[轉貼]現代人身世之謎：DNA記錄人類遷徙路線
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我們來自何處？為了解答這個千古謎題，科學家不僅在古人類的骨骼化石上尋找證據，還動用了遺傳分析技術。從人類的基因組中，科學家或許可以找到這個問題的答案。五六萬年前的這群人，為什麼要離開位於非洲東部的家鄉？確切原因至今仍是一個謎，可能因為氣候發生變化，或者曾經豐富的貝殼類食物的數量突然銳減，才迫使他們向其他大陸遷移。不過有一點是肯定的：這批最早離開非洲的早期人類，已具有現代人的體質和行為特徵——較大的腦容量和較強的語言交流能力。抵達亞洲大陸後（登陸點是今天的葉門），現代人類的先祖們在此後上萬年的時間裡，繼續向其他大陸進發，直至來到位於南美洲最南端的火地島（Tierra del Fuego），才停下了腳步。對人類的起源，科學家已從人類骨骼化石中有所了解，但祖先們遺留下來的實物太少，很難據此描繪出那段遙遠歷史的全景圖。過去20 年間，人類遺傳學家利用DNA 分析法，尋找早期人類遷移的證據，以填補古人類學的空白。對所有人而言， 細胞內的DNA 有99.9％都是相同的，但就是這不同的0.1％，致使個體間的體質特徵出現極大的差異。如果比較東非人與美洲土著人的DNA，科學家能從中得到人類世系，以及不同族群在各個大陸間遷徙的重要線索。遺傳學家以前認為，只有父親傳遞給兒子，或者母親遺傳給孩子的DNA，才具有化石般的研究價值，但最新研究改變了他們的看法，也讓他們的關注點，從少部分DNA 片段擴大到整個人類基因組中的數萬個核苷酸。通過對人類基因組的研究，科學家提出了一些早期人類的遷移路徑，其中一些在最近幾個月才發表出來。這些研究進一步證實，現代人類起源於非洲。這也讓人們認識到，遺傳多樣性是如何從非洲大陸發源，並擴散到世界其他地方的。如果把人類世系看作一棵「進化樹」，「樹根」就是非洲原著民桑人（San people），最新長出的「樹枝」則是南美洲的印第安人和太平洋島上的居民。對人類遺傳變異的研究，最早可以追溯到第一次世界大戰。當時，兩名在希臘塞薩洛尼基工作的醫生髮現，駐守該城士兵的血型為某種特定血型的概率，與他們的國籍有很大的關係。由於蛋白質差異可以反映相應基因的變化，因此，從上世紀50 年代開始，義大利人類遺傳學家路易吉·盧卡·卡瓦利－斯福扎（Luigi Luca Cavalli-Sforza）通過檢查血型蛋白來規範不同人群間的遺傳差異研究。1987 年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的麗貝卡·L·卡恩（Rebecca L. Cann）和艾倫·C·威爾遜（Allan C. Wilson）基於線粒體DNA 的分析結果，發表了一篇震驚世界的論文：兩位科學家在論文中指出，由於線粒體DNA 只會由母親遺傳給後代，他們經過研究發現，所有人的祖先都可追蹤到一位生活在距今20 萬年前的非洲女性身上。全球各大媒體爭相報道這一重大發現，並聲稱現代人類的祖先就是那位「非洲夏娃」（這裡說的「夏娃」並非《聖經》中的夏娃，她不是人類歷史上的首位女性，而是指現有人類都是她的後代）。
