付巧妹：萬(wàn)年前的人類(lèi)基因記憶 來(lái)自SELF格致論道講壇 00:00 22:07

付巧妹

中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所

古DNA實(shí)驗(yàn)室主任

《Nature》中國(guó)十大科學(xué)之星之一

以下內(nèi)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(jié)構(gòu)下。

染色體內(nèi)部可以看到非常明顯的這種DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，而DNA本身的復(fù)制就是通過(guò)兩條鏈分開(kāi)，然后分別通過(guò)堿基互補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的復(fù)制。在復(fù)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(shù)量巨大，為什么這么講呢？

因?yàn)槲覀兛偣灿?3對(duì)染色體，能達(dá)到30億個(gè)堿基對(duì)，可以想到即使是千分之一，它的含量是非常高的。在23對(duì)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(duì)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(dāng)受精卵形成的那一瞬間其實(shí)性別就確定了，因?yàn)樾匀旧w已經(jīng)決定了。除了染色體以外，其實(shí)在我們身上細(xì)胞內(nèi)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(nèi)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(duì)來(lái)說(shuō)核基因組能夠呈現(xiàn)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(dāng)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(dāng)時(shí)的人是非常有意思的，那么當(dāng)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(cè)一下，哪一個(gè)是跟現(xiàn)代人一樣，哪一個(gè)是不一樣的個(gè)體呢？其實(shí)右邊是現(xiàn)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(xiàn)代人是不一樣的?，F(xiàn)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(duì)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(jì)90年代的時(shí)候，就已經(jīng)有很多人研究古DNA了。

但是當(dāng)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(dāng)時(shí)都認(rèn)為從中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)的遺傳物質(zhì)，甚至是認(rèn)為是屬于它們本身的，但是后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，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?yàn)楣臘NA和現(xiàn)在DNA不一樣。比如說(shuō)圖中上部分就是現(xiàn)代DNA，如果我們獲得是血液，這個(gè)血液中獲得的DNA大多數(shù)屬于這個(gè)個(gè)體，而且含量非常高。

但是對(duì)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(nèi)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(nèi)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(duì)象是人類(lèi)，大家可以想象一下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些骨骼的時(shí)候，很容易在我們現(xiàn)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(duì)于現(xiàn)在的DNA影響并不大，但是對(duì)古DNA來(lái)講，跟內(nèi)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(jì)相對(duì)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?yàn)槲覀兛梢岳酶咄康臄?shù)據(jù)結(jié)合很多古DNA技術(shù)，使得我們可以評(píng)估，同時(shí)又能夠獲得非?？煽康臄?shù)據(jù)。

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(xiàn)在非洲，雖然現(xiàn)在在東亞有很多爭(zhēng)議，這種爭(zhēng)議并不是針對(duì)人類(lèi)的祖先，主要針對(duì)現(xiàn)代人最后走出非洲的那撥人的后代，還是說(shuō)，當(dāng)時(shí)的現(xiàn)代人由本土人演化而來(lái)的。

不管怎么樣，這兩方都認(rèn)為人類(lèi)的祖先最早是在180萬(wàn)年前出現(xiàn)在非洲，而且?guī)资f(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?shù)墓湃祟?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(xiàn)代人在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)古人類(lèi)影響什么樣？可以說(shuō)2010年以前，幾乎所有人都認(rèn)為現(xiàn)代人對(duì)于當(dāng)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(duì)于我們現(xiàn)代人的歐亞人群都有1%到2%的貢獻(xiàn)。

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(duì)那么多的人群有影響，更多的影響是對(duì)于大洋洲的人群，對(duì)他們有4%到6%的遺傳貢獻(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)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(dāng)時(shí)的現(xiàn)代人——也就是我們現(xiàn)在的祖先——他們?cè)?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?cè)诠泊娴臅r(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(xiàn)代人自己的一些特點(diǎn)，還有一個(gè)是滅絕古人類(lèi)和現(xiàn)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?yàn)檫@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(qū)域已經(jīng)被冰蓋覆蓋了，可以想象當(dāng)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(jié)束的時(shí)候，猛犸象、披毛犀都滅絕了。在這樣嚴(yán)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(cè)年的早期現(xiàn)代人。

