探索古人類基因

撰文 楊先碧

斯萬特·帕博熱衷古人類研究

法國古生物學(xué)家馬塞蘭·布勒曾說：“人類類群比我們想象的更加多種多樣、更加人丁興旺，而且在演化過程中，同樣也受到放之四海而皆準(zhǔn)的生物規(guī)律的約束。”古人和今人，并非完全割裂的兩個(gè)族群。我們延續(xù)著祖先的基因，繼承著祖先的才智。探索古人類的基因，弄清楚人類的演化歷程，將有利于我們奔向更加美好的未來。瑞典科學(xué)家斯萬特·帕博多年來致力于從基因?qū)用鎭硌芯抗湃祟悾@得了一系列重要的成果，他也因此獲得了2022 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，他是第一個(gè)因研究生物進(jìn)化而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。

從木乃伊開始古人類學(xué)研究

帕博在童年時(shí)期就對(duì)古人類學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，他的房間里堆滿了史前瑞典人制作的陶器碎片。13 歲那年，帕博和母親一起到埃及度假，第一次接觸到木乃伊，萌生了研究木乃伊的想法，這進(jìn)一步強(qiáng)化了他對(duì)古人類學(xué)的摯愛之情。在攻讀博士期間，帕博受親生父親（蘇恩·伯格斯特龍，1982 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者）的影響選擇了醫(yī)學(xué)，但仍對(duì)古人類學(xué)念念不忘，因此，他后來還是轉(zhuǎn)向了古人類學(xué)的研究。

帕博在讀大學(xué)本科時(shí)主修的是埃及學(xué)，他在讀博士時(shí)主修的是分子遺傳學(xué)。因此，帕博和其他古人類學(xué)家的研究方法不太一樣。大多數(shù)古人類學(xué)家利用體質(zhì)人類學(xué)和比較解剖學(xué)的技術(shù)對(duì)古人類化石進(jìn)行研究，而帕博采用的是基因科學(xué)的技術(shù)。1983 年，正在攻讀博士學(xué)位的帕博產(chǎn)生了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來比較瘋狂的想法：為木乃伊做基因測序。

既然要為木乃伊做基因測序，那首先得找到木乃伊。帕博聯(lián)系了以前修埃及學(xué)時(shí)候的教授，教授幫他從瑞典烏普薩拉博物館的一具木乃伊上取得了一些生物樣本。然而，帕博沒有從這些樣本中提取到DNA 分子。后來，他聯(lián)系上了德國的博德博物館，這座博物館里收藏了大量的木乃伊。帕博利用節(jié)假日的休息時(shí)間，多次坐火車從瑞典到德國去收集木乃伊的生物樣本。經(jīng)歷了一次又一次失敗之后，他終于從第35 份樣本中提取到了木乃伊樣本中的生物活性物質(zhì)，并從中提取到DNA 分子。

帕博關(guān)于木乃伊的研究不是他的博士論文課題，而是他的業(yè)余研究。而這項(xiàng)業(yè)余研究給帕博帶來了巨大的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，并成為他一生的學(xué)術(shù)研究方向。1985年，帕博對(duì)木乃伊的研究獲得成功，并撰寫了一篇?jiǎng)?chuàng)新性很強(qiáng)的論文《對(duì)古代埃及木乃伊DNA 的分子克隆》。這篇論文不僅登上了國際學(xué)術(shù)名刊《自然》的封面，還在當(dāng)年的古人類學(xué)研究領(lǐng)域引起了巨大的轟動(dòng)。帕博的研究催生了一門全新的分支學(xué)科——古人類基因組學(xué)。帕博表示，從古到今，關(guān)于人類的起源與演化，人們提出過種種猜想，但是最終這些猜想要以科學(xué)作依據(jù)才能令人信服。

帕博漫畫像

尼安德特人的基因

1856 年，一些采石工人在德國尼安德特河谷巖壁的一個(gè)山洞中發(fā)現(xiàn)了一些古人類骨骼化石，人們根據(jù)其發(fā)現(xiàn)地將這些古人類命名為“尼安德特人”。尼安德特人的成年男性身高為1.65 米左右，女性身高為1.56 米左右。他們比現(xiàn)代人更為強(qiáng)壯，尤其是手臂與手掌的部分。尼安德特人從40 萬年前開始生活在歐洲和亞洲西部，以肉食為主，主要捕獵小型或中型動(dòng)物 (如山羊和小鹿)。他們是穴居者，也偶爾建造露天營地。大約7 萬年前，一群智人從非洲遷移到中東，然后從那里再遷徙到世界其他地方。距今2.8 萬年前，尼安德特人在與遠(yuǎn)古智人的競爭中失敗，從而整個(gè)族群滅亡。

