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基因能否证明我们的祖先都来自非洲

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  • 图片说明:西伯利亚西部额尔齐斯河附近发现的4.5万年前人类大腿骨


  • 图片说明:美国佛罗里达博物馆展示的土著美洲人生活情景


  • 基因能否证明我们的祖先都来自非洲

        文汇报记者 刘力源

        对于人类自身的起源,人们一直怀有别样热情。随着技术的进步,这种热情从遥想变成现实的追逐。我们是从非洲跨越万里而来,还是守着东亚的土地历经上万年 繁衍生息,在学界一直存在争议。从非洲起源说与多地进化学说的对峙,到今天讨论我们的血脉里占主导地位的基因是来自非洲还是本地,争议也如生命体里的双螺 旋,缠绕“进化”,伴随新发现的增多,或新起争议,或做让步,远古时期的真相就在不同的声音中逐渐逼近。


        今年10月 23日,英国《自然》杂志刊登了一篇文章,德国马普学会的帕博(SvanteP覿覿bo)团队,为2008年发现于西伯利亚西部额尔齐斯河附近的4.5万 年前人类大腿骨,做了全基因组测序,产生了迄今为止最古老的现代人基因组序列,其中发现2%的尼安德特人(一种与早期智人几乎处于同时代的古人种,下简称 “尼人”)成分,并推测出现代人祖先与尼人在距今五六万年前就有过混血行为。11月6日,丹麦等国学者发表论文称,对现在能够确定的最早欧洲人(生活于 3.6万年前)遗骸化石做了DNA分析,研究显示欧洲最早的居民在最近一个冰河时代的最大冰川期得以幸存。近年来,破解古老遗骸信息的速度在不断加快,复 旦大学文史研究院特聘研究员徐文堪对人类起源极有兴趣,用他的话来说,“只要关注,几乎每天都有新发现。”

        对于人类自身的起源,人们一 直怀有别样热情。随着技术的进步,这种热情从遥想变成现实的追逐。我们是从非洲跨越万里而来,还是守着东亚的土地历经上万年繁衍生息,在学界一直存在争 议。从非洲起源说与多地进化学说的对峙,到今天讨论我们的血脉里占主导地位的基因是来自非洲还是本地,争议也如生命体里的双螺旋,缠绕“进化”,伴随新发 现的增多,或新起争议,或做让步,远古时期的真相就在不同的声音中逐渐逼近。

        大约200万年前,直立人走出非洲,扩散到世界各地。对于 这样一个人类演化史的开头,非洲起源说与多地进化学说都无争议。非洲出土的化石说明了一切:乍得和肯尼亚发现了最早的古人类化石,其追溯到的年份,其他大 陆无一能及;从撒海尔人乍得种、原初人土根种、地猿、南方古猿、能人、直立人、早期智人到晚期智人的人类演化阶段,只有非洲能找到最为完整的考古依据。

        10万年前,又一批人走出非洲。争论的分歧由此产生。在“近期出自非洲说”里,这批人被认定为现代人的祖先。而现代人多地区起源模型认为直立人走出非洲,并向其他地方扩散,因地域不同造成不同分化并附带一定程度的迁徙和杂交,形成了分布在各个地区的现代人。

        1987年提出的“夏娃假说”是近期出自非洲说的起点,也是其重要依据。当年,威尔逊(A.C.Wilson)等美国科学家发表论文,比较了全世界各地 女性的线粒体DNA,即mtDNA,发现非洲裔女性的线粒体多样性要比其他族裔女性高,据此提出现代人起源于非洲的假设。mtDNA只能追溯女性的起源, 到了2000年左右,遗传学家又采用Y染色体从父系视角进行追溯,提出“亚当假说”。“几乎所有过去20多年遗传学研究的证据都支持现代人非洲起源的假 说。DNA的特点是代代相传,没有间隔或断裂;并且,DNA复制的错误率,即基因突变的速率是基本恒定的,这是利用分子钟进行年代推断的根据,”中国科学 院昆明动物研究所研究员宿兵介绍,他主要从事灵长类大脑演化的遗传学机制、人和非灵长类物种中基因的适应性选择以及东亚现代人的起源和迁徙研究。

