，因為性染色體已經決定了。除了染色體以外，其實在我們身上細胞內部還有一些別的遺傳物質，比如説線粒體。

　　我今天主要講的是核基因組，主要原因是核染色體中的DNA在重組傳給下一代之前，在父母雙方的體內會發生重組，而線粒體只來自母親，並且不發生重組，所以相對來説核基因組能夠呈現跟我們祖先更多的相關信息，即使是一個個體也會有很多信息。

　　我們會不由自主地回想，在過去曾經存在什麼樣的人類？通過圖片可以感受到當時人生存的艱難，即使幾萬年前，人類除了基本的生存，也有自己的精神文明。

　　比如圖中所有的物質，包括古笛、巖畫甚至雕塑，其實都是幾萬年前的人類產生的。由此可以想象，當時的人是非常有意思的，那麼當時的人是什麼樣子的呢？

　　大家可以通過這兩個骨架猜測一下，哪一個是跟現代人一樣，哪一個是不一樣的個體呢？其實右邊是現代人，左邊是尼安德特人。大家可以明顯看到，左邊的尼安德特人的整個肋骨情況跟現代人是不一樣的。現在我們僅僅能看到這些信息，如果我們能獲得相關的古DNA，那麼我們就能夠了解更多人類的過去。

　　古DNA是什麼呢？很多人有這樣的疑問，其實古DNA研究對象並不侷限，它可以是骨骼，甚至可以是土壤。但是古DNA本身非常有特殊性：比如上世紀90年代的時候，就已經有很多人研究古DNA了。

　　但是當時的研究出了很多想不到的問題。比如在這裏看到的琥珀、恐龍蛋，當時都認為從中發現了相關的遺傳物質，甚至是認為是屬於它們本身的，但是後來研究發現，其實它們都來自於污染。

　　為什麼會這樣？為什麼研究琥珀和恐龍蛋本身，而得到的DNA竟然是污染呢？主要是因為古DNA和現在DNA不一樣。比如説圖中上部分就是現代DNA，如果我們獲得是血液，這個血液中獲得的DNA大多數屬於這個個體，而且含量非常高。

　　但是對古DNA來講，即使拿到的是這個個體的骨骼，但是骨骼內部由於埋藏環境的影響，會有非常多的微生物DNA。比如圖中看到的綠色就可能是微生物的DNA，只有非常少量的內源DNA，也就是紅色DNA，甚至這些紅色的DNA有時候看不到。

　　如果這時候研究對象是人類，大家可以想象一下，當發現這些骨骼的時候，很容易在我們現在的人用手觸摸的過程中被污染。在這種情況下，如果有少量的污染對於現在的DNA影響並不大，但是對古DNA來講，跟內源DNA相比它的影響非常大，這給古DNA研究造成了困難。這些特點也就使得古DNA在上世紀相對發展比較緩慢。

　　但是在近十幾年，古DNA可以説發展非常迅速，因為我們可以利用高通量的數據結合很多古DNA技術，使得我們可以評估，同時又能夠獲得非常可靠的數據。

　　回到今天的主題，就是關於人類演化本身的一些問題。相信很多人已經非常瞭解，關於相關人類演化的背景。我們都知道人類的祖先最早出現在非洲，雖然現在在東亞有很多爭議，這種爭議並不是針對人類的祖先，主要針對現代人最後走出非洲的那撥人的後代，還是説，當時的現代人由本土人演化而來的。

　　不管怎麼樣，這兩方都認為人類的祖先最早是在180萬年前出現在非洲，而且幾十萬年以來不僅非洲有古人類，歐亞也有，比如尼安德特人也曾經存在過；在東亞也曾經存在過我們非常耳熟能詳的古人類，像北京人、大荔人、馬壩人等等，唯一獲得基因組的滅絕古人類目前是丹尼索沃人。

