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          付巧妹:解密東亞古人類演化史

          2020-09-25 解放日報
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          語音播報

          付巧妹 圖片由“一席”提供

            中國科學院古脊椎所古DNA實驗室主任付巧妹是一位年輕的古遺傳學家,今年只有37歲。2016年,《自然》雜志曾這樣評價她:“幫助重寫了歐洲最早的現代人類的歷史,并希望用古人類遺骸的DNA改寫亞洲的史前史。”

            以下是付巧妹不久前在“一席”演講中介紹有關東亞早期現代人的研究成果。

            古DNA到底研究些什么

            人類演化中有許多未解之謎。《自然》雜志創刊125周年時,曾經公布了125個最具挑戰性的科學問題,其中有幾個就與人類演化有關。我所在的中國科學院古脊椎所古DNA實驗室,就試圖去回答人類演化史上的一些謎題。通過古DNA,通過古代生物的遺骸或者遺跡中殘存的極其微量的DNA片段,我們可以直接研究過去人群的遺傳信息。

            已有的研究結果告訴我們,現代人的祖先曾經與不同的已滅絕的古人類共存過。滅絕古人類,顧名思義,就是現在已經沒有后代存世的古人類,他們的體質特征與我們現代人是不一樣的。比如,尼安德特人的平均顱容量大于現代人,眉脊明顯,額頭平扁,他們的骨骼強健,四肢粗短,手和腳也比較大。大約從12萬年前開始,他們生活在歐洲、亞洲西部、非洲北部,在約3萬年前消失了。

            而現代人的祖先——早期現代人,也可以稱為解剖學意義上的現代人,與我們現在生活著的現代人在體質特征上已經沒有明顯的區別。他們早在20萬年前就已經出現。

            所以,古DNA研究最關注的兩個問題是:在他們共存的時間里,滅絕古人類與早期現代人之間是如何互動的?現代人在不同時間階段又是如何演化的?這些問題其實一直有很多爭議,直到2010年前后,我們才有了一些答案。

            2010年,通過人類古基因組的證據我們了解到,非洲以外大多數現代人的基因,至少1%至4%源自尼安德特人。也就是說,歐亞大陸上的現代人群都受到他們基因的影響。

            2014年,我們從西伯利亞西部發現的、約四五萬年前的人類化石中,獲取了目前最古老的現代人基因組序列,從而確定了早在四五萬年前,這個現代人的祖先就和尼安德特人存在過基因交流,而且估算交流的時間大概發生在距今5萬年到6萬年前。

            隨后更多的研究顯示,滅絕古人類與早期現代人發生了不止一次混血。而且更有意思的是,反過來我們現代人對尼安德特人也有基因上的影響。2018年,科學家還發現了一個母親是尼安德特人、父親是丹尼索瓦人的混血兒。

            這些研究讓我們對現代人的演化有了更多的了解。不過,過去的這些研究主要是針對歐洲和北亞人群。一直到2017年,有關東亞尤其是有關中國的人類古基因組研究還是非常匱乏的。所以,這幾年我的研究主要聚焦在東亞,希望能夠了解我們東亞早期現代人的演化史。

            為什么獲得古DNA這么難

            首先要向大家介紹的,是我們關于田園洞人的研究。

            大家可能對山頂洞人更加熟悉,其實田園洞人和山頂洞人一樣,也是在北京房山地區發現的,但他們存在的時間比山頂洞人還要早,大概在4萬年前左右。

            田園洞人和山頂洞人都是早期現代人。因為歷史的原因,山頂洞人的頭骨材料遺失了,所以田園洞人的骨骼材料更顯得珍貴。我們從田園洞人的腿骨中提取了目前為止東亞最古老的人類基因組,而且它也是中國第一例人類古基因組。

            其實早在2003年,田園洞的洞穴地層中就已經發現了化石,但直到2017年,我們才獲得了基因組。為什么獲得古DNA會這么難呢?

