付巧妹：我們身上有哪些來自遠古的基因？古DNA如何破譯人類演化進程？_風聞

演講嘉賓：付巧妹

（中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員、分子古生物學實驗室主任）

我報告的主題是《古DNA破譯東亞人羣演化圖譜》，我將着重介紹我們近幾年取得的科研成果。希望通過這次報告，能讓老師和同學們對這個領域有所瞭解。

1

古DNA研究的優勢與困難

可能很多人好奇，瞭解人類演化到底有什麼意義。其實，人類演化中有很多重要的科學之謎，比如：是什麼樣的遺傳造就了獨特的人？地球上曾經有多少種族共存？傳統的形態學和遺傳學能幫助我們取得一些瞭解，但存在很多不足；而通過古DNA直接研究古代人羣，具有非常獨特的優勢，為解決問題帶來了更多可能性。

但古DNA研究也面臨着很大困境。上世紀80年代就已經出現了古DNA研究，但直到2010年前後，通過古DNA研究人類演化才掀起了大浪潮。為什麼會這樣？主要原因就是，本源的古DNA很難獲取。比如上世紀90年代，很多人嘗試從化石、琥珀、甚至恐龍蛋中獲得DNA，後來卻發現都不是本源DNA，而是來自污染。

古DNA有什麼特徵？

相對於新鮮組織DNA而言，古DNA是碎片化的，片段很短。即便是從埋藏的骨骼中獲得的DNA，可能大量都不來自骨骼個體本身，而是由於埋藏環境的原因，含有很多微生物，屬於本源DNA的非常少。在發現化石的過程中，手的接觸也會帶來污染。可能對於新鮮組織而言，由於內源DNA含量很高，這些污染影響不大；但是對於古DNA而言，跟內源DNA比起來，這些污染影響非常大，有時甚至沒有內源DNA，錯把污染當作人類自體的DNA，這對研究人類演化造成了很大困難。

直到2010年前後，跟二代測序結合，再加上新開發的一系列古DNA技術，研究人類古DNA才成為可能。

▲ Science雜誌封面

**這個領域的主要研究內容，跟兩個基本問題有關：**第一，在共存時間裏，現已滅絕的古人類跟現代人有沒有互動，如何互動；第二，現代人在不同時間階段是如何演變的。

針對這兩個問題，我們團隊在2021年，也就是人類基因組草圖發佈20週年之際，受Science特刊之邀，寫了一篇關於人類演化史的綜述，回溯從40萬年前到現在的人羣的演變特點，系統梳理近萬年來的現代人羣遺傳史，包括非洲、歐亞大陸以及美洲人羣的遷徙和變化，並提出對未來古DNA研究的展望。

2

滅絕古人類和現代人的互動

很多人會問：現代人是不是指現代生活的人？其實現代人的範圍要大得多，只要跟現代生活的人沒有明顯遺傳或者體質差異的都包括在內，這些人在20萬年前已經出現，都是現代人。

除此以外，其實在共存時間裏，還存在別的類型的人，他們在體質上、DNA上都跟我們不一樣，沒有留下直接後代。但是這些人並不見得是完全滅絕。比如尼安德特人的基因，在我們體內有1%-4%——在座的你我，只要不是非洲人，都有尼安德特人的成分。

接下來，我就以滅絕古人類——丹尼索瓦人為例，給大家稍微介紹一下我們的研究。

第一次找到丹尼索瓦人，是在阿爾泰山脈的丹尼索瓦洞穴中，通過一個小手指骨DNA發現的，這也是第一次通過遺傳找到未知的古人類。2010年獲得第一個丹尼索瓦人的基因組信息以後，一直到2020年，這一人羣所有的DNA基因都來自這個洞穴。然而，我們目前僅僅瞭解丹尼索瓦人對現今大洋洲及東亞人羣影響，對於他們在亞洲、尤其是東亞的分佈，是非常不清楚的。

▲ 土壤DNA樣本採集（來源：文博在線平台）

這種情況下，我們團隊希望在東亞找到丹尼索瓦DNA，或者是其他類型古人的DNA，所以另闢蹊徑，嘗試從沉積物中獲取DNA：相當於是從古人生存過的土裏，對每一地層進行試驗，通過一系列實驗室技術獲取DNA。