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線粒體DNA 和Y 染色體已成為科學家研究人類起源的重要工具，通過比較不同地區的人的DNA，科學家就可以追蹤早期人類的遷移路線。由於會發生快速、頻率可預測的中性突變（對生物體既沒好處也沒壞處），科學家把線粒體視作「分子鐘」。通過計算兩個族群間線粒體DNA 突變的次數差（就好比時鐘轉動時的滴答聲），科學家可以構建一棵進化樹，追蹤到兩個族群的共同祖先——「夏娃」或創立了新世系的其他女性。只要比較不同地區的人類世系的存在時間，我們就能獲知早期人類向全球遷移的一些關鍵時間點。1987 年，人類遺傳多樣性資料庫開始擴容，將Y 染色體上的遺傳數據也囊括進來。Y 染色體屬於性染色體，只會由父親傳給兒子。這條染色體攜帶的核苷酸數量，遠高於線粒體DNA（Y 染色體由數千萬核苷酸組成，而線粒體DNA 只有1.6 萬個核苷酸），因而研究人員擁有更多的數據來區分不同的人類族群。在分析線粒體和Y 染色體DNA 的過程中，科學家已發現了數百個遺傳標記（含有可識別的、僅為某個族群所特有的遺傳突變的DNA 位點）。幾萬年前人類從非洲走向美洲的路徑，如今我們可以在地圖上進行標記。如果把當時的人類比作旅行者，他們的遷移過程，就像在一系列相互交聯的線路上移動，只是速度非常緩慢。在這裡，我們利用字母和數字，為這些線路編號，比如I95（相當於DNA 上的遺傳標記，因為在某一特定線路上，當地人都擁有共同的遺傳標記）。以Y 染色體為例，早期人類通過M168 線路（即遺傳標記）穿越曼德海峽後，向北遷移，通過阿拉伯半島時，M168 就變成了M89。此時，如果右轉，向美索不達米亞（即兩河流域）進發，遺傳標記就變成M9。到達印度興都庫什山脈的北部區域，如果左轉就踏上了M45 線路。在西伯利亞，沿著M242 線路一直向前走，就會到達美國阿拉斯加州。如果繼續向前，就是M3 線路，通往南美洲。線粒體DNA 和Y 染色體都是強大的分析工具。2005 年， 美國國家地理學會、IBM 和韋特家庭基金會（Waitt Family Foundation）共同出資4,000 萬美元，資助了一個龐大的合作研究項目——基因地理計劃（Genographic Project）。全球共有10 個研究機構參與了這項研究，他們的目標，是到2010 年，在全球範圍內收集10 萬人的DNA。這項計劃的負責人斯賓塞·威爾斯（Spencer Wells）說：「我們關注的焦點，是早期人類從非洲向外遷移的具體細節。」在最近的一篇報道中，該項目的科學家發現，在遺傳上，非洲南部的克瓦桑語族人（Khoisan）在10 萬年與其他非洲人還是相互獨立的。在該計劃的另一項研究中，科學家發現，黎巴嫩人基因庫中的一些基因，可以追溯到參加十字軍的基督教信徒和阿拉伯半島的穆斯林信徒。
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近十幾年，科學家分析了大量的DNA，為現代人類的「非洲起源說」提供了證據：一小群人從非洲大陸走出，到一個新的地域生活、繁衍後代，後來這群早期人類的一個分支與「母體」脫離，向其他地方遷移……遺傳學家已在早期人類可能的遷移路徑周圍，採集了很多人的DNA 樣本。不過，有時看起來很「肯定」的數據卻帶有欺騙性，因此科學家更喜歡能拿在手中觀察的化石，而不是人類進化樹。放射性同位素能客觀地測定化石年代，但DNA 突變的頻率卻會因為不同的片段而出現波動。古人類學家正處於兩難的尷尬境地。古老的人類化石不僅稀少，而且經常是不完整的。根據線粒體DNA 和Y 染色體分析的結果，最早的人類遷移路徑是從非洲到澳大利亞，但遺憾的是，在這條線路上，考古學家一直未能發現實物證據。如何擺脫這種兩難局面？從更多的地方，採集更多的DNA。為了得到支持遺傳分析的證據，科學家開始把目光瞄向與人類相伴而生的生物：細菌、病毒甚至虱子，他們希望能從這些生物的基因中，發現人類遷移的痕迹。此外，人類基因組計劃以及其他基因組研究，催生了一批強大的分析工具，能有效彌補現有遺傳分析方法的不足。