科学家开展古代DNA研究解密过去

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科学家开展古代DNA研究解密过去
) X, n" ]' R$ v) c! x9 L0 M来源：中国科学报 / 作者： / 2015-08-10
+ u9 Q8 C2 ~& N  q  h9 y对于他们而言，这些技术带来了令人不安的挑战以及机遇。
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考古学家David Anthony（左）和Dorcas Brown测量了一副来自欧洲大草原的骨架。图片来源：DREW GURIAN/ n3 E4 i: X. V" a2 V8 X+ J  T) t
美国波士顿，3月一个狂风大作的傍晚，6点半。哈佛医学院新科研大楼二层的大多数研究人员正在享受喝啤酒的时光，但David Reich的实验室仍然忙成一团。分子生物学家Nadin Rohland在加班加点，试图完成对92块青铜时代人类骨头中每一块39万个脱氧核糖核酸（DNA）碱基的测序。“我们真的很忙。”Rohland边说边准备着第二天新一轮测序的设备。% L+ d6 ^  L8 H
就在5年前，提取并破译一块化石的基因组——同时确保结果未被含有现代DNA的污染物搞混——需要付出巨大的努力。如今，多亏了使测序工作得到极大加速并且使结果更加可靠的技术突破，全世界的DNA研究人员被淹没在数据的海洋中。; ]! z- _" O  b' A) ^' g& r
研究成果正在迫使研究古代DNA的专家和试图解密过去的其他研究人员如古人类学家、考古学家和人口遗传学家结下一段勉强的“姻缘”。对于他们而言，这些技术带来了令人不安的挑战以及机遇。古代DNA同当下流行的观点——比如，农耕的发明反映了思想而非人类的扩散——相矛盾。但它也使这些科学家得以回答此前无法解决的问题，而且目前很多科学家正在寻求同研究古代DNA的人员之间的合作。8 j+ n: {9 c! i$ s
尼安德特人之争
2 o( n% Q: g) E/ N  @8 i古人类学家Chris Stringer在上世纪70年代早期还是一名22岁的研究生，他带着卡尺访遍了欧洲的博物馆，并且将一种新的系统性测量流程应用于其能接触到的尼安德特人和现代人类的所有头骨。开着一辆破旧的莫里斯小车，留着长发，身上的现金勉强够住青年招待所，将一个现代人类的头骨作为乘客，Stringer时不时会引起别人的猜疑。一些研究人员起初拒绝他接触化石，而且捷克警方搜查了他的行李，认为他的到访“对捷克斯洛伐克人民没有任何价值”。在意大利罗马，盗贼偷走了现代人类的头骨。
$ W( ?9 n$ _! O$ {  ~不过，Stringer坚持了下来，并且认真测量了那些罕见的骨头。他注意到，尼安德特人拥有低长的头骨，眉脊显著，且面孔中部突出，而较为年轻的现代人类拥有球形头骨和扁平的面部。他据此推断，欧洲的尼安德特人并非像当时人们普遍认为的那样，是那里的现代人类的祖先，而是完全被现代人类替代的单独物种。这使他和聚焦不同解剖特征并且认为尼安德特人同人类祖先进行了异种交配，甚至是智人成员的研究人员产生了分歧。
: k# c8 F9 X; t' B" f- B这场明争暗斗持续了数年。与此同时，德国莱比锡马普学会进化人类学研究所古遗传学家Svante P?覿?覿bo用一种不同的冒险路线回答了这个问题：他研究了来自尼安德特人化石的DNA。首先，P?覿?覿bo不得不克服污染问题。比如，穿越欧洲时，Stringer在化石上留下了一连串自己的DNA。但P?覿?覿bo和他的同事最终成功创建了来自3名女性尼安德特人的合成基因组，并将其与现代人类的DNA进行比较。该团队发现，尼安德特人的确拥有不同于人类的基因组，但现在的欧洲人和亚洲人有1%～3%的基因继承自尼安德特人。
- V. b# d0 Z- A. v3 W5 [1 x) `4 S这种基因的传承意味着Stringer对于化石的观点是不完整的：尼安德特人至少和现代人类有过一次交配。较新的古DNA分析表明，此类异种交配至少发生过3次，可能是在8.5万年前～3.7万年前的中东和欧洲进行的。P?覿?覿bo团队报告称，一种约4万年前生活在罗马尼亚的现代人类甚至拥有一个尼安德特人的曾—曾—曾祖父。
5 L- n8 @% l3 P+ j! a7 s0 U0 M. \随后，P?覿?覿bo团队发表了尼安德特人的基因组。他们对来自西伯利亚丹尼索瓦洞的一小块指骨化石进行测序，从而发现了一种和尼安德特人相关但不相同的新人种的遗传学证据。该团队将其称为丹尼索瓦人，并且发现其也和现代人类有过交配，以至于美拉尼西亚人携带了丹尼索瓦人5%的DNA。
3 k1 K' e! T: x尽管古DNA证实Stringer关于人类祖先异种交配的观点是错误的，但他欣然接受新的研究结果。正如瑞士苏黎世大学人类学家Marcia Ponce de León所言：“古DNA回答了形态学无法单独给出结论的问题，并且提出了此前从未被问过的问题。”
