科普 | 古DNA研究如何揭示中国人的起源?

科普 | 古DNA研究如何揭示中国人的起源?

一个伟大故事的开端

正所谓分久必合,合久必分,地球上的陆地也一样。很久很久以前,准确地说,大约是3,000万至3,400万年前,原本连结在一起的非洲板块和印度洋板块彼此不安分了,前者开始缓慢向西漂移,后者开始向东偏北漂移。两个巨大的板块就此发生了张裂和拉伸,随着时间的推移,在它们交界的地方,慢慢地就被拉扯出了一道巨大的“地球伤疤”——东非大裂谷!几千万年来它不断成长,时至今日已经绵延6400千米,相当于地球周长的1/6,十分巨大且壮观!

东非大裂谷

在相当长的岁月里,裂谷地下的地质活动非常活跃。两大板块分离过程中,地壳下的地幔物质慢慢上升分流,形成巨大的上涌张力,这个张力一方面加速了裂谷的形成,另一方面也逐渐抬升了整个东非地区,最后在赤道附近形成了一片巨大的熔岩高原。

这个高原的形成阻碍了大西洋西风带的暖湿气流进入非洲东部,导致降水量逐年减少,最终非洲东部原本郁郁葱葱的热带雨林,就退化萎缩,蜕变成了如今我们看到的稀树草原。

东非的稀树草原 | 图源:pixabay.com

当然,稀树草原也不是到了今天才突然形成的,它的演变也历经了漫长的岁月,至少持续了上千万年。随着环境的改变,那些原本生活在舒适雨林里的古猿们也逐渐分化为了地上和树上的猿。这些数量少,身材只有1米出头的古猿从树上到地上生活时,一场可以用“惊天动地”来形容的蝴蝶效应发生了——地球从此进入了人类纪元,这个时间大约是公元前300万到500万年

这是人类所有伟大故事的开端

最近在三联生活周刊上有这么一档音频节目叫《解码人类》,他们要讲述的也是人类起源这个故事,可能有些读者朋友也听过了。它的授课者是国内名牌大学生命科学领域的教授,其中包括群体遗传学方面的大牛金力院士。

其中有几节课是厦门大学人类学研究所的所长王传超教授所讲。

顺便一说,王传超教授是金力教授的学生。

他的课和人类的古DNA研究有关,这是比较吸引我的地方,古DNA是探究人类起源中最重要的研究材料。它的重要性,对于做遗传学和群体遗传学的同学来说,应该不陌生。可以说,每一次在古DNA研究上取得的突破都会深刻影响我们对“我是谁,我从哪里来,我要去哪里”这古老哲学三问的认识

他的那几篇文章通俗易懂,毕竟三联周刊本身是一个大众媒体,所以偏于科普,但也已经很系统,我觉得对于很多不甚了解古DNA的同学而言是一份不错的学习材料。

他主要探讨了如何根据古DNA揭示中国人的起源。现在科学界大多数的学者都认同人类起源于非洲这个观点,但在少数学者以及大部分的公众眼中却并非如此。你可能还有印象,在初中的某一节课堂上,老师指着课本里的一个头盖骨,郑重其事地说,同学们,看!这就是我们中国人的祖先,我们勤劳勇敢的黄种人就是由北京猿人进化来的,这是我们和欧洲人不同的内在原因,我们balabala......

北京人头盖骨化石 | 图源:一席

但这个认识其实已经发现是错误的了。这个问题的解决就是通过研究古DNA实现的,下面我把自己在《解码人类》上学到的有关内容分享给大家。

首先,还是从背景知识开始。


人类非洲起源说和多地区起源说

从分子人类学来看,我们现代智人起源于10万—20万年前的非洲大陆,我们的祖先走出非洲,然后到达了欧洲和亚洲,并取代了这些地区以前的一些古人类。我们都是这些走出非洲的人的后代。

