DNA molecular phylogeny of the origin of the dog

【作者簡介】翁屹,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系副教授,；葛威，廈門大學(xué)人文學(xué)院副教授,；王昌隧,，中國科學(xué)院科技史與科技考古系教授。

    家畜的起源是農(nóng)業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展的一個重要組成部分,是人類從舊石器到新石器的進(jìn)化文明的一個重要標(biāo)志,。家畜是由野生動物馴化而來的觀點已經(jīng)沒有異議,研究家畜的起源就是研究人類馴化家畜的歷程,。因此研究家畜起源對于了解家畜發(fā)展史、揭示人類生活和生產(chǎn)方式的變革等具有十分重要的意義,。家犬(Canis familiaris)通稱為狗,在豬,、狗,、牛、馬,、羊五畜中狗與人接觸最為親密,。狗主要有狩獵、牧羊和陪同三大功能,由于狩獵是人類進(jìn)化早期最重要的生產(chǎn)活動,狗可以直接參與狩獵活動,因此從理論上說,狗可能是人類馴化最早的家畜,。多年來考古學(xué)家一直在努力探索家犬起源的時間,、地點以及現(xiàn)代狗與狼的種間和種內(nèi)的差異性,本文分析了用DNA分子系統(tǒng)發(fā)育方法研究家犬起源的結(jié)果和進(jìn)展。

1,、家犬物種的生物學(xué)特點

    狗在生物分類學(xué)上屬于哺乳綱,、食肉目、犬科,、犬屬,、犬種。由于人工長期的培養(yǎng)和馴化,現(xiàn)在全世界狗的品系很多,。狗作為一個物種的顯著特點是種間在形態(tài)和體重方面的差異之大超過了任何物種,其重量從僅有1公斤的吉娃娃到體重可達(dá)近百公斤的中國的藏獒,、瑞士的德圣伯納犬或日本的土佐犬;其高度從短腿的迷你臘腸犬不到20厘米到長腿的愛爾蘭獵狼犬站時高度可達(dá)120厘米。不同品系的狗在形態(tài)和體重方面所存在的巨大差異可能主要是由于長期人工馴化的結(jié)果,但它們之間的基因差異尚不清楚,。

    狗的嗅覺和視覺非常靈敏,善于發(fā)現(xiàn)獵物;犬齒大而發(fā)達(dá),善于撕咬;四肢強(qiáng)健,特別是后腿具有極強(qiáng)的爆發(fā)力和耐力,善于奔跑捕捉獵物,。由于狗無論是外形,還是在生理特征和生活習(xí)性等方面都與狼(Canis lupus)十分相似,因此狗是由狼化而來的觀點已經(jīng)成為共識。還有一個令人關(guān)注的現(xiàn)象,細(xì)胞學(xué)研究表明犬科動物的染色體均為78對,。

2,、傳統(tǒng)的化石研究方法

    研究家犬起源的傳統(tǒng)方法是通過考古發(fā)掘史前人類遺址和墓葬來尋找狗的骨骼化石,再用同位素測定化石的年代,并加以遺址的文化特征進(jìn)行鑒別,進(jìn)而推測狗起源的時間和地點。迄今為止,曾報道在德國發(fā)現(xiàn)1萬4千年前的狗下頜骨化石;在以色列一座l萬2千年前的一位婦女墓葬中發(fā)現(xiàn)有一只幼年狗的骨骼化石,。我國目前發(fā)現(xiàn)最早的狗的骨骼化石在河南舞陽賈湖遺址,距今大約8600年,。

    通過發(fā)掘化石研究家犬起源的方法存在二個困難,一是化石的發(fā)現(xiàn)具有很大的偶然性,難以找到各地區(qū)最早狗的化石;二是缺乏狗與狼骨骼差異的標(biāo)準(zhǔn),尤其是難以辨別處于馴化早期的狗的骨骼,往往只能通過該化石與人類活動的相關(guān)程度來判斷。因此僅僅依靠傳統(tǒng)考古學(xué)發(fā)掘研究化石的方法很難確定狗起源的準(zhǔn)確時間和地點,。