        云南大学人类遗传学研究中心主任肖春杰非常看重基因在人类起源研究中的作用,他曾在论文《从遗传学角度探讨中华民族的源和流》中写道,“基因是人体细胞 内的DNA序列片段,它稳定地代代相传,并以一定的频率发生变化,研究基因主要是通过对基因的产物(蛋白质、酶)进行分析,得出某一人群在某一个基因座上 各种类型的频率。”在肖春杰看来,基因作为证据更为可靠,因为其他事物变化太大,“比如语言文字、社会习俗都会随着社会的变革而产生很多的变化,人类唯一 无法改变的就是基因。基因数据不受环境、社会、战争影响而发生很大的变化,基因虽会变异,但其是按照分子钟经过一定的时间发生变异,并不因环境而调整时间 间隔。”他还提到遗传学的一种统计分析方法可以画出“系统进化树”,人与人之间的亲缘关系能根据基因型的频率计算出来,比如一处分支大概要多少年,最终可 以画出进化树的根部,这个根部就是在非洲。

        古人类学家对遗传学家的研究方法却抱有疑虑:遗传学家认为今天的非洲人基因更为丰富,其意味 着变异多,传的代数多,存在的时间更长。现在的技术手段是靠活人DNA变异程度往上推测出群体的历史,检测多了,出现的结果却不一致,原因之一就是突变速 率被认为是恒定的。这个速率由500万年前人类与猿猴分开进化得出,将这样一个“恒定”速率代入公式中算出现代人的起源时间,在古人类学家看来并不严谨。 “就好比生活于4.5万年前的古西伯利亚人,检测其正染色体、Y染色体、线粒体得出的突变速率是不一样的。所以,假定突变速率恒定有一定问题,”古人类学 家、中科院院士吴新智是多地进化学说的权威,他认为用突变率计算人类起源时间这套方法值得商榷,“2000年,人们又发现了600万年前的人类化石,这个 突变速率又要改。”

        这种误差是否会影响基因检测在现代人起源研究中发挥的作用?宿兵认为,分子钟虽不是一个精确的时钟,并会受到诸如样 本数量和群体历史事件(如快速的群体扩张或缩减)的影响,但这些影响在进行年代推断的时候都会纳入统计学分析。另外,人类的基因组在群体水平存在上千万个 多态位点,每个多态位点就相当于形态学的一个性状,因此遗传学的数据量是巨大的,根据这样巨大的数据做出的统计推论具有较高的可信度,“过去用不同遗传标 记(如Y染色体、线粒体DNA以及核基因组)的研究结论是一致的。”

        多地进化学说的依据是人类留在地球上的痕迹——化石。上世纪30年 代,德国解剖学和人类学家魏登瑞(FranzWeidenreich)研究北京猿人化石发现其与黄种人有十几项共同特征,因此得出“中国人是从中国猿人到 现代人连续进化”的结论。1959年,吴汝康院士与苏联学者曾用俄文发表过文章,提出中国旧石器时代起,人类体质类型、经济活动及文化有连续性,以此证明 在中国境内发现化石的古人类是中国人的祖先。1984年,吴新智院士与两位国外学者合作发表文章,提出现代人起源的多地区进化假说。他在1998年又提 出,中国的人类化石中有许多共同特征,还有一些本地罕见而在欧洲古人类中多见的特征,据此为中国人类进化提出“连续进化附带杂交”的假说,主张本地连续进 化为主,附带还有与境外的基因交流。

