今年5月,《科学》在线发表了一项中科院古脊椎动物与古人类研究所(以下简称古脊椎所)领衔的关于华夏族群探源的突破性研究成果,它揭开了有关中国南北方史前人群格局及迁移与混合这一重大学术问题上的若干谜团;两个月后,该团队又发布最新发现:通过古基因组研究发现距今约1.1万年的中国南方未知现代人群,相关研究揭示出中国南方与东南亚人群旧石器时期的遗传联系。

近十几年来,古DNA研究发展非常迅速,国际团队争相在数以亿计的基因组数据中寻找蛛丝马迹,破译人类演化之谜。其中,由付巧妹领衔的古脊椎所古DNA研究团队,不仅参与重新书写了欧洲最早的现代人类的历史,还掀起了亚洲先民演化历史故事的序幕。

中科院“率先行动”计划实施以来,古脊椎所在“古基因组揭秘人类演化”领域取得的一系列突破性成果,在古DNA研究浪潮里大放异彩。

瞄准学科生长点

20世纪,古人类学中最著名的学说之一就是夏娃假说。通过对现代人mtDNA(线粒体DNA)变异的研究,可以追溯到一个所有现代人类共同的母亲,也就是所谓的“夏娃”,她来自非洲。这一假说的关键主张是,尼安德特人和欧亚同时期的古人类被来源于非洲的现代人完全替代,对现代人起源没有丝毫贡献,非洲是现代人的唯一起源地。

但历史的真相究竟如何,学界多年的争论始终相持不下。如果能够从古老的化石和考古材料中获取到最原始的生物遗传信息,与现代人类的遗传信息进行比较,就可以得到最直接的答案。从20世纪80年代起,世界上许多研究机构纷纷建起了古DNA实验室。可在后来的20年间,古DNA的保存年限和实验污染问题严重阻碍了它的发展。

最终力挽狂澜的,是后来成为德国马普学会演化人类学研究所所长的斯万特·帕博。

1997年,帕博团队获得了第一个远古人类——尼安德特人的mtDNA。2010年,他发表了世界上第一个尼安德特基因组草图,第一次直接比较了尼安德特人基因组与现今人类的基因组,结果使得有关人类起源的故事发生了一个戏剧性的转折。

这项研究发现,除非洲人以外,当今欧亚人的基因组成里全都包含有 1%~4%的尼安德特人的遗传成分,这种古老型人类从未被完全替代!这也意味着,古DNA终于可以对个体乃至群体的生物属性、演化阶段、人群迁徙交流等演化的细微过程提供独立的遗传学证据,且具有化石证据无法达到的量化精度。

从此,古DNA研究作为古生物学一个新的学科分支迎来了它蓬勃发展的阶段。

古脊椎所在脊椎动物与人类演化的研究领域一直是具有国际影响力的科研机构。“可光吃老本是不行的。”中科院院士周忠和很清楚,“古生物学这个传统学科,已经在交叉中衍生出新的研究方向和发展趋势了,古脊椎所必须紧跟国际学术前沿,发展新的学科生长点,等它成熟了再布局就失去意义了。”

2007年,《华夏地理》第一期杂志上,周忠和发表了一篇《DNA解读人类起源》的科普文章,帕博的故事已经让他看到了古DNA研究的巨大潜力。

2009年,古脊椎所和中国科学院大学考古学与人类学系教授王昌燧团队成立了一个含有古DNA平台方向的人类演化与科技考古联合实验室。实验室这个平台方向的第一个成员,就是一位名叫付巧妹的德国博士研究生。当时,她刚前往帕博的团队学习。

“方向是看准了,但对人,我们并不了解。”周忠和只知道,出国前的付巧妹并没有古DNA甚至基因组学方面的经验,能做到什么程度,心里没底。

逐浪“黄金时代”

刚到马普演化人类学研究所的付巧妹,就赶上了尼安德特人基因组序列草图的收尾工作。仿佛是转瞬之间,她就成为了古DNA黄金时代的弄潮儿。最重要的是,她在这场大浪淘沙的角逐中坚持了下来,并成为了年轻的佼佼者。

2010年1月起,付巧妹正式开始负责古脊椎所中德人类演化与科技考古联合实验室古DNA平台。尽管还在德国求学,但她每年都有几个月时间回到国内扑在实验室,一点一滴充实这个团队。

