遗传学揭开历史之谜,4万年前,尼安德特人究竟死于谁手?

造就   2017-10-13 09:38

“想研究遗传历史,就要弄懂历史。”

1856年,就在达尔文发表《物种起源》三年前,一群矿工在德国北部尼安德山谷的一个石灰岩洞里,发现了人类化石,它后来被命名为“尼安德特人1号”,这是一个古代新人种的第一个标本。

从那时起,我们一直试图尽可能多地了解我们的这一神秘近亲。为此,专家们研究了两条主要的证据线索:在西拔牙、英格兰和阿尔泰山脉等地发现的数百块骨骼和石器;基因数据和从统计模型中得出的结论。

遗传学揭开历史之谜,4万年前,尼安德特人究竟死于谁手?

现代人类(左)和尼安德特人(右)在很多方面存在显著差异。

但一项新的基因分析显示,尼安德特人离开非洲的迁移经历可能与现代人类没什么不同。

但这两个方法对尼安德特人口状况的推断结果大为不同。从考古记录来看,大约有15万尼安德特人散布于欧洲和亚洲,过着15至25人的群居生活。在50万年中的几次气候周期(包括恶劣的冰河期)期间,他们的人口总数出现大幅波动,最终在4万年前灭绝。

但基因测序却给出了不同的答案。

一种估计认为,尼安德特人的实际人口少得可怜,仅为1000人;另一种估计认为,尼安德特人最多只有几千人(一项研究推测,女性尼安德特人不到3500人)。以下两种假说可能对这种结果提供了解释:尼安德特人口即使在顶峰时期也只有那么少,或者,其曾经数量更多,但在非常长的时间内一直在下滑。无论如何,尼安德特人不断减少,他们的灭绝似乎从一开始就已经注定。

“我们还不清楚为什么这两种方法得出的结论如此不相符。”威斯康星大学麦迪逊分校的古人类学家约翰·霍克斯(John Hawks)说。

遗传学揭开历史之谜,4万年前,尼安德特人究竟死于谁手?

阿兰·罗杰斯(Alan Rogers)

而现在,犹他大学人类学家、人口遗传学家阿兰·罗杰斯(Alan Rogers)带领的一群研究人员提出了一种新的遗传模型,也许可以调和那些差异。该模型推断,尼安德特人的数量比先前遗传研究估计的数量更多——这可能使遗传学发现与根据古器物和化石推断的数量最终走向一致。它还有助于我们了解尼安德特人从第一次在非洲与现代人类分离,到现代人类迁徙时与其再次相遇,这之间尼安德特人的进化史。从很多方面来说,尼安德特人作为一个物种(更像现代人类),或许比我们通常认为的更加成功。

打破常规在种群遗传学中,有效种群大小并不是衡量特定时间内人口总数的直接指标,它的作用在于衡量遗传多样性。专家会追溯个体的DNA历史,寻找两份基因组之间的DNA序列差异。

从本质上来说,他们分析的是经过多少代之后,母系基因和父系基因得以分离。如果种群小,他们能较快地找到共同祖先;如果种群大,则需要更长的时间。“从单一个体身上居然能得到这么多信息,实在令人惊叹。”罗杰斯说。

长期以来,科学家一直认为尼安德特人的遗传多样性水平很低。

在现代非洲人身上,每1万个核苷酸中大约有11个是杂合的,也就是同一位点上的两个等位基因不相同。在非洲人之外的人种身上,每1万个位点中只有8个是杂合的。而尼安德特人的这一数字仅为两个,他们的近亲丹尼索瓦人也是如此。加州大学伯克利分校的生物学家蒙哥马利·斯拉特金(Montgomery Slatkin)不认同罗杰斯的研究结果,他说,“种群遗传理论告诉我们,如此之低的遗传多样性水平表明,这些古人类的种群规模很小。”这也许意味着,尼安德特人只有2000到3000人,远远少于按照尼安德特人遗留的石器和化石所推断的人口数量。

罗杰斯说,“如果全世界真的只有1000个尼安德特人,很难相信他们会留下如此大量的化石遗迹。”

但罗杰斯及其同事恰恰是引用了遗传学证据来支持他们的观点:尼安德特人的有效人口达数万之众。

这一新结论的关键在于他们的一个假设:尼安德特人的基因库具有更高的多样性水平,只不过被分割成了小规模的近交群体,群体中的个体具有遗传相似度,但群体之间彼此隔绝。正是这种分隔可能使之前的遗传结论出现了偏差:例如每1万个位点中只有2个杂合子这种估计,只是描绘了地方性群体及其区域历史,但却忽略了总体情况。

罗杰斯希望通过改造并扩展其他研究人员使用过的一个种群混合模型,来弥补这一缺陷。他和同事们没有去分析单一个体的基因组,而是比较了现代非洲人、现代欧亚人、尼安德特人和丹尼索瓦人共同的基因变异。这个模型的早期版本原本是用于评估现代人类与尼安德特人的杂交程度。罗杰斯的主要创新在于,他把丹尼索瓦人加入模型中,大幅增加了不同种群之间的结合及交融方式。如此一来,他的研究对象远远超出了杂交的范畴,把种群大小和其他问题也纳入了考量。

