基因能否證明我們的祖先都來自非洲

日期：2014-11-21 作者：劉力源 來源：文匯報

圖片說明:西伯利亞西部額爾齊斯河附近發現的4.5萬年前人類大腿骨

圖片說明:美國佛羅里達博物館展示的土著美洲人生活情景基因能否證明我們的祖先都來自非洲本報記者 劉力源對於人類自身的起源，人們一直懷有別樣熱情。隨著技術的進步，這種熱情從遙想變成現實的追逐。我們是從非洲跨越萬里而來，還是守著東亞的土地歷經上萬年繁衍生息，在學界一直存在爭議。從非洲起源說與多地進化學說的對峙，到今天討論我們的血脈里佔主導地位的基因是來自非洲還是本地，爭議也如生命體里的雙螺旋，纏繞「進化」，伴隨新發現的增多，或新起爭議，或做讓步，遠古時期的真相就在不同的聲音中逐漸逼近。今年10月23日，英國《自然》雜誌刊登了一篇文章，德國馬普學會的帕博（SvanteP覿覿bo）團隊，為2008年發現於西伯利亞西部額爾齊斯河附近的4.5萬年前人類大腿骨，做了全基因組測序，產生了迄今為止最古老的現代人基因組序列，其中發現2%的尼安德特人（一種與早期智人幾乎處於同時代的古人種，下簡稱「尼人」）成分，並推測出現代人祖先與尼人在距今五六萬年前就有過混血行為。11月6日，丹麥等國學者發表論文稱，對現在能夠確定的最早歐洲人（生活於3.6萬年前）遺骸化石做了DNA分析，研究顯示歐洲最早的居民在最近一個冰河時代的最大冰川期得以倖存。近年來，破解古老遺骸信息的速度在不斷加快，復旦大學文史研究院特聘研究員徐文堪對人類起源極有興趣，用他的話來說，「只要關注，幾乎每天都有新發現。」對於人類自身的起源，人們一直懷有別樣熱情。隨著技術的進步，這種熱情從遙想變成現實的追逐。我們是從非洲跨越萬里而來，還是守著東亞的土地歷經上萬年繁衍生息，在學界一直存在爭議。從非洲起源說與多地進化學說的對峙，到今天討論我們的血脈里佔主導地位的基因是來自非洲還是本地，爭議也如生命體里的雙螺旋，纏繞「進化」，伴隨新發現的增多，或新起爭議，或做讓步，遠古時期的真相就在不同的聲音中逐漸逼近。大約200萬年前，直立人走出非洲，擴散到世界各地。對於這樣一個人類演化史的開頭，非洲起源說與多地進化學說都無爭議。非洲出土的化石說明了一切：查德和肯亞發現了最早的古人類化石，其追溯到的年份，其他大陸無一能及；從撒海爾人查德種、原初人土根種、地猿、南方古猿、能人、直立人、早期智人到晚期智人的人類演化階段，只有非洲能找到最為完整的考古依據。10萬年前，又一批人走出非洲。爭論的分歧由此產生。在「近期出自非洲說」里，這批人被認定為現代人的祖先。而現代人多地區起源模型認為直立人走出非洲，並向其他地方擴散，因地域不同造成不同分化並附帶一定程度的遷徙和雜交，形成了分布在各個地區的現代人。1987年提出的「夏娃假說」是近期出自非洲說的起點，也是其重要依據。當年，威爾遜（A.C.Wilson）等美國科學家發表論文，比較了全世界各地女性的線粒體DNA，即mtDNA，發現非洲裔女性的線粒體多樣性要比其他族裔女性高，據此提出現代人起源於非洲的假設。mtDNA只能追溯女性的起源，到了2000年左右，遺傳學家又採用Y染色體從父系視角進行追溯，提出「亞當假說」。「幾乎所有過去20多年遺傳學研究的證據都支持現代人非洲起源的假說。