附錄二 分子人類學一瞥

分子人類學一瞥
隨著分子生物學的迅速發展,它的研究手段也進入了人類 學的領域。一門新的學科 ― 分子人類學,運用遺傳學方法探 索史前人類歷史的學科,應運而生了。
「線粒體夏娃」[66]
線粒體(mitochondrion)是細胞內的一種結構(細胞器), 是細胞的「呼吸器官」,為細胞活動提供能量。一個細胞可含 有成千上萬個線粒體。二十世紀六○年代,科學家發現線粒體 有自己的 DNA,稱為線粒體 DNA(mtDNA),呈雙鏈環狀。 一個線粒體中可有一個或幾個 DNA 分子。線粒體的 DNA 可自 我複製,但複製受細胞核的控制,因為複製所需要的 DNA 聚合 酶是由核 DNA 編碼,在細胞質核糖體上合成的。另外,線粒體 DNA 有幾十個基因,能合成蛋白質,但合成的蛋白質種類很有 限。組成線粒體各部分的蛋白質,絕大多數都是由核 DNA 編碼 並在細胞質核糖體上合成後再運送到線粒體各自的功能位點上 的。因此,線粒體的遺傳系統仍然要依賴於細胞核的遺傳系統,是半自主性細胞器。 在高等動物中,線粒體 DNA 的突變率比細胞核 DNA 快;
更重要的是,線粒體 DNA 是比較嚴格的母系遺傳。精子生成過 程中,絕大多數線粒體都被除去,只保留極少數的線粒體提供 精子運動的能量。而且,精子中的線粒體 DNA 不會進入受精 卵;即使個別進入,也會很快分解。雖然植物與真菌類細胞的 線粒體 DNA 存在著重組現象,但高等動物的受精卵中的線粒體 DNA 則主要來自母親,基因不會重組。因此高等動物的線粒體 DNA 的傳遞是相當忠實的。
由於母系遺傳的特性,使得研究者能夠借助線粒體 DNA, 追溯母系族譜。人類的線粒體 DNA 中累積了一些高度變異控制 區域。對比不同群體或個體的這些控制區,可以測定母系族譜, 用於研究人類起源。
美國加州大學伯克萊分校在應用線粒體 DNA 探討人類起源 方面,作了開拓性的工作,揭開了分子人類學— 運用遺傳學方 法探索史前人類歷史的學科 — 的序幕。1980 年,該校學者布 朗(Wesley. M. Brown)對來自不同種族和地域的廿一個人的線 粒體 DNA 進行了對比,第一次提出,人類有共同的女祖先。按 照線粒體 DNA 每一百萬年突變 1% 的速率,他推算這位女祖先 約生活在十八萬年前。[67] 1987 年,卡恩(Rebecca L. Cann)、 斯 東 那 肯(Mark    Stoneking) 和 威 爾 遜(Allan    C.    Wilson), 從 五個地理區域的人群中,對比了一百四十七人的線粒體 DNA。 他們得出類似的推論 :
首先,世界不同種族居民的線粒體 DNA 基本相同,差異很 少,平均差異率為 0.32% 左右。線粒體 DNA 是母系遺傳,因此, 從邏輯上說,現代世界各種族居民的線粒體 DNA 可能都是從一個共同的女性祖先那兒遺傳下來的。 其次,在現代各種族中,非洲人之間的線粒體 DNA 的差異
最大,這表明非洲人線粒體 DNA 中所積累的突變最多。由此可 以推論,非洲人是最古老的種族;基本相同的線粒體 DNA,表 明人類都來自非洲的一位女性。
最後,威爾遜小組認為,線粒體 DNA 的突變速率為每一百 萬年突變 2% ~ 4%。據此推算,這位人類的女祖先應當生活在 二十萬年之前。後來,她的一些後代離開非洲遷徙到世界各地, 最終發展為現代世界各種族居民。威爾遜等人說:人們可以將 這位幸運的女性稱為夏娃,她的世系一直延續至今。[68]