美國加利福尼亞大學戴維斯分校的人類學教授蒂姆·韋弗（Tim Weaver）說：「你能從來源於不同的人、甚至不同族群的基因組中，發現很多不同之處，為一些假說提供強有力的數據支持。」十幾年來，科學家通過同步分析分散在基因組中的多個變異位點，得到了很多重大發現。20 世紀末，世界首項全基因組研究主要關注不同族群間的短重複DNA 序列（即微衛星序列，microsatellite）的差異，但最近幾年，這項研究的關注範圍已擴大不少。今年2 月，兩個研究小組分別在《自然》和《科學》上發表文章，報道了迄今為止規模最大的人類遺傳多樣性分析。他們均分析了50 多萬個單核苷酸多態性位點（single nucleotide polymorphisms， 簡寫為SNPs，是指在DNA 的特定位點上，一個核苷酸與另一個發生交換）。提供DNA 樣本的細胞採集自大約1000 人（分別來自全球範圍內的51 個族群），目前保存在法國巴黎的人類多樣性研究中心。在分析數據時，兩個研究小組採用了多種方法：不僅直接比較了不同族群的SNP，還檢查了單倍體型（haplotype，含有大量的、在世代間完整遺傳的SNP 的 DNA 片段）。在《自然》上發表文章的研究小組，採用了一項新的技術來分析人類遺傳變異：比較人類基因組中長達10 萬個核苷酸的DNA重複或缺失片段，以發掘更多的遺傳變異標記。這篇文章的第一作者，美國密歇根大學安阿伯分校的諾亞·A·羅森伯格（Noah A.Rosenberg）說：「基因組的每個片段都能反映一段歷史。儘管從整體來看，每段歷史都不能完整體現人類基因組的變化過程，但綜合分析成千上萬個遺傳標記，就有可能完整再現人類遷移的歷史。」通過分析大量的SNP，科學家可以確定某個族群的「身份」，也可以弄清楚在遺傳上具有親緣關係的族群是如何擴散的。南美洲土著人的祖先可以追溯到西伯利亞人和某些亞洲人；中國的漢族人分為南方人和北方人；貝都因人（Bedouin，阿拉伯的游牧民族）則與歐洲、巴基斯坦、中東人有著親緣關係。與人類學家、考古學家、語言學家和生物學家的研究成果一樣，上述發現也為現代人類的「非洲起源說」提供了證據：一小群人從非洲大陸走出，到一個新的地域生活、繁衍後代，後來這群早期人類的一個分支與「母體」脫離，向其他地方遷移……這個過程會不斷重複，直到形成了今天這樣的世界格局。每到一個地方，「遷移者」就會取代當地的古人類，比如尼安德特人（Homo neanderthalensis，也叫穴居人）或直立人（Homo erectus），但很少甚至不會與他們交配、繁殖後代。最新的DNA 研究證明，每個分支與「母體」脫離時，都只會攜帶一部分遺傳多樣性，因此遷移路徑離非洲越遠，遺傳多樣性就越低。這就是說，根據遺傳多樣性的變化，科學家可以找出早期人類的遷移路徑。土著美洲人是最後一批遷移者，因而他們的遺傳多樣性要比非洲人低得多。很多科學家都認為，大量統計學數據的出現，似乎可以為關於人類起源的長期爭論畫上句號。與非洲起源學說相對立的多地區起源學說認為，現代人是直立人等古人類的後裔，在過去180 萬年里，這些直立人在非洲、歐洲和亞洲分別進化了現代人。而在不同種群間偶爾發生的交配，避免了某些種群進化成獨立的物種。今天，已經很少有科學家仍然堅持嚴格意義上的多地區起源假說，不過有人提出了這個理論的「改良版本」。最近幾年，在美國猶他大學的亨利·C·哈本丁（Henry C.Harpending）和阿蘭·A·羅傑斯（Alan R.Rogers）的幫助下，印度理工學院的維納雅克·埃斯瓦蘭（Vinayak Eswaran）提出，早期人類走出非洲後，與其他地區的古人類進行交配、繁殖後代，因此在現代人類的基因組中，80％都受到了這種交配的影響。