怎麼獲取？大家可能覺得奇怪，土裏大多數是微生物DNA，怎麼拿到人的DNA？我們的方法是，利用雜交原理，通過242種動物的DNA，和我們樣品中的DNA融合、雜交，然後把剩下的DNA洗滌掉，起到一個富集作用，最後對這些生物DNA進行分析，探究它們屬於哪種DNA，其中是否可能存在人類DNA。

我們做了這麼多年，將近20個遺址，涵蓋40萬年到2萬年之間的漫長時期，但目前只做出來一個遺址，也就是白石崖溶洞。它在甘肅南部，海拔3200米，離丹尼索瓦洞穴非常遠，但我們就是在這裏找到了丹尼索瓦人DNA，主要存在於第七層沉積物，就是約10萬年以及6萬年、可能至4.5萬年的地層中。這個時間不見得那麼準確，但很重要的一點是，我們看到在不同區域中確實存在着丹尼索瓦人，而且不同時間段都一直存在。而且，這些地層中只有丹尼索瓦人，沒有現代人以及尼安德特人的成分。所以，這個遙遠地區的人羣與晚期丹尼索瓦洞穴人羣直接相關。

▲ 白石崖溶洞（來源：文博在線平台）

這時我們不由產生疑問：白石崖溶洞的人羣為什麼跟晚期丹尼索瓦人相關，而不是另外一個族羣？這些晚期人羣到底是怎麼分佈的？從哪裏來？朝哪個方向遷徙？為了解決這些問題，我們將進一步研究古人的時空分佈和遷徙擴散。

這個研究在2020年入選為國際人類起源研究十大新認知之一。我們看到，丹尼索瓦人DNA不僅在東亞、大洋洲人羣裏有殘留，其實對現代人中的不少人羣都有貢獻和影響。比如西藏人相對內陸人羣而言，會更適應高原環境，是因為他們有一個相關控制基因——EPAS1基因，而這個基因的很長片段跟丹尼索瓦人有關。於是我們會思考，丹尼索瓦人基因對適應高海拔環境有什麼幫助，這又打開了更多研究方向。除此以外，在極地生活的因紐特人有非常強的脂肪代謝能力，他們產生的大多是棕色脂肪，能快速把脂肪轉換成能量，而這可能跟丹尼索瓦人基因也有關係。

這一系列現象都讓我們思考，滅絕的古人類雖然消失了，但仍在我們體內產生一定影響，在某些人羣中甚至具有很重要的作用，尤其是生理上的作用。

3

現代人在不同時間階段的演變

就像我剛剛提到的，現代人涵蓋了非常長的時間跨度。我們不由思考，現在所説的南北方人羣的遺傳差異是自古有之，還是在不斷演變過程中慢慢產生的？我們的報告或許能給大家一些啓發。

接下來，我將介紹近幾萬年到現在，東亞人羣的遺傳特點和一些關鍵適應基因的演變。

早期我關注較多的是歐洲及北亞現代人研究，近幾年在東亞研究中，我們也作出了非常多貢獻。2017年之前，中國很缺乏針對人類的古基因組研究，而我們團隊於2017年在北方的房山獲得了第一例在中國的人類古基因組，也是目前為止最老的一例東亞現代人基因組。可能很多同學和老師聽説過北京猿人和山頂洞人，我們所研究的田園洞人，要比山頂洞人早一萬多年。

田園洞人的研究意義很大，他給我們提供了幾個很重要的信息：

■ 首先，在4萬年前就已經存在遺傳意義上的東亞人。這之所以重要，是因為同一時間階段的歐洲和北亞，還有一些人羣沒有分化成遺傳意義上的歐洲人或北亞人。

■ 除此以外，它還提供了現在生活的東亞人身上無法直接看到的線索，比如跟美洲、歐洲某些人羣之間的關聯。這些現象告訴我們一個重要的事實：4萬年前，東亞人羣是相對複雜的，歐亞史前人羣具有不可忽視的多樣性。Science雜誌也評價説，該基因組填補了東亞古人類研究的巨大空白。

▲ Science關於田園洞人研究的報道

（來源：Science）

但是，僅通過單獨的個體，我們很難知道東亞人適應性基因的演化過程，所以我們團隊從2016年、2017年前後到2021年，針對黑龍江流域，對3萬多年到3000年的人羣進行了一系列研究。