* Q/ k0 j7 U& z4 J% m, p4 _“解放”人口遗传学家" D0 K# N9 h& A6 ]
人口遗传学家Joshua Akey在上世纪90年代还是个研究生，他的田野调查就是坐在电脑前并且下载关于现存人类的基因数据。Akey寻找曾是自然选择目标的基因，并且大获成功：他和同事分析了由“国际单体型测绘计划”收集的270人基因组中的变异，然后发现了174个基因，其中包括两个与囊胞性纤维症和糖尿病相关、明显由自然选择形成的基因。* [  b: j) K) R2 u3 P" U0 ~$ O
尽管如此，如今在华盛顿大学工作的Akey回忆说：“所有数据只能装进一张表格。”这是因为现存人类只保留了古代人类遗传多样性的一部分。“人口遗传学家被时间束缚住了，他们只能研究今天的事情。”Skoglund说。如今，Skoglund、Akey和其他人能通过分析很久之前的人类基因组成从而更加深入地了解过去。9 M& F8 d/ t6 R! x
一旦这些研究人员将来自古代人类的序列放入公共数据库，这些数据便能“供养”整个下游的进化研究者——他们在人类基因组中搜寻进化和适应的迹象。如今，从未测定过化石的人口遗传学家和从未在整洁的房间里工作过的计算生物学家坐在他们的电脑前，阐述着让人类如此现代的复杂遗传学。
, T- M" ~: ~5 B3 n) |0 n  |目前，Akey在继续寻找被自然选择青睐或清除的基因。不过，他开始注意到一些此前未考虑过的事情：人类祖先从古人类那里“窃取”的基因。适应通常是一个缓慢的过程，因为有益的突变经常需要上百或几千代才能在人群中扩散开来。不过，尼安德特人和丹尼索瓦人的基因组表明，在一些情况下，现代人类的祖先会采取一条进化的捷径：当他们在全球扩散时，会遇到已经适应了当地环境的其他人种。通过和后者交配，人类祖先得以“抓住”有益基因。+ K; f& V6 Z; e$ Z% `* `  H
“我们正在研究与尼安德特人和丹尼索瓦人的互动如何帮助人类祖先生存下来。”Akey说。这种“适应性基因渗透”在植物和细菌中是有据可查的，而它在人类进化中的重要性于去年被阐明。当时，研究人员发现，中国西藏高原居民继承了一个来自丹尼索瓦人的基因变种。加州大学伯克利分校人口遗传学家Rasmus Nielsen及其中国合作者的研究显示，这个名为EPAS1、帮助藏族人更加高效地利用氧气的古代变种在丹尼索瓦人中被发现，但未在尼安德特人或全球其他人种中找到。4 T3 \6 {" n* W& @3 a# p% M+ B
对颜那亚人的追寻
7 F& p* f! Y% ?0 I相反，对于纽约哈特威克学院考古学家David Anthony来说，古DNA是阐明古代人群，尤其是他在俄罗斯萨马拉山谷土丘下挖掘出来的神秘高大年轻牧民的工具。他和妻子Dorcas Brown以及研究伙伴利用所有的诀窍探究这些颜那亚牧民文化中的精英者是如何在约5000年前生活并且死去的。他们和俄罗斯合作者一起测量了骨头，分析了同位素，并且分析了陪葬品。最终，这对夫妻把骨头碎片封装进塑料袋，并将其束之高阁。
# X& S) J: y3 C7 }$ t. E! [: L不过，Anthony脑海中一直萦绕着仍未了解的在马背上穿过北方草原的游牧民的一切。“我想知道他们眼睛、皮肤和头发的颜色。”他说，“还有那些被葬在精英者坟墓中的人是否彼此间存在关联。”' r7 q9 ^9 ]2 L3 [. A6 m
因此，当2013年他接到来自Reich团队的一位正在寻找DNA分析所用骨头的同事的电话时，便同意让研究人员将颜那亚人肢骨的小型样本磨碎用于测序。为迅速研究其人群历史和外貌，Reich团队并未测序整个基因组，而是对包括9名颜那亚人在内的69名古代欧洲人和亚洲人中每人3.9万个关键单核苷酸进行了测序。研究结果证实，颜那亚人是一群大规模迁徙牧民的起源。大约5000年前，这些牧民在马背上直入欧洲腹地，而大多数欧洲人至少有一部分血统可追溯至这个人群。Anthony的一些问题得到了解答：颜那亚人拥有棕色的眼睛、头发和浅色的皮肤。而在精英者坟墓中出现的人是同族的成员，这表明家庭关系影响地位。“关于古DNA的一件奇妙的事情在于它为古老样本赋予了新生。”他说。- |# V! h+ n- J* r  b- M  o2 |
Anthony希望，古DNA将帮他继续了解颜那亚人。这些精英牧民是否饮酒？他们的狗是否也跟着南征北战？为回答此类问题，古DNA研究人员需要来自更多考古遗址的数据。因此，在美国考古学会去年的年会上，Anthony被发现在为Reich实验室收集样本。“整个欧洲和北美到处都是在实验室黑暗角落中静静呆着的样本。”8 _1 a3 l: ~: r  K0 u
他说，大多数考古学家很高兴与古DNA研究人员合作。“人们对于自己的样本能成为古DNA的一个来源感到很兴奋。”
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