古基因組學引領考古學第二次科學革命_風聞

來源：中國社會科學網-中國社會科學報　作者：沈曲 王傳超

　　以碳十四測年技術的運用為標誌的考古學第一次科學革命始於20世紀中葉，該技術可以確定物體的絕對年代，改變了只能以層位關係判定相對年代的局面。古DNA技術尤其是近十年高通量測序技術的發展，使得重建古人基因組序列成為現實，古基因組學研究取得重要進展，帶來考古學的第二次科學革命。此前的考古學多基於類型學對器物等實物資料進行分期比較，但對創造這些考古學文化的人羣所知相對較少，大多通過顱骨形態差異辨別不同人種。古DNA技術幫助建立起人類生物譜系，可與考古學以往建立的文化譜系對應起來。此外，古DNA技術可以幫助解答考古學的傳統難題，如識別已滅絕的古老型人類，為現代人與古老型人類的遺傳混合提供直接證據，追蹤世界不同地區現代人史前遷徙融合事件，共同探索人類文明等。

　　古DNA研究的三次技術變革。基因組包含生物體所有遺傳信息，可從分子水平反映生物性狀的異同，從而可以顯示羣體之間的演化關係。同時，DNA分子化學結構相對穩定，個體在死亡後其部分遺傳信息會隨片段化DNA保留在組織中，可為生物遺傳特徵留下證據。所以，古DNA是研究人類遺傳起源與演化歷史的有力工具。1980年，湖南醫學院從馬王堆漢墓女屍中提取出古DNA，這是從古代遺骸中提取古DNA的最早嘗試。

　　20世紀80年代至今，古DNA研究在不同擴增和測序技術的引領下，經歷了三次技術變革。分子克隆技術的出現推動了古DNA研究的起步，即第一次技術變革。它將提取出的古DNA在宿主菌中增殖後進行測序，但由於其所需古DNA量較大而人類遺骸中古DNA含量極少，導致該過程較難成功。

　　1983年，聚合酶鏈式反應（PCR）誕生，其可通過少量DNA模版實現目標古DNA的大量擴增，從而使古DNA研究迅速開展，帶來第二次技術變革。這一時期的研究開始基於古代樣本的線粒體基因或少數核基因解決傳統存在爭議的問題。

　　在下一代測序技術引領下，隨着古DNA提取、文庫構建及富集等方法的進步，古DNA研究開始第三次技術變革，自此進入古基因組時代。古基因組學應用在考古學領域，通過在古人遺骸中提取DNA完成基因組測序，利用生物信息學技術對自然選擇、遺傳漂變、突變和基因流過程中基因型和表現型頻率的分佈、變化等進行分析，實現對人羣遷徙融合等事件的精細刻畫。

　　古DNA揭秘滅絕古老型人類與現代人關係。1987年，遺傳學家提出“晚近出非洲説”，現代人的起源與演化問題成為各方關注焦點，目前主要有“晚近出非洲”和“多地區起源”兩種假説。隨着古DNA研究成果不斷豐富，相關學説也得到補充或修正。古基因組學為現代人與古老型人類的遺傳混合提供了直接證據。

　　2010年，尼安德特人全基因組草圖發佈，證明了其曾與現代人發生基因交流。同年發佈的丹尼索瓦人基因組草圖證實了，因無法根據形態進行種屬判別的古人類遺骸屬於一種從未被認識的古老型人類。這也是第一例由古DNA確認的古人類。

　　隨着高質量基因組信息的不斷髮表，古DNA進一步提供關於古老型人類的更多信息。尼安德特人、丹尼索瓦人這些古老型人類約在53萬年前與現代人分離，在約40萬年前他們也相互分離。尼安德特人、丹尼索瓦人的基因組數據顯示，他們在滅絕之前曾多次與現代人發生遺傳混合，且這種基因滲入是雙向的，尼安德特人的線粒體DNA和Y染色體都顯示曾被替換。現代非洲以外的人羣中都帶有一定比例的尼安德特人（1.8%—2.6%）和丹尼索瓦人（0.2%—6%）遺傳成分，這些成分來自三次尼安德特人和至多四次丹尼索瓦人向現代人羣的基因滲入。現代人與尼安德特人相遇也有相關考古學證據支持，西歐發現的與尼安德特人相關的莫斯特石器組合隨後被現代人石器組合替代。

