人類(lèi)的祖先從非洲誕生，又走出非洲擴散到世界各地，我是誰(shuí)？我從哪里來(lái)？她被《Nature》評為中國十大科學(xué)之星的年輕科學(xué)家，她正在數以?xún)|計的基因組中尋找蛛絲馬跡，破譯人類(lèi)演化之謎。中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所古DNA實(shí)驗室主任付巧妹帶領(lǐng)我們顛覆古DNA的認知，尋求古人類(lèi)的遠古基因。
付巧妹
中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所
古DNA實(shí)驗室主任
《Nature》中國十大科學(xué)之星之一
以下內容為付巧妹演講實(shí)錄：
我今天講的是“萬(wàn)年前人類(lèi)基因的記憶”，我做的工作是什么呢？我通過(guò)古DNA了解我們的過(guò)去，了解我們從何處來(lái)。那么大家知不知道DNA在哪里呢？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DNA本身的復制就是通過(guò)兩條鏈分開(kāi)，然后分別通過(guò)堿基互補來(lái)實(shí)現自身的復制。在復制的過(guò)程之中，也就是產(chǎn)生新生代的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一些突變，而這些突變就使得不同的人會(huì )有不一樣的地方。
我相信很多人都很好奇，就是人類(lèi)跟黑猩猩有多大的不一樣呢？人類(lèi)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，為什么這么講呢？
因為我們總共有23對染色體，能達到30億個(gè)堿基對，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(gè)非常特殊的染色體，這個(gè)染色體就是一對性染色體。
這個(gè)性染色體就決定了我們的性別，也就是說(shuō)當受精卵形成的那一瞬間其實(shí)性別就確定了，因為性染色體已經(jīng)決定了。除了染色體以外，其實(shí)在我們身上細胞內部還有一些別的遺傳物質(zhì)，比如說(shuō)線(xiàn)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(huì )發(fā)生重組，而線(xiàn)粒體只來(lái)自母親，并且不發(fā)生重組，所以相對來(lái)說(shuō)核基因組能夠呈現跟我們祖先更多的相關(guān)信息，即使是一個(gè)個(gè)體也會(huì )有很多信息。
我們會(huì )不由自主地回想，在過(guò)去曾經(jīng)存在什么樣的人類(lèi)？通過(guò)圖片可以感受到當時(shí)人生存的艱難，即使幾萬(wàn)年前，人類(lèi)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(zhì)，包括古笛、巖畫(huà)甚至雕塑，其實(shí)都是幾萬(wàn)年前的人類(lèi)產(chǎn)生的。由此可以想象，當時(shí)的人是非常有意思的，那么當時(shí)的人是什么樣子的呢？
大家可以通過(guò)這兩個(gè)骨架猜測一下，哪一個(gè)是跟現代人一樣，哪一個(gè)是不一樣的個(gè)體呢？其實(shí)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(gè)肋骨情況跟現代人是不一樣的?，F在我們僅僅能看到這些信息，如果我們能獲得相關(guān)的古DNA，那么我們就能夠了解更多人類(lèi)的過(guò)去。
古DNA是什么呢？很多人有這樣的疑問(wèn)，其實(shí)古DNA研究對象并不局限，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(shí)候，就已經(jīng)有很多人研究古DNA了。
