進擊的古基因組研究 |「率先行動」計劃

作者 | 胡珉琦

今年5月，《科學》在線發表了一項中科院古脊椎動物與古人類研究所（以下簡稱古脊椎所）領銜的關於華夏族群探源的突破性研究成果，它揭開了有關中國南北方史前人群格局及遷移與混合這一重大學術問題上的若干謎團；兩個月後，該團隊又發布最新發現：通過古基因組研究發現距今約1.1萬年的中國南方未知現代人群，相關研究揭示出中國南方與東南亞人群舊石器時期的遺傳聯繫。

近十幾年來，古DNA研究發展非常迅速，國際團隊爭相在數以億計的基因組數據中尋找蛛絲馬跡，破譯人類演化之謎。其中，由付巧妹領銜的古脊椎所古DNA研究團隊，不僅參與重新書寫了歐洲最早的現代人類的歷史，還掀起了亞洲先民演化歷史故事的序幕。

中科院「率先行動」計劃實施以來，古脊椎所在「古基因組揭秘人類演化」領域取得的一系列突破性成果，在古DNA研究浪潮裡大放異彩。

瞄準學科生長點

20世紀，古人類學中最著名的學說之一就是夏娃假說。通過對現代人mtDNA（線粒體DNA）變異的研究，可以追溯到一個所有現代人類共同的母親，也就是所謂的「夏娃」，她來自非洲。

這一假說的關鍵主張是，尼安德特人和歐亞同時期的古人類被來源於非洲的現代人完全替代，對現代人起源沒有絲毫貢獻，非洲是現代人的唯一起源地。

但歷史的真相究竟如何，學界多年的爭論始終相持不下。如果能夠從古老的化石和考古材料中獲取到最原始的生物遺傳信息，與現代人類的遺傳信息進行比較，就可以得到最直接的答案。

從20世紀80年代起，世界上許多研究機構紛紛建起了古DNA實驗室。可在後來的20年間，古DNA的保存年限和實驗汙染問題嚴重阻礙了它的發展。

最終力挽狂瀾的，是後來成為德國馬普學會演化人類學研究所所長的斯萬特·帕博。

1997年，帕博團隊獲得了第一個遠古人類——尼安德特人的mtDNA。2010年，他發表了世界上第一個尼安德特基因組草圖，第一次直接比較了尼安德特人基因組與現今人類的基因組，結果使得有關人類起源的故事發生了一個戲劇性的轉折。

這項研究發現，除非洲人以外，當今歐亞人的基因組成裡全都包含有 1%~4%的尼安德特人的遺傳成分，這種古老型人類從未被完全替代！這也意味著，古DNA終於可以對個體乃至群體的生物屬性、演化階段、人群遷徙交流等演化的細微過程提供獨立的遺傳學證據，且具有化石證據無法達到的量化精度。

從此，古DNA研究作為古生物學一個新的學科分支迎來了它蓬勃發展的階段。

古脊椎所在脊椎動物與人類演化的研究領域一直是具有國際影響力的科研機構。「可光吃老本是不行的。」中科院院士周忠和很清楚，「古生物學這個傳統學科，已經在交叉中衍生出新的研究方向和發展趨勢了，古脊椎所必須緊跟國際學術前沿，發展新的學科生長點，等它成熟了再布局就失去意義了。」

2007年，《華夏地理》第一期雜誌上，周忠和發表了一篇《DNA解讀人類起源》的科普文章，帕博的故事已經讓他看到了古DNA研究的巨大潛力。

2009年，古脊椎所和中國科學院大學考古學與人類學系教授王昌燧團隊成立了一個含有古DNA平臺方向的人類演化與科技考古聯合實驗室。實驗室這個平臺方向的第一個成員，就是一位名叫付巧妹的德國博士研究生。當時，她剛前往帕博的團隊學習。

「方向是看準了，但對人，我們並不了解。」周忠和只知道，出國前的付巧妹並沒有古DNA甚至基因組學方面的經驗，能做到什麼程度，心裡沒底。

逐浪「黃金時代」

剛到馬普演化人類學研究所的付巧妹，就趕上了尼安德特人基因組序列草圖的收尾工作。仿佛是轉瞬之間，她就成為了古DNA黃金時代的弄潮兒。最重要的是，她在這場大浪淘沙的角逐中堅持了下來，並成為了年輕的佼佼者。

2010年1月起，付巧妹正式開始負責古脊椎所中德人類演化與科技考古聯合實驗室古DNA平臺。儘管還在德國求學，但她每年都有幾個月時間回到國內撲在實驗室，一點一滴充實這個團隊。