西方人尤其是歐洲人對(duì)尼安德特人十分感興趣，他們希望對(duì)尼安德特人有更多的了解。帕博也是好奇者之一。在完成了對(duì)木乃伊的研究之后，帕博開始把目光轉(zhuǎn)向?qū)δ岚驳绿厝说难芯?。?dāng)然，首先遇到的難題是如何獲得測序樣本。與木乃伊相比，尼安德特人的遺骸更為稀罕，其DNA 提取更為不易。

對(duì)于現(xiàn)在的生物學(xué)家來說，對(duì)生物進(jìn)行基因測序已經(jīng)不是什么困難的事情了。但是，要對(duì)古人類進(jìn)行基因測序，難度就變得相當(dāng)大，這是因?yàn)橐霃娜祟惢刑崛〉缴锎蠓肿邮鞘掷щy的事情。這些化石歷經(jīng)數(shù)萬年的風(fēng)風(fēng)雨雨，還有細(xì)菌的不斷吞食，化石中殘存的有機(jī)物質(zhì)已經(jīng)微乎其微了。

對(duì)生物進(jìn)行基因檢測通常要用到DNA。生物的DNA 主要存在于細(xì)胞核中，這被稱為核DNA，它們是雙螺旋長鏈狀分子。不過，在細(xì)胞的線粒體中也存在少量的DNA 分子，這被稱為線粒體DNA，它們是雙螺旋圓環(huán)狀分子。線粒體是一種生產(chǎn)能量的細(xì)胞器，是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所。

尼安德特人的生活場景復(fù)原圖

尼安德特人復(fù)原圖

尼安德特人的頭骨化石

帕博發(fā)現(xiàn)，從古人類遺骸或化石中尋找核DNA 比較困難，而尋找線粒體DNA 則相對(duì)容易，這是因?yàn)榫€粒體DNA 比核DNA 小得多，且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定一些。經(jīng)過多次嘗試，帕博從尼安德特人的化石中提取出線粒體DNA，并對(duì)其進(jìn)行測序。2010 年，帕博發(fā)布了第一個(gè)尼安德特人的基因組序列。雖然每個(gè)線粒體DNA 中只有部分基因信息，但是帕博完成了對(duì)多個(gè)細(xì)胞里的線粒體DNA 測序。他綜合這些數(shù)據(jù)，得到了尼安德特人的完整基因組信息。

2014 年，帕博終于完成了對(duì)尼安德特人的全基因組的測序，其精度可以與現(xiàn)今人類基因組序列相媲美。測序結(jié)果表明，在歐洲或亞洲后裔的現(xiàn)代人類中，1%～4%的基因組起源于尼安德特人。對(duì)比分析表明，尼安德特人和智人的共同祖先是生活在80 萬年前的直立人。

發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人

2008年，在西伯利亞南部的丹尼索瓦洞穴中，古人類學(xué)家發(fā)現(xiàn)了距今4 萬年的人類指骨碎片和牙齒碎片。由于西伯利亞特殊的常年低溫環(huán)境，這塊骨頭里殘留的生物大分子較多。更令人驚喜的是，其中保存了完好的DNA 分子。

帕博對(duì)從這些指骨和牙齒中提取出的DNA分子進(jìn)行基因測序，發(fā)現(xiàn)它既不是尼安德特人，也不是其他已知的古人類，而是一個(gè)全新的人種，后來人們稱之為丹尼索瓦人。丹尼索瓦人的DNA里含有尼安德特人和智人的DNA 里沒有的未知基因，這些基因有可能是他們通過與直立人雜交而獲得的?；驕y序還表明，這些指骨碎片和牙齒碎片的主人生前是個(gè)小姑娘，年齡為5～7 歲。

丹尼索瓦人的發(fā)現(xiàn)讓人們認(rèn)識(shí)到古人類的多樣性：數(shù)萬年前的歐亞大陸至少存在兩個(gè)古人類人種，其中尼安德特人居住在歐亞大陸的西部，而丹尼索瓦人居住在歐亞大陸的東部。研究還發(fā)現(xiàn)，丹尼索瓦人與尼安德特人有一個(gè)共同的祖先——海德堡人。目前，科學(xué)界對(duì)丹尼索瓦人的了解不如對(duì)尼安德特人那么深入，這是因?yàn)榈つ崴魍呷说幕瘮?shù)量很少，沒有發(fā)現(xiàn)過較為完整的全身骨骼化石。因此，古人類學(xué)家尚不能確認(rèn)丹尼索瓦人的身高、體重等數(shù)據(jù)。古人類學(xué)家對(duì)丹尼索瓦人的文化也一無所知，因?yàn)槠裆形窗l(fā)現(xiàn)任何與丹尼索瓦人相關(guān)的原始工具、文化遺跡等。