按照罗杰斯及其同事提出的更高的遗传多样性水平,相当于使尼安德特人的有效种群大小扩大了十倍左右。虽然无法知道这个数字意味着尼安德特人究竟增加了多少,但已大大接近于按照化石数据作出的估计。

“这项研究为我们根据考古记录作出的推论提供了DNA方面的证据。”普林斯顿大学进化生物学家约书亚·阿基(Joshua Akey)说。

两次离开非洲通过研究基因序列和调整模型,研究人员对于尼安德特人、丹尼索瓦人和现代人种群在史前时期是如何增长、收缩、分离和周期性融合的,有了新的见解。“我们希望绘出一幅谱系图,清楚地描述这些种群之间的关系。”杜克大学人类学家史蒂文·丘吉尔(Steven Churchill)说,“但这些关系显然比我们想的复杂得多。”

遗传学揭开历史之谜,4万年前,尼安德特人究竟死于谁手?

罗杰斯指出,大约在75万年前,尼安德特人和丹尼索瓦人的先祖离开非洲,前往广阔的欧亚大陆。在此过程中,他们几乎彻底灭绝:基因数据显示,其人口遇到了在以前研究中从未发现的一个严重瓶颈。但不管是什么导致了那场灾难,古人类恢复了过来。几千年后(74.4万年前),他们分成了两个世系——尼安德特人和丹尼索瓦人。然后,前者进一步分成更小的区域性群体,这正是令罗杰斯着迷的地方。

罗杰斯团队对尼安德特人和丹尼索瓦人分立的年代测定出人意料,因为按照之前的研究,这个时间出现得更晚:比如2016年的一项研究认为大约是在45万年前。更早的分立意味着,我们有望发现更多的尼安德特人化石和丹尼索瓦人化石。这还改变了对某些出土化石的解释。以海德堡人的化石为例。海德堡人是一种脑容量较大的古人种,60万年前生活在欧洲和亚洲。对于他们和其他人种的关系,古人类学家意见不一,有人认为,他们是现代人类和尼安德特人的共同祖先,还有人则认为,他们不是现代人类的祖先,后来被散布于欧洲的尼安德特人所取代。

罗杰斯的研究结果显示,海德堡人是早期的尼安德特人。他说,“我们估计的分立时间很早, 60万年前欧洲的古人种几乎肯定是尼安德特人,至少从遗传角度说是如此,哪怕他们看起来并不完全像尼安德特人。”

无论是否是巧合,这种重新构建的尼安德特人早期史,非常类似于现代人类第一次踏上欧洲和亚洲时的人口状况。近5万年前,欧亚人从非洲人中分离出来,经历了一个人口数量极低的瓶颈期,随后分裂成遍布欧亚大陆的区域性群体——这就是人类迁徙的非洲起源说。“同样的事情可能也发生在60万或70万年前的尼安德特人和丹尼索瓦人身上。”罗杰斯说,“以前没有人想到,还有另一场离开非洲的大迁徙。”

打不垮的尼安德特人尼安德特人的生存状况艰难,这已不是什么秘密:冰河期和人口分散使他们无法在社会和技术领域取得长足的发展。

但人们有一个误解,认为我们代表了进步,现代人类是最优秀的,尼安德特人比不上我们。”古人类学家霍克斯说,“论捕猎和在恶劣环境中依赖高能量的食物资源,尼安德特人做到了极致。他们解决了我们今天不会遇到的问题。尼安德特人在如此低的人口密度下生存了几十万年,他们是如何做到的?我们从未做到这一点。”

遗传学揭开历史之谜,4万年前,尼安德特人究竟死于谁手?

一些理论认为,60万年前生活在欧洲的海德堡人是尼安德特人和现代人类的共同祖先。但罗杰斯的研究显示,海德堡人就是早期的尼安德特人。

在进行这项研究之前,罗杰斯原以为,在现代人类进入尼安德特人的地盘时,他们已经处于灭绝边缘,其人口逐渐减少,遗传疾病肆虐。“现在我不这么想了。”他说。

了解尼安德特种群的真正结构,也许有助于科学家更深入、更有效地了解这些古人类的发展变化以及他们与现代人类的相互影响。例如,进化生物学家阿基谈到,对于现代人类与尼安德特人的杂交,我们可以提出的一个新问题是:在这种基因流动中,是否存在性别偏好?我们是否包含了同等数量的母系和父系尼安德特人DNA,抑或是天平有所倾斜?

罗杰斯的研究和其他人的相关探索,或许也有助于解决当今的一些遗传学问题。他们的分析模型同样可以用于狗和马,以及在种群中表现出结构化繁殖而不是随机基因流动的任何物种。

这个方法还有助于阐明某些遗传病的进化史:尼安德特人的基因与抑郁症、糖尿病、心脏病和其他疾病的风险升高有关。

通过罗杰斯的发现,我们可以了解这些有害变异是如何进入人类基因组的。“想研究遗传历史,就要弄懂历史。”罗杰斯说。

翻译:于波

来源:Quanta Magazine

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