            首先,我想讓大家了解一下古DNA是什么。古DNA沒有一個絕對的定義,考古遺存生物、土壤……只要能承載遺傳信息,都可以成為我們研究的對象。

            從20世紀80年代起,就已經有了古DNA相關的研究。比如,人們在琥珀、恐龍蛋中都發現了遺傳物質,但后來發現,這些遺傳物質實際上都來源于污染。為什么會這樣?這與古DNA的特點有關。古DNA和“新鮮”的DNA非常不一樣,它摻雜了大量微生物的DNA等污染,而屬于這個個體本身的DNA非常少,有時候甚至是沒有。

            對于古DNA研究而言,我們需要找到的是屬于這個個體的內源DNA。所以,即使是觸摸樣品這樣簡單的舉動,都會對研究結果產生非常大的影響,甚至導致整個研究的失敗。因為你獲得的,有可能是來自這些摸過化石的人的DNA,而不是屬于這個樣品本身的DNA。這就是為什么古DNA在過去很長時間里,一直都很難被用來研究人類演化史的原因。

            直到過去10年以來,技術才開始有了突破。我非常有幸和同事共同開發了一種新的技術,像“釣魚”一樣,即使在微生物污染非常嚴重的情況下,我們也可以提取捕獲微量的內源古DNA。怎么“釣魚”呢?我們用現代人的DNA,做了一個像吸鐵石一樣的引子,這個引子可以將僅占0.03%的人類DNA,從大量來自土壤微生物的DNA中吸附、富集并“釣取”出來。

            通過這種方法,最終我們成功提取了4萬年前田園洞人的基因組。這個技術在全世界的影響非常大,因為我們可以用這種方法去研究一些過去很難獲得的古DNA樣品,從而擴大研究對象的范圍。

            北京田園洞人與亞馬孫原住民

            那么,田園洞人的基因組到底告訴了我們什么?通過研究,我們確定,田園洞人已經是現代亞洲人群直接祖先群體中的一個成員,也就是遺傳意義上的東亞人。

            但這個研究沒有結束,我們還發現了一個特別有意思的現象:田園洞人和古歐洲人群,甚至與美洲原住民人群之間存在不尋常的聯系。在歐洲的比利時,有一個距今35000年的古人類遺骸樣本,神奇的是,這個個體相對于別的歐洲人而言,與田園洞人遺傳關系更近。這說明了什么?說明早期的歐洲人和亞洲人,在遺傳上并不是簡單決然地分開的,他們之間存在一種聯系。而且這種聯系,是因為更古老的人群間接地對他們共同產生了影響,他們體內都殘存著來自古老人群的成分,從而把他們聯系起來。

            更有意思的是,田園洞人相關人群不僅是東亞人、美洲原住民共同的祖先,相對于別的地區的美洲原住民而言,他們竟然與亞馬孫地區的原住民在遺傳關系上距離更近。這意味著什么?這種不均等的特殊聯系說明,在東亞史前時期,人群的遷移交流是非常復雜的,這也讓我們更加迫切地想要研究中國不同時期和不同區域的人群的多樣性。這個研究在當時被《自然》雜志認為是“填補了東亞非常重要的地理和時間尺度上的巨大空白”。

            還有個有趣的現象,那就是田園洞人雖然生活在現在的北京地區,但是相對東亞南方人群而言,他并沒有與北方人群顯現出更近的遺傳聯系。這說明田園洞人處于東亞南北方人群分離之前的時期,是非常古老的東亞人群。

            我為什么要研究南北方古人群

            講到南北方人群,我們現在知道,東亞南北方人群有很多差異,比如生活習慣上的差異。研究顯示,在南方和北方生活的人群,他們的遺傳成分也是不一樣的。于是我就很好奇:他們的這種差異和分化是從什么時候開始的?這種差異和分化,與我們文明的發展又有什么聯系?所以,我們針對中國南北方古人群,首次開展了時間跨度最大的系統性的古基因組研究。

            但是,這個“南北方”可能和大家想象的有所不同。我們現在常說的南北方人,經過不斷遷徙與融合,已經很難選出具有代表性的研究對象,所以我們選擇的是長期定居在南北方的少數民族人群,以他們的基因作為參照。比如,北方的達斡爾族、赫哲族、錫伯族、蒙古族,南方的阿美人、泰雅人、布依族、傣族,他們流動較少,相對而言更具有代表性。

            從2012年開始,我們有了這個研究的設想。到2014年,我們已經提取了幾個關鍵樣品的基因組,也得到了一些很重要的結論。但當時我很糾結一點,就是一個來自亮島的古人類基因組是不是能夠真正代表南方人群。

            亮島是離福州很近的一個島嶼。因為島嶼的特殊環境,島嶼上的人群和鄰近的大陸人群可能存在很大差異。比如印度安達曼群島上生活著一個現代人群,叫翁奇人,他們過著狩獵采集的生活,人口只有不到100人。由于地理的隔離,他們與印度半島大陸上的其他人群遺傳差異很大。所以,亮島島嶼上的人群可能無法代表典型的南方大陸人群。

