付巧妹：萬年前的人類基因記憶 來自SELF格致論道講壇 00:00 22:07

付巧妹

中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所

古DNA實驗室主任

《Nature》中國十大科學(xué)之星之一

以下內(nèi)容為付巧妹演講實錄：

我今天講的是“萬年前人類基因的記憶”,，我做的工作是什么呢,？我通過古DNA了解我們的過去，了解我們從何處來,。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)制就是通過兩條鏈分開，然后分別通過堿基互補(bǔ)來實現(xiàn)自身的復(fù)制,。在復(fù)制的過程之中,，也就是產(chǎn)生新生代的過程中會產(chǎn)生一些突變，而這些突變就使得不同的人會有不一樣的地方,。

我相信很多人都很好奇,，就是人類跟黑猩猩有多大的不一樣呢？人類和黑猩猩在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,？

因為我們總共有23對染色體，能達(dá)到30億個堿基對,，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,，其中有一個非常特殊的染色體，這個染色體就是一對性染色體,。

這個性染色體就決定了我們的性別,，也就是說當(dāng)受精卵形成的那一瞬間其實性別就確定了，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),，比如說線粒體。

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)會發(fā)生重組，而線粒體只來自母親,，并且不發(fā)生重組,，所以相對來說核基因組能夠呈現(xiàn)跟我們祖先更多的相關(guān)信息，即使是一個個體也會有很多信息,。

我們會不由自主地回想,，在過去曾經(jīng)存在什么樣的人類？通過圖片可以感受到當(dāng)時人生存的艱難,，即使幾萬年前,，人類除了基本的生存，也有自己的精神文明,。

比如圖中所有的物質(zhì),，包括古笛、巖畫甚至雕塑,，其實都是幾萬年前的人類產(chǎn)生的,。由此可以想象，當(dāng)時的人是非常有意思的,，那么當(dāng)時的人是什么樣子的呢,？

大家可以通過這兩個骨架猜測一下，哪一個是跟現(xiàn)代人一樣,，哪一個是不一樣的個體呢,？其實右邊是現(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肋骨情況跟現(xiàn)代人是不一樣的。現(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的過去。

古DNA是什么呢,？很多人有這樣的疑問,，其實古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(jì)90年代的時候，就已經(jīng)有很多人研究古DNA了。

但是當(dāng)時的研究出了很多想不到的問題,。比如在這里看到的琥珀,、恐龍蛋，當(dāng)時都認(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,，但是后來研究發(fā)現(xiàn)，其實它們都來自于污染,。

為什么會這樣,？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(xiàn)在DNA不一樣,。比如說圖中上部分就是現(xiàn)代DNA，如果我們獲得是血液,，這個血液中獲得的DNA大多數(shù)屬于這個個體,，而且含量非常高。

但是對古DNA來講,，即使拿到的是這個個體的骨骼,，但是骨骼內(nèi)部由于埋藏環(huán)境的影響，會有非常多的微生物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有時候看不到,。

如果這時候研究對象是人類，大家可以想象一下,，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這些骨骼的時候,，很容易在我們現(xiàn)在的人用手觸摸的過程中被污染。在這種情況下,，如果有少量的污染對于現(xiàn)在的DNA影響并不大,，但是對古DNA來講，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,。這些特點也就使得古DNA在上世紀(jì)相對發(fā)展比較緩慢。

但是在近十幾年,，古DNA可以說發(fā)展非常迅速,，因為我們可以利用高通量的數(shù)據(jù)結(jié)合很多古DNA技術(shù)，使得我們可以評估,，同時又能夠獲得非常可靠的數(shù)據(jù),。

回到今天的主題,，就是關(guān)于人類演化本身的一些問題,。相信很多人已經(jīng)非常了解，關(guān)于相關(guān)人類演化的背景,。我們都知道人類的祖先最早出現(xiàn)在非洲,，雖然現(xiàn)在在東亞有很多爭議，這種爭議并不是針對人類的祖先,，主要針對現(xiàn)代人最后走出非洲的那撥人的后代,，還是說，當(dāng)時的現(xiàn)代人由本土人演化而來的,。

不管怎么樣,，這兩方都認(rèn)為人類的祖先最早是在180萬年前出現(xiàn)在非洲，而且?guī)资f年以來不僅非洲有古人類,，歐亞也有,，比如尼安德特人也曾經(jīng)存在過；在東亞也曾經(jīng)存在過我們非常耳熟能詳?shù)墓湃祟?，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目前是丹尼索沃人,。

在這個過程中我們就非常好奇，相關(guān)的現(xiàn)代人在這個過程中,，對古人類影響什么樣,？可以說2010年以前，幾乎所有人都認(rèn)為現(xiàn)代人對于當(dāng)時的古人類是完全取代的關(guān)系,，沒有任何相互的交流,。一直到2010年，人們才通過尼安德特人的基因組草圖,，了解到尼安德特人其實對于我們現(xiàn)代人的歐亞人群都有1%到2%的貢獻(xiàn),。