丹尼索瓦人遺骸挖掘現(xiàn)場

丹尼索瓦小姑娘復(fù)原圖

雖然丹尼索瓦人是依據(jù)在俄羅斯發(fā)現(xiàn)的化石樣本命名的，但其實(shí)這一人種主要分布在中國?？茖W(xué)研究表明，丹尼索瓦人曾長期生活在青藏高原。丹尼索瓦人的命運(yùn)和尼安德特人一樣，他們都遭遇了來自非洲的遠(yuǎn)古智人，并在領(lǐng)地爭奪中屢屢失敗，從而在歷史舞臺(tái)上消失了。

丹尼索瓦人的化石

帕博一直對(duì)中國很感興趣，認(rèn)為中國在未來的許多前沿科技領(lǐng)域?qū)缪葜匾巧Ｋ惨虼艘恢焙苤С种袊鴩鴥?nèi)的科研工作。在擔(dān)任德國萊比錫馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)（簡稱馬普協(xié)會(huì)）演化人類學(xué)研究所所長時(shí)，帕博主持了許多和其他國家的合作項(xiàng)目。2009 年，中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所與馬普協(xié)會(huì)演化人類學(xué)研究所簽訂協(xié)議，在國內(nèi)成立古DNA 實(shí)驗(yàn)室。帕博也在該實(shí)驗(yàn)室為中國培養(yǎng)了一些優(yōu)秀的科學(xué)家，比如中國科學(xué)院研究員付巧妹、廈門大學(xué)教授王傳超等，他們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域都取得了傲人的成績。

古人類基因研究的現(xiàn)實(shí)意義

帕博在古人類學(xué)研究中的成功，與他對(duì)古生物的癡迷和好奇分不開。付巧妹說，帕博在科研中出現(xiàn)新突破時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出非凡的喜悅和好奇心。研究古人類的演化歷程，可以讓我們更好地理解人類與環(huán)境之間的關(guān)系，以及我們未來在遭遇災(zāi)害時(shí)可以采取哪些策略來降低被滅種的可能性，同時(shí)，可以滿足人們對(duì)人類起源的好奇心。

帕博在接受采訪時(shí)曾表示：“尼安德特人在某個(gè)時(shí)期可能有數(shù)百萬人，其他已經(jīng)滅絕的古人類也是如此，而現(xiàn)代人的數(shù)量從過去的幾百萬最后發(fā)展到今天的幾十億?，F(xiàn)代人和已經(jīng)滅絕的古人類為何命運(yùn)截然不同？我們可以從基因方面來找原因。尼安德特人的基因組有助于我們找到現(xiàn)代人勝出的原因。”

帕博的研究可以加深人們對(duì)自身的認(rèn)識(shí)，有利于提升人們的健康水平。通過對(duì)比古人和現(xiàn)代人的基因，對(duì)理解我們的遺傳多樣性，還有與生理、免疫相關(guān)的一些遺傳特質(zhì)，都是非常有意義的。帕博的研究發(fā)現(xiàn)，尼安德特人和遠(yuǎn)古智人（現(xiàn)代人的祖先）發(fā)生了基因交流。這種基因交流影響了現(xiàn)代人免疫系統(tǒng)對(duì)傳染病（比如新冠病毒）做出反應(yīng)的方式。

帕博在丹尼索瓦人身上發(fā)現(xiàn)了EPAS1 基因，這是細(xì)胞的低氧誘導(dǎo)調(diào)節(jié)通路中的重要基因,它幫助紅細(xì)胞高效地利用氧氣，讓人們能夠很快適應(yīng)高海拔地區(qū)的環(huán)境，不少生活在西藏的人就從丹尼索瓦人那里遺傳了這種基因。對(duì)于體內(nèi)沒有這種基因的人來說，高海拔環(huán)境會(huì)讓血液變得黏稠，并會(huì)引發(fā)心血管問題。

古人類研究有助于認(rèn)識(shí)人類進(jìn)化歷程

正是在帕博的帶動(dòng)下，古人類基因研究近幾十年來蓬勃發(fā)展，這徹底改變了我們對(duì)人類變異和人類歷史的理解。帕博開發(fā)的古DNA 技術(shù)是一項(xiàng)可以得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，不僅可用于研究人類的演化，也可以用來研究病原體的演化史。因此，以帕博為代表的古DNA 研究人員，將為人類的長遠(yuǎn)發(fā)展提供新的思路。

獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/p>

斯萬特·帕博(Svante Pbo),1955 年出生于瑞典斯德哥爾摩。1986 年在瑞典烏普薩拉大學(xué)獲得博士學(xué)位，1990 年成為德國慕尼黑大學(xué)教授，目前就職于德國萊比錫馬克斯·普朗克協(xié)會(huì)演化人類學(xué)研究所。