        非洲起源说也曾找到它的化石论据,古人类学家在南非克拉西斯河口发现一片下颌骨,其前部的侧面观轮 廓与北京猿人不同,拥有一个北京猿人不具有的东西——一个萌芽状的颏隆突。颏隆突是现代人的特点之一,萌芽状态的颏隆突是从猿人的下颌骨进化到现代人下颌 骨的过渡形态。古人类学家以此作为“近期出自非洲说”的重要证据。“不过2007年我国古人类学家在广西崇左的智人洞发现了10万年前甚至可能稍早现代人 的下颌骨,也有这样的颏隆突,这说明不只非洲经历过从古老型人类向现代型人类的进化过程,东亚也曾经经历过。”吴新智说。如坚持多地进化学说的古人类学家 一样,坚持“近期出自非洲说”的遗传学家对化石证据也有他们自己的态度:化石标本虽然有重要的价值,但化石标本往往数量很少,在统计学上会带来较大的偏 差。另外,DNA是代代相传的,但化石标本是否传宗接代无从知道。“两个学说存在各自的道理,但没有一个学说可以提出足够的证据百分之百把另外的学说彻底 否定,这导致两个学说一直同时存在,”肖春杰表示。

        对于10万年前有一批人从非洲迁出并扩散到世界各地,吴新智并不否认,不过他对这批人在东亚现代人基因中发挥的作用,秉持着与非洲起源学派不同的看法。

        两派争议的1.0版,是完全取代说。持此观点的学者认为,现代人迁出非洲后,扩散到世界各地,与当地原有的居民没有杂交,原来的居民灭绝了,被非洲出来 的现代人完全取代,因此现代人基因的唯一来源是非洲,各地原有的古老居民毫无贡献。这种说法受到当时的遗传学研究的支持,1997年,帕博实验室成功提取 尼人的线粒体DNA;1999年,古DNA检测技术进一步发展,但结论依然是非洲走出的现代人与各地原有的居民没有杂交。靠化石说话的古人类学家却提出质 疑,“这中间存在一个样本较少的问题,这项研究所根据的只有300多碱基对,而人有大约30亿碱基对,而且该研究得出的尼人与现代人线粒体之间的差异只比 一对黑猩猩亚种间差异高,却比两对黑猩猩亚种间的差异低,为什么不能认为尼人与现代人之间的差异只是亚种间差异,从而推测两者间可以杂交呢?”

        在坚持多地进化学说的学者看来,中国出土的人类遗骨上能明显测出外来因素,这些外来因素意味着有外面来的人与居住在中国的族群发生了混血,但主要还是居 住在中国的族群在连续进化。连续进化的主要依据是,测量人类遗骸化石的形态,从几十万年前的直立人到现代人形态有相似性;其次,所有在中国境内发现的 2000多个地点的石器,总的来说有一种继承性,因此不存在外来人取代这种情况。

        吴新智还顺带批驳了曾经出现过的“冰期”导致东亚等地 原始居民灭绝一说:“这只是一种推测,没有化石印证。‘冰期’虽说是全球现象,但是严寒到无人能够生存的气候只限于高海拔或高纬度地区,在地中海沿岸、今 日长城以南地区,人类仍可以生存。那一时期出土的多种动物化石便能充分说明这一点。而且冰期时在中国的大片地区还发现了好多石器和一些人类化石,也证明了 人的存在。”

        “完全取代的观点现在被完全推翻了,”在采访中,吴新智和徐文堪都提到了其被颠覆的过程。吴新智介绍,尼人身上发现有 FOXP2基因,这种基因与语言相关,“过去以为尼人不能说话,现在发现他们有这种基因,要么这种基因是非洲人传给他们的,要么是现代人这个基因来自尼 人,总之他们之间是有基因交流的”。 2010年,尼人的基因组测序完成,将其与现代人基因组比较后发现,除非洲人外的现代人与尼人拥有1%-4%的共同基 因。今年,《科学》的一项研究报告,美国科学家分析了来自欧洲和东亚的665名个体的基因组,尼人基因有20%留在了现代人类基因中(所有现代人类中持续 存在的尼人基因组的累计量),这意味着今天人类的基因并非全部来自非洲早期现代人。