　　在這個過程中我們就非常好奇，相關的現代人在這個過程中，對古人類影響什麼樣？可以説2010年以前，幾乎所有人都認為現代人對於當時的古人類是完全取代的關係，沒有任何相互的交流。一直到2010年，人們才通過尼安德特人的基因組草圖，瞭解到尼安德特人其實對於我們現代人的歐亞人羣都有1%到2%的貢獻。

　　另外一點，丹尼索沃人很有意思，丹尼索沃人並沒有像尼安德特人那樣，對那麼多的人羣有影響，更多的影響是對於大洋洲的人羣，對他們有4%到6%的遺傳貢獻。通過一系列的研究，大家可能會不由地去暢想，在過去幾萬年階段裏，曾經的人類，尤其是我們現代人的祖先，在不同階段形成什麼樣的特點？什麼時候才有東亞人？什麼時候才出現所謂的歐洲人？還有在不同的階段人羣是不是有相互的影響？此外，還有一個更重要的影響就是當時的現代人——也就是我們現在的祖先——他們曾經跟這些滅絕的古人類，比如尼安德特人、丹尼索沃人，他們在共存的時間裏面發生過什麼？

　　接下來我會通過兩方面向大家介紹我們的研究，一個是我們現代人自己的一些特點，還有一個是滅絕古人類和現代人共存的關係。

　　這張圖主要是想讓大家看到，關於過去4.5萬年到將近7千多年的人羣，其實我們獲得了非常多的基因組。這一時間段非常特殊，因為這是末次冰期前後，尤其在這個階段裏，還經歷了末次冰期裏最寒冷的階段，就是末次盛冰期。

　　在末次盛冰期階段里人類的很多生存環境，比如圖中看到的灰色區域已經被冰蓋覆蓋了，可以想象當時的環境是非常惡劣的，大概一萬多年前的時候，也就是末次冰期快結束的時候，猛獁象、披毛犀都滅絕了。在這樣嚴峻的環境下，人類何去何從？人類本身又是怎樣變化的？之前並不是那麼清楚，但是通過古DNA，我們能夠抓取一些非常重要的片斷。

　　比如，我們知道了4萬年到4.5萬年，曾經存在過還沒有成為歐洲人或者亞洲人的人羣，以其中一個個體為例，這裏的西伯利亞的Ust’ -Ishim個體，這個個體至今4.5萬年，可以説他是目前除了非洲和近東以外，有最古老的直接測年的早期現代人。

　　通過對這個個體的線粒體、Y染色體和核基因組的分析，都發現他沒有出現和現在歐洲人、亞洲人更相近的情況，所以只能説他是一個歐亞大陸人。

　　這個結果説明了一個非常重要的問題，現在很多爭議是針對所謂的相關人羣從南線進入到亞洲。人類走出非洲的南線遷徙早期主要是針對大洋洲，晚期才進入到東亞。如果我們這個個體歷史上也是南線進入東亞，我們應該看到他會跟東亞的人羣更近，跟大洋洲人羣會遠一些。但是我們的研究並沒有發現這一點，這至少告訴我們，當時的早期現代人其實是一個輻射性的，並不是一個單一路徑的遷徙。

　　此外，歐洲人有什麼樣的特點呢？就是在3.7萬年前的歐洲人，到1.4萬年的歐洲人，在這整個時間段裏，整個人羣並沒有受到外來人羣的影響，更多的是內部人羣相互融合遷移。

　　其中有一個非常重要的現象，就是關於在比利時發現的一個3.5萬年前的歐洲人。這個歐洲人並沒有直接對緊隨他之後的人羣產生很大的影響，反而沉寂到了1.9萬年前，對1.9萬年到1.4萬年前的人羣有影響。

　　如果大家對這個時間節點稍微有點概念，這個1.9萬年年是末次盛冰期剛結束的時候，所以大家可以看到一旦環境相對適宜人類生存的時候，就會有很多未知的人羣，甚至很古老的人羣，對後期的人羣有影響。