但是當時(shí)的研究出了很多想不到的問(wèn)題。比如在這里看到的琥珀、恐龍蛋，當時(shí)都認為從中發(fā)現了相關(guān)的遺傳物質(zhì)，甚至是認為是屬于它們本身的，但是后來(lái)研究發(fā)現，其實(shí)它們都來(lái)自于污染。
為什么會(huì )這樣？為什么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。比如說(shuō)圖中上部分就是現代DNA，如果我們獲得是血液，這個(gè)血液中獲得的DNA大多數屬于這個(gè)個(gè)體，而且含量非常高。
但是對古DNA來(lái)講，即使拿到的是這個(gè)個(gè)體的骨骼，但是骨骼內部由于埋藏環(huán)境的影響，會(huì )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(shí)候看不到。
如果這時(shí)候研究對象是人類(lèi)，大家可以想象一下，當發(fā)現這些骨骼的時(shí)候，很容易在我們現在的人用手觸摸的過(guò)程中被污染。在這種情況下，如果有少量的污染對于現在的DNA影響并不大，但是對古DNA來(lái)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(diǎn)也就使得古DNA在上世紀相對發(fā)展比較緩慢。
但是在近十幾年，古DNA可以說(shuō)發(fā)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(shù)，使得我們可以評估，同時(shí)又能夠獲得非?？煽康臄祿?。
回到今天的主題，就是關(guān)于人類(lèi)演化本身的一些問(wèn)題。相信很多人已經(jīng)非常了解，關(guān)于相關(guān)人類(lèi)演化的背景。我們都知道人類(lèi)的祖先最早出現在非洲，雖然現在在東亞有很多爭議，這種爭議并不是針對人類(lèi)的祖先，主要針對現代人最后走出非洲的那撥人的后代，還是說(shuō)，當時(shí)的現代人由本土人演化而來(lái)的。
不管怎么樣，這兩方都認為人類(lèi)的祖先最早是在180萬(wàn)年前出現在非洲，而且幾十萬(wàn)年以來(lái)不僅非洲有古人類(lèi)，歐亞也有，比如尼安德特人也曾經(jīng)存在過(guò)；在東亞也曾經(jīng)存在過(guò)我們非常耳熟能詳的古人類(lèi)，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(lèi)目前是丹尼索沃人。
在這個(gè)過(guò)程中我們就非常好奇，相關(guān)的現代人在這個(gè)過(guò)程中，對古人類(lèi)影響什么樣？可以說(shuō)2010年以前，幾乎所有人都認為現代人對于當時(shí)的古人類(lèi)是完全取代的關(guān)系，沒(méi)有任何相互的交流。一直到2010年，人們才通過(guò)尼安德特人的基因組草圖，了解到尼安德特人其實(shí)對于我們現代人的歐亞人群都有1%到2%的貢獻。
另外一點(diǎn)，丹尼索沃人很有意思，丹尼索沃人并沒(méi)有像尼安德特人那樣，對那么多的人群有影響，更多的影響是對于大洋洲的人群，對他們有4%到6%的遺傳貢獻。通過(guò)一系列的研究，大家可能會(huì )不由地去暢想，在過(guò)去幾萬(wàn)年階段里，曾經(jīng)的人類(lèi)，尤其是我們現代人的祖先，在不同階段形成什么樣的特點(diǎn)？什么時(shí)候才有東亞人？什么時(shí)候才出現所謂的歐洲人？還有在不同的階段人群是不是有相互的影響？此外，還有一個(gè)更重要的影響就是當時(shí)的現代人——也就是我們現在的祖先——他們曾經(jīng)跟這些滅絕的古人類(lèi)，比如尼安德特人、丹尼索沃人，他們在共存的時(shí)間里面發(fā)生過(guò)什么？
接下來(lái)我會(huì )通過(guò)兩方面向大家介紹我們的研究，一個(gè)是我們現代人自己的一些特點(diǎn)，還有一個(gè)是滅絕古人類(lèi)和現代人共存的關(guān)系。
這張圖主要是想讓大家看到，關(guān)于過(guò)去4.5萬(wàn)年到將近7千多年的人群，其實(shí)我們獲得了非常多的基因組。這一時(shí)間段非常特殊，因為這是末次冰期前后，尤其在這個(gè)階段里，還經(jīng)歷了末次冰期里最寒冷的階段，就是末次盛冰期。