DNA的特點是代代相傳，沒有間隔或斷裂；並且，DNA複製的錯誤率，即基因突變的速率是基本恆定的，這是利用分子鐘進行年代推斷的根據，」中國科學院昆明動物研究所研究員宿兵介紹，他主要從事靈長類大腦演化的遺傳學機制、人和非靈長類物種中基因的適應性選擇以及東亞現代人的起源和遷徙研究。雲南大學人類遺傳學研究中心主任肖春傑非常看重基因在人類起源研究中的作用，他曾在論文《從遺傳學角度探討中華民族的源和流》中寫道，「基因是人體細胞內的DNA序列片段，它穩定地代代相傳，並以一定的頻率發生變化，研究基因主要是通過對基因的產物（蛋白質、酶）進行分析，得出某一人群在某一個基因座上各種類型的頻率。」在肖春傑看來，基因作為證據更為可靠，因為其他事物變化太大，「比如語言文字、社會習俗都會隨著社會的變革而產生很多的變化，人類唯一無法改變的就是基因。基因數據不受環境、社會、戰爭影響而發生很大的變化，基因雖會變異，但其是按照分子鐘經過一定的時間發生變異，並不因環境而調整時間間隔。」他還提到遺傳學的一種統計分析方法可以畫出「系統進化樹」，人與人之間的親緣關係能根據基因型的頻率計算出來，比如一處分支大概要多少年，最終可以畫出進化樹的根部，這個根部就是在非洲。古人類學家對遺傳學家的研究方法卻抱有疑慮：遺傳學家認為今天的非洲人基因更為豐富，其意味著變異多，傳的代數多，存在的時間更長。現在的技術手段是靠活人DNA變異程度往上推測出群體的歷史，檢測多了，出現的結果卻不一致，原因之一就是突變速率被認為是恆定的。這個速率由500萬年前人類與猿猴分開進化得出，將這樣一個「恆定」速率代入公式中算出現代人的起源時間，在古人類學家看來並不嚴謹。「就好比生活於4.5萬年前的古西伯利亞人，檢測其正染色體、Y染色體、線粒體得出的突變速率是不一樣的。所以，假定突變速率恆定有一定問題，」古人類學家、中科院院士吳新智是多地進化學說的權威，他認為用突變率計算人類起源時間這套方法值得商榷，「2000年，人們又發現了600萬年前的人類化石，這個突變速率又要改。」這種誤差是否會影響基因檢測在現代人起源研究中發揮的作用？宿兵認為，分子鐘雖不是一個精確的時鐘，並會受到諸如樣本數量和群體歷史事件（如快速的群體擴張或縮減）的影響，但這些影響在進行年代推斷的時候都會納入統計學分析。另外，人類的基因組在群體水平存在上千萬個多態位點，每個多態位點就相當於形態學的一個性狀，因此遺傳學的數據量是巨大的，根據這樣巨大的數據做出的統計推論具有較高的可信度，「過去用不同遺傳標記（如Y染色體、線粒體DNA以及核基因組）的研究結論是一致的。」多地進化學說的依據是人類留在地球上的痕迹——化石。上世紀30年代，德國解剖學和人類學家魏登瑞（FranzWeidenreich）研究北京猿人化石發現其與黃種人有十幾項共同特徵，因此得出「中國人是從中國猿人到現代人連續進化」的結論。1959年，吳汝康院士與蘇聯學者曾用俄文發表過文章，提出中國舊石器時代起，人類體質類型、經濟活動及文化有連續性，以此證明在中國境內發現化石的古人類是中國人的祖先。1984年，吳新智院士與兩位國外學者合作發表文章，提出現代人起源的多地區進化假說。他在1998年又提出，中國的人類化石中有許多共同特徵，還有一些本地罕見而在歐洲古人類中多見的特徵，據此為中國人類進化提出「連續進化附帶雜交」的假說，主張本地連續進化為主，附帶還有與境外的基因交流。非洲起源說也曾找到它的化石論據，古人類學家在南非克拉西斯河口發現一片下頜骨，其前部的側面觀輪廓與北京猿人不同，擁有一個北京猿人不具有的東西——一個萌芽狀的頦隆突。