　　古老型人類基因的滲入給現代人帶來一定益處，如現代人中影響角蛋白合成的基因來自尼安德特人，它幫助適應歐亞大陸寒冷環境。再如，可能來自丹尼索瓦人的一個調節人體血紅蛋白生產的突變，幫助高海拔人羣適應缺氧環境。另外，相關遺傳學證據還顯示尼安德特人和丹尼索瓦人之間也曾發生混合。

　　已滅絕的古老型人類基因組的發表，使現代人與其之間的關係更加明晰，進一步表明現代人的起源與演化是一個複雜過程。要完全解答現代人起源的問題，未來需更多的化石材料和古DNA證據。

　　古DNA技術揭示現代人類演化歷史。古人類基因組數據的發表從歐洲開始，隨後陸續有來自亞洲、美洲、大洋洲、非洲的數據發表。目前已有6000多個古基因組數據發表，逐漸構成一本人類古DNA地圖集，將不同時空的人羣納入一個共同框架，為考古學研究提供了重要參考。

　　古基因組學幫助勾勒清晰的早期現代人遺傳混合史。目前已發表的距今3萬年前的古人類基因組均來自歐亞大陸。在俄羅斯、羅馬尼亞和捷克發現的三個4萬年前的古基因組，是迄今為止最古老的現代人支系，但對現代人羣並無遺傳貢獻。其他個體則與現代人羣具有遺傳聯繫。4萬年前的田園洞人與蒙古3.4萬年前Salkhit個體、黑龍江3.3萬年前的AR33K個體代表亞洲遺傳譜系，而3.6萬年前的Kostenki14個體和3.5萬年前的比利時GoyetQ116-1個體代表歐洲譜系。約3.1萬年前的Yana個體和2.4萬年前的Mal’ta個體代表了古北西伯利亞遺傳譜系，他們與歐洲譜系關係更近，並對美洲原住民的形成有貢獻。田園洞人與AR33K個體、GoyetQ116-1個體共享更多等位基因，可知末次冰期前田園洞人相關譜系曾長時間廣泛分佈。

　　末次冰期以來，世界各地大多氣候温暖，適宜人羣生存活動，業已發表的該時期古人基因組重現了各個地區人羣不同的互動模式。古基因組顯示史前歐洲人羣曾發生多次混合。現代歐洲人祖源由三個主要遺傳譜系組成：歐洲狩獵採集人羣、早期農業人羣以及不同比例的歐亞草原人羣。其中，歐亞草原人羣的遷徙帶來劇變，且印歐語系也可能由其遷徙而傳播到歐洲。歐亞草原人羣包括顏那亞文化（Yamnaya）、阿凡納謝沃文化（Afanasievo）、辛塔什塔文化（Sintashta）和安德羅諾沃文化（Andronovo）人羣等。歐洲人羣自9000年前以來與近東農業人羣遺傳混合，又先後受到這些歐亞草原遊牧人羣遺傳影響。歐亞草原遊牧人羣繼續東擴，影響直至中國西北、蒙古高原等地。他們還向帕米爾高原西側遷徙，與更早到達的伊朗農業人羣共同構成印度—巴基斯坦北部人羣的祖先，與印度南方土著人羣相區別。

