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古遗传学家付巧妹:我为什么要研究中国南北方古人群
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来源:上观新闻 作者:付巧妹(徐蓓 整理) 2020-09-25 08:17
摘要:在南方和北方生活的人群,他们的遗传成分是不一样的。于是我就很好奇:他们的这种差异和分化是从什么时候开始的?

中国科学院古脊椎所古DNA实验室主任付巧妹是一位年轻的古遗传学家,今年只有37岁。2016年,《自然》杂志曾这样评价她:“帮助重写了欧洲最早的现代人类的历史,并希望用古人类遗骸的DNA改写亚洲的史前史。”以下是付巧妹不久前在“一席”演讲中介绍有关东亚早期现代人的研究成果。

『古DNA到底研究些什么』

人类演化中有许多未解之谜。《自然》杂志创刊125周年时,曾经公布了125个最具挑战性的科学问题,其中有几个就与人类演化有关。我所在的中国科学院古脊椎所古DNA实验室,就试图去回答人类演化史上的一些谜题。通过古DNA,通过古代生物的遗骸或者遗迹中残存的极其微量的DNA片段,我们可以直接研究过去人群的遗传信息。

已有的研究结果告诉我们,现代人的祖先曾经与不同的已灭绝的古人类共存过。灭绝古人类,顾名思义,就是现在已经没有后代存世的古人类,他们的体质特征与我们现代人是不一样的。比如,尼安德特人的平均颅容量大于现代人,眉脊明显,额头平扁,他们的骨骼强健,四肢粗短,手和脚也比较大。大约从12万年前开始,他们生活在欧洲、亚洲西部、非洲北部,在约3万年前消失了。

而现代人的祖先———早期现代人,也可以称为解剖学意义上的现代人,与我们现在生活着的现代人在体质特征上已经没有明显的区别。他们早在20万年前就已经出现。

所以,古DNA研究最关注的两个问题是:在他们共存的时间里,灭绝古人类与早期现代人之间是如何互动的?现代人在不同时间阶段又是如何演化的?这些问题其实一直有很多争议,直到2010年前后,我们才有了一些答案。

2010年,通过人类古基因组的证据我们了解到,非洲以外大多数现代人的基因,至少1%至4%源自尼安德特人。也就是说,欧亚大陆上的现代人群都受到他们基因的影响。

2014年,我们从西伯利亚西部发现的、约四五万年前的人类化石中,获取了目前最古老的现代人基因组序列,从而确定了早在四五万年前,这个现代人的祖先就和尼安德特人存在过基因交流,而且估算交流的时间大概发生在距今5万年到6万年前。

随后更多的研究显示,灭绝古人类与早期现代人发生了不止一次混血。而且更有意思的是,反过来我们现代人对尼安德特人也有基因上的影响。2018年,科学家还发现了一个母亲是尼安德特人、父亲是丹尼索瓦人的混血儿。

这些研究让我们对现代人的演化有了更多的了解。不过,过去的这些研究主要是针对欧洲和北亚人群。一直到2017年,有关东亚尤其是有关中国的人类古基因组研究还是非常匮乏的。所以,这几年我的研究主要聚焦在东亚,希望能够了解我们东亚早期现代人的演化史。


付巧妹在演讲中。  (图片由“一席”演讲提供)

『为什么获得古DNA这么难』

首先要向大家介绍的,是我们关于田园洞人的研究。

大家可能对山顶洞人更加熟悉,其实田园洞人和山顶洞人一样,也是在北京房山地区发现的,但他们存在的时间比山顶洞人还要早,大概在4万年前左右。

田园洞人和山顶洞人都是早期现代人。因为历史的原因,山顶洞人的头骨材料遗失了,所以田园洞人的骨骼材料更显得珍贵。我们从田园洞人的腿骨中提取了目前为止东亚最古老的人类基因组,而且它也是中国第一例人类古基因组。

其实早在2003年,田园洞的洞穴地层中就已经发现了化石,但直到2017年,我们才获得了基因组。为什么获得古DNA会这么难呢?