前文也提到了,这就是非洲起源说,也是当前最被学界认可的学说。

但其实,还有另外一种学说,叫多地区起源学说。这种学说认为现代的欧洲人与亚洲人,还有澳大利亚人,都是来自于当地的直立人。比如,认为是100万年前从非洲走出来的直立人,经过了100万年演化之后变成了现在的欧洲人和亚洲人等。

现代人的多地区起源说与非洲起源说

在这两种学说发展过程中,它们对立争论的一个关键点是,那些古人类和我们现代人是否有过基因交流(以及能不能发生基因交流),也就是说,能不能杂交生育后代,发生种族融合,在遗传上影响我们现代人。

融合还是灭绝?| 图源:一席

这个问题,是不能凭空瞎猜的,要通过DNA找到实锤的证据!

尼安德特人的证据

我们现在知道,现代智人在征服世界的过程中,其实遭遇过一个强有力的劲敌。我们曾经和他们展开过激烈的冲突,甚至还一度处于下风。这个曾经击败过我们智人的人种,被称为尼安德特人。成年男性尼安德特人平均身高在一米六五到一米六八之间,其实跟我们现代人差不多,但是尼安德特人极度强壮而且特别喜欢住在山洞里,所以也有穴居人的称呼!

一个尼安德特人 | 图源:一席

虽然他们已经灭绝了,但化石留了下来。我们通过化石上的证据得知在他们灭绝之前,很可能在欧洲和欧亚大陆交界处与我们的祖先一起共存了至少2万年

共处了那么长一段时间,而且离得又近,就难保我们的祖先不会跟尼安德特人在火光闪闪的温暖洞穴中嘿嘿嘿。。。。。。咳咳,专业的说法就是基因交流

可能你不知道的是,直到2010年,关于我们现代人(其中包括中国人祖先)起源的问题还在争吵中。但是争来争去,无非就围绕在我们体内到底有没有尼安德特人DNA,以及有多大比例的尼安德特人DNA这个问题上。

解决这个问题的途径其实很简单,只要直接将尼安德特人的DNA跟我们的DNA序列进行比较,答案就可以揭晓了!

可是,2010年之前发表过的尼安德特人线粒体DNA数据,却都无一例外地表明尼安德特人跟我们现代人没有什么关系,这样是否就可以认为他们对我们没有遗传学上的贡献呢?事情没那么简单。

这里所提到的线粒体DNA,关注我的各位朋友应该都不陌生,就是指我们细胞里的一个环状DNA片段,它是我们细胞的能量工厂,上面只有16,569个碱基。

线粒体DNA有一个有趣的遗传规律——只能从母系这边传递下来。简单地说,它只能由外婆传给妈妈,再由妈妈传给儿子和女儿。但由于儿子的线粒体不能再传给他的后代(精子中没有线粒体会进入卵子),只有女儿能够再传给后代,所以它是一个单向传递的、可以反映母系历史的遗传标记。

所以,虽然我们发现尼安德特人的线粒体DNA跟现代人没有关系,但其实只能说明尼安德特人的母系线粒体没有留下来。却不能就此断定在整个基因组上也一定没有遗传贡献。

线粒体DNA既然是单向传递的,那么它就有可能由于遗传漂变的原因而逐渐在人群中被丢掉。毕竟,并不是每一个女性都会有女性后代,有的女性就可能没有女性后代(甚至没有任何后代),那么这时她这一类型的线粒体DNA就可能永远地丢失了。最后,我们现代人里自然也就没办法再找到那些已经丢失了的线粒体DNA。

为了解决这个问题,2010年著名的德国马普研究所,有一个科研小组着手对尼安德特人的DNA进行全基因组测序和分析。要完成这个事情,其实并不容易,不仅是测序成本是否便宜的问题,更重要的是涉及到如何高质量提取几万年前古DNA的问题。总之,他们最后克服了种种困难把问题解决了,如下图。领导这个小组的斯万特.帕博教授还专门写了一本书详细记述了他们的历程,书的内容这里不讲,我文末会再次提及。

尼安德特人全基因组测序流程简图 | 王传超,李辉. 古 DNA 分析技术发展的三次革命.