頦隆突是現代人的特點之一，萌芽狀態的頦隆突是從猿人的下頜骨進化到現代人下頜骨的過渡形態。古人類學家以此作為「近期出自非洲說」的重要證據。「不過2007年我國古人類學家在廣西崇左的智人洞發現了10萬年前甚至可能稍早現代人的下頜骨，也有這樣的頦隆突，這說明不只非洲經歷過從古老型人類向現代型人類的進化過程，東亞也曾經經歷過。」吳新智說。如堅持多地進化學說的古人類學家一樣，堅持「近期出自非洲說」的遺傳學家對化石證據也有他們自己的態度：化石標本雖然有重要的價值，但化石標本往往數量很少，在統計學上會帶來較大的偏差。另外，DNA是代代相傳的，但化石標本是否傳宗接代無從知道。「兩個學說存在各自的道理，但沒有一個學說可以提出足夠的證據百分之百把另外的學說徹底否定，這導致兩個學說一直同時存在，」肖春傑表示。對於10萬年前有一批人從非洲遷出並擴散到世界各地，吳新智並不否認，不過他對這批人在東亞現代人基因中發揮的作用，秉持著與非洲起源學派不同的看法。兩派爭議的1.0版，是完全取代說。持此觀點的學者認為，現代人遷出非洲後，擴散到世界各地，與當地原有的居民沒有雜交，原來的居民滅絕了，被非洲出來的現代人完全取代，因此現代人基因的唯一來源是非洲，各地原有的古老居民毫無貢獻。這種說法受到當時的遺傳學研究的支持，1997年，帕博實驗室成功提取尼人的線粒體DNA；1999年，古DNA檢測技術進一步發展，但結論依然是非洲走出的現代人與各地原有的居民沒有雜交。靠化石說話的古人類學家卻提出質疑，「這中間存在一個樣本較少的問題，這項研究所根據的只有300多鹼基對，而人有大約30億鹼基對，而且該研究得出的尼人與現代人線粒體之間的差異只比一對黑猩猩亞種間差異高，卻比兩對黑猩猩亞種間的差異低，為什麼不能認為尼人與現代人之間的差異只是亞種間差異，從而推測兩者間可以雜交呢？」在堅持多地進化學說的學者看來，中國出土的人類遺骨上能明顯測出外來因素，這些外來因素意味著有外面來的人與居住在中國的族群發生了混血，但主要還是居住在中國的族群在連續進化。連續進化的主要依據是，測量人類遺骸化石的形態，從幾十萬年前的直立人到現代人形態有相似性；其次，所有在中國境內發現的2000多個地點的石器，總的來說有一種繼承性，因此不存在外來人取代這種情況。吳新智還順帶批駁了曾經出現過的「冰期」導致東亞等地原始居民滅絕一說：「這只是一種推測，沒有化石印證。『冰期』雖說是全球現象，但是嚴寒到無人能夠生存的氣候只限於高海拔或高緯度地區，在地中海沿岸、今日長城以南地區，人類仍可以生存。那一時期出土的多種動物化石便能充分說明這一點。而且冰期時在中國的大片地區還發現了好多石器和一些人類化石，也證明了人的存在。」「完全取代的觀點現在被完全推翻了，」在採訪中，吳新智和徐文堪都提到了其被顛覆的過程。吳新智介紹，尼人身上發現有FOXP2基因，這種基因與語言相關，「過去以為尼人不能說話，現在發現他們有這種基因，要麼這種基因是非洲人傳給他們的，要麼是現代人這個基因來自尼人，總之他們之間是有基因交流的」。2010年，尼人的基因組測序完成，將其與現代人基因組比較後發現，除非洲人外的現代人與尼人擁有1%-4%的共同基因。今年，《科學》的一項研究報告，美國科學家分析了來自歐洲和東亞的665名個體的基因組，尼人基因有20%留在了現代人類基因中（所有現代人類中持續存在的尼人基因組的累計量），這意味著今天人類的基因並非全部來自非洲早期現代人。