3,、分子系統(tǒng)發(fā)育研究方法

    近二十年來隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展,分子生物學(xué)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于考古學(xué)研究,開辟了從基因水平上通過分子系統(tǒng)發(fā)育分析的方法研究家犬起源的新途徑。眾所周知,任何生物的遺傳物質(zhì)都是脫氧核糖核酸,即DNA,這表明生物來源于共同的祖先,。各個生物物種在一代代的遺傳中,子代DNA既保留了父代DNA的基本特征又會發(fā)生一定的變異,。生物的這種遺傳特性使得任何生物個體的DNA序列都直接反映出其祖先遺傳物質(zhì)的痕跡,同時又表現(xiàn)出不同生物物種在種間和種內(nèi)DNA序列的差異,因此物種親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近與它們的DNA序列的差異成正相關(guān)。同時,由于DNA序列的差異是可以量化的,這就可以反映出各種生物物種的親緣關(guān)系和遺傳進(jìn)化的程度,。所謂“分子鐘”就是表達(dá)了物種DNA或氨基酸序列差異與進(jìn)化時間的函數(shù)關(guān)系,可反映物種進(jìn)化的速率。因此將不同物種某一特定DNA序列進(jìn)行檢測比對,獲得不同物種種間和種內(nèi)該DNA序列的差異的信息,進(jìn)而通過聚類分析進(jìn)行分子系統(tǒng)發(fā)育研究,則可以鑒別出這些物種進(jìn)化的親緣關(guān)系,。

    哺乳動物的DNA有數(shù)十億個堿基對,選擇合適的DNA序列進(jìn)行比對和分析十分重要,。在家畜起源研究中,一般都選擇線粒體DNA作為靶DNA進(jìn)行比較。因為與核基因組相比線粒體基因組有如下特點,一是線粒體DNA具母系單倍體遺傳特性,因為來源于父系的mtDNA在受精過程中會被破壞掉,所以后代的mtDNA只能來源于母系,。mtDNA在由親代向子代傳遞的過程中不涉及DNA的重組,mtDNA的變異僅僅是由于發(fā)生隨機(jī)突變,這使得mtDNA的有效群體僅有核DNA的1/4,，因此根據(jù)mtDNA序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹可以很好地反映母系進(jìn)化的歷史,。二是細(xì)胞中含有多個線粒體,每個線粒體內(nèi)含多個拷貝的線粒體基因組DNA,線粒體DNA屬核外遺傳物質(zhì),為雙鏈閉合環(huán)狀分子,分子量小、結(jié)構(gòu)簡單,容易分析,。狗mtDNA全部序列由16,728bp構(gòu)成的,幾乎不含有內(nèi)含子,除與DNA復(fù)制起始有關(guān)的高變控制區(qū)D-環(huán)外,共有2種rRNA基因,22種不同的rRNA基因和13種蛋白質(zhì)的編碼序列(包括細(xì)胞氧化呼吸鏈中的重要電子載體細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c基因),。三是線粒體DNA進(jìn)化速率高,這可能是由于線粒體中缺乏限制性修飾酶所致。mtDNA比核DNA的突變率高5-10倍,而其中長1,122bP的D-環(huán)控制區(qū)(又稱高變區(qū))是mtDNA基因組中進(jìn)化速率最高的區(qū)域,適合用于研究受人工培養(yǎng)影響較大的家犬的進(jìn)化,。此外,也有用基因組衛(wèi)星DNA作為標(biāo)記分析家犬的系統(tǒng)發(fā)育,。

4、家犬起源于狼的分子生物學(xué)證據(jù)

    細(xì)胞色素b基因存在于大多數(shù)脊椎動物線粒體DNA中,包括哺乳類,、鳥類,、爬行類、兩棲類和魚類等,。上個世紀(jì)九十年代中期,Gottelli和Ledje分別檢測并分析狗和狼等犬科動物的細(xì)胞色素b基因的DNA序列,結(jié)果顯示狗與狼的DNA序列有高度同源性,其中狗與灰狼序列變異率僅為1.8%和0.4%,而狗與北美小狼(coyoles)和埃塞俄比亞狼的序列變異率達(dá)到4%,。陳永久等分析比較了赤狐、藍(lán)狐,、貉,、狼以及狗、西門豺和非洲野犬等5屬7種犬科動物的線粒體細(xì)胞色素b372bpDNA片斷序列,發(fā)現(xiàn)有113核苷酸位點存在差異,犬科動物內(nèi)的該DNA序列的差異率達(dá)到近30%,其中狗與狼的變異率為4%,遠(yuǎn)小于狗與狐,、貉,、豺等犬科動物的差異。作者構(gòu)建的分子系統(tǒng)發(fā)育樹表明在犬科動物中狗與狼的親緣關(guān)系最近(見圖l),。