        完全取代说退场后,取而代之的是进阶版的争议—— “同化假说”。简单来说,就是谁的基因对现代人的贡献更多。这一假说由西方的古人类学者提出。10万年前的“非洲来客”是同化了当地原来的居民,还是只部 分参与了当地人的连续进化?坚持“近期出自非洲说”的学者认为,从目前基因组数据的分析来看,现代人的基因组绝大部分来自非洲的现代人。宿兵介绍:“遗传 学的研究已发表了大量的证据,这些证据都表明世界各地的人群在遗传上都有一个晚近的非洲祖先。2001年我们对1万多例来自东亚、北亚、东南亚等地区的 100多个群体的遗传学分析显示,所有这些个体的Y染色体单倍型都是从非洲祖先衍生的。换句话讲,我们在包括中国大陆在内广袤的亚洲东部地区没有看到任何 当地独立起源的遗传证据。最近对人类全基因组的测序数据仍然支持这一结论。但同时发现现代人在旧石器时期可能和古人类(如尼安德特人)有少量的基因交流, 但这种交流只占现代人基因组的2%左右。现代人基因组的绝大部分仍然是来自于非洲的现代人祖先。”

        “有尼人基因组测序比对的结果作证, 欧洲学者一致同意同化假说,并认为世界各地都是如此——一个主要来源,一种进化模式,放之四海而皆准,”吴新智掌握的古人类化石证据指向的却并非如此, “如果同化了,有很多现象则很难解释,比如铲形门齿,元谋人、北京人化石和已经在中国发现的所有的化石人上门牙,无一例外都是铲形门齿,今天拥有这一表征 的中国人大约有80%到90%,而非洲人中只有10%;按照10万年前的迁徙路线,如果非洲人在6万年前来到东亚,大部分取代当地居民,当地发掘的这个时 期以后的石器应该绝大部分属于第三模式。而令人不解的是,东亚发现的成百上千件石器都属于落后第三模式许多的、在中国一脉相承许多年的第一模式。人类怎么 会摒弃习惯使用的、相对先进的第三模式?”吴新智表示疑惑。“我认为是多地区、多模式,比如东亚可能是本地为主、外来为辅,欧洲是来自非洲为主、来自本地 的尼人为辅,澳洲是来自印尼为主、来自其他地区为辅,不同地区的演化模式并不相同。”

        对于多地连续进化学说,还存在一种质疑:人的表征 差异是人类在不同环境压力下经历自然选择的结果,新的变异慢慢增多。按照这个思路,从200万年前走出非洲算起,人类的差异似乎应越来越大,而从基因上来 看现代人的差异很小,而且如果多地分别进化,怎么可能进化的速度完全一样?

        “从人类形态来看,非洲人也罢、欧洲人也罢,肤色差异明显, 但骨头结构差异很小,”吴新智认为,这是基因交流的结果,而不是许多人所说的基因分化时间不长所致。“化石显现的各地形态之间的差别相较今天尤甚,比如 40万年前的北京猿人与同时期的欧洲直立人差别很大。怎么解释呢?古人类学者认为,只有各地区人群间互相隔离才会导致彼此间渐行渐远,而古人类和古文化的 资料反映的实际情况并非隔离而是各地人群常有迁徙,交往和接触,这就会交换彼此的基因,久而久之彼此的基因库自然会越来越接近。我预测,随着基因交流的延 续,未来人们的差别将更小,也许几万年后肤色等外部特征的差别都将消失。”