近年的更多的關於線粒體 DNA 的研究,與最早的推論相近: 所有的人類共同擁有一位生活在十五、六萬年前的非洲老祖母。 她生活的具體地域,尚無共識;最近的研究是指向非洲南部或 東部。
「Y 染色體亞當」[69]
人類及大多數哺乳動物都有 XY 性別決定系統。Y 染色體 是這個性別決定系統的染色體之一。多數哺乳動物的 Y 染色體 含有 SRY 基因,能夠誘使睾丸發育,由此決定了雄性性狀。[70] 通常,雄性的細胞有 X 染色體與 Y 染色體各一條。
人的染色體有廿三對(46 條)。其中,廿二對叫常染色 體,男性與女性都是一樣的;餘下的一對叫性染色體,男女不 一樣。男性的這對性染色體由一條 X 染色體和一條 Y 染色體組 成(XY),女性的則由兩條 X 染色體組成(XX)。在遺傳的 過程中,母親的 X 染色體既可以傳給兒子也可以傳給女兒,而 Y 染色體只能由父親傳給兒子。相對母系遺傳的線粒體 DNA,Y 染色體的 DNA 是父系遺傳的,也可以用於分子人類學的研究。 線粒體 DNA 反映了母系的遺傳或者母系的遷移。Y 染色體則反 映了父系的起源和遷移。
分子人類學研究使用的遺傳材料,有兩個基本特點:一是 單倍遺傳,二是非基因序列(即不會與其他染色體進行遺傳物 質交換)。如前所述,線粒體 DNA 和 Y 染色體 DNA 都是單倍 遺傳分子。其次,線粒體 DNA 的基因很少;Y 染色體的基因也 不多(只有幾十個),大部分都是非基因序列。不過,線粒體 的 DNA 較小,只有一萬多個核苷酸,而 Y 染色體非重組區段 卻有幾百萬個核苷酸。這樣,Y 染色體的信息量就大很多。從 理論上說,它得到的結果也更可靠。
在 Y 染色體的非基因序列中,科學家分析了兩種突變類型。 一種叫做單核苷酸多態突變(SNP),它的突變很罕見,也很穩 定。同一個突變在歷史上不會重複出現,也不會變回去。在世 界各地,Y 染色體各種類型的結構關係就是據此構建的。另一 種叫做短串聯重複突變(STR),這種突變是在不斷變長變短的, 而且其變化被認為是勻速的。因此,如果調查到突變的總量, 除以突變的速度,就可以得到 Y 染色體各種類型的產生時間。 也就是說,瞭解 SNP 和 STR 的 DNA 分子的突變規律,突變分 子的出現的時間,就可以被推斷出來。
李輝等人指出,目前,關於現代人類起源最主要的兩種觀 點,是多地區起源學說,和非洲起源學說。兩種假說都認為, 直立人起源於非洲的東非直立人,然後,大約在一百萬年前走 出非洲,遷移到歐亞大陸。多地區起源學說(又稱獨立起源假 說)認為,世界各地的人類是獨立起源,即由遷徙到各地的非 洲直立人獨立演化為現代人類的幾大人種(亞種)。但非洲起源學說認為,現代人類起源於十萬年前非洲的第二次遷徙,並 且在走出非洲以後,完全取代了其他地區的古人種。分子人類 學證據,支持非洲起源學說。[71]
中國上海復旦大學金力教授說,由於 Y 染色體可用的遺傳 標記在數量和品質上的限制,研究一直進展緩慢。最近幾年,Y 染色體的研究有了根本性的突破,大量的 Y 染色體遺傳標記被 發現。李輝等人指出,目前研究早期人類演化和遷移最理想的 遺傳標記,公認是Y染色體擬常染色體非重組區段的SNP標記。 如前所述,這是因為人體內只存在一份父系遺傳 Y 染色體非重 組區,可以有效地排除交換重組的混血干擾;同時 SNP 突變率 低,更能穩定地遺傳,可以忠實地記錄演化事件。
