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(duì)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(zé)編丨戴 威
1980年，考古學(xué)家默克·莫爾茲（Mirko Malez）和同事們?cè)诳肆_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(guó)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(duì)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(duì)完整的化石證據(jù)重構(gòu)和推測(cè)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(xué)上看并沒(méi)有明顯的研究?jī)r(jià)值，在編號(hào)之后便被保存起來(lái)。莫爾茲也許并未想到，這些不起眼的骨骼殘片會(huì)在未來(lái)引出一個(gè)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(lái)源地。圖源：Green et al. 2010
整整三十年后，進(jìn)化遺傳學(xué)家斯萬(wàn)特·帕博（Svante P??bo）利用飛速發(fā)展的分子生物學(xué)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(guò)對(duì)比尼安德特人和現(xiàn)代人的基因組，研究者有一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：有約1.3-2.7%來(lái)自尼安德特人的祖源基因片段（ancestry），像遠(yuǎn)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(rèn)為，現(xiàn)代人基因組中的這些片段，來(lái)自古人類的基因滲入（introgression）。基因滲入：對(duì)傳統(tǒng)物種概念的挑戰(zhàn)
自小，我們便從生物課本上學(xué)到了對(duì)于物種的傳統(tǒng)定義：同一物種的個(gè)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(gè)主干生長(zhǎng)出兩個(gè)分支，分支之間從此再無(wú)交流。但在真實(shí)的自然中，物種之間的生殖隔離并非一蹴而就。事實(shí)上，有很多例子證明，即使因?yàn)樽匀桓綦x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(gè)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(gè)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(shuō)是一刀兩斷，不如說(shuō)是一個(gè)流動(dòng)變化的過(guò)程。與其將其比喻成一棵樹，物種的演化更像一個(gè)復(fù)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(gè)體的交配而發(fā)生微小的基因流動(dòng)，使得一個(gè)物種的部分基因進(jìn)入另一個(gè)物種的基因庫(kù)。在遺傳學(xué)上，這個(gè)過(guò)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(huì)有一個(gè)問(wèn)題—— 我們無(wú)法得知人類演化過(guò)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(lái)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(gè)簡(jiǎn)單的方法是分析這些相似片段的長(zhǎng)度。在生物繁殖過(guò)程中，染色體會(huì)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(duì)恒定的，因此片段在基因組中存在時(shí)間越久，其碎片的平均長(zhǎng)度就會(huì)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(zhǎng)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(cè)。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(gè)類群看作一對(duì)內(nèi)群（ingroup），而將尼安德特人看作與二者親緣關(guān)系更遠(yuǎn)的外群（outgroup）。假設(shè)沒(méi)有基因滲入發(fā)生，這一對(duì)內(nèi)群與外群的遺傳距離應(yīng)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(huì)打破這種平衡，使得外群離某個(gè)內(nèi)群的遺傳距離更近。通過(guò)檢測(cè)，帕博等研究組最終排除了祖源片段來(lái)自共同祖先的可能。研究者們推斷，在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中，我們的祖先曾經(jīng)與尼安德特人在某一個(gè)時(shí)空交匯。
如前所述，滲入的基因來(lái)自一個(gè)與現(xiàn)代人祖先有一定分化的群體。這些陌生的外來(lái)基因?qū)τ谌祟愖嫦鹊纳妫降资怯欣?、有害，還是沒(méi)有影響呢？通過(guò)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(fù)純化選擇，暗示它們對(duì)個(gè)體的生存不利，傾向于被自然選擇篩除。這可能是因?yàn)槟岚驳绿厝说挠行ХN群數(shù)較小，積累了更多的遺傳負(fù)荷。但也有些來(lái)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(dá)歐洲之前，尼安德特人便已在歐洲大陸生活了數(shù)十萬(wàn)年，他們的免疫系統(tǒng)逐漸適應(yīng)當(dāng)?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(gè)與天然免疫相關(guān)的基因），正是來(lái)自尼安德特人。他們通過(guò)基因滲入，在初來(lái)乍到之時(shí) ‘借’ 來(lái)了原住民對(duì)當(dāng)?shù)夭≡w的抵抗能力，從而更好的生活了下去。無(wú)獨(dú)有偶，西藏地區(qū)人群中存在一個(gè)高頻出現(xiàn)的EPAS1基因，與應(yīng)對(duì)高原缺氧有關(guān)，而這個(gè)基因被認(rèn)為來(lái)自另一個(gè)與現(xiàn)代人同時(shí)生活過(guò)的古人類類群——丹尼索瓦人。
沒(méi)有物種是一座孤島。當(dāng)我們的祖先在大陸上四處游蕩時(shí)，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(kù)中，被時(shí)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(xiàn)
[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.