    Vila等檢測了狗與狼的mtDNA高變區(qū)26lbp序列,發(fā)現(xiàn)狗與狼的DNA序列最大差異率不到5%,一種在世界各地廣泛分布的狗的單倍體型與來源于俄羅斯和羅馬尼亞的灰狼的單倍體型竟然完全一致;而狗與北美小狼,、豺的該DNA序列差異率達(dá)到8%以上。10個微衛(wèi)星DNA位點研究分析結(jié)果也表明家犬與灰狼的差異最小,而與赤狼,、金豺和北美小狼的差異較大,。對狗和狼的mtDNA高變區(qū)不同片斷所作的系統(tǒng)發(fā)育研究的聚類分析結(jié)果均顯示有不少品系的狗與狼的單倍體型聚在同一類(見圖2)。

    上述對犬科動物的DNA序列分析和分子系統(tǒng)發(fā)育研究表明狗與狼的DNA序列的同源性最高,相當(dāng)多品系的狗與狼存在聚類交叉,充分說明在犬科動物中狗與狼的親緣關(guān)系最近,從而進(jìn)一步證實家犬起源于狼的觀點,。至于各實驗室所測出的狗與狼的DNA序列差異率不同,可能是由于所測的DNA片斷不同和所用的狗和狼的品系不同所致,。

5、家犬mtDNA的多態(tài)性

    mtDNA研究不僅證實狗與狼在基因水平上親緣關(guān)系十分密切,也揭示了現(xiàn)代狗mtDNA具有廣泛的多態(tài)性,而且與狼的遺傳關(guān)系十分復(fù)雜,。

    Vila等系統(tǒng)地檢測了來源于歐洲,、亞洲和北美洲等世界各地67個品系的140只狗和27個地區(qū)的162只狼的mtDNA控制區(qū)(HVR-l)261bpDNA序列,發(fā)現(xiàn)這些狗有26種單倍體型,序列差異率為%5.50+0.17;狼有27種單倍體型,差異率為5.31+0.11;而這些狗與狼的DNA序列差異最大不超過12個核苷酸(見圖3),差異率不到5%。因此就該DNA序列而言,狗和狼的種內(nèi)差異率甚至超過了種間差異率,。圖3表明大多數(shù)品系狗的單倍體型聚為狗所特有的一類(第I類),而其余的狗則與狼具有相似的單倍體型,聚類為第Ⅱ,、Ⅲ、VI類,。其他實驗室對狗和狼的不同mtDNA序列聚類分析的結(jié)果相似,。verginelli等報道距今為15000一3000年的史前遺址的5個狗骨骼樣品的mtDNA高變I區(qū)的單倍體型均各不相同。

    上述狗的mtDAN檢測和分子系統(tǒng)發(fā)育研究結(jié)果表明,現(xiàn)代狗mtDNA的多態(tài)性表現(xiàn)為二個方面,一是種內(nèi)DNA序列存在很大差異,其基因具有明顯的多樣性;二是不同品系的狗與狼的親緣關(guān)系的程度不同。造成這種狀況的原因可能也有二個,一是說明現(xiàn)代狗起源于多個地區(qū)的狼群,帶人了原不同狼群之間的DNA序列差異;二是提示狗在長期馴化和進(jìn)化過程中可能仍然與狼保持一定頻率的雜交,始終存在基因交流,。這與犬科動物的染色體數(shù)目相同,、可在內(nèi)部雜交產(chǎn)生可育后代有關(guān)。當(dāng)然不同品系的狗能否與狼發(fā)生雜交以及雜交的頻率則取決于狗的生理習(xí)性和形態(tài)特征等因素,。既然狗與狼始終存在雜交,因此有人對狗是否是一個獨立的物種提出疑義,。另外,現(xiàn)代狗在形態(tài)和體重方面所存在巨大差異與其基因的差異尚未見顯著的相關(guān)性。

6,、家犬起源的地點

    鑒于狗很可能是隨著人類的活動在多處地區(qū)開始被馴化的,同時狗隨著人類的遷徙而遍布世界各個角落,具有很大的流動性,因此要闡明狗起源的地點是十分困難的,。迄今為止,在歐洲、亞洲和美洲多處都發(fā)現(xiàn)了舊石器和新石器時期的狗化石,尚不清楚這些不同地點發(fā)現(xiàn)的狗之間的進(jìn)化關(guān)系,同時也不能排除在其它地區(qū)發(fā)現(xiàn)更早狗化石的可能性,。