        至于分别进化是否会有快慢,吴新智认为人类在具体部位的进化 速度确实存在快慢,比如眉脊、毛发量在不同人群中会有差异,但总体上来讲,进化速度是一样的,“如果不一样,就不能杂交。”2004年,东非出土的“长者 智人”头骨是目前所发现的最古老的智人化石。这一重大发现与分子生物学的预测结果比较吻合,为现代人的“非洲起源说”提供了有力证据。而在吴新智看来,这 些头骨更符合他们的想法:“这些头骨并不是跟现代人完全一样,有如一个拼盘,杂糅了古老的特征与现代人的特征,他们的不同表征证明了现代人的特征不是一下 子出现,而是一个接一个在不同时间出现,伴随古老的迹象消失,现代的迹象出现。”

        并不是所有的遗传学家都认可现代人的基因组主体来自非 洲这一观点。多地进化学说得到了中南大学医学遗传学国家重点实验室的基因研究支持。实验室教授黄石所带领的团队通过多年研究提出的新理论,甚至挑战了分子 进化遗传学主流的研究基础。在今年出版的《21世纪中国人类学的发展》一书里,黄石重申实验室6年前提出的这套理论——“遗传多样性上限理论”。他认为该 理论将改写物种亲缘关系树及群体遗传学,能为人类进化中的种种现象做一个正确解释。

        “我们与非洲起源说依赖的主流分子进化遗传理论系 统,在基本出发点或前提假设上就有分歧。”上世纪60年代初整个分子进化遗传学开始发展,发现了遗传等距离现象和对该现象的解读“分子进化钟”——“分子 进化速率在不同种系中恒定”,这一解读在最近一系列文章中被黄石课题组证明是片面的。黄石认为,今天主流的分子进化中性学说是在半个世纪前测算一两个蛋白 质序列的基础上片面推断而出,而“遗传多样性上限理论”依靠的是近半世纪积累的天文数字的基因序列,并吸收了主流学说的正确内容。“分子进化领域的第一个 也是最重要的现象,即遗传等距离现象,在当时超前了人的认知能力,主流学说对它的解读是一种就事论事的理论系统。比如分子钟就是用一个不确定的东西去解释 另一个令人疑惑的现象,这条路的漏洞以及等距离现象的正确解读,只是在几年前才被认识到。”黄石认为,分子钟仅有有限的局部存在,而并非普遍现象。

        “遗传多样性上限理论”包含一个建造学公理:一个系统表型越复杂、有序、精密,其材料容忍误差的范围越小。这条逻辑在生物系统研究中同样适用——对于生 物,其材料就是DNA基因组,其误差范围就是由随机突变造成的遗传变异多样性。同理可证,生物可容忍遗传多样性一定会有限度。这类可容忍的有限变异可提供 适应能力,可在不同的环境下对物种的功能或生存造成有利、有害或中性的影响,而超出可容忍范围的变异则会导致疾病和死亡。黄石举例,越是简单的生物,其基 因组平均变异范围越大,比如黑猩猩可以容忍的变异范围就是人类的2倍。“经过上百万年的演化,人类基因组中大部分序列的变异已经处在一个上限的均衡状态, 这意味着变异水平并不会随着时间继续增加。”遗传多样性上限理论明确区分了大小两种进化过程,认为大进化中物种复杂性的增高必然伴随着遗传多样性上限的降 低,主流进化理论的正确内容只是针对还未到极限的变异,只适用于没有复杂性改变的小进化。