在末次盛冰期階段里人類(lèi)的很多生存環(huán)境，比如圖中看到的灰色區域已經(jīng)被冰蓋覆蓋了，可以想象當時(shí)的環(huán)境是非常惡劣的，大概一萬(wàn)多年前的時(shí)候，也就是末次冰期快結束的時(shí)候，猛犸象、披毛犀都滅絕了。在這樣嚴峻的環(huán)境下，人類(lèi)何去何從？人類(lèi)本身又是怎樣變化的？之前并不是那么清楚，但是通過(guò)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(wàn)年到4.5萬(wàn)年，曾經(jīng)存在過(guò)還沒(méi)有成為歐洲人或者亞洲人的人群，以其中一個(gè)個(gè)體為例，這里的西伯利亞的Ust’ -Ishim個(gè)體，這個(gè)個(gè)體至今4.5萬(wàn)年，可以說(shuō)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(guò)對這個(gè)個(gè)體的線(xiàn)粒體、Y染色體和核基因組的分析，都發(fā)現他沒(méi)有出現和現在歐洲人、亞洲人更相近的情況，所以只能說(shuō)他是一個(gè)歐亞大陸人。
這個(gè)結果說(shuō)明了一個(gè)非常重要的問(wèn)題，現在很多爭議是針對所謂的相關(guān)人群從南線(xiàn)進(jìn)入到亞洲。人類(lèi)走出非洲的南線(xiàn)遷徙早期主要是針對大洋洲，晚期才進(jìn)入到東亞。如果我們這個(gè)個(gè)體歷史上也是南線(xiàn)進(jìn)入東亞，我們應該看到他會(huì )跟東亞的人群更近，跟大洋洲人群會(huì )遠一些。但是我們的研究并沒(méi)有發(fā)現這一點(diǎn)，這至少告訴我們，當時(shí)的早期現代人其實(shí)是一個(gè)輻射性的，并不是一個(gè)單一路徑的遷徙。
此外，歐洲人有什么樣的特點(diǎn)呢？就是在3.7萬(wàn)年前的歐洲人，到1.4萬(wàn)年的歐洲人，在這整個(gè)時(shí)間段里，整個(gè)人群并沒(méi)有受到外來(lái)人群的影響，更多的是內部人群相互融合遷移。
其中有一個(gè)非常重要的現象，就是關(guān)于在比利時(shí)發(fā)現的一個(gè)3.5萬(wàn)年前的歐洲人。這個(gè)歐洲人并沒(méi)有直接對緊隨他之后的人群產(chǎn)生很大的影響，反而沉寂到了1.9萬(wàn)年前，對1.9萬(wàn)年到1.4萬(wàn)年前的人群有影響。
如果大家對這個(gè)時(shí)間節點(diǎn)稍微有點(diǎn)概念，這個(gè)1.9萬(wàn)年年是末次盛冰期剛結束的時(shí)候，所以大家可以看到一旦環(huán)境相對適宜人類(lèi)生存的時(shí)候，就會(huì )有很多未知的人群，甚至很古老的人群，對后期的人群有影響。
除此之外，我們還研究發(fā)現在1.4萬(wàn)年之后的歐洲人和1.4萬(wàn)年之前的歐洲人是不一樣的，不一樣主要體現在哪里？1.4萬(wàn)年之后的歐洲人和外部人群，比如近東人群有很大的聯(lián)系。而且更有意思的是，1.4萬(wàn)年以后的歐洲人才出現了我們現在都知道的藍色的眼睛。
也就是說(shuō)，歐洲人在1.4萬(wàn)年以前并不是藍色的眼睛，是深色的眼睛，甚至是深色的皮膚。而在一萬(wàn)四千年之后，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(gè)情況下大家就會(huì )有疑問(wèn)，說(shuō)了這么多歐洲人、北亞人，關(guān)于我們東亞人是什么樣子的呢？非常幸運，在過(guò)去三個(gè)月里，我們獲得了中國自己的古基因組。
這個(gè)是距今大概四萬(wàn)年前，在北京的田園洞。這個(gè)個(gè)體非常有意義在于，我們第一點(diǎn)要了解他到底是不是東亞人？有人會(huì )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(gè)實(shí)例，在歐洲就發(fā)現過(guò)4萬(wàn)年前的的個(gè)體，但他遺傳上還不是歐洲人，所以即使這個(gè)個(gè)體在北京田園洞被發(fā)現了，但并不意味著(zhù)遺傳上他就是東亞人。