            于是,我們又花了四五年的時間,才真正找到南方人群的古DNA。為什么會這樣?因為南方地區潮濕炎熱的氣候和酸性的土壤環境,非常不利于樣品中DNA的保存,人類的DNA容易被高度降解甚至完全降解。在這種情況下獲得基因組的難度是非常大的。

            2014年到2018年這4年間,我們付出了非常大的努力,深入南方30多個遺址,采集了257例古代人類樣本,到目前為止已經獲得了18個南方個體的基因組。

            總體而言,整個研究的樣本分布在北方的山東、內蒙古,南方的福建及臨近島嶼,包括25個9500年前到4200年前的基因組。這些基因組非常珍貴,最早的屬于新石器早期,時間跨度非常大。

            南北人群的影響哪個更大

            這些基因組到底告訴了我們哪些信息?通過對比古南北方人群的基因組,我們發現,早在9500年以前,南方人群和北方人群就已經出現分化。

            那么,與今天的現代人相比,南北方人群差異是更大了,還是更小了?我們發現,古南北方人群的差異,遠比現今南北方人群的差異要大。這說明什么?說明近萬年以來,南北方人群在不斷融合。

            而且,這個融合發生的時間遠比大家想象的要早。大概在8000多年前,在北方山東人群的基因組中,就已經發現了古南方人群的成分;同樣,在8000多年前的南方人群基因組中,也發現了北方人群的信號。這說明至少在8000年前,甚至是從更早的時候開始,南方人和北方人就已經發生互動。而且,直到4000多年前,這種互動仍然存在,這種影響依然是雙向的。

            緊接著我們又提出一個問題:雖然南北方人群互相有影響,但這種互動和影響是均等的嗎?南方人群對北方人群影響更大,還是相反呢?通過研究我們發現,在9500多年前到7500多年前的這個階段,古南方人群主導著南方,古北方人群主導著北方,直到4000多年前的時候也基本如此。但是,當我們觀察現在的東亞內陸人群基因組時會發現,古南方人群成分在我們基因組中的比例下降非常多,古北方人群成分則占據主導地位。所以我們推測,南北古人群雖然一直在交融和互相影響,但在新石器時代以后,可能出現了大量黃河流域人群向南遷徙的現象,這構成了現在中國南北方人群的基本框架。

            東亞與歐洲的演化歷程截然不同

            這個研究有什么意義呢?它既是對華夏文明本身的溯源,也反映了一個非常有意思的現象,那就是東亞與歐洲在同一時期的人類演化歷程是截然不同的。

            同樣在大概9000多年前,近代農業進入歐洲,對當地人群的生活方式產生了很大的影響,人們逐漸從狩獵采集的生活轉向農耕生活。通過比較可以看到,歐洲人群的基因組成分發生了變化。屬于狩獵采集者的特征占比變少,而屬于農耕者的特征占比逐漸增大。這說明,農業帶來的不光是技術的傳播,還帶來了新的人群的進入。

            在這里有一個很重要的問題:農耕人群的進入是取代了當地人,還是與當地人進行了融合?在研究人類演化史的時候,取代還是融合始終是一個非常重要的問題。通過研究我們發現,對于狩獵采集人群來說,他們的數量并沒有出現一個急劇下降的過程。同時,在外來的農耕人群中,出現了早期人口的膨脹。這說明,新的人群與本地人群之間并不是取代的關系,而是一個同化的過程。所以,在約9000年前農業出現以來,歐洲人群不斷受到近代農業人群以及歐亞草原人群等外來群體的大換血。外來人群一直在重構歐洲人群的遺傳信息,他們對現今的歐洲人產生了重要的影響。

            而在中國,南北方人群雖然早在9500年前就已經分化了,但南北方同期人群的演化基本是連續的,沒有明顯受到大量外來人群的影響,遷徙互動主要發生在東亞區域內的各種人群之間。

            開始的時候我提到,我們研究的古南北方人主要是指少數民族。那么中國各個地區的漢族人的遺傳成分又是什么樣的?我們發現,現在大部分漢族人群所攜帶的東亞古南北方人群成分的混合比例基本相似,這也是晚期人群不斷融合的結果。

            今天的講座只是一個開端,我希望未來的研究能使我們對東亞人的演化有更深入的了解。

          打印 責任編輯:董凱悅
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