即使我們的祖先與其他古人類有過交配行為，科學家也未必能觀察到由此產生的遺傳印記。哈本丁認為，這是因為非洲祖先攜帶了一些優勢基因，它們會參與繁殖過程，賦予人類某種生存優勢，而其他古人類基因的作用，被祖先的優勢基因屏蔽了。哈本丁說：「表面上看，現代人類與非洲祖先的親緣關係似乎更近一些，但實際情況並不一定如此。」認為現代人類可能是非洲祖先與其他古人類共同後代的科學家，並非只有埃斯瓦蘭和哈本丁。在一些智人的骨骼化石上，仍然保留著早期人類的某些特徵；現代人類的遺傳數據似乎也說明，我們的祖先與其他古人類的確有過交配行為 。在人體內，一些基因變異出現的時間，遠在20 萬年前——但現代人類起源的時間，也不過在10 幾萬年前。因此，這些古老的變異只可能來自更古老的人類，換句話說，我們的祖先可能與其他古人類交配過。2006年，美國芝加哥大學的布魯斯·T·拉恩（Bruce T. Lahn）的一項研究在科學界引起了很大的反響：他和同事發現，一個調控大腦容量的小腦症基因（Microcephalin gene）竟含有一個奇怪的單體型——它可能是在4 萬年前，尼安德特人與我們的祖先交配時，傳遞給後代的。這個發現將在6 個月後得到證實。德國馬普進化人類學研究所、美國454 生命科學公司共同發起了「尼安德特人基因組計劃」，這項計劃的目標是，在2008 年年底，完成對尼安德特人基因組（提取自4 萬年前的克羅埃西亞尼安德特人骨骼）70％的測序工作。研究人員估計，相關研究結果將在6 個月後公開發表。到目前為止，在尼安德特人與歐洲人祖先間，科學家並未發現DNA 轉移的遺傳標記。「尼安德特人基因組計劃」的首席科學家，德國馬普研究所的斯萬特·柏保（Svante Paabo）說：「我們的確沒有發現這方面的證據，但目前還不能排除尼安德特人與現代人類祖先有過交配行為的可能性。」前段時間，柏保曾在一篇文章中指出，對100 萬個核苷酸進行的分析表明，現代人類祖先的確與其他古人類發生過基因交換。遺憾的是，這一結論並未得到廣泛認可，因為柏保用於分析的樣品可能被污染了。其他科學家也沒有發現拉恩提到的小腦症基因的突變體。古DNA 研究對樣本的純凈度要求很高，對標本的觸摸乃至近距離呼吸都可能污染樣本。一些古人類學家到野外取樣時，為實現與樣品的隔離，一般要穿著無塵衣——這種服裝一般要在計算機晶元工廠才能見到。由於有一次樣品被污染的教訓，柏保對試驗方法做了一些改變。在每一段尼安德特人DNA 的開頭處，研究人員都連接了由4 個核苷酸構成的「標籤」。在測序前，每段DNA 必須經過「分子身份鑒定」，以防止樣本污染。不少研究表明， 尼安德特人與非洲祖先的基因組相似程度高達99.5％。因此，測定他們的DNA 序列，可以為比較基因組學研究提供極具價值的數據，讓科學家能在人類基因組中找出尼安德特人與非洲祖先的交配「痕迹」，以及自然選擇更「偏愛」哪些特性。柏保說：「如果你對人類進化感興趣，尼安德特人就是最獨特的物種，因為在親緣關係上，他們離我們是最近的。儘管在技術上有一定的難度，但我們至少能得到尼安德特人的基因組，而對於大部分古人類來說，要得到他們的基因組序列，難比登天。」最新一項研究表明（尚未公開發表），尼安德特人的Y 染色體與現代人類有較大差異。柏保說：「沒有人的Y 染色體像尼安德特人的那樣。」這一結果與早期的一項研究相呼應：尼安德特人與現代人類的線粒體DNA 也很不相同。不過在2007 年11 月，柏保和同事發現，尼安德特人與現代人也有一個相似之處：都有一個名為FOXP2 的基因。在人體，這個基因與語言發育有關。今年4 月，一篇報道曾指出，FOXP2 基因可能源於現代人祖先與尼安德特人的雜交。不過，這篇報道涉及的研究樣品是否受到污染還不得而知。