我們首先發現，3萬年前在松花江生活的人羣，雖然地理上離田園洞人很遠，時間上也晚幾千年，但跟田園洞人有很強的關聯，是同一羣人。而跟他們生活在同一時間的蒙古人羣，除了擁有田園洞人的遺傳成分以外，還帶有北亞人羣的影響。可以肯定的是，在3萬年前，也是末次盛冰期之前，田園洞人對於整個東亞北部的影響非常大。

末次盛冰期是一個極度寒冷的階段，主要包括2.7萬年前到1.9萬年前；1.9萬年之後，環境相對好些——這時我們發現一個有意思的現象：1.9萬年之後，田園洞人特有的遺傳成分，並未在後期人羣中出現。1.9萬前的人羣已經出現古北方人的遺傳成分，説明當時南北方人羣可能已經分化，而田園洞相關人羣很可能在末次盛冰期消失了。

此外，松花江人羣從1.4萬年前到現在相對連續。有一個值得重視的現象，它讓我們瞭解到，松花江人羣對於北亞貝加爾湖、遠東人羣都有影響。在我們開展研究之前，存在着一個重要的遺留問題：美洲人中的東亞成分源自哪裏？是來自黃河流域，還是東北，還是其他地方？我們分析之後發現，它的主要來源是黑龍江1.4萬年以來的相關人羣。

此外，我們還通過研究表型和基因型的聯繫，瞭解到東亞人的一些特徵。復旦團隊在這方面也做了非常深入的工作。在這些問題上，古DNA研究能作出很大的貢獻。

我們知道，相對歐洲人而言，東亞人的毛髮會粗一點、硬一點，汗腺也不一樣，這主要跟東亞特有的EDAR基因有關。古DNA能幫我們瞭解，這些基因是什麼時候在東亞出現的。一些學者認為是兩萬年前後，末次盛冰期的尾聲。那時非常寒冷，出現了長期低紫外線的情況，需要增加母乳維他命的吸收，因此出現了這樣的突變。另外一些學者認為是3萬年前後，因為當時的氣候非常温暖、潮濕，人們需要通過出汗來調節體温。而事實上，我們的古DNA研究發現，至少在1.9萬年前，也就是末次盛冰期快結束的時候，這種變異就出現了，所以很可能與低紫外線環境選擇有關。

4

東亞南北方地區及東亞和東南亞的聯繫

講了很多發生在萬年前的一些演化歷史，接下來，我想介紹我們對近萬年以來東亞南北方以及東亞跟東南亞之間聯繫的研究。

對於近萬年來南北方格局的特點，我們做了將近8年，最後在2020年做出來了，併入選了當年的中國十大科學進展。不難發現，現在的南北方人在生活習慣、遺傳特徵上都有差異，而我們想解決的問題就是：那時的差異比起現在，是更大還是更小？按照常規的理解，隨着時間變化，積累的差異應該越來越多。但通過古DNA研究，我們發現如今南北方的差異遠低於過去。

之前提到南北方的差異在1.9萬年前已經存在，到9000年前後繼續存在。在5000年到3000年這個階段，南方仍然以古南方人羣為主；但到了4000年之後，大量北方人羣對南方產生影響，使得古南方成分下降。這並不意味着北方人取代了南方人，只是説明南方融合了越來越多北方的影響。

我們還能看到，歐洲和中國的演化歷程很不一樣。歐洲在9000年前農業出現以來，一直受外來人羣的影響，比如9000年以來的外來農耕人羣，對現在歐洲人的影響達到40%。到4000多年前後，歐洲人可能跟歐亞草原人羣也有聯繫。但在中國，雖然南北方一直有交流，但並沒受到大量外來人羣的影響，主要影響來自內部，整個內部人羣是連續的。我們還可以看一下漢族的情況：生活在南北方的漢族人羣一直在融合，體現出大熔爐的特點。

**這個研究還讓我們無意中解決了一個很重要的問題——南島語族的起源問題。**南島語族是目前唯一一個分佈在島嶼上的語系，包括1300多種語言，使用者主要生活在台灣島和太平洋島嶼上，南方內陸則沒有分佈。一些學者認為台灣島是它的起源地，另外一些認為南方內陸才是，但都沒有找到確鑿的證據。而我們研究了4000多年前、8000多年前、甚至1萬多年前南方內陸的人羣，發現他們跟南島語族直接相關，尤其是4000多年前的人羣跟3000多年前的南島語族島民是同一批人。

