克利夫蘭自然歷史博物館中，現(xiàn)代人（左）與尼安德特人（右）顱骨對比。
圖源：hairymuseummatt/Wikimedia Commons
- 引 言 -
世界上現(xiàn)存的人類都屬于智人（Homo sapiens），但在我們智人的體內(nèi)里，還有著直系祖先之外的其他古人類基因。
撰文丨何紓宇
責編丨戴 威
1980年，考古學家默克·莫爾茲（Mirko Malez）和同事們在克羅地亞的溫迪加洞穴（Vindija Cave）中發(fā)現(xiàn)了一批骨骼化石。這些化石大部分屬于古人類的一支——尼安德特人。尼安德特人的化石痕跡最早于1856年發(fā)現(xiàn)于德國尼安德河谷，該類群也因此得名。在外形特征上，尼安德特人可能相對現(xiàn)代人更加矮壯，有更寬的桶型肋骨和骨盆，以及較短的前肢比例。這些結(jié)論是根據(jù)考古發(fā)掘中相對完整的化石證據(jù)重構(gòu)和推測得出的。而在1980年發(fā)掘出的化石樣品中，有些較小或殘缺，從形態(tài)學上看并沒有明顯的研究價值，在編號之后便被保存起來。莫爾茲也許并未想到，這些不起眼的骨骼殘片會在未來引出一個重大發(fā)現(xiàn)。
圖1. 用于提取尼安德特人基因組的化石樣品及其來源地。圖源：Green et al. 2010
整整三十年后，進化遺傳學家斯萬特·帕博（Svante P??bo）利用飛速發(fā)展的分子生物學技術(shù)，成功從其中三件化石里提取出了屬于尼安德特人的DNA信息，并利用這些信息拼出了尼安德特人基因組草圖。由化石得到古人類的全基因組序列，在世界上尚屬首次。一幅人類演化的宏偉圖景，也由此在我們面前緩緩展開。通過對比尼安德特人和現(xiàn)代人的基因組，研究者有一個驚人的發(fā)現(xiàn)：有約1.3-2.7%來自尼安德特人的祖源基因片段（ancestry），像遠古幽靈一般，沉睡在非洲以外的現(xiàn)代人（non-African）的基因組中。研究者認為，現(xiàn)代人基因組中的這些片段，來自古人類的基因滲入（introgression）。基因滲入：對傳統(tǒng)物種概念的挑戰(zhàn)
自小，我們便從生物課本上學到了對于物種的傳統(tǒng)定義：同一物種的個體能交配并產(chǎn)生可育后代，不同物種間則不然。那么在這種定義下，演化像是一顆樹，而物種形成像是一個主干生長出兩個分支，分支之間從此再無交流。但在真實的自然中，物種之間的生殖隔離并非一蹴而就。事實上，有很多例子證明，即使因為自然隔離而產(chǎn)生了明顯的形態(tài)分化，不同 “物種” 之間仍可能發(fā)生交配，并產(chǎn)生持續(xù)可育的后代個體。袖蝶屬（Heliconius）或狒狒屬（Papio）的下屬物種，都是這種現(xiàn)象的典型例子。圖2. 狒狒屬的六個種分布在非洲的不同區(qū)域，形態(tài)迥異，但在接觸區(qū)均可發(fā)生雜交。圖源：Rogers J, et al. 2019
因此，物種的形成與其說是一刀兩斷，不如說是一個流動變化的過程。與其將其比喻成一棵樹，物種的演化更像一個復雜的水系網(wǎng)，干流分為支流，而支流彼此分離之后，仍可能借由個體的交配而發(fā)生微小的基因流動，使得一個物種的部分基因進入另一個物種的基因庫。在遺傳學上，這個過程被形象的稱為 “基因混合”（admixture）或 “基因滲入”。
讀到這里，讀者或許會有一個問題—— 我們無法得知人類演化過程中發(fā)生的具體事件，只能看到演化的結(jié)果，即基因組中存在相似片段；而古人類與現(xiàn)代人類起源于共同祖先。如何判斷這些片段是來自分化后期的基因滲入，還是在共同祖先中已經(jīng)存在，被后代分別繼承呢？一個簡單的方法是分析這些相似片段的長度。在生物繁殖過程中，染色體會在減數(shù)分裂中發(fā)生同源重組。每一次重組，都可能使外源片段被打散為更小的碎片。重組速率是相對恒定的，因此片段在基因組中存在時間越久，其碎片的平均長度就會趨向于越短。圖3. 在基因滲入（左）與基因繼承自祖先(右)兩種情況中，相似基因片段的長度存在差異圖源：Racimo F et al. 2015