目前，科學家仍在測定提取自早期人類骨骼的DNA 序列，以確定我們的祖先是否與其他古人類有過交配行為。與此同時，另一些科學家利用全基因組分析法分析人類DNA，研究早期人類在遷移並適應新住址的過程中，哪些特性會因為隨機突變和自然選擇而改變。今年2 月，一個研究小組在《自然》雜誌上發表文章指出，早期人類走出非洲，遺傳多樣性的確有所下降。該小組從20 位歐洲籍美國人以及15 位非洲籍美國人身上提取了DNA 樣品，並對比了4 萬個SNP。結果發現，與非洲籍美國人相比，歐洲籍美國人攜帶了更多的有害突變，而這些突變可能與某些疾病直接相關。卡洛斯·D·布斯塔曼特(Carlos D. Bustamante) 在研究歐洲人群時提出的「群體遺傳回聲」效應，或許可以解釋上述現象：最初進入歐洲時，非洲祖先的遺傳多樣性較低，一些有害突變廣泛分布於基因組中，當他們的後代增多，新的有害突變也隨之增多，而由於時間相對短促，自然選擇未能及時除去這些有害突變。那麼，自然選擇如何幫助現代人的祖先適應新的居住環境？基因組研究為我們提供了一幅全景圖。過去兩年，很多研究都在尋找出現於人類離開非洲之後，以及有助於人類適應新的生活環境的基因突變。國際人類基因組單體型圖（International HapMap）收錄了大量的單體型，並包含了390 萬個來自北美人（具有西北歐血統的）、奈及利亞、中國和日本人的SNP，因而在遺傳學家眼裡，基因組單體型圖是一個有待發掘的寶藏。哈本丁參與的一項研究顯示，大約在4 萬年前，DNA 變化的頻率和人類進化的速率突然加快了。由美國布羅德（Broad Institute）研究所的帕迪斯·C·薩貝蒂（Pardis C. Sabeti）領導的一項研究表明，人類基因組上的數百個區域仍在經歷自然選擇，比如調控抗病能力、皮膚顏色、毛囊發育的區域。這一發現說明，即便在今天，不同地區的人在面對不同的食物、病原體和陽光照射量（或時間）時，仍在進行適應性調整。而且，當環境變化時，非洲人的基因也在改變。最近，法國巴斯德研究所的路易斯·昆塔納－默齊（Lluis Quintana-Murci）在研究人類基因組單體型圖時發現，有580 個基因（包括與糖尿病、肥胖、高血壓相關的基因）正在經歷不同的自然選擇過程。這也許可以解釋，為什麼某些疾病的發病模式具有地理差異，也可以為新葯研發提供新的思路。人類遺傳多樣性是如何形成的？只研究不同種族的人的毛囊大小和對牛奶的消化能力還不行，科學家還必須要知道，哪些因素構成了種族和民族。如果一個與認知相關的基因廣泛存在於歐洲人體內，而只有少部分非洲人具有這樣的基因，這說明什麼問題？我們不能妄下結論，因為一個單獨的基因不能完全決定某種特性，深入理解遺傳學機制，也許能避免出現不準確的推測。隨著遺傳研究日漸深入，以及對不同人類世系的遺傳構成的詳盡了解，「亞洲人」或「美國人」這樣的術語可能被更精確的分類所代替，比如中國的漢族人就分為北方和南方世系。昆塔納－默齊說：「在我看來，世界上並沒有種族之分，只有地域限制。從遺傳學來說，不論是歐洲人還是亞洲人，愛爾蘭人還是日本人，都沒有非常明顯的差異。」對人類進化史的回顧，現在僅開了一個頭，科學家對數據和功能強大的計算工具的需求似乎沒有止境。不過，一個規模龐大的資料庫或許可解燃眉之急。今年1 月，一個國際聯盟在日本宣布成立，目標是從世界各地的族群中採集DNA 樣本，測定1000 個人類基因組序列。這項研究一旦完成，科學家將擁有足夠的數據，構建多個人類進化模型，並衡量每個模型的可靠性。持續而深入的研究，最終將完美解答一個古老的問題：我們是誰，來自何方？
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