另外一點，丹尼索沃人很有意思,，丹尼索沃人并沒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(xiàn),。通過一系列的研究，大家可能會不由地去暢想,，在過去幾萬年階段里,，曾經(jīng)的人類，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,？什么時候才有東亞人,？什么時候才出現(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,，還有一個更重要的影響就是當(dāng)時的現(xiàn)代人——也就是我們現(xiàn)在的祖先——他們曾經(jīng)跟這些滅絕的古人類，比如尼安德特人,、丹尼索沃人,，他們在共存的時間里面發(fā)生過什么？

接下來我會通過兩方面向大家介紹我們的研究,，一個是我們現(xiàn)代人自己的一些特點,，還有一個是滅絕古人類和現(xiàn)代人共存的關(guān)系。

這張圖主要是想讓大家看到,，關(guān)于過去4.5萬年到將近7千多年的人群,，其實我們獲得了非常多的基因組。這一時間段非常特殊,，因為這是末次冰期前后,，尤其在這個階段里，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)時的環(huán)境是非常惡劣的,，大概一萬多年前的時候，也就是末次冰期快結(jié)束的時候,，猛犸象,、披毛犀都滅絕了。在這樣嚴(yán)峻的環(huán)境下,，人類何去何從,？人類本身又是怎樣變化的？之前并不是那么清楚,，但是通過古DNA,，我們能夠抓取一些非常重要的片斷。

比如,，我們知道了4萬年到4.5萬年,，曾經(jīng)存在過還沒有成為歐洲人或者亞洲人的人群，以其中一個個體為例,，這里的西伯利亞的Ust’ -Ishim個體,，這個個體至今4.5萬年,，可以說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(xiàn)代人,。

通過對這個個體的線粒體,、Y染色體和核基因組的分析，都發(fā)現(xiàn)他沒有出現(xiàn)和現(xiàn)在歐洲人,、亞洲人更相近的情況，所以只能說他是一個歐亞大陸人,。

這個結(jié)果說明了一個非常重要的問題,，現(xiàn)在很多爭議是針對所謂的相關(guān)人群從南線進(jìn)入到亞洲。人類走出非洲的南線遷徙早期主要是針對大洋洲,，晚期才進(jìn)入到東亞,。如果我們這個個體歷史上也是南線進(jìn)入東亞，我們應(yīng)該看到他會跟東亞的人群更近,，跟大洋洲人群會遠(yuǎn)一些,。但是我們的研究并沒有發(fā)現(xiàn)這一點，這至少告訴我們,，當(dāng)時的早期現(xiàn)代人其實是一個輻射性的,，并不是一個單一路徑的遷徙。

此外,，歐洲人有什么樣的特點呢,？就是在3.7萬年前的歐洲人，到1.4萬年的歐洲人,，在這整個時間段里,，整個人群并沒有受到外來人群的影響，更多的是內(nèi)部人群相互融合遷移,。

其中有一個非常重要的現(xiàn)象,，就是關(guān)于在比利時發(fā)現(xiàn)的一個3.5萬年前的歐洲人。這個歐洲人并沒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1.9萬年前,，對1.9萬年到1.4萬年前的人群有影響。

如果大家對這個時間節(jié)點稍微有點概念,，這個1.9萬年年是末次盛冰期剛結(jié)束的時候,，所以大家可以看到一旦環(huán)境相對適宜人類生存的時候，就會有很多未知的人群,，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(xiàn)在1.4萬年之后的歐洲人和1.4萬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,，歐洲人在1.4萬年以前并不是藍(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,。

在這個情況下大家就會有疑問，說了這么多歐洲人,、北亞人,，關(guān)于我們東亞人是什么樣子的呢？非常幸運,，在過去三個月里,，我們獲得了中國自己的古基因組。

這個是距今大概四萬年前,，在北京的田園洞,。這個個體非常有意義在于，我們第一點要了解他到底是不是東亞人,？有人會好奇,，認(rèn)為既然在北京就應(yīng)該是東亞人，那不一定,。

我們舉一個實例,，在歐洲就發(fā)現(xiàn)過4萬年前的的個體，但他遺傳上還不是歐洲人,，所以即使這個個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。

后來我們通過研究明確了,，他遺傳上確實是東亞人,。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(nèi)部里面,，有沒有誰跟田園洞人更近呢？我們并沒有看到這樣的關(guān)系,。但是當(dāng)我們看美洲土著人的時候,，我們會發(fā)現(xiàn)美洲土著人內(nèi)部有一些人群，相對別的美洲人群相對來說,，跟田園洞人更近，這個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)時的東亞、亞洲,，相對來說有非常復(fù)雜的遺傳歷史,。

僅僅是這樣一個研究，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、分析的時候,，我們就能了解更多的畫面,。這是關(guān)于我們現(xiàn)代人自己的演化歷史。