    Savolainen等報道,將歐洲,、亞洲、非洲和北美洲的654只狗根據(jù)rntDNA582bp序列的單倍體型可聚類分為6大類,95.9%的狗屬于A,、B,、C三大類,分布在世界各大洲;另外D、E,、F三大類型只有27只狗,而且僅出現(xiàn)在土耳其,、西班牙,日本、韓國和西伯利亞地區(qū),。各地區(qū)家犬A,、B、C三大類單倍體型數(shù)量的比較見表1,。其中,東西狗255只,共有單倍體型58種,本地特有的單倍體型38種;非洲狗35只,共有單倍體型15種,本洲特有的單倍體型5種;歐洲狗188只,共有單倍體型22種,本地特有的單倍體型10種;西南亞狗88只,共有單倍體型22種,本地特有的單倍體型15種;西伯利亞狗23只,共有單倍體型12種,本地特有的單倍體型2種;印度狗13只,共有單倍體型6種,無本地特有單倍體型,。作者計算出在A類群中,東亞狗的遺傳變異值達(dá)3.39,高于西南亞的2.28和歐洲的2.97,并認(rèn)為東亞地區(qū)的狗基因類型最豐富;另外根據(jù)東亞的灰狼體形較小,更容易馴化的判斷,因而提出狗的馴化最早可能是在東亞發(fā)生的,然后這些狗隨著人類的遷徙到達(dá)各個大陸。

    但對這個結(jié)論存在爭議,主要反對意見認(rèn)為該實驗沒有測試足夠多的歐洲和中東的狗樣本,因而不能斷言歐洲和中東狗的基因類型較少,。筆者也認(rèn)為該實驗所采集的各地區(qū)家犬的樣本數(shù)差異較大,因而不能僅僅比較各地區(qū)家犬的單倍體型數(shù)的絕對值,建議對該實驗的數(shù)據(jù)可以用各地區(qū)家犬單倍體型數(shù)和本地區(qū)特有單倍體型數(shù)占本地區(qū)樣本數(shù)的比值進(jìn)行比較,。表l顯示了該實驗中不同地區(qū)A、B,、C三類狗的單倍體型數(shù)相應(yīng)比值,其中亞洲狗共有單倍體型58種,為本地255只狗的22.7%;東亞狗特有的單倍體型38種,為本地255只狗的14.9%,。而非洲狗共有單倍體型15種,為本地35只狗的45.7%,非洲特有的單倍體型5種,為本地35只狗的14.3%。西伯利亞狗共有單倍體型12種,為本地區(qū)23只狗的52.2%,。在這兩組數(shù)據(jù)中,東亞家犬的單倍體型數(shù)和特有的單倍體型數(shù)量所占的比值都不是最大的,因此從該實驗的這些數(shù)據(jù)中尚難以得出家犬起源地的結(jié)論,。

    隨著DNA檢測技術(shù)的不斷提高,人們可以檢測出動物化石的古DNA序列。verginelli等檢測出距今為15000一3000年的意大利出土的史前遺址的5個狗骨骼樣品的mtDNA高變I區(qū)262bp,與現(xiàn)代547只純種狗和34l只狼的mtDNA進(jìn)行聚類分析,結(jié)果分別聚類在現(xiàn)代狗的單倍體型三個大類中,。其中三只古代狗則與現(xiàn)代一些品種狗的單倍體型基本一致,因此作者認(rèn)為東歐也是家犬的重要起源地,。

    LeonardJA等提取了來自墨西哥、秘魯及玻利維亞考古現(xiàn)場距今為3000一800年的37只狗遺骸樣本,測出其中13只狗的mtDNA425bp序列,結(jié)果有12種單倍體型,差異率為0.2-3.1%,。進(jìn)一步將這些狗與現(xiàn)代狗的mtDNA序列作聚類分析比較,發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)代歐洲狗的單倍體型相似,聚合在一起,而與美洲本地狼差距較大,。因此作者認(rèn)為人類在1.5萬至3.0萬年前穿越白令海峽進(jìn)人美洲時一定是帶著狗同行的,美洲現(xiàn)代的狗可能是來自歐亞,而不是由當(dāng)?shù)乩邱Z化來的,。