Y 染色體的 M168 被認為是人類在非洲時產生的突變型, 其原始型僅出現在東非人群。非洲以外的現代人及部分非洲人 都帶有 M168 的突變型。非洲以外地區沒有發現具有比 M168 更 古老的突變型的個體例子。因此,M168 突變型被視為現代人類 單一起源於非洲的最直接證據。「非洲起源說」的研究者們認 為,人類從非洲人群分出歐洲和亞洲人群,美洲和澳洲人群又 起源於亞洲人群。根據突變速率計算,非洲人群分化出歐、亞 人群的大約時間是十萬年前。這就是與「夏娃學說」相印證的 「亞當學說」。
李輝等人指出:「雖然,諸多遺傳學證據支持非洲起源假 說,但對最終揭示現代人類起源和遷移問題依然有許多工作要 做,仍需要許多化石方面的確鑿證據來支援,需要解釋考古學、 古人類學方面的質疑。況且,遺傳學本身對現代人類起源於非 洲的問題仍有許多說法不一的觀點和研究結論。」
比如,2000 年瑞典烏普薩拉(Uppsala)大學英曼(MaxIngman)等人用線粒體 DNA,研究了五十三名來自不同地區、 種族、文化的群體,聚類分析發現,現代人確實起源於非洲; 但是,他們認為,起源於非洲的直立人在過去一百五十萬年間 不斷遷徙到非洲以外的其他地區,並形成不同分支,這些分支 通過混血繁衍,在十萬到十五萬年前分別在非洲、歐洲、東亞 和西亞等地進化為現代人。又如,2001 年 1 月澳大利亞國立大 學索恩(Alan Thorne)的研究成果是:分析了從 1974 年在澳東 南部新南威爾士州蒙戈湖(Lake Mungo)附近的距今約六萬年 前人類遺骸提取的線粒體 DNA,發現它與在世界其他地區發現 的、據認為是源自非洲的早期現代人類的古老 DNA,沒有遺傳 上的聯繫。索恩認為,在澳大利亞出現的早期現代人,其演化 路線獨立於非洲古人類之外。

關於中國人起源的分子人類學研究 [72]
1998 年,中國科學家諸嘉佑等人利用三十個常染色體的微 衛星位點(Microsatellites),分析了廿八個東亞人群(包括漢 族的南、北人群)的遺傳結構,其結果支援「現代中國人來源 於非洲,並經由東南亞進入中國大陸」的觀點。
由於微衛星位點突變率較高,對於研究較久遠的人類演化 事件和人群遷移有一定局限性,中國科學院昆明動物研究所研 究員宿兵團隊發展了一套 Y 染色體的單核苷酸多態標記(SNP) 的研究理論,用以研究中國人的起源問題。1999 年宿兵等人使 用十九個 Y-SNP 構成的一組 Y 染色體單倍型(這十九個 Y-SNP 覆蓋了所有東亞和太平洋地區群體具有的單倍型),系統研究 了包括中國在內的東亞人群的起源和遷移。這一研究克服了褚 嘉佑等人的研究因使用常染色體微衛星標記和樣本量少帶來的遺憾。研究的樣本量為九百廿五個個體,包括中國少數民族和 各省份的漢族個體、東北亞群體、東南亞群體和來自非洲、美 洲和大洋洲的群體。
由十九個位點組成的十六個單倍型中,一半為東亞人群特 有的單倍型。這一明顯的群體特異性為研究人群遷移和人群間 基因交流提供了理想的工具。研究發現,南方人群的基因多樣 度高於北方人群;各人群的遺傳多樣度,按東南亞非漢族人群、 南方漢族人群、北方漢族人群、北方非漢族人群排列,逐漸下 降。而且,南方的單倍型種類包括北方所有的種類。這種單一 的梯度格局提示了一種重要的信息:因為突變發生時間遠早於 遷徙事件,這些突變不是在遷徙後形成的,所以遷徙應該是順 著梯度下降的方向進行的。因此,人類進入東亞似應始於南方。 加之,東南亞群體中的單倍型,幾乎涵蓋中國和東亞的全部特 異單倍型,因此東南亞可能是早期由非洲遷來的人群進入東亞 的第一站。中國人的祖先從東南亞進入中國南方,繼而越過長 江進入北方地區。這一發現與線粒體 DNA 單倍型分布相符。