第二個問題,，相信大家都很期待,，就是我們現(xiàn)代人和曾經(jīng)存在過的古人類，也就是滅絕的古人類有沒有過共存的關(guān)系,？有沒有可能通過當(dāng)時一些現(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,，這些滅絕的古人類到底對我們現(xiàn)代人有什么影響,？尤其是對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，并不是每個個體都有丹尼索沃人遺傳成分,。

我們以此為鑒,，所有的相關(guān)人群其實只有這一邊的人群有丹尼索沃人成分，另一邊是沒有丹尼索沃人成分,。這也就讓我們知道,，古人類對我們現(xiàn)代人的影響非常多元、復(fù)雜的,。

舉一個古人類對當(dāng)時現(xiàn)代人的影響的例子,，這個例子非常有意思，而且這個研究本身可以說是人類歷史上的一個幸運,。為什么這么講,？最主要的一個因素，就是當(dāng)時的現(xiàn)代人的DNA,，相對比我們現(xiàn)在的DNA,，他跟當(dāng)時發(fā)生的事件更近。

舉一個非常簡單的示意圖,，我們看到圖中,，如果我們有一個尼安德特人和一個現(xiàn)代人作為父親和母親的時候，產(chǎn)生下一代過程中,，其中有一半染色體的整個染色體長度來自尼安德特人,。

隨著不斷繁衍過程中，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,。在這個過程中，如果我們還原尼安德特人片段,，通過片段長度,，我們就能反過來計算當(dāng)時尼安德特人和現(xiàn)代人發(fā)生基因交流的時間，在這個前提下,，我來介紹一個個體,。

這個個體很特別，這張圖中是4.5萬年到7000年甚至到現(xiàn)在,，整個尼安德特人在現(xiàn)代人的尼安德特成分的變化,，其中有一個個體非常突出,，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)我們把這個個體放在地圖上，他到底是誰呢,？他是羅馬尼亞的一個個體,，距今大概四萬年前，比我們剛剛說到4.5萬年前的人還要晚一些,。這個個體我們只取非常少的骨粉,，大概只有30毫克，非常小的一個洞,，對他整個形態(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叫做Ust’-Ishim的黃色條帶就是剛剛提到的是4.5萬年前的人,，他的條帶的長度比現(xiàn)在的人長很多。

但是這個4萬年前的個體基因組中,，有一個綠色條帶占有染色體非常長的區(qū)域,，能夠達(dá)到染色體的一半，大概能到60Mb這樣一個程度,。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)過來,，這個人的祖系上很有可能在很近的時候和尼安德特發(fā)生基因交流。

這只是一個染色體,，從整個常染色體的情況來看,，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的片段,。

當(dāng)我們利用這些長片段的分布，模擬這些片段產(chǎn)生的長度可能性,，同時利用位點相關(guān)的差異和關(guān)聯(lián)性,，我們可以計算出大概對這個個體來講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)我們把這個個體的關(guān)系放到家譜樹中,，就能了解到如果用尼安德特的含量來說,，大概能估算出2到4代、2到5代之前,。如果用剛才說的片段本身的分布和一系列的算法計算,，我們得到的結(jié)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,，用俗稱的語言就是說,，這個個體的曾曾曾祖父母中有一個尼安德特人，說到這個大家應(yīng)該會想到那個小女孩和滅絕古人類的對話,。

我們確實找到了一個明確的實例,，告訴我們當(dāng)時的古人類和當(dāng)時的現(xiàn)代人，他們確實發(fā)生了這種基因交流,。不僅如此,，它還告訴我們另外一個信息，是什么呢,？

考慮到這個結(jié)果,，同時結(jié)合之前提到的尼安德特人對現(xiàn)在現(xiàn)代人的影響，整個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,。

通過相關(guān)的研究,，我們認(rèn)為發(fā)生的地點時間很有可能是圖中的圓圈位置，就是近東區(qū)域,。而且通過不管是現(xiàn)在的DNA,，還是當(dāng)時早期現(xiàn)代人DNA，我們大概計算出來,，它是距今五到六萬年前發(fā)生的,。

這個個體就是剛剛提到的四萬年前，在歐洲的羅馬尼亞,，時間是4萬年,，而且是在4到6代之前發(fā)生的，不到200年以內(nèi)發(fā)生這樣的事件,，這就不由地讓我們明確了,，這個事件應(yīng)該不是一次的，至少不是最開始我們推測的對我們現(xiàn)代人影響只有唯一的一次,，很有可能有多次,，而且發(fā)生的地點不僅在中東，在歐洲等其他的地方也可能發(fā)生過。

這一系列的問題只是開了一個窗口,，讓我們了解到過去遠(yuǎn)古歷史,，我們跟滅絕古人類的聯(lián)系。這僅僅是開始,，我們會繼續(xù)努力探究我們是誰,、我們從哪里來。