　　除此之外，我們還研究發現在1.4萬年之後的歐洲人和1.4萬年之前的歐洲人是不一樣的，不一樣主要體現在哪裏？1.4萬年之後的歐洲人和外部人羣，比如近東人羣有很大的聯繫。而且更有意思的是，1.4萬年以後的歐洲人才出現了我們現在都知道的藍色的眼睛。

　　也就是説，歐洲人在1.4萬年以前並不是藍色的眼睛，是深色的眼睛，甚至是深色的皮膚。而在一萬四千年之後，雖然他們是藍色的眼睛，但是皮膚還是深色的，真正的淡色的皮膚出現的比藍眼睛的顏色還要晚。

　　在這個情況下大家就會有疑問，説了這麼多歐洲人、北亞人，關於我們東亞人是什麼樣子的呢？非常幸運，在過去三個月裏，我們獲得了中國自己的古基因組。

　　這個是距今大概四萬年前，在北京的田園洞。這個個體非常有意義在於，我們第一點要了解他到底是不是東亞人？有人會好奇，認為既然在北京就應該是東亞人，那不一定。

　　我們舉一個實例，在歐洲就發現過4萬年前的的個體，但他遺傳上還不是歐洲人，所以即使這個個體在北京田園洞被發現了，但並不意味着遺傳上他就是東亞人。

　　後來我們通過研究明確了，他遺傳上確實是東亞人。雖然他是東亞人，但他跟現在的東亞人還有一些地方不一樣。這些不一樣在哪裏呢？

　　首先，他跟古歐洲人的某些人羣有聯繫，這種聯繫我們目前分析不能明確到底是是遠古成分的影響，還是因為他與歐洲人和亞洲人的聯繫，不管怎麼樣，我們都看到了他們之間的關係。

　　此外，我們還看到非常重要的信號，雖然在不同人羣中他跟東亞人更近，但是東亞人內部裏面，有沒有誰跟田園洞人更近呢？我們並沒有看到這樣的關係。但是當我們看美洲土著人的時候，我們會發現美洲土著人內部有一些人羣，相對別的美洲人羣相對來説，跟田園洞人更近，這個人羣就是亞馬遜人羣。很大程度上這些現象都讓我們知道，當時的東亞、亞洲，相對來説有非常複雜的遺傳歷史。

　　僅僅是這樣一個研究，就能告訴我們這麼多信息，這也就使得我們不由地去期待，當我們有更多的數據進行研究、分析的時候，我們就能瞭解更多的畫面。這是關於我們現代人自己的演化歷史。

　　第二個問題，相信大家都很期待，就是我們現代人和曾經存在過的古人類，也就是滅絕的古人類有沒有過共存的關係？有沒有可能通過當時一些現代人的DNA捕獲到圖片中這一幕？有可能的。我先想讓大家瞭解到，這些滅絕的古人類到底對我們現代人有什麼影響？尤其是對我們東亞人有什麼樣的影響？

　　現在所有的歐洲人和亞洲人都有1%、2%的尼安德特人成分，在座的大家，只要不是非洲人，就肯定有尼安德特的成分，但是我們東亞人會比歐洲人的尼安德特成分高一些。

　　此外，當我們看丹尼索沃人的時候，非常有意思，大家可以看到圖片裏，這些人從遺傳的成分來講是非常相似的，都是大洋洲人羣。但是在這些相似的人羣中，並不是每個個體都有丹尼索沃人遺傳成分。

　　我們以此為鑑，所有的相關人羣其實只有這一邊的人羣有丹尼索沃人成分，另一邊是沒有丹尼索沃人成分。這也就讓我們知道，古人類對我們現代人的影響非常多元、複雜的。

　　舉一個古人類對當時現代人的影響的例子，這個例子非常有意思，而且這個研究本身可以説是人類歷史上的一個幸運。為什麼這麼講？最主要的一個因素，就是當時的現代人的DNA，相對比我們現在的DNA，他跟當時發生的事件更近。

　　舉一個非常簡單的示意圖，我們看到圖中，如果我們有一個尼安德特人和一個現代人作為父親和母親的時候，產生下一代過程中，其中有一半染色體的整個染色體長度來自尼安德特人。