首先,我想让大家了解一下古DNA是什么。古DNA没有一个绝对的定义,考古遗存生物、土壤……只要能承载遗传信息,都可以成为我们研究的对象。

从20世纪80年代起,就已经有了古DNA相关的研究。比如,人们在琥珀、恐龙蛋中都发现了遗传物质,但后来发现,这些遗传物质实际上都来源于污染。为什么会这样?这与古DNA的特点有关。古DNA和“新鲜”的DNA非常不一样,它掺杂了大量微生物的DNA等污染,而属于这个个体本身的DNA非常少,有时候甚至是没有。

对于古DNA研究而言,我们需要找到的是属于这个个体的内源DNA。所以,即使是触摸样品这样简单的举动,都会对研究结果产生非常大的影响,甚至导致整个研究的失败。因为你获得的,有可能是来自这些摸过化石的人的DNA,而不是属于这个样品本身的DNA。这就是为什么古DNA在过去很长时间里,一直都很难被用来研究人类演化史的原因。

直到过去10年以来,技术才开始有了突破。我非常有幸和同事共同开发了一种新的技术,像“钓鱼”一样,即使在微生物污染非常严重的情况下,我们也可以提取捕获微量的内源古DNA。怎么“钓鱼”呢?我们用现代人的DNA,做了一个像吸铁石一样的引子,这个引子可以将仅占0.03%的人类DNA,从大量来自土壤微生物的DNA中吸附、富集并“钓取”出来。

通过这种方法,最终我们成功提取了4万年前田园洞人的基因组。这个技术在全世界的影响非常大,因为我们可以用这种方法去研究一些过去很难获得的古DNA样品,从而扩大研究对象的范围。

『北京田园洞人与亚马孙原住民』

那么,田园洞人的基因组到底告诉了我们什么?通过研究,我们确定,田园洞人已经是现代亚洲人群直接祖先群体中的一个成员,也就是遗传意义上的东亚人。

但这个研究没有结束,我们还发现了一个特别有意思的现象:田园洞人和古欧洲人群,甚至与美洲原住民人群之间存在不寻常的联系。在欧洲的比利时,有一个距今35000年的古人类遗骸样本,神奇的是,这个个体相对于别的欧洲人而言,与田园洞人遗传关系更近。这说明了什么?说明早期的欧洲人和亚洲人,在遗传上并不是简单决然地分开的,他们之间存在一种联系。而且这种联系,是因为更古老的人群间接地对他们共同产生了影响,他们体内都残存着来自古老人群的成分,从而把他们联系起来。

更有意思的是,田园洞人相关人群不仅是东亚人、美洲原住民共同的祖先,相对于别的地区的美洲原住民而言,他们竟然与亚马孙地区的原住民在遗传关系上距离更近。这意味着什么?这种不均等的特殊联系说明,在东亚史前时期,人群的迁移交流是非常复杂的,这也让我们更加迫切地想要研究中国不同时期和不同区域的人群的多样性。这个研究在当时被《自然》杂志认为是“填补了东亚非常重要的地理和时间尺度上的巨大空白”。

还有个有趣的现象,那就是田园洞人虽然生活在现在的北京地区,但是相对东亚南方人群而言,他并没有与北方人群显现出更近的遗传联系。这说明田园洞人处于东亚南北方人群分离之前的时期,是非常古老的东亚人群。

『我为什么要研究南北方古人群』

讲到南北方人群,我们现在知道,东亚南北方人群有很多差异,比如生活习惯上的差异。研究显示,在南方和北方生活的人群,他们的遗传成分也是不一样的。于是我就很好奇:他们的这种差异和分化是从什么时候开始的?这种差异和分化,与我们文明的发展又有什么联系?所以,我们针对中国南北方古人群,首次开展了时间跨度最大的系统性的古基因组研究。

但是,这个“南北方”可能和大家想象的有所不同。我们现在常说的南北方人,经过不断迁徙与融合,已经很难选出具有代表性的研究对象,所以我们选择的是长期定居在南北方的少数民族人群,以他们的基因作为参照。比如,北方的达斡尔族、赫哲族、锡伯族、蒙古族,南方的阿美人、泰雅人、布依族、傣族,他们流动较少,相对而言更具有代表性。

从2012年开始,我们有了这个研究的设想。到2014年,我们已经提取了几个关键样品的基因组,也得到了一些很重要的结论。但当时我很纠结一点,就是一个来自亮岛的古人类基因组是不是能够真正代表南方人群。

亮岛是离福州很近的一个岛屿。因为岛屿的特殊环境,岛屿上的人群和邻近的大陆人群可能存在很大差异。比如印度安达曼群岛上生活着一个现代人群,叫翁奇人,他们过着狩猎采集的生活,人口只有不到100人。由于地理的隔离,他们与印度半岛大陆上的其他人群遗传差异很大。所以,亮岛岛屿上的人群可能无法代表典型的南方大陆人群。