测序完成之后,一分析就发现,现在生活在非洲的原生非洲人群里没有尼安德特人的任何遗传成分!但是,有趣的是非洲之外的人群中,也就是欧洲、亚洲、美洲以及澳大利亚,都发现有1%到4%的尼安德特人DNA成分。

而且回溯这些DNA的年代,发现恰好在现代人一只脚刚刚踏出非洲时——当时人群还没分开成欧洲人和亚洲人——当时的现代人还是欧洲人群和亚洲人群的共同祖先,很可能就在中东地区碰到了尼安德特人,也是在那里和尼安德特人发生了基因交流

在那之后,尼安德特人的基因就在我们现代人中扩散开来了。

祖先们和尼安德特人发生混血之后,才分开出走,向欧洲的一支变成现在的欧洲人,另外一支向东沿着海岸线来到了亚洲和东南亚,在距今1.5万年—2万年前又走到了美洲。这些人无一例外都携带了在中东时期得到的尼安德特人DNA序列。

现代智人的迁徙 | 图源:国家地理

丹尼索瓦人的佐证

说来也巧,也差不多是在2010年,德国马普研究所和哈佛医学院又有了一些新的发现。他们对生活在西伯利亚南部的丹尼索瓦人也测了全基因组,丹尼索瓦人是生活在是4万年前的另一支古人类,他们现在也已经灭绝了。

丹尼索瓦人是一个更有趣的例子。不过,当时在丹尼索瓦人的考古遗址里,实际上并没有发现丹尼索瓦人的整具遗骸,也没有发现丹尼索瓦人大块的骨头。只发现了这一支古人的手指小指骨碎片——像手指甲盖大小的一块小骨头!如下图:

5万年前丹尼索瓦人小指骨碎片,可使科学家绘出丹尼索瓦人整个基因代码

这么小的一块东西,我们也能知道它竟然是另一支古人的!我实在佩服那些做古人类研究的科学家,在到处都讲大数据,甚至挑剔数据的今天,面对如此残缺不全的数据,他们却还是有办法发现那么多的秘密

也正是从这么一小块碎骨里,测出了丹尼索瓦人的全基因组序列——当然质量不如尼安德特人的,结果发现丹尼索瓦人在演化关系上和尼安德特人是兄弟关系,他们和我们现代人分开的时间大约是在40万—50万年前。

还有一件有趣的事,那就是,尽管我们的祖先跟丹尼索瓦人和尼安德特人大约分开于50多万年前,但是在东南亚和大洋洲,特别是新几内亚和巴布亚的土著人群里,却惊奇地发现他们有大约6%的DNA来自于丹尼索瓦人!

这其实是在说,现代人的祖先很可能在中东和尼安德特人混血之后,那个向东沿着海岸线走到亚洲、东南亚和澳大利亚的分支,在继续走向亚洲的过程中,可能在东南亚次大陆(现在的中南半岛)碰到了丹尼索瓦人,然后也发生了基因交流,而且程度似乎还比较深,所以我们现在才观察到了这些走向东南亚、走向大洋洲的土著人群里携带着比较高比例的丹尼索瓦人DNA。

但是中国人群、欧洲人群、美洲人群,体内丹尼索瓦人的混血比例却比较低(大多低于1%),这就意味着在中南半岛上至少又发生过一次人群的分离,一支向北走到中国,成为现在的中国人;另外一支向南,带着丹尼索瓦人的DNA到达了东南亚,成了现在的新几内亚、巴布亚的土著人群。

尼安德特人和丹尼索瓦人与现代人混血可能发生地 | 来自:Hammer, M. F. (2013). Human hybrids. Scientific American

我们现在看到的是在东亚现代人群体内,无论是尼安德特人的DNA还是丹尼索瓦人这些古人类的DNA比例都不高,都低于5%。通过这些研究,我们可以这样认为:现代人体内95%的DNA其实都来自于10万—20万年前共同的一个非洲祖先。但我们也有5%左右的DNA来自于非洲以外那些已经灭绝的古人类。