　　隨着不斷繁衍過程中，尼安德特人片段由於重組關係不斷地被打斷、不斷地變小。在這個過程中，如果我們還原尼安德特人片段，通過片段長度，我們就能反過來計算當時尼安德特人和現代人發生基因交流的時間，在這個前提下，我來介紹一個個體。

　　這個個體很特別，這張圖中是4.5萬年到7000年甚至到現在，整個尼安德特人在現代人的尼安德特成分的變化，其中有一個個體非常突出，他既不是年代最早的，但是他的尼安德特成分最高，能達到10%左右。

　　當我們把這個個體放在地圖上，他到底是誰呢？他是羅馬尼亞的一個個體，距今大概四萬年前，比我們剛剛説到4.5萬年前的人還要晚一些。這個個體我們只取非常少的骨粉，大概只有30毫克，非常小的一個洞，對他整個形態的影響非常小。在這種情況下，我們瞭解到尼安德特的成分在這個現代人中是非常不一樣的。

　　圖中現在看到的這些有顏色的這些片段，其實都是尼安德特在現代人基因組中的體現，其中可以看到有一個叫做Ust’-Ishim的黃色條帶就是剛剛提到的是4.5萬年前的人，他的條帶的長度比現在的人長很多。

　　但是這個4萬年前的個體基因組中，有一個綠色條帶佔有染色體非常長的區域，能夠達到染色體的一半，大概能到60Mb這樣一個程度。這是什麼概念呢？結合我剛剛給大家介紹的原理，就是重組把片段不斷打斷，大家很快反應過來，這個人的祖繫上很有可能在很近的時候和尼安德特發生基因交流。

　　這只是一個染色體，從整個常染色體的情況來看，從1號染色體到22號染色體，除了剛剛看到的12號染色體之外，其他的染色體中都有長的片段。

　　當我們利用這些長片段的分佈，模擬這些片段產生的長度可能性，同時利用位點相關的差異和關聯性，我們可以計算出大概對這個個體來講4到6代以前，它的祖先和尼安德特人發生了基因交流。

　　當我們把這個個體的關係放到家譜樹中，就能瞭解到如果用尼安德特的含量來説，大概能估算出2到4代、2到5代之前。如果用剛才説的片段本身的分佈和一系列的算法計算，我們得到的結果大概在4到6代之前。

　　大家可能對4到6代的概念不太清晰，用俗稱的語言就是説，這個個體的曾曾曾祖父母中有一個尼安德特人，説到這個大家應該會想到那個小女孩和滅絕古人類的對話。

　　我們確實找到了一個明確的實例，告訴我們當時的古人類和當時的現代人，他們確實發生了這種基因交流。不僅如此，它還告訴我們另外一個信息，是什麼呢？

　　考慮到這個結果，同時結合之前提到的尼安德特人對現在現代人的影響，整個歐亞大陸人羣都受到尼安德特人的影響，除了非洲人以外。大家會想到，這種基因交流很有可能在歐亞人羣分離之前發生。

　　通過相關的研究，我們認為發生的地點時間很有可能是圖中的圓圈位置，就是近東區域。而且通過不管是現在的DNA，還是當時早期現代人DNA，我們大概計算出來，它是距今五到六萬年前發生的。

　　這個個體就是剛剛提到的四萬年前，在歐洲的羅馬尼亞，時間是4萬年，而且是在4到6代之前發生的，不到200年以內發生這樣的事件，這就不由地讓我們明確了，這個事件應該不是一次的，至少不是最開始我們推測的對我們現代人影響只有唯一的一次，很有可能有多次，而且發生的地點不僅在中東，在歐洲等其他的地方也可能發生過。

　　這一系列的問題只是開了一個窗口，讓我們瞭解到過去遠古歷史，我們跟滅絕古人類的聯繫。這僅僅是開始，我們會繼續努力探究我們是誰、我們從哪裏來。