　　古DNA證據揭示與亞洲和遠大洋洲人羣融合發展的歷程。末次冰期後，東亞南北方人羣遺傳差異已經形成，如以黑龍江流域魔鬼洞人羣（DevilsCave）、蒙古高原新石器人羣（Mongolia_N）為代表的北方成分，以福建奇和洞人、亮島人以及廣西隆林人為代表的兩種南方成分。至少在8300年前，這種遺傳差異逐漸減少，並顯示出人羣雙向混合的特徵，奠定了中國南北方人羣的基本格局。在大洋洲，距今3000—2500年前開始，來自亞洲大陸東南的南島語人羣先到達馬里亞納羣島和遠大洋洲的湯加、瓦努阿圖，帶來拉皮塔文化。約在2300年前，他們與土著巴布亞人羣相遇併發生遺傳混合，後繼續遷徙，到達波利尼西亞羣島，並最終到達新西蘭。儘管遠大洋洲人羣的遺傳結構發生了巨大變化，但外來的巴布亞語言並沒有取代南島語言。

　　在西伯利亞，1.4萬年前的UKY個體和9800年前的Kolyma1個體代表古西伯利亞人，並且Kolyma1是目前找到的與美洲土著人羣祖先有最近親緣關係的個體。在全新世早中期，向北擴張的新西伯利亞人取代了古北西伯利亞人，新西伯利亞人主要攜帶東亞血統和不同比例的西歐亞草原血統。北部美洲人羣和南部美洲人羣的共同祖先為古北西伯利亞人和東亞人羣混合形成，後經白令海峽進入美洲。北美Anzick遺址的一個約1.26萬年前的個體DNA顯示，美洲人羣的祖先在北美冰蓋南部地區附近分化為北部美洲人羣和南部美洲人羣，後者迅速向南遷徙。約在5000年前，生活在美洲北極大部分地區的古因紐特人，後在大約800年前被新愛斯基摩人所取代。

　　非洲現代人具有最高多樣性，但限於古代樣本保存狀況，其古DNA數據較少，所以目前對該地區的研究十分有限，對其人口結構和遷移模式等的研究剛剛開始。古基因組顯示，一些早期非洲人羣與近東人羣存在遺傳聯繫，從1.5萬年—5000年前的摩洛哥個體和3000—1000年前的東非、南非個體中都觀察到了這種關聯性。在5000—1000年前，非洲撒哈拉以南的遊牧人羣與農業人羣之間發生了多次混合，產生了今天的東非人口。這是全球已知最大的農業人羣擴張事件之一，並將農業、西非相關成分傳播到撒哈拉以南的非洲大部分地區。

　　古基因組揭示了全球人類演化的基本格局，不同地區人羣互動模式各不相同，或羣體內部相互混合，或多次人羣混合和替代，進行復雜演化，共同形成今天的世界人羣。

　　古基因組學未來發展趨勢。目前，基於古基因組的人類演化研究已取得重要進展。在古DNA技術發展漸趨成熟的當下，亟須建構遺骸利用的全球規範，對其研究倫理的討論也相應展開。

　　2021年，來自全球31個國家的64位合作者共同討論起草的人類遺骸研究倫理規範在Nature上發佈，提出了全球適用的五條新規則，旨在保護古人遺存並更合理地開展研究。未來應更關注研究倫理，在尊重古人遺骸的基礎上進行科學研究。

　　古DNA技術未來有望解決更多科學問題，如語系起源與農業傳播的關係，史前大規模非正常死亡人羣的死亡原因，考古學文化中觀察到的變化究竟是來源於單純文化交流還是兼有人羣混合等。目前，專業古DNA實驗室越來越多，專業人員數量也不斷增加，相關技術發展日新月異。在未來，應制定採樣、實驗等相關行業標準，提高研究科學性；並注意優化古DNA提取、建庫、捕獲等實驗技術水平，提升實驗效率；加強運用相關生物信息學工具，為古DNA研究提供更強大的數據分析支持；可拓展研究範圍，針對動植物、古病原菌等開發捕獲探針，並建立對比數據庫；還需加強與不同學科交流與合作，如語言學、歷史學、體質人類學、生物信息學等，形成研究系統，以大的科學問題為導向，共同探索人類發展史。

 

　　（本文系國家社科基金重大項目“多學科視角下的漢藏語系的起源和演化研究”（21&ZD285）階段性成果）

　　（作者單位：廈門大學社會與人類學院）