古人类化石DNA保存差、污染重,难以获取有效遗传信息,一直是个棘手的难题。2013年,付巧妹和帕博团队联合开发了一种类似“钓鱼”的古核DNA捕获方法,将田园洞人化石仅占0.03%的人类DNA从大量来自土壤微生物的DNA中吸附、富集并“钓取”出来。

2014年,团队成功从西伯利亚距今约4.5万年的人类股骨中获得高质量的基因组序列,发现其约在70万年前与丹尼索瓦人具有共同的祖先。

这项研究不仅首次提出了现代人祖先进入亚洲的路线并非只有单一的南线,还确定了现代人祖先与已灭绝古人类——尼安德特人基因交流的时间。此后,她开始将亚洲人群纳入开展人类起源和演化历史的研究,详实地绘制出冰河时代欧亚人群的遗传谱图,首次在时空大框架下展示旧石器时代晚期的一段完整的人口动态变化情况……

付巧妹告诉《中国科学报》,古DNA研究的突破本身得益于21世纪初的第二代测序技术及后续相关古DNA技术的开发和发展,使大量之前无法进行古DNA研究的样本和材料重回研究视野。“但古DNA绝不仅仅是材料和技术的竞争,关键还在于谁能从繁复的遗传信息中敏锐性地发现问题,并找到解决问题的思路。这就需要研究者有广阔的视野以及非常强的洞察力。”

今年5月,付巧妹团队发表在《科学》的一项最新成果引起了广泛关注。它揭示出中国南北方人群的史前分化格局、融合过程和迁徙历史,而且证实了南岛语系人群的中国南方大陆起源。

这项研究历时8年,其实早在2014年,她的团队就已经获得了北方山东和南方岛屿亮岛的几个关键样本的基因组数据,并且有了一些研究进展。可她迟迟不下结论,因为她心中始终存有疑虑,“岛屿上的人跟大陆上的人有可能是完全不同的”。于是,她又花了五年时间,在南方大陆搜寻样本并攻克该区域材料古DNA捕获难的技术难关,最终获得南方大陆人群的古基因组,从而完结了南岛语系人群起源的争议。

就在付巧妹进行这项研究时,她的国际同行正在马不停蹄地跟她展开“同题竞争”。这些年,古DNA研究蔚然成风,付巧妹和她的团队一刻都不敢懈怠。

跨越式发展背后

十年,古脊椎所古DNA团队广泛开展了古人类及其伴生物种的基因测序工作,丰富了古DNA数据库,为人类起源与迁徙、文明传播与碰撞、历史争议问题给出了全新的解释。正是有了这些积累,团队的古DNA研究水平才可以和国外一线研究机构“并跑”。

付巧妹告诉《中国科学报》,能实现这一学科方向的跨越式发展,一个高水平的古DNA实验平台必不可少。她提到,在中科院的支持之下,实验室完成了两次非常重要的平台升级,一次是古DNA数据分析平台,一次是自动化实验平台。目前,实验室技术与设施条件已经可以媲美国际顶尖水平的古DNA实验室。

“此外,一支能够高效运转的跨学科研究团队是保持国际竞争力的关键。”付巧妹说。如今,“80后”付巧妹的古DNA团队共有近20名成员,平均年龄30岁出头,他们来自群体遗传、生物信息、生物化学、数据统计等学科领域,与传统古生物研究者有着完全不同的学科背景。

“培育一个学科方向,必须培养一支团队,这样学科面才能铺得更宽,合作面就会更广,影响力也会更大。”周忠和强调,“在十年前,古脊椎所这样小体量的研究机构,要在一个全新的方向,从头开始组建一个分支团队,是有一定难度的。”于是,研究所首先在政策上大胆给予倾斜,尤其在人才招聘和科研资源方面。“分子生物学领域的优秀人才在别的单位更容易拿到高薪,我们必须提高人才保障条件才能留住他们。”周忠和直言。

此外,在周忠和看来,“大科学问题就要大团队合作”。对于一个初出茅庐的年轻人,要迅速联通考古学界、人类学界,有时甚至需要联合十几家研究机构,在短时间里迅速拉起一张庞大的合作网络,是个巨大的挑战。因此,古DNA团队的成功,与古脊椎所特别是古人类研究团队及相关单位的深厚积累和全力支持是分不开的。

(记者 胡珉琦)

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