    認(rèn)為墨西哥無毛犬是研究當(dāng)?shù)丶胰鹪春瓦M(jìn)化的較理想材料,因為目前墨西哥無毛犬是僅存于墨西哥和美國的一個較純的品種。當(dāng)西班牙殖民者在16世紀(jì)將外地狗帶到了墨西哥的時候,當(dāng)?shù)夭柯涑鲇谧诮痰脑蛟鴮⒛鞲鐭o毛犬藏在山中,以保護(hù)該狗種系的純潔性,。墨西哥無毛犬外形與中國冠狗相似,由于無毛對溫度和紫外線敏感,難以在野外獨立生存,故在野外雜交的可能性很小。Vila等檢測了19只墨西哥無毛犬的mtDNA控制區(qū)I的261bp序列,并與來源于世界各地的眾多品系的狗和狼的相應(yīng)mtDNA序列進(jìn)行分析比較,。結(jié)果發(fā)現(xiàn)19只墨西哥無毛犬具有7種單倍體型,在聚類的四大類中的三大類都含有墨西哥無毛犬;而墨西哥無毛犬與北美小狼以及中國冠狗均未見明顯分子發(fā)育相關(guān)性,。這一結(jié)果說明墨西哥無毛犬并不是起源于本地的北美小狼或中國冠狗,而與亞洲和歐洲的狗具有廣泛的基因同源性。作者認(rèn)為,當(dāng)500年前殖民者來到美洲時,可能消滅了大部分土生美洲狗,。

    上述研究表明,家犬的起源與人類的進(jìn)化和遷徙緊密相關(guān),狗首先由亞洲和歐洲的狼馴化而來的可能性較大,。

7、狗起源的時間

    人類的發(fā)展是在新石器時代進(jìn)人農(nóng)業(yè)時期,從野生植物采集發(fā)展到農(nóng)作物種植,從狩獵發(fā)展到家畜飼養(yǎng)的,這種生產(chǎn)方式的發(fā)展顯然要經(jīng)過一個相當(dāng)長的時間,。家畜起源的時間應(yīng)該從馴養(yǎng)開始起算,。雖然目前發(fā)現(xiàn)的最早的狗化石距今大約為1萬4千年,但未必是最早的狗。在距今40萬年前的更新世人類遺址已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了狼的骨骼,這表明古人此時與狼已經(jīng)有較多的接觸,甚至也可能是處于馴化早期的狼,。狩獵是人類在舊石器時代的一項重要的生產(chǎn)活動,可以想象,狼在早期的人類狩獵活動中可能偶然參與而享受一些利益,人類則可能逐漸從無意識到有意識地開始馴化狼,直到馴化成為可以直接幫助人類參與狩獵活動的家犬,。這種馴化的時間可能相當(dāng)長,也許有幾萬年甚至更長時間。馴養(yǎng)動物就是按照人類的意愿和需求調(diào)教野生動物的習(xí)性,被馴養(yǎng)的動物在改變生理習(xí)性的同時,其體態(tài)外型和生理結(jié)構(gòu)也必然在一代代地逐漸發(fā)生變化,。如果能夠找到狼在被馴化成為狗的過程中的中間類型的骨骼則是判斷家犬起源時間的最好的證據(jù),。

    Vila等測定了來源于世界各地67個品系的140只狗和27品系的162只狼的mtDNA控制區(qū)261bpDNA序列后,并將它們聚類為四大類,第一類全部為狗,未見與狼有交叉,計算出該大類狗DNA序列變異值為0.010。鑒于狼與北美小狼DNA序列的變異值為0.075+0.002),而化石證據(jù)表明狼與北美小狼的分歧時間大約在一百萬年前,以此為參照,Vila等認(rèn)為狗與狼的分歧時間應(yīng)該在135000年以前,即使排除DNA序列替換的不確定性,認(rèn)為狗的馴化至少也在10萬年之前,。Savolainen等人檢測分析了世界各地654只狗的線粒體DNA582bp序列,計算出該分子核苷酸的進(jìn)化速率大約為每百萬年7.1%,由此推算出家犬的馴養(yǎng)可能發(fā)生在15000年前,。由于上述實驗室用于比對的DNA序列和計算的方法有所不同,故得到的時間數(shù)據(jù)相差較大?？傊?家犬起源時間的確定尚有待傳統(tǒng)考古學(xué)和分子生物學(xué)從不同角度的深人研究,以期提供更充分的證據(jù),。

編輯說明：文章來源于《農(nóng)業(yè)考古》2007年第1期。篇幅所限,，注釋從略,。原文和圖片版權(quán)歸作者和原單位所有。

編     輯：高   朋   吳   鵬  賈淑鳳

編輯助理：胡煦暉   彭   波