基因滲入也可以從基因組的層面檢測。我們已經(jīng)知道現(xiàn)代人與尼安德特人的分化在前，現(xiàn)代人中非洲人與非非洲人的分化在后。我們可以把現(xiàn)代人中的這兩個類群看作一對內(nèi)群（ingroup），而將尼安德特人看作與二者親緣關(guān)系更遠的外群（outgroup）。假設(shè)沒有基因滲入發(fā)生，這一對內(nèi)群與外群的遺傳距離應該是相等的—— 即這兩群現(xiàn)代人與尼安德特人間的遺傳差異是差不多的。但如果外群發(fā)生基因滲入，就會打破這種平衡，使得外群離某個內(nèi)群的遺傳距離更近。通過檢測，帕博等研究組最終排除了祖源片段來自共同祖先的可能。研究者們推斷，在漫長的演化過程中，我們的祖先曾經(jīng)與尼安德特人在某一個時空交匯。
如前所述，滲入的基因來自一個與現(xiàn)代人祖先有一定分化的群體。這些陌生的外來基因?qū)τ谌祟愖嫦鹊纳?，到底是有利、有害，還是沒有影響呢？通過分析作用在這些基因上的自然選擇，研究者發(fā)現(xiàn)答案并非唯一。有些基因經(jīng)歷了負純化選擇，暗示它們對個體的生存不利，傾向于被自然選擇篩除。這可能是因為尼安德特人的有效種群數(shù)較小，積累了更多的遺傳負荷。但也有些來源于古人類的基因成為了智人的寶藏。在現(xiàn)代人祖先到達歐洲之前，尼安德特人便已在歐洲大陸生活了數(shù)十萬年，他們的免疫系統(tǒng)逐漸適應當?shù)丨h(huán)境。而從基因組分析看，部分現(xiàn)代人的STAT2基因（一個與天然免疫相關(guān)的基因），正是來自尼安德特人。他們通過基因滲入，在初來乍到之時 ‘借’ 來了原住民對當?shù)夭≡w的抵抗能力，從而更好的生活了下去。無獨有偶，西藏地區(qū)人群中存在一個高頻出現(xiàn)的EPAS1基因，與應對高原缺氧有關(guān)，而這個基因被認為來自另一個與現(xiàn)代人同時生活過的古人類類群——丹尼索瓦人。
沒有物種是一座孤島。當我們的祖先在大陸上四處游蕩時，不同的古人類類群曾經(jīng)與他們相遇，并讓基因悄然滲入我們的基因庫中，被時間淘洗，最終沉淀為基因組中幽靈般的片段，靜靜記述著那段歷史，等待被后人發(fā)現(xiàn)。參考文獻
[1] Green, Richard E. et al.,.” A draft sequence of the neandertal genome. ”Science，(2010):710-722.[2] Racimo F, Sankararaman S, Nielsen R et al., “Evidence for archaic adaptive introgression in humans.” Nature Reviews Genetics, 16(6), (2015): 359–371.[3] Rogers J, Raveendran M, Harris R A et al., ”The comparative genomics and complex population history of Papio baboons.” Science Advances, 5(1), (2019):eaau6947 .[4] Tung J, Barreiro L B, “The contribution of admixture to primate evolution.” Current Opinion in Genetics and Development, 47,(2017) :61–68.