古人類化石DNA保存差、汙染重，難以獲取有效遺傳信息，一直是個棘手的難題。2013年，付巧妹和帕博團隊聯合開發了一種類似「釣魚」的古核DNA捕獲方法，將田園洞人化石僅佔0.03%的人類DNA從大量來自土壤微生物的DNA中吸附、富集並「釣取」出來。

2014年，團隊成功從西伯利亞距今約4.5萬年的人類股骨中獲得高質量的基因組序列，發現其約在70萬年前與丹尼索瓦人具有共同的祖先。

這項研究不僅首次提出了現代人祖先進入亞洲的路線並非只有單一的南線，還確定了現代人祖先與已滅絕古人類——尼安德特人基因交流的時間。

此後，她開始將亞洲人群納入開展人類起源和演化歷史的研究，詳實地繪製出冰河時代歐亞人群的遺傳譜圖，首次在時空大框架下展示舊石器時代晚期的一段完整的人口動態變化情況……

付巧妹告訴《中國科學報》，古DNA研究的突破本身得益於21世紀初的第二代測序技術及後續相關古DNA技術的開發和發展，使大量之前無法進行古DNA研究的樣本和材料重回研究視野。

「但古DNA絕不僅僅是材料和技術的競爭，關鍵還在於誰能從繁複的遺傳信息中敏銳性地發現問題，並找到解決問題的思路。這就需要研究者有廣闊的視野以及非常強的洞察力。」

今年5月，付巧妹團隊發表在《科學》的一項最新成果引起了廣泛關注。它揭示出中國南北方人群的史前分化格局、融合過程和遷徙歷史，而且證實了南島語系人群的中國南方大陸起源。

這項研究歷時8年，其實早在2014年，她的團隊就已經獲得了北方山東和南方島嶼亮島的幾個關鍵樣本的基因組數據，並且有了一些研究進展。可她遲遲不下結論，因為她心中始終存有疑慮，「島嶼上的人跟大陸上的人有可能是完全不同的」。

於是，她又花了五年時間，在南方大陸搜尋樣本並攻克該區域材料古DNA捕獲難的技術難關，最終獲得南方大陸人群的古基因組，從而完結了南島語系人群起源的爭議。

就在付巧妹進行這項研究時，她的國際同行正在馬不停蹄地跟她展開「同題競爭」。這些年，古DNA研究蔚然成風，付巧妹和她的團隊一刻都不敢懈怠。

跨越式發展背後

十年，古脊椎所古DNA團隊廣泛開展了古人類及其伴生物種的基因測序工作，豐富了古DNA資料庫，為人類起源與遷徙、文明傳播與碰撞、歷史爭議問題給出了全新的解釋。正是有了這些積累，團隊的古DNA研究水平才可以和國外一線研究機構「並跑」。

付巧妹告訴《中國科學報》，能實現這一學科方向的跨越式發展，一個高水平的古DNA實驗平臺必不可少。她提到，在中科院的支持之下，實驗室完成了兩次非常重要的平臺升級，一次是古DNA數據分析平臺，一次是自動化實驗平臺。目前，實驗室技術與設施條件已經可以媲美國際頂尖水平的古DNA實驗室。

「此外，一支能夠高效運轉的跨學科研究團隊是保持國際競爭力的關鍵。」付巧妹說。如今，「80後」付巧妹的古DNA團隊共有近20名成員，平均年齡30歲出頭，他們來自群體遺傳、生物信息、生物化學、數據統計等學科領域，與傳統古生物研究者有著完全不同的學科背景。

「培育一個學科方向，必須培養一支團隊，這樣學科面才能鋪得更寬，合作面就會更廣，影響力也會更大。」周忠和強調，「在十年前，古脊椎所這樣小體量的研究機構，要在一個全新的方向，從頭開始組建一個分支團隊，是有一定難度的。」

於是，研究所首先在政策上大膽給予傾斜，尤其在人才招聘和科研資源方面。「分子生物學領域的優秀人才在別的單位更容易拿到高薪，我們必須提高人才保障條件才能留住他們。」周忠和直言。

此外，在周忠和看來，「大科學問題就要大團隊合作」。對於一個初出茅廬的年輕人，要迅速聯通考古學界、人類學界，有時甚至需要聯合十幾家研究機構，在短時間裡迅速拉起一張龐大的合作網絡，是個巨大的挑戰。

因此，古DNA團隊的成功，與古脊椎所特別是古人類研究團隊及相關單位的深厚積累和全力支持是分不開的。

《中國科學報》 （2020-08-28第1版 要聞）

編輯 | 穆穆

排版 | 志海

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