通過(guò)對(duì)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(xiàn)他沒(méi)有出現(xiàn)和現(xiàn)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(jié)果說(shuō)明了一個(gè)非常重要的問(wèn)題，現(xiàn)在很多爭(zhēng)議是針對(duì)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(duì)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(yīng)該看到他會(huì)跟東亞的人群更近，跟大洋洲人群會(huì)遠(yuǎn)一些。但是我們的研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，這至少告訴我們，當(dāng)時(shí)的早期現(xiàn)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(nèi)部人群相互融合遷移。

其中有一個(gè)非常重要的現(xiàn)象，就是關(guān)于在比利時(shí)發(fā)現(xiàn)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(duì)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(duì)1.9萬(wàn)年到1.4萬(wàn)年前的人群有影響。

如果大家對(duì)這個(gè)時(shí)間節(jié)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(jié)束的時(shí)候，所以大家可以看到一旦環(huán)境相對(duì)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(duì)后期的人群有影響。

除此之外，我們還研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了我們現(xiàn)在都知道的藍(lán)色的眼睛。

也就是說(shuō)，歐洲人在1.4萬(wàn)年以前并不是藍(lán)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(lán)色的眼睛，但是皮膚還是深色的，真正的淡色的皮膚出現(xiàn)的比藍(lán)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(yùn)，在過(guò)去三個(gè)月里，我們獲得了中國(guó)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(rèn)為既然在北京就應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)了，但并不意味著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(xiàn)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(yuǎn)古成分的影響，還是因?yàn)樗c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(hào)，雖然在不同人群中他跟東亞人更近，但是東亞人內(nèi)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(dāng)我們看美洲土著人的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)美洲土著人內(nèi)部有一些人群，相對(duì)別的美洲人群相對(duì)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(xiàn)象都讓我們知道，當(dāng)時(shí)的東亞、亞洲，相對(duì)來(lái)說(shuō)有非常復(fù)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(dāng)我們有更多的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(dāng)時(shí)一些現(xiàn)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(duì)我們現(xiàn)代人有什么影響？尤其是對(duì)我們東亞人有什么樣的影響？

現(xiàn)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(dāng)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(duì)我們現(xiàn)代人的影響非常多元、復(fù)雜的。

舉一個(gè)古人類(lèi)對(duì)當(dāng)時(shí)現(xiàn)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(yùn)。為什么這么講？最主要的一個(gè)因素，就是當(dāng)時(shí)的現(xiàn)代人的DNA，相對(duì)比我們現(xiàn)在的DNA，他跟當(dāng)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(xiàn)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(zhǎng)度來(lái)自尼安德特人。

隨著不斷繁衍過(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(zhǎng)度，我們就能反過(guò)來(lái)計(jì)算當(dāng)時(shí)尼安德特人和現(xiàn)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(xiàn)在，整個(gè)尼安德特人在現(xiàn)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(dá)到10%左右。

當(dāng)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(duì)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(xiàn)代人中是非常不一樣的。

圖中現(xiàn)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(xiàn)代人基因組中的體現(xiàn)，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(zhǎng)度比現(xiàn)在的人長(zhǎng)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(zhǎng)的區(qū)域，能夠達(dá)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(jié)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(yīng)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(hào)染色體到22號(hào)染色體，除了剛剛看到的12號(hào)染色體之外，其他的染色體中都有長(zhǎng)的片段。

當(dāng)我們利用這些長(zhǎng)片段的分布，模擬這些片段產(chǎn)生的長(zhǎng)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(jì)算出大概對(duì)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(dāng)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(jì)算，我們得到的結(jié)果大概在4到6代之前。

大家可能對(duì)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(yīng)該會(huì)想到那個(gè)小女孩和滅絕古人類(lèi)的對(duì)話(huà)。

我們確實(shí)找到了一個(gè)明確的實(shí)例，告訴我們當(dāng)時(shí)的古人類(lèi)和當(dāng)時(shí)的現(xiàn)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(jié)果，同時(shí)結(jié)合之前提到的尼安德特人對(duì)現(xiàn)在現(xiàn)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(rèn)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(qū)域。而且通過(guò)不管是現(xiàn)在的DNA，還是當(dāng)時(shí)早期現(xiàn)代人DNA，我們大概計(jì)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)?nèi)發(fā)生這樣的事件，這就不由地讓我們明確了，這個(gè)事件應(yīng)該不是一次的，至少不是最開(kāi)始我們推測(cè)的對(duì)我們現(xiàn)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(yuǎn)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(xù)努力探究我們是誰(shuí)、我們從哪里來(lái)。