于是,我们又花了四五年的时间,才真正找到南方人群的古DNA。为什么会这样?因为南方地区潮湿炎热的气候和酸性的土壤环境,非常不利于样品中DNA的保存,人类的DNA容易被高度降解甚至完全降解。在这种情况下获得基因组的难度是非常大的。

2014年到2018年这4年间,我们付出了非常大的努力,深入南方30多个遗址,采集了257例古代人类样本,到目前为止已经获得了18个南方个体的基因组。

总体而言,整个研究的样本分布在北方的山东、内蒙古,南方的福建及临近岛屿,包括25个9500年前到4200年前的基因组。这些基因组非常珍贵,最早的属于新石器早期,时间跨度非常大。

『南北人群的影响哪个更大』

这些基因组到底告诉了我们哪些信息?通过对比古南北方人群的基因组,我们发现,早在9500年以前,南方人群和北方人群就已经出现分化。

那么,与今天的现代人相比,南北方人群差异是更大了,还是更小了?我们发现,古南北方人群的差异,远比现今南北方人群的差异要大。这说明什么?说明近万年以来,南北方人群在不断融合。

而且,这个融合发生的时间远比大家想象的要早。大概在8000多年前,在北方山东人群的基因组中,就已经发现了古南方人群的成分;同样,在8000多年前的南方人群基因组中,也发现了北方人群的信号。这说明至少在8000年前,甚至是从更早的时候开始,南方人和北方人就已经发生互动。而且,直到4000多年前,这种互动仍然存在,这种影响依然是双向的。

紧接着我们又提出一个问题:虽然南北方人群互相有影响,但这种互动和影响是均等的吗?南方人群对北方人群影响更大,还是相反呢?通过研究我们发现,在9500多年前到7500多年前的这个阶段,古南方人群主导着南方,古北方人群主导着北方,直到4000多年前的时候也基本如此。但是,当我们观察现在的东亚内陆人群基因组时会发现,古南方人群成分在我们基因组中的比例下降非常多,古北方人群成分则占据主导地位。所以我们推测,南北古人群虽然一直在交融和互相影响,但在新石器时代以后,可能出现了大量黄河流域人群向南迁徙的现象,这构成了现在中国南北方人群的基本框架。

『东亚与欧洲的演化历程截然不同』

这个研究有什么意义呢?它既是对华夏文明本身的溯源,也反映了一个非常有意思的现象,那就是东亚与欧洲在同一时期的人类演化历程是截然不同的。

同样在大概9000多年前,近代农业进入欧洲,对当地人群的生活方式产生了很大的影响,人们逐渐从狩猎采集的生活转向农耕生活。通过比较可以看到,欧洲人群的基因组成分发生了变化。属于狩猎采集者的特征占比变少,而属于农耕者的特征占比逐渐增大。这说明,农业带来的不光是技术的传播,还带来了新的人群的进入。

在这里有一个很重要的问题:农耕人群的进入是取代了当地人,还是与当地人进行了融合?在研究人类演化史的时候,取代还是融合始终是一个非常重要的问题。通过研究我们发现,对于狩猎采集人群来说,他们的数量并没有出现一个急剧下降的过程。同时,在外来的农耕人群中,出现了早期人口的膨胀。这说明,新的人群与本地人群之间并不是取代的关系,而是一个同化的过程。所以,在约9000年前农业出现以来,欧洲人群不断受到近代农业人群以及欧亚草原人群等外来群体的大换血。外来人群一直在重构欧洲人群的遗传信息,他们对现今的欧洲人产生了重要的影响。

而在中国,南北方人群虽然早在9500年前就已经分化了,但南北方同期人群的演化基本是连续的,没有明显受到大量外来人群的影响,迁徙互动主要发生在东亚区域内的各种人群之间。

开始的时候我提到,我们研究的古南北方人主要是指少数民族。那么中国各个地区的汉族人的遗传成分又是什么样的?我们发现,现在大部分汉族人群所携带的东亚古南北方人群成分的混合比例基本相似,这也是晚期人群不断融合的结果。

今天的讲座只是一个开端,我希望未来的研究能使我们对东亚人的演化有更深入的了解。

栏目主编:龚丹韵 文字编辑:徐蓓 题图来源:图虫创意 图片编辑:邵竞
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