        所有用基因解读人类进化过程的理论和方法,都 离不开两类数据,一个是遗传变异的多少;一个是遗传变异的速度。黄石说,在“遗传多样性上限理论”中,每人平均携带大概300万个碱基变异这一事实,反映 的是一个极限平衡水平。而在主流学说里,因为没有极限这一概念,基因变异水平永远是线性增长的,因此认为可以用基因组平均变异水平倒推出人类进化的历史时 间。主流学说随机挑选基因片段或是取平均值的做法,实质是用了不该用的无意义的序列,有点像盲人摸象,测出来的结果必然会有差异和矛盾。“大量数据一致显 示,现代人的基因组中只有很小一部分序列符合线性距离条件,而大部分(几乎全部基因组)都已经达到了极限距离。这种倒推式的计算因而只能依据特殊挑选的有 相关意义的序列(informativeDNA)来完成。”如何检测,黄石介绍,人类的基因组有快变与慢变之分。人体内98%是快变的非编码序列,可以帮 助人类适应环境的快速改变,快变DNA经过长时间的进化和自然选择,今天几乎都已达到极限变异水平,任一快变DNA位点都在过去发生过多次的重复突变。相 反,维持内部稳定性的慢变DNA需要足够长的时间才会发生一次变异,因此还具有相当多还未发生过突变的中性位点。他认为,只有慢变DNA才最接近无限多位 点这一大家都认同的前提假设。通过这种方式做人猿进化上的分离时间,能够得到符合常识和形态学的结果,也符合化石记录。“自然界是统一的,无论是从哪种角 度,科学研究的所有结果应该是一致的。如果用来追溯的基因序列用错了,就必然会与其它独立研究的结果相矛盾,如无法解释多地发现的化石证据,”黄石表示, “做此研究前,并没有一个设定的方向,而最终做出的结果与多地进化学说基本一致,彰显了自然界的规律性以及基因和表型的紧密相关性。目前这一学说尚未收到 反证。”

    黄石也通过“遗传多样性上限理论”解释了人类遗传差异小的原因,“因结果是用基因组平均值算的,涉及的序列绝大部分是快变序 列,这些序列已达变异上限。不同人可容忍变异的位点基本一样,当几乎所有可变的位点都在不同人中独立发生过变异时,即到了上限时,必然导致不同人群有很多 一样的变异。”

        黄石的这一新说尚有待国内外学术界的评议。而在宿兵看来,这并不是一个新的理论,这个问题在分子进化和分子钟学说中已经 有过很多讨论。“人类基因组中不同类型的遗传变异确实有不同的突变速率,如线粒体DNA的突变速率是核基因组基因的5-10倍,且核基因组中的不同基因由 于其功能重要性的差异,所受到的自然选择压力也不同,因而在我们观察到的变异速率上也有差异。因此,如果采用变异速率差别很大的基因来推断共同祖先的年代 就会看到非常不同的结果。但是,这并不意味着对非洲起源说的否定,因为这样估算的年代是基因的共祖时间,并不能反映物种的共祖时间。目前,采用全基因组所 有基因的序列数据估算的现代人的共祖时间仍然和非洲起源假说一致。”宿兵进一步阐释,非洲起源假说的另外一个重要的遗传学证据并不基于时间,而是看“没有 重组的基因组片段”(如Y染色体和线粒体基因组)的单倍型在人群中的分布。目前的证据表明,所有的Y染色体和线粒体DNA的祖先单倍型仅在非洲群体中存 在,而非洲以外其他所有群体的单倍型都是衍生型的,其祖先均来自非洲。

        “任何方法、技术手段都有其局限性,并不能解决所有问题,”在介 绍现代人起源经过时,徐文堪说了这么一句。在众多学者看来,人类起源的话题背负万年的发展轨迹,一些古代新人种的发现也加重了人类起源研究当中的复杂度。 如徐文堪所说,“世界各个地方的现代人形成过程比原来设想得要复杂得多,各个地方环境不一样、情况不同,其间有很多曲折的过程。”但随着技术的进步、更多 化石的发现以及跨学科研究的发展,将来,基因与化石或许会一起告诉我们答案。记者在宿兵的话中看到了这一迹象,“最近兴起的对化石标本中古DNA的分析综 合了遗传学和古人类学研究方法的优点,可以提供大量的直接证据,也是目前国内外研究人类起源和迁徙的热点。”


    原文链接:http://whb.news365.com.cn/sxrw/201411/t20141121_1452454.html

       
       
       
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