距今93萬年前人類幾近滅絕！上海科學家首次對古人類進行“人口普查”

距今93萬年前，人類遭遇劇烈氣候變化，短期內喪失約98.7%的成員個體，幾乎滅絕。

上海科學家團隊首次對古人類進行“人口普查”，獲得上述發現。北京時間2023年9月1日，國際學術期刊Science在線發表了中國科學院上海營養與健康研究所李海鵬研究組與華東師範大學腦功能基因組學研究所潘逸萱研究組合作的題為“Genomic inference of a severe human bottleneck during the Early to Middle Pleistocene transition”的最新研究成果。該研究創建了快速極小時間溯祖（FitCoal）新理論，並發現人類在早、中更新世過渡期由於氣候環境的急劇變化經歷了嚴重的羣體瓶頸，人類祖先近乎滅絕。

史前人口數量的變化，綜合反映了該時期氣候環境的變遷，所以通過羣體遺傳學的研究方法進行回溯，可以更深入地瞭解現代人類的形成。

已有化石記錄表明，最近100萬年是人類進化的關鍵時期，但人類羣體歷史的研究多侷限於最近的30萬~10萬年內。雖然近年來古DNA測序技術迅猛發展，但由於炎熱條件不利於DNA的保存，無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。該研究則通過羣體遺傳學新理論分析現代人羣基因組，研究百萬年前的羣體歷史。

史前雖然沒有文字記載羣體數量，但有效羣體大小會影響每個世代的溯祖率，也就是兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率。因此人類祖先曾在羣體基因組中留下印記，反映當時的羣體大小。

羣體歷史越久遠，留存至今的印記信號越微弱。為準確解讀這些信號，進而準確估算百萬年前人類羣體歷史，研究人員創建了羣體遺傳學和計算生物學新理論——快速極小時間溯祖FitCoal。

遵循這一理論進行數學推導，研究團隊獲得在任意羣體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應溯祖樹枝長期望值的解析解，並獲得精確的似然值，即在羣體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。因此無需事先獲得羣體歷史的先驗知識，FitCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而估算羣體歷史，對古人類羣體進行“人口普查”。

研究人員通過設定羣體歷史模型（true model）並分析模擬產生的DNA多態數據，衡量估計羣體歷史的無偏性和95%置信區間，即可評判一個分析方法的準確程度。圖1顯示了兩個羣體歷史模型的分析結果，可以看出FitCoal估計的羣體歷史不但是無偏的，而且其置信區間也小於目前領域內常用的PSMC，Stairway Plot和SMC++三種方法。研究人員進一步通過大量的計算機模擬，分析不同條件下的羣體歷史，包括羣體交融和自然選擇，所有結果均表明FitCoal可以精準地估計百萬年內的人類羣體歷史。

圖1：FitCoal, PSMC, Stairway Plot和SMC++估計的羣體歷史

基於FitCoal，研究人員進一步分析了來自千人基因組計劃和HGDP-CEPH基因組計劃產生的、共50個現代人類羣體的基因組數據，首次發現在距今93.0萬年前，人類祖先由於早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化，在短期內喪失了約98.7%的成員個體，幾乎滅絕。

研究表明，在長達11.7萬年的時間裏平均成年個體數僅為1280，並且從千人基因組和HGDP-CEPH兩組獨立數據獲得這一羣體大小的估值幾乎完全一致，分別為1,270和1,300。考慮到羣體數量的自然波動，這一平均估值代表了遠古羣體瓶頸期間最小羣體數量的上限。

研究人員採用HGDP-CEPH數據集的兩個南部非洲羣體作了進一步驗證，雖然樣本量僅為6個和8個個體，但FitCoal依然檢測到了遠古羣體瓶頸。對非洲羣體樣本重抽樣的研究結果表明，僅需3個非洲個體的基因組，FitCoal即可檢測到這一遠古羣體瓶頸，進一步表明計算生物學創新成就了這一發現。

這一嚴重的遠古羣體瓶頸，恰好與非洲人類祖先化石的缺失環節、非洲直立人（Homo erectus）化石的消失、新的古人類物種（LCA）的形成、兩條古人類2號染色體的融合階段相對應（圖2），進一步説明早、中更新世過渡期嚴重的羣體瓶頸對人類進化具有關鍵影響，可能決定了現代人類許多關鍵表型的形成。並且，這一遠古時期羣體數量的衰減，降低了65.85%現代人羣的遺傳多樣性，對人類生命和健康產生了深遠的影響。

圖2：人類祖先在早、中更新世過渡期經歷的嚴重羣體瓶頸（圖片右側對應非洲古人類化石缺失環節和不同的化石分類、2號染色體的融合時間，其中LCA指現代人類、尼安德特人和丹尼索瓦人的共同祖先）

據研究員李海鵬介紹，這次嚴重的羣體瓶頸期或許造就了人類命運共同體的雛形，並且具有廣泛的應用前景，未來將有助於進一步深入瞭解人類進化歷史，並有助於揭示腫瘤的演化以及現代人羣對糖尿病的整體易感性成因。

這一人類進化史上的重大發現，是國際合作研究成果，由中國科學家主導，聯合了意大利羅馬大學（Giorgio Manzi博士）、佛羅倫薩大學（Fabio Di Vincenzo博士）和美國德克薩斯大學（Yun-Xin Fu博士）共同完成。該項工作得到了國家自然科學基金、中國科學院先導專項、科技部國家重點研發計劃、美國國立衞生研究院、山東省自然科學基金、中國博士後科學基金、中國科學院上海營養與健康研究所和華東師範大學、以及濟南市市校融合發展戰略工程項目經費的資助。

（澎湃新聞高級記者 朱奕奕）