后來(lái)我們通過(guò)研究明確了，他遺傳上確實(shí)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。這些不一樣在哪里呢？
首先，他跟古歐洲人的某些人群有聯(lián)系，這種聯(lián)系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(lián)系，不管怎么樣，我們都看到了他們之間的關(guān)系。
此外，我們還看到非常重要的信號，雖然在不同人群中他跟東亞人更近，但是東亞人內部里面，有沒(méi)有誰(shuí)跟田園洞人更近呢？我們并沒(méi)有看到這樣的關(guān)系。但是當我們看美洲土著(zhù)人的時(shí)候，我們會(huì )發(fā)現美洲土著(zhù)人內部有一些人群，相對別的美洲人群相對來(lái)說(shuō)，跟田園洞人更近，這個(gè)人群就是亞馬遜人群。很大程度上這些現象都讓我們知道，當時(shí)的東亞、亞洲，相對來(lái)說(shuō)有非常復雜的遺傳歷史。
僅僅是這樣一個(gè)研究，就能告訴我們這么多信息，這也就使得我們不由地去期待，當我們有更多的數據進(jìn)行研究、分析的時(shí)候，我們就能了解更多的畫(huà)面。這是關(guān)于我們現代人自己的演化歷史。
第二個(gè)問(wèn)題，相信大家都很期待，就是我們現代人和曾經(jīng)存在過(guò)的古人類(lèi)，也就是滅絕的古人類(lèi)有沒(méi)有過(guò)共存的關(guān)系？有沒(méi)有可能通過(guò)當時(shí)一些現代人的DNA捕獲到圖片中這一幕？有可能的。我先想讓大家了解到，這些滅絕的古人類(lèi)到底對我們現代人有什么影響？尤其是對我們東亞人有什么樣的影響？
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(huì )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(shí)候，非常有意思，大家可以看到圖片里，這些人從遺傳的成分來(lái)講是非常相似的，都是大洋洲人群。但是在這些相似的人群中，并不是每個(gè)個(gè)體都有丹尼索沃人遺傳成分。
我們以此為鑒，所有的相關(guān)人群其實(shí)只有這一邊的人群有丹尼索沃人成分，另一邊是沒(méi)有丹尼索沃人成分。這也就讓我們知道，古人類(lèi)對我們現代人的影響非常多元、復雜的。
舉一個(gè)古人類(lèi)對當時(shí)現代人的影響的例子，這個(gè)例子非常有意思，而且這個(gè)研究本身可以說(shuō)是人類(lèi)歷史上的一個(gè)幸運。為什么這么講？最主要的一個(gè)因素，就是當時(shí)的現代人的DNA，相對比我們現在的DNA，他跟當時(shí)發(fā)生的事件更近。
舉一個(gè)非常簡(jiǎn)單的示意圖，我們看到圖中，如果我們有一個(gè)尼安德特人和一個(gè)現代人作為父親和母親的時(shí)候，產(chǎn)生下一代過(guò)程中，其中有一半染色體的整個(gè)染色體長(cháng)度來(lái)自尼安德特人。
隨著(zhù)不斷繁衍過(guò)程中，尼安德特人片段由于重組關(guān)系不斷地被打斷、不斷地變小。在這個(gè)過(guò)程中，如果我們還原尼安德特人片段，通過(guò)片段長(cháng)度，我們就能反過(guò)來(lái)計算當時(shí)尼安德特人和現代人發(fā)生基因交流的時(shí)間，在這個(gè)前提下，我來(lái)介紹一個(gè)個(gè)體。
