探索古人类基因

2023-03-01撰文杨先碧

大自然探索 2023年3期

撰文杨先碧

斯万特·帕博热衷古人类研究

法国古生物学家马塞兰·布勒曾说：“人类类群比我们想象的更加多种多样、更加人丁兴旺，而且在演化过程中，同样也受到放之四海而皆准的生物规律的约束。”古人和今人，并非完全割裂的两个族群。我们延续着祖先的基因，继承着祖先的才智。探索古人类的基因，弄清楚人类的演化历程，将有利于我们奔向更加美好的未来。瑞典科学家斯万特·帕博多年来致力于从基因层面来研究古人类，并获得了一系列重要的成果，他也因此获得了2022 年诺贝尔生理学或医学奖，他是第一个因研究生物进化而获得诺贝尔奖的科学家。

从木乃伊开始古人类学研究

帕博在童年时期就对古人类学产生了浓厚的兴趣，他的房间里堆满了史前瑞典人制作的陶器碎片。13 岁那年，帕博和母亲一起到埃及度假，第一次接触到木乃伊，萌生了研究木乃伊的想法，这进一步强化了他对古人类学的挚爱之情。在攻读博士期间，帕博受亲生父亲（苏恩·伯格斯特龙，1982 年诺贝尔生理学或医学奖获得者）的影响选择了医学，但仍对古人类学念念不忘，因此，他后来还是转向了古人类学的研究。

帕博在读大学本科时主修的是埃及学，他在读博士时主修的是分子遗传学。因此，帕博和其他古人类学家的研究方法不太一样。大多数古人类学家利用体质人类学和比较解剖学的技术对古人类化石进行研究，而帕博采用的是基因科学的技术。1983 年，正在攻读博士学位的帕博产生了一个在当时看来比较疯狂的想法：为木乃伊做基因测序。

既然要为木乃伊做基因测序，那首先得找到木乃伊。帕博联系了以前修埃及学时候的教授，教授帮他从瑞典乌普萨拉博物馆的一具木乃伊上取得了一些生物样本。然而，帕博没有从这些样本中提取到DNA 分子。后来，他联系上了德国的博德博物馆，这座博物馆里收藏了大量的木乃伊。帕博利用节假日的休息时间，多次坐火车从瑞典到德国去收集木乃伊的生物样本。经历了一次又一次失败之后，他终于从第35 份样本中提取到了木乃伊样本中的生物活性物质，并从中提取到DNA 分子。

帕博关于木乃伊的研究不是他的博士论文课题，而是他的业余研究。而这项业余研究给帕博带来了巨大的学术声誉，并成为他一生的学术研究方向。1985年，帕博对木乃伊的研究获得成功，并撰写了一篇创新性很强的论文《对古代埃及木乃伊DNA 的分子克隆》。这篇论文不仅登上了国际学术名刊《自然》的封面，还在当年的古人类学研究领域引起了巨大的轰动。帕博的研究催生了一门全新的分支学科——古人类基因组学。帕博表示，从古到今，关于人类的起源与演化，人们提出过种种猜想，但是最终这些猜想要以科学作依据才能令人信服。

帕博漫画像

尼安德特人的基因

1856 年，一些采石工人在德国尼安德特河谷岩壁的一个山洞中发现了一些古人类骨骼化石，人们根据其发现地将这些古人类命名为“尼安德特人”。尼安德特人的成年男性身高为1.65 米左右，女性身高为1.56 米左右。他们比现代人更为强壮，尤其是手臂与手掌的部分。尼安德特人从40 万年前开始生活在欧洲和亚洲西部，以肉食为主，主要捕猎小型或中型动物 (如山羊和小鹿)。他们是穴居者，也偶尔建造露天营地。大约7 万年前，一群智人从非洲迁移到中东，然后从那里再迁徙到世界其他地方。距今2.8 万年前，尼安德特人在与远古智人的竞争中失败，从而整个族群灭亡。

西方人尤其是欧洲人对尼安德特人十分感兴趣，他们希望对尼安德特人有更多的了解。帕博也是好奇者之一。在完成了对木乃伊的研究之后，帕博开始把目光转向对尼安德特人的研究。当然，首先遇到的难题是如何获得测序样本。与木乃伊相比，尼安德特人的遗骸更为稀罕，其DNA 提取更为不易。

对于现在的生物学家来说，对生物进行基因测序已经不是什么困难的事情了。但是，要对古人类进行基因测序，难度就变得相当大，这是因为要想从人类化石中提取到生物大分子是十分困难的事情。这些化石历经数万年的风风雨雨，还有细菌的不断吞食，化石中残存的有机物质已经微乎其微了。

对生物进行基因检测通常要用到DNA。生物的DNA 主要存在于细胞核中，这被称为核DNA，它们是双螺旋长链状分子。不过，在细胞的线粒体中也存在少量的DNA 分子，这被称为线粒体DNA，它们是双螺旋圆环状分子。线粒体是一种生产能量的细胞器，是细胞进行有氧呼吸的主要场所。