宿兵團隊還發現,所有現代東亞人的 Y-SNP 單倍型均來自 較晚發生的突變,更早的類型僅非洲群體所特有。因此,他們 認為,所有被觀察的七百卅九個東亞個體全部來自非洲。而且, 走出非洲的群體,有可能完全代替了東亞的當地群體。要進一 步確認這種可能性,尚需擴大東亞人群的研究樣本的數量。
宿兵等人發展的這套 Y 染色體的單核苷酸多態標記(SNP) 的研究理論,也為復旦大學人類學研究中心金力所運用。2001 年,金力帶領的研究團隊在《科學》雜誌上發表了一篇名為《Y 染色體遺傳學證據支持現代中國人起源於非洲》的論文,從 DNA 的分析,得出了「現代中國人起源於非洲」的結論。金力團隊利用了三個古老的 Y 染色體上的 SNP 作為研究重 點,即 M89、M130 和 YAP。這三個 Y-SNP 又都是在 M168 突 變型的基礎上產生的三個突變類型。為甚麼用 M168 這個遺傳 分子?金力團隊在文章中這樣解釋:「據認為,M168 是人類在 非洲時產生的突變型,其原始型只出現在東非人群,非洲以外 的現代人及部分非洲人都帶有 M168 的突變型,M168 是現代人 類單一起源於非洲的最直接證據。」
金力團隊從中國各地找了近一萬例男性隨機樣本做實驗, 透過研究發現,所有樣本都只具有 M168 僅有的三種突變。在這 9988 例樣本中,M89、M130 和 YAP 這三個最古老的遺傳分子 只發生了三種突變:一種突變成了 M89T、M130C 和 YAP-,發 生這種突變類型的個體最多,有 9329 例,占 93.4%;一種突變 為 M89C、M130T 和 YAP-,這種類型的比例占 3.7%,有 370 例; 最後一種突變為 M89C、M130C 和 YAP+,有 290 例,占 2.9%。 除了這三種突變外,沒有其他新的突變種類出現。這個結果和 非洲以外的世界其他地區的基因分型結果是一致的。也就是說, 除了這三種突變外,M168 在非洲之外的地區沒有出現新的突變; 只有出現新的突變樣本,才能說明中國人不一定都是起源於非 洲。研究顯示的 Y 染色體的證據,支持中國現代人起源非洲的 假說。
但是,在亞洲、特別是中國,出土了很多本土古人類的化 石,並且,這些古人類化石在時間和形態上都呈現出良好的連 續性和繼承性。2008 年 1 月,中國國家文物局在北京召開記者 會宣佈:2007 年 12 月 17 號,考古人員在河南許昌靈井舊石器 時代第四紀晚更新世早期地層中發現距今八~十萬年間的、一 塊較完整的古人類頂骨和十六塊頂骨、枕骨、顳骨的斷片,石化程度很好,沒有變形;經過復原成為一塊較完整的人類頭蓋 骨化石。這一發現,填補了中國沒有五~十萬年前的人類化石 的空白。除了非洲外,中國也是連續不斷的古人類化石發現地。 因此,許多中國古人類學家認為,現代中國人是從古猿人獨立 地發展起來的人種。也可能,少數十萬年之前的中國「原住民」 與後來出自非洲、經由東南亞進入中國的「新移民」共同構成 了現代中國人的祖先。
為何最終現代人都成了非洲遷徙過來的人的後代了呢?
實驗之初,金力團隊也是有著上述疑問,並考慮過本土人 類保留下來的可能性。因此,金力團隊從中國特意取了這麼多 (近一萬)個體樣本,試圖發現 M168 的三種突變之外的新的突 變型。但是,他們沒有發現。這個結果也使他們感到意外。所以, 金力團隊最後得出的結論,還是跟以前的結論一樣:中國人也 是來自非洲的。他們推論,非洲人是在冰川期結束後,大約六 萬年前由非洲開始往東南亞由南至北進入了中國大陸,從而取 代了中國大陸上的冰川期前的古人類,成為現代中國人的祖先。