這個(gè)個(gè)體很特別，這張圖中是4.5萬(wàn)年到7000年甚至到現在，整個(gè)尼安德特人在現代人的尼安德特成分的變化，其中有一個(gè)個(gè)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(gè)個(gè)體放在地圖上，他到底是誰(shuí)呢？他是羅馬尼亞的一個(gè)個(gè)體，距今大概四萬(wàn)年前，比我們剛剛說(shuō)到4.5萬(wàn)年前的人還要晚一些。這個(gè)個(gè)體我們只取非常少的骨粉，大概只有30毫克，非常小的一個(gè)洞，對他整個(gè)形態(tài)的影響非常小。在這種情況下，我們了解到尼安德特的成分在這個(gè)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(shí)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(gè)叫做Ust’-Ishim的黃色條帶就是剛剛提到的是4.5萬(wàn)年前的人，他的條帶的長(cháng)度比現在的人長(cháng)很多。
但是這個(gè)4萬(wàn)年前的個(gè)體基因組中，有一個(gè)綠色條帶占有染色體非常長(cháng)的區域，能夠達到染色體的一半，大概能到60Mb這樣一個(gè)程度。這是什么概念呢？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(guò)來(lái)，這個(gè)人的祖系上很有可能在很近的時(shí)候和尼安德特發(fā)生基因交流。
這只是一個(gè)染色體，從整個(gè)常染色體的情況來(lái)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(cháng)的片段。
當我們利用這些長(cháng)片段的分布，模擬這些片段產(chǎn)生的長(cháng)度可能性，同時(shí)利用位點(diǎn)相關(guān)的差異和關(guān)聯(lián)性，我們可以計算出大概對這個(gè)個(gè)體來(lái)講4到6代以前，它的祖先和尼安德特人發(fā)生了基因交流。
當我們把這個(gè)個(gè)體的關(guān)系放到家譜樹(shù)中，就能了解到如果用尼安德特的含量來(lái)說(shuō)，大概能估算出2到4代、2到5代之前。如果用剛才說(shuō)的片段本身的分布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(chēng)的語(yǔ)言就是說(shuō)，這個(gè)個(gè)體的曾曾曾祖父母中有一個(gè)尼安德特人，說(shuō)到這個(gè)大家應該會(huì )想到那個(gè)小女孩和滅絕古人類(lèi)的對話(huà)。
我們確實(shí)找到了一個(gè)明確的實(shí)例，告訴我們當時(shí)的古人類(lèi)和當時(shí)的現代人，他們確實(shí)發(fā)生了這種基因交流。不僅如此，它還告訴我們另外一個(gè)信息，是什么呢？
考慮到這個(gè)結果，同時(shí)結合之前提到的尼安德特人對現在現代人的影響，整個(gè)歐亞大陸人群都受到尼安德特人的影響，除了非洲人以外。大家會(huì )想到，這種基因交流很有可能在歐亞人群分離之前發(fā)生。
通過(guò)相關(guān)的研究，我們認為發(fā)生的地點(diǎn)時(shí)間很有可能是圖中的圓圈位置，就是近東區域。而且通過(guò)不管是現在的DNA，還是當時(shí)早期現代人DNA，我們大概計算出來(lái)，它是距今五到六萬(wàn)年前發(fā)生的。
這個(gè)個(gè)體就是剛剛提到的四萬(wàn)年前，在歐洲的羅馬尼亞，時(shí)間是4萬(wàn)年，而且是在4到6代之前發(fā)生的，不到200年以?xún)劝l(fā)生這樣的事件，這就不由地讓我們明確了，這個(gè)事件應該不是一次的，至少不是最開(kāi)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(fā)生的地點(diǎn)不僅在中東，在歐洲等其他的地方也可能發(fā)生過(guò)。
這一系列的問(wèn)題只是開(kāi)了一個(gè)窗口，讓我們了解到過(guò)去遠古歷史，我們跟滅絕古人類(lèi)的聯(lián)系。這僅僅是開(kāi)始，我們會(huì )繼續努力探究我們是誰(shuí)、我們從哪里來(lái)。
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