尼安德特人的生活场景复原图

尼安德特人复原图

尼安德特人的头骨化石

帕博发现，从古人类遗骸或化石中寻找核DNA 比较困难，而寻找线粒体DNA 则相对容易，这是因为线粒体DNA 比核DNA 小得多，且结构更稳定一些。经过多次尝试，帕博从尼安德特人的化石中提取出线粒体DNA，并对其进行测序。2010 年，帕博发布了第一个尼安德特人的基因组序列。虽然每个线粒体DNA 中只有部分基因信息，但是帕博完成了对多个细胞里的线粒体DNA 测序。他综合这些数据，得到了尼安德特人的完整基因组信息。

2014 年，帕博终于完成了对尼安德特人的全基因组的测序，其精度可以与现今人类基因组序列相媲美。测序结果表明，在欧洲或亚洲后裔的现代人类中，1%～4%的基因组起源于尼安德特人。对比分析表明，尼安德特人和智人的共同祖先是生活在80 万年前的直立人。

发现丹尼索瓦人

2008年，在西伯利亚南部的丹尼索瓦洞穴中，古人类学家发现了距今4 万年的人类指骨碎片和牙齿碎片。由于西伯利亚特殊的常年低温环境，这块骨头里残留的生物大分子较多。更令人惊喜的是，其中保存了完好的DNA 分子。

帕博对从这些指骨和牙齿中提取出的DNA分子进行基因测序，发现它既不是尼安德特人，也不是其他已知的古人类，而是一个全新的人种，后来人们称之为丹尼索瓦人。丹尼索瓦人的DNA里含有尼安德特人和智人的DNA 里没有的未知基因，这些基因有可能是他们通过与直立人杂交而获得的。基因测序还表明，这些指骨碎片和牙齿碎片的主人生前是个小姑娘，年龄为5～7 岁。

丹尼索瓦人的发现让人们认识到古人类的多样性：数万年前的欧亚大陆至少存在两个古人类人种，其中尼安德特人居住在欧亚大陆的西部，而丹尼索瓦人居住在欧亚大陆的东部。研究还发现，丹尼索瓦人与尼安德特人有一个共同的祖先——海德堡人。目前，科学界对丹尼索瓦人的了解不如对尼安德特人那么深入，这是因为丹尼索瓦人的化石数量很少，没有发现过较为完整的全身骨骼化石。因此，古人类学家尚不能确认丹尼索瓦人的身高、体重等数据。古人类学家对丹尼索瓦人的文化也一无所知，因为迄今尚未发现任何与丹尼索瓦人相关的原始工具、文化遗迹等。

丹尼索瓦人遗骸挖掘现场

丹尼索瓦小姑娘复原图

虽然丹尼索瓦人是依据在俄罗斯发现的化石样本命名的，但其实这一人种主要分布在中国。科学研究表明，丹尼索瓦人曾长期生活在青藏高原。丹尼索瓦人的命运和尼安德特人一样，他们都遭遇了来自非洲的远古智人，并在领地争夺中屡屡失败，从而在历史舞台上消失了。

丹尼索瓦人的化石

帕博一直对中国很感兴趣，认为中国在未来的许多前沿科技领域将扮演重要角色。他也因此一直很支持中国国内的科研工作。在担任德国莱比锡马克斯·普朗克协会（简称马普协会）演化人类学研究所所长时，帕博主持了许多和其他国家的合作项目。2009 年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所与马普协会演化人类学研究所签订协议，在国内成立古DNA 实验室。帕博也在该实验室为中国培养了一些优秀的科学家，比如中国科学院研究员付巧妹、厦门大学教授王传超等，他们在各自的领域都取得了傲人的成绩。

古人类基因研究的现实意义

帕博在古人类学研究中的成功，与他对古生物的痴迷和好奇分不开。付巧妹说，帕博在科研中出现新突破时就会表现出非凡的喜悦和好奇心。研究古人类的演化历程，可以让我们更好地理解人类与环境之间的关系，以及我们未来在遭遇灾害时可以采取哪些策略来降低被灭种的可能性，同时，可以满足人们对人类起源的好奇心。

帕博在接受采访时曾表示：“尼安德特人在某个时期可能有数百万人，其他已经灭绝的古人类也是如此，而现代人的数量从过去的几百万最后发展到今天的几十亿。现代人和已经灭绝的古人类为何命运截然不同？我们可以从基因方面来找原因。尼安德特人的基因组有助于我们找到现代人胜出的原因。”

帕博的研究可以加深人们对自身的认识，有利于提升人们的健康水平。通过对比古人和现代人的基因，对理解我们的遗传多样性，还有与生理、免疫相关的一些遗传特质，都是非常有意义的。帕博的研究发现，尼安德特人和远古智人（现代人的祖先）发生了基因交流。这种基因交流影响了现代人免疫系统对传染病（比如新冠病毒）做出反应的方式。

帕博在丹尼索瓦人身上发现了EPAS1 基因，这是细胞的低氧诱导调节通路中的重要基因,它帮助红细胞高效地利用氧气，让人们能够很快适应高海拔地区的环境，不少生活在西藏的人就从丹尼索瓦人那里遗传了这种基因。对于体内没有这种基因的人来说，高海拔环境会让血液变得黏稠，并会引发心血管问题。