这些发现其实证明了现代人虽然源自非洲,但其实原来的古老人类也在我们身上留下了痕迹。这其实引出了另一个学说——同化假说,这个假说被冷落了很多年,如今看来却很可能是最接近真相的。它说的就是,现代智人的祖先确实源自非洲,但是原先已经生活在欧洲和亚洲的古老人类在遗传上对现代人是有影响的,他们的DNA也融入到了我们体内,差别只在程度的高和低上。可以看出这个学说认为现代人是一个具有多地血统的“混血儿”。

需要注意的是现代非洲的原住民并没有非洲之外的混血。

这类发现只有通过研究古人类,如尼安德特人、丹尼索瓦人的全基因组才能看到,这也是古人类基因组在研究人类起源方面的价值所在。

中国人的起源问题

看到这里,大家可能会好奇:以上的发现都是立足于今天这个时代得出的研究,如果我们回看几千年、几万年前生活在中国大地上的古人类,他们体内是不是会含有更多的古尼安德特人和丹尼索瓦人,甚至其他类型古人的DNA呢?这确实是一个好问题,而且已经有学者对此进行了研究。

2013年和2018年,有人提取了北京周口店地区4万多年前的田园洞人的DNA,并完成了基因组测序。不过重点是对田园洞人21号染色体以及基因组上200多万个遗传位点进行检测。结果发现4万年前的田园洞人在遗传学上跟现代的中国人没有什么差别,他们来自那一支和欧洲人群分开后到亚洲的人群。而且田园洞人也没显出显著高的尼安德特人或者丹尼索瓦人遗传成分,田园洞人的线粒体DNA也是我们前面提到的走出非洲的线粒体类型之一。

古基因组学的这些研究成果,没有推翻之前通过线粒体和Y染色体得出的现代人起源于非洲的证据,但它进一步完善了包括我们中国人在内的现代人起源学说:我们都自于非洲,是走出非洲之后又带了少量非洲以外已灭绝古人类的混血儿。

这也加深了我们对中国人起源问题的认识。

不仅是四万年前的田园洞人能证明这一点,后续的研究又发现在大约公元1万年前,进入了新石器时代以来的大量古人类DNA数据,它们也同样没有显示中国人群跟尼安德特人以及丹尼索瓦人或其他未知的古人类有更深程度的混血。这些结果也进一步支持中国人同样是起源于10万—20万年前的非洲现代人,和欧美人群相比并没有什么特殊之处。

小结

关于如何通过古DNA探究现代人以及中国人起源的内容就到此为止了。需要指出的是本文除了我自己对人类起源的认识之外,也结合了这几日在《解码人类》中学到的内容——主要是王传超博士所讲的几节课,其中还有不少好内容,包括如何通过研究1万年来东亚、尤其是中国地区的古人类揭示史前族群到底是如何演化成为现代族群的

应该说三联的这个人类学科普课还是比较有质量的,即便是以精品著称的”得到“也暂未有类似的综合内容。虽然我自己在基因组学领域有差不多十年的学习和科研经历,但不懂的知识无数,听过之后也有了更多的启发。我想之所以如此,其中一个比较重要的原因是这个节目中大牛比较多,很多问题能被他们追溯到学科的源头以及发展的过程,这样能带给人一种豁然开朗的感觉。

最后,必须推荐一本新书,叫《尼安德特人》,这本书是我在华大的同事夏志翻译的,同时由我的博士导师杨焕明院士审校,内容很精彩,不只是通过讲述尼安德特人、丹尼索瓦人的研究揭示人类的演化路径,也是作者斯万特.帕博(马普演化人类学研究所所长)这位科学家探索科学的自传故事。

另外我上文提到的《解码人类》你如果也有兴趣可以到我公众号原文末尾订阅(科普 | 古DNA研究如何揭示中国人的起源?


如果喜欢更多的生物信息和组学文章,欢迎搜索并关注我的微信公众号ID: helixminer

编辑于 2019-05-20

文章被以下专栏收录

    探索生命科学的技术,分享生物信息学和基因组学的技术,是生信圈教科书式必读专栏