完全取代說退場後，取而代之的是進階版的爭議——「同化假說」。簡單來說，就是誰的基因對現代人的貢獻更多。這一假說由西方的古人類學者提出。10萬年前的「非洲來客」是同化了當地原來的居民，還是只部分參與了當地人的連續進化？堅持「近期出自非洲說」的學者認為，從目前基因組數據的分析來看，現代人的基因組絕大部分來自非洲的現代人。宿兵介紹：「遺傳學的研究已發表了大量的證據，這些證據都表明世界各地的人群在遺傳上都有一個晚近的非洲祖先。2001年我們對1萬多例來自東亞、北亞、東南亞等地區的100多個群體的遺傳學分析顯示，所有這些個體的Y染色體單倍型都是從非洲祖先衍生的。換句話講，我們在包括中國大陸在內廣袤的亞洲東部地區沒有看到任何當地獨立起源的遺傳證據。最近對人類全基因組的測序數據仍然支持這一結論。但同時發現現代人在舊石器時期可能和古人類（如尼安德特人）有少量的基因交流，但這種交流只佔現代人基因組的2%左右。現代人基因組的絕大部分仍然是來自於非洲的現代人祖先。」「有尼人基因組測序比對的結果作證，歐洲學者一致同意同化假說，並認為世界各地都是如此——一個主要來源，一種進化模式，放之四海而皆準，」吳新智掌握的古人類化石證據指向的卻並非如此，「如果同化了，有很多現象則很難解釋，比如鏟形門齒，元謀人、北京人化石和已經在中國發現的所有的化石人上門牙，無一例外都是鏟形門齒，今天擁有這一表徵的中國人大約有80%到90%，而非洲人中只有10%；按照10萬年前的遷徙路線，如果非洲人在6萬年前來到東亞，大部分取代當地居民，當地發掘的這個時期以後的石器應該絕大部分屬於第三模式。而令人不解的是，東亞發現的成百上千件石器都屬於落後第三模式許多的、在中國一脈相承許多年的第一模式。人類怎麼會摒棄習慣使用的、相對先進的第三模式？」吳新智表示疑惑。「我認為是多地區、多模式，比如東亞可能是本地為主、外來為輔，歐洲是來自非洲為主、來自本地的尼人為輔，澳洲是來自印尼為主、來自其他地區為輔，不同地區的演化模式並不相同。」對於多地連續進化學說，還存在一種質疑：人的表徵差異是人類在不同環境壓力下經歷自然選擇的結果，新的變異慢慢增多。按照這個思路，從200萬年前走出非洲算起，人類的差異似乎應越來越大，而從基因上來看現代人的差異很小，而且如果多地分別進化，怎麼可能進化的速度完全一樣？「從人類形態來看，非洲人也罷、歐洲人也罷，膚色差異明顯，但骨頭結構差異很小，」吳新智認為，這是基因交流的結果，而不是許多人所說的基因分化時間不長所致。「化石顯現的各地形態之間的差別相較今天尤甚，比如40萬年前的北京猿人與同時期的歐洲直立人差別很大。怎麼解釋呢？古人類學者認為，只有各地區人群間互相隔離才會導致彼此間漸行漸遠，而古人類和古文化的資料反映的實際情況並非隔離而是各地人群常有遷徙，交往和接觸，這就會交換彼此的基因，久而久之彼此的基因庫自然會越來越接近。我預測，隨著基因交流的延續，未來人們的差別將更小，也許幾萬年後膚色等外部特徵的差別都將消失。」至於分別進化是否會有快慢，吳新智認為人類在具體部位的進化速度確實存在快慢，比如眉脊、毛髮量在不同人群中會有差異，但總體上來講，進化速度是一樣的，「如果不一樣，就不能雜交。」2004年，東非出土的「長者智人」頭骨是目前所發現的最古老的智人化石。