《尼安德特人》的兩個故事

楊冬

尼安德特人是人類祖先智人的親戚。長期以來，科學(xué)家們都認為尼安德特人早在數(shù)萬年前就已被智人取代，并沒有留下任何后代。然而，近年來，科學(xué)家通過對“古DNA”的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人的基因組里混有來自尼安德特人的基因。這說明在遠古時期，智人與尼安德特人之間有過某種程度的雜交。研究智人與尼安德特人的關(guān)系，對于理解人類的進化歷史具有很重要的意義。

今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主斯萬特·帕博是“古DNA”研究領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一?！肮臘NA”，是指幾千甚至數(shù)萬年前古代生物遺骸內(nèi)包含的DNA。通過研究這些“古DNA”，可以回答很多有關(guān)物種進化的問題。在帕博的著作《尼安德特人》（中文版于2018年出版）中，作者介紹了他是如何在40年前通過一個異想天開的想法開啟了一條“古DNA”研究之路。

帕博的《尼安德特人》不僅給出一系列科學(xué)研究的結(jié)論，還向讀者展示了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程。在描述科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程中，作者并沒有隱瞞他遇到的困難或犯下的錯誤。比如，最初，帕博對研究古埃及木乃伊的DNA非常著迷。當時他在攻讀博士學(xué)位，研究與人體免疫相關(guān)的蛋白質(zhì)，突然轉(zhuǎn)向研究古代人類DNA，無疑是個瘋狂的想法。為了實現(xiàn)自己的研究目標，帕博冒著得罪導(dǎo)師的風(fēng)險，從他的博士研究中抽出大量時間，去當時東德的一個博物館收集木乃伊樣品。通過一系列實驗，他認為自己提取到了古代木乃伊的DNA。帕博的這項研究成果還發(fā)表在了一些學(xué)術(shù)刊物上，其中包括讓很多科研人員羨慕的著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。不過，后來的研究發(fā)現(xiàn)，“古DNA”實際上很容易被現(xiàn)代人的DNA污染。由于當時帕博沒有考慮到這個問題，也沒有設(shè)計方案控制污染，所以他最初幾次提取的“木乃伊DNA”，很可能是已經(jīng)被現(xiàn)代人的DNA污染后的結(jié)果。

帕博研究“古DNA”的經(jīng)歷會給我們帶來什么啟發(fā)呢？首先，瘋狂的想法往往是偉大事業(yè)的開端；其次，真正在科學(xué)上前進一步要克服的困難難以想象。有時候你覺得自己的研究取得了突破，然而由于沒有考慮到某些關(guān)鍵因素，就會導(dǎo)致實驗結(jié)果出錯。就“古DNA”領(lǐng)域而言，在20世紀90年代初，隨著基因克隆技術(shù)的發(fā)展，大批科學(xué)家進入這個領(lǐng)域，試圖克隆出古老的DNA。在那段時間里，新聞報道的內(nèi)容越來越駭人聽聞。有報道稱，科學(xué)家利用幾千萬年前的各種化石克隆出了形形色色的古代生物的DNA，包括植物、酵母、白蟻、恐龍，等等。然而，經(jīng)過一段時間后，這些克隆實驗研究的結(jié)果紛紛被證明是錯誤的。DNA無法留存幾千萬年，而這些所謂的遠古DNA實際上都是來自細菌的污染。

在克隆技術(shù)備受矚目的時期，帕博調(diào)整了自己的研究方向，逐漸把工作聚焦在一些可以解決的問題上。既然很難區(qū)分現(xiàn)代人的DNA與古人的DNA，那么就暫時不研究人的DNA，而是轉(zhuǎn)為研究最近滅絕的一些動物。研究這些動物還有一個好處—它們滅絕的時間離現(xiàn)在比較近（幾千到幾萬年），研究人員無需提純幾十萬年或幾百萬年前的DNA。這種“量力而行”的態(tài)度很快就有了回報。

帕博最先研究的是線粒體DNA。線粒體是細胞中的一個細胞器，它是細胞的能量供應(yīng)站。動物、植物、真菌等生物被稱為真核生物，因為它們都由真核細胞組成，真核細胞中都有線粒體。在真核細胞進化的過程中，由于接納了遠古的細菌，逐漸演化出了線粒體。雖然目前大部線粒體DNA都已經(jīng)轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi)，但是線粒體還是保留了一些DNA。由于一個細胞內(nèi)有大量線粒體，同時線粒體又有雙層膜保護，所以與從古老樣品中提取細胞核里的DNA相比，提取線粒體DNA要容易得多。

磨齒獸是帕博最先選定的研究對象，它是在距今1萬年前滅絕的一種類似樹懶的動物。與樹懶不同，磨齒獸生活在地面。通過對古線粒體DNA的分析，帕博帶領(lǐng)研究團隊建立了磨齒獸與現(xiàn)存的二趾樹懶之間的親緣關(guān)系?，F(xiàn)存的三趾樹懶則與它們的親緣關(guān)系較遠。因此，這個研究說明了現(xiàn)存的兩種樹懶可能是獨立進化出了樹棲的生活模式。