▲ 東亞與東南亞交匯處自1.1萬年以來人羣動態示意圖（來源：CellPress細胞科學）

再看一個更直觀的例子。當我們把4000多年、8000多年以及1萬多年前在福建生活的人羣，跟在南方內陸生活的傣族，以及在台灣島生活的阿美族、泰雅族進行直接比較的時候，會發現，相比於跟傣族，古福建人羣跟阿美族有更直接的關係。這是由於4000年之後，大量北方人羣對南方人羣產生了影響，使得古南方的成分急劇下降。所以，現在的南方人具有更多北方成分，看起來和南島語族沒有那麼相關。我們古DNA的研究從根源上解決了問題。

還有一個很重要的現象：東南亞的人羣是不連續的，早期人羣跟晚期人羣非常不同，而且早期人羣在印度安達曼羣島的人羣有殘留，卻對本地人沒有影響。但在我們剛才説的東南沿海福建地區及周邊，人羣都是相對連續的。東南亞和東南沿海如此不一樣。那麼處於交匯位置的廣西是怎麼的呢？

對廣西人羣的研究，我們做了9年，取得不少發現。首先，在廣西1.1萬年的人羣中，存在一個我們之前不知道的古老的東亞支系，即隆林人。之前的形態學研究認為，他們的顱骨形態呈現出滅絕古人類和早期現代人混合的特徵，因此可能是兩者混合的後代；但我們發現，他們攜帶的尼安德特人或丹尼索瓦人的基因含量並不高於其他東亞現代人——隆林人實際上就是東亞的現代人。但他們同時是一個未知的古老東亞人羣。這是什麼意思？前面講到，1.9萬年出現了古北方人羣，而1.1萬年時，隆林人在廣西生活，這是否意味着隆林人就是古南方人？通過分析，我們發現隆林人的支系早於南北方分離之前，也就是説，他們對現在的南方人和北方人都沒有影響。

我們看到，廣西9000多年、8000多年人羣中，都有隆林人的成分。1.1萬年時，廣西人跟福建人、東南亞人很不一樣，有自己的特點；直到6000多年，廣西人已跟東南沿海、東南亞人羣發生了頻繁的基因交流時，這些特點仍然存在，説明以隆林人為代表的人羣並不是偶然出現的。到了歷史時期人羣那裏，就看不到隆林人的成分了，而是具有南北方人羣的特點；如果跟現今人羣進行比較，會發現歷史時期人羣跟侗傣和苗瑤人羣直接相關。這項研究在Cell發表之後，國際同行也在Cell寫了一則專門評述，點評了它的重要性。

總體而言，古DNA能給我們提供意想不到的結果，使我們發現更多關於人類演化的未解之謎，也讓很多過去存在但現在看不到的人羣重新浮出水面。

5

交叉學科視域下的古DNA研究

2022年，受Cell雜誌之邀，針對生物技術前沿，我們寫了一篇關於古DNA技術發展狀況及前景的文章。總體來看，古DNA是很典型的交叉學科，研究手段和研究途徑是遺傳學、生物信息學，但研究問題、研究對象都跟考古人類學分不開。

把不同學科串聯起來的關鍵，就在於研究的問題；解決這些問題，需要所有相關學科的合作。正因如此，**交叉學科具有獨特的優勢，它鼓勵創新性思維，鼓勵不斷探索。**在交叉學科視域下，古DNA研究產生了重要的影響，像2022年的諾貝爾生理學或醫學獎，就授予了這個領域。

我們也可以看到，在交叉學科以及相關的基礎研究中，自由探索是非常重要的。正是自由探索的精神，讓我們保持好奇心，不給自己設限，不斷去思辨、去質疑。科研最有魅力的地方，就是探索未知。

很幸運我最終找到了感興趣的方向，選擇了熱愛的事業。即便一些同學還沒有搞清楚自己的興趣點，我認為最重要的就是懷抱夢想、追尋夢想，在追尋的過程中做好當下、瞭解自己，把想法變成行動，一點點去實現。在這個過程中，我們會面對各種挑戰，痛苦而又快樂地成長。

（來源：復旦管院）