這一重大發現與分子生物學的預測結果比較吻合，為現代人的「非洲起源說」提供了有力證據。而在吳新智看來，這些頭骨更符合他們的想法：「這些頭骨並不是跟現代人完全一樣，有如一個拼盤，雜糅了古老的特徵與現代人的特徵，他們的不同表徵證明了現代人的特徵不是一下子出現，而是一個接一個在不同時間出現，伴隨古老的跡象消失，現代的跡象出現。」並不是所有的遺傳學家都認可現代人的基因組主體來自非洲這一觀點。多地進化學說得到了中南大學醫學遺傳學國家重點實驗室的基因研究支持。實驗室教授黃石所帶領的團隊通過多年研究提出的新理論，甚至挑戰了分子進化遺傳學主流的研究基礎。在今年出版的《21世紀中國人類學的發展》一書里，黃石重申實驗室6年前提出的這套理論——「遺傳多樣性上限理論」。他認為該理論將改寫物種親緣關係樹及群體遺傳學，能為人類進化中的種種現象做一個正確解釋。「我們與非洲起源說依賴的主流分子進化遺傳理論系統，在基本出發點或前提假設上就有分歧。」上世紀60年代初整個分子進化遺傳學開始發展，發現了遺傳等距離現象和對該現象的解讀「分子進化鍾」——「分子進化速率在不同種系中恆定」，這一解讀在最近一系列文章中被黃石課題組證明是片面的。黃石認為，今天主流的分子進化中性學說是在半個世紀前測算一兩個蛋白質序列的基礎上片面推斷而出，而「遺傳多樣性上限理論」依靠的是近半世紀積累的天文數字的基因序列，並吸收了主流學說的正確內容。「分子進化領域的第一個也是最重要的現象，即遺傳等距離現象，在當時超前了人的認知能力，主流學說對它的解讀是一種就事論事的理論系統。比如分子鐘就是用一個不確定的東西去解釋另一個令人疑惑的現象，這條路的漏洞以及等距離現象的正確解讀，只是在幾年前才被認識到。」黃石認為，分子鐘僅有有限的局部存在，而並非普遍現象。「遺傳多樣性上限理論」包含一個建造學公理：一個系統表型越複雜、有序、精密，其材料容忍誤差的範圍越小。這條邏輯在生物系統研究中同樣適用——對於生物，其材料就是DNA基因組，其誤差範圍就是由隨機突變造成的遺傳變異多樣性。同理可證，生物可容忍遺傳多樣性一定會有限度。這類可容忍的有限變異可提供適應能力，可在不同的環境下對物種的功能或生存造成有利、有害或中性的影響，而超出可容忍範圍的變異則會導致疾病和死亡。黃石舉例，越是簡單的生物，其基因組平均變異範圍越大，比如黑猩猩可以容忍的變異範圍就是人類的2倍。「經過上百萬年的演化，人類基因組中大部分序列的變異已經處在一個上限的均衡狀態，這意味著變異水平並不會隨著時間繼續增加。」遺傳多樣性上限理論明確區分了大小兩種進化過程，認為大進化中物種複雜性的增高必然伴隨著遺傳多樣性上限的降低，主流進化理論的正確內容只是針對還未到極限的變異，只適用於沒有複雜性改變的小進化。所有用基因解讀人類進化過程的理論和方法，都離不開兩類數據，一個是遺傳變異的多少；一個是遺傳變異的速度。黃石說，在「遺傳多樣性上限理論」中，每人平均攜帶大概300萬個鹼基變異這一事實，反映的是一個極限平衡水平。而在主流學說里，因為沒有極限這一概念，基因變異水平永遠是線性增長的，因此認為可以用基因組平均變異水平倒推出人類進化的歷史時間。主流學說隨機挑選基因片段或是取平均值的做法，實質是用了不該用的無意義的序列，有點像盲人摸象，測出來的結果必然會有差異和矛盾。「大量數據一致顯示，現代人的基因組中只有很小一部分序列符合線性距離條件,而大部分（幾乎全部基因組）都已經達到了極限距離。