旗開得勝后，帕博開始考慮研究尼安德特人的DNA。因為尼安德特人雖然屬于人類，但是畢竟和現(xiàn)代人（智人的后代）有區(qū)別。因此，現(xiàn)代人DNA的污染問題在尼安德特人的DNA樣品上也更好處理；同時，通過比較尼安德特人DNA與現(xiàn)代人DNA的差異，又能回答有關(guān)人類進化的很多問題。

和磨齒獸的研究一樣，帕博也提取并分析了尼安德特人的線粒體DNA。在與現(xiàn)代人類的線粒體DNA進行比較后，帕博獲得的初步研究結(jié)果是“尼安德特人對現(xiàn)代人的線粒體DNA沒有貢獻”。

這意味著什么呢？帕博的研究結(jié)果主要涵蓋兩個可能性，一是尼安德特人與智人沒有雜交的歷史，二是他們的后代不育或者有某種缺陷，因此最后被淘汰了。但是，由于線粒體DNA不一定能反映問題的全貌，這個研究結(jié)果中還隱藏著其他可能性。

線粒體只存在于細胞質(zhì)中，所以它只能通過母系進行遺傳。也就是說，如果是男性尼安德特人與女性智人繁衍后代，尼安德特人的線粒體DNA不會進入現(xiàn)代人的基因庫。因此，要全面研究這個問題，需要提純并分析尼安德特人的細胞核DNA。

提純細胞核DNA非常困難，帕博嘗試了很多方法。首先，通過各方努力，帕博及其研究團隊得到了克羅地亞一家博物館的幫助，獲得了尼安德特人DNA含量特別高的古代骨骼樣品。其次，他們利用細菌和人類DNA的序列差異，使用能夠特異切割細菌序列的酶處理樣品，從而大大富集了樣品中的尼安德特人DNA。最后，帕博團隊使用當時最先進的測序技術(shù)，即第二代測序技術(shù)，對樣品進行測序。在克服了重重挑戰(zhàn)，嘗試了多種前沿技術(shù)之后，帕博團隊終于完成了尼安德特人DNA測序工作。

測序完成后，還需要將測得的短DNA序列組裝成尼安德特人的基因組，這一過程也充滿挑戰(zhàn)。比如，在經(jīng)歷漫長的歲月后，尼安德特人DNA的堿基可能會發(fā)生化學(xué)損傷，從而導(dǎo)致序列改變（如C通過脫氨基變成U，后者在測序時會被讀作T），因此當來自尼安德特人的基因序列與現(xiàn)代人不同時，科學(xué)家們必須確定這是真正的序列差異還是由于堿基損傷導(dǎo)致的改變。同時，由于污染的危險始終存在，在分析數(shù)據(jù)的那段時間，帕博多次被樣品可能受到嚴重污染所驚嚇，幾乎情緒失控。不過，經(jīng)過嚴謹?shù)姆治鲎C明，帕博團隊提純的樣品純度很高，來自于污染的DNA不到1%。

最后，帕博團隊的研究結(jié)果證明，在非洲以外的現(xiàn)代人中，尼安德特人對其DNA有貢獻，其貢獻在現(xiàn)代人的基因組中約占2%。

比較有趣的是，在中國人和歐洲人的DNA中，尼安德特人的貢獻基本相同。由于當時還未在中國發(fā)現(xiàn)過尼安德特人活動的痕跡，所以書中給出的解釋是，當智人走出非洲后，他們首先在中東與當?shù)氐哪岚驳绿厝斯泊媪艘欢螘r間，在那段時間里，這兩種人類有了一定的基因交流。

特別值得一提的是，在非洲以外的現(xiàn)代人的基因組中，含有某種特定的MHC基因突變體，而此種突變體在尼安德特人中也普遍存在。由于該MHC基因突變體在非洲智人中不存在，因此現(xiàn)代人的MHC基因突變體很可能來自尼安德特人。研究者發(fā)現(xiàn)，MHC基因與人體免疫系統(tǒng)密切相關(guān)，涉及抗原的識別，它可以識別某些非洲以外的病原體。因此，MHC基因突變體在非洲以外的現(xiàn)代人中得到了擴張。雖然尼安德特人沒有與智人同行，繁衍至今，但卻在現(xiàn)代人的DNA中留下了有助于生存的特殊禮物。

帕博在《尼安德特人》一書中給讀者講述了兩個故事。一個是關(guān)于科學(xué)的故事，即怎么從無到有，把“古DNA”研究建設(shè)成了一門學(xué)科。另一個是關(guān)于我們?nèi)祟愖嫦鹊墓适?，即尼安德特人還沒有完全“滅亡”，他們的基因還在通過現(xiàn)代人的繁衍而延續(xù)，無聲無息地影響著我們的生活。這兩個故事在一本書里奇妙地合成一個整體，創(chuàng)造出豐富、美妙的思考空間，令讀者沉浸其中，流連忘返。