這種倒推式的計算因而只能依據特殊挑選的有相關意義的序列（informativeDNA）來完成。」如何檢測，黃石介紹，人類的基因組有快變與慢變之分。人體內98%是快變的非編碼序列，可以幫助人類適應環境的快速改變，快變DNA經過長時間的進化和自然選擇，今天幾乎都已達到極限變異水平，任一快變DNA位點都在過去發生過多次的重複突變。相反，維持內部穩定性的慢變DNA需要足夠長的時間才會發生一次變異，因此還具有相當多還未發生過突變的中性位點。他認為，只有慢變DNA才最接近無限多位點這一大家都認同的前提假設。通過這種方式做人猿進化上的分離時間，能夠得到符合常識和形態學的結果，也符合化石記錄。「自然界是統一的，無論是從哪種角度，科學研究的所有結果應該是一致的。如果用來追溯的基因序列用錯了，就必然會與其它獨立研究的結果相矛盾，如無法解釋多地發現的化石證據，」黃石表示，「做此研究前，並沒有一個設定的方向，而最終做出的結果與多地進化學說基本一致，彰顯了自然界的規律性以及基因和表型的緊密相關性。目前這一學說尚未收到反證。」黃石也通過「遺傳多樣性上限理論」解釋了人類遺傳差異小的原因，「因結果是用基因組平均值算的，涉及的序列絕大部分是快變序列，這些序列已達變異上限。不同人可容忍變異的位點基本一樣，當幾乎所有可變的位點都在不同人中獨立發生過變異時，即到了上限時，必然導致不同人群有很多一樣的變異。」黃石的這一新說尚有待國內外學術界的評議。而在宿兵看來，這並不是一個新的理論，這個問題在分子進化和分子鐘學說中已經有過很多討論。「人類基因組中不同類型的遺傳變異確實有不同的突變速率，如線粒體DNA的突變速率是核基因組基因的5-10倍，且核基因組中的不同基因由於其功能重要性的差異，所受到的自然選擇壓力也不同，因而在我們觀察到的變異速率上也有差異。因此，如果採用變異速率差別很大的基因來推斷共同祖先的年代就會看到非常不同的結果。但是，這並不意味著對非洲起源說的否定，因為這樣估算的年代是基因的共祖時間，並不能反映物種的共祖時間。目前，採用全基因組所有基因的序列數據估算的現代人的共祖時間仍然和非洲起源假說一致。」宿兵進一步闡釋，非洲起源假說的另外一個重要的遺傳學證據並不基於時間，而是看「沒有重組的基因組片段」（如Y染色體和線粒體基因組）的單倍型在人群中的分布。目前的證據表明，所有的Y染色體和線粒體DNA的祖先單倍型僅在非洲群體中存在，而非洲以外其他所有群體的單倍型都是衍生型的，其祖先均來自非洲。「任何方法、技術手段都有其局限性，並不能解決所有問題，」在介紹現代人起源經過時，徐文堪說了這麼一句。在眾多學者看來，人類起源的話題背負萬年的發展軌跡，一些古代新人種的發現也加重了人類起源研究當中的複雜度。如徐文堪所說，「世界各個地方的現代人形成過程比原來設想得要複雜得多，各個地方環境不一樣、情況不同，其間有很多曲折的過程。」但隨著技術的進步、更多化石的發現以及跨學科研究的發展，將來，基因與化石或許會一起告訴我們答案。記者在宿兵的話中看到了這一跡象，「最近興起的對化石標本中古DNA的分析綜合了遺傳學和古人類學研究方法的優點，可以提供大量的直接證據，也是目前國內外研究人類起源和遷徙的熱點。」
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