DNA 分子钟找寻祖先踪迹

用DNA改变的速度作为时钟

年代，在研究中常常是重要的资讯；不同领域的学者，取得年代的手法各有巧妙。历史学家，靠文献记录得知年代；考古学家，以化石型态、地质、同位素定年厘清；研究遗传物质的遗传学家，则以称作分子钟（molecular clock）的方式定年。[1]

分子钟的“分子”通常是指DNA。以DNA定年使用已久，我们也早已习以为常，例如我们的祖先约6万年前离开非洲、与尼安德塔人在55到77万年前分家、与黑猩猩的共同祖先能追溯到600多万年前。

分子钟的原理是，生物代代相传的过程中，由于突变会累计变异，而世代愈多，累计突变也愈多。差异正比于经历过的岁月；所以只要知道两者间DNA差异多少，再加上改变速率，就能回推两者分家的年代。（以上只是简化说明，实际上计算复杂很多）

例如一段DNA序列，平均每两千年出现1个变异，比较两个样本，之间若是差异5个位置，则可推估它们分家于一万年前。前述3个案例，大致都是如此算出来的。

多久以前混血？分子钟也知道

以上是传统的分子钟，用于估计分家年代；不过分开多时的族群，常常又会碰面而混血，例如5万年前左右，尼安德塔人的DNA又进入智人基因库。这又是怎么算出来的呢？

原理是“重组（recombination）”，也叫“染色体互换（crossing over）”。重组，意思是在精卵结合形成胚胎，生命之初时，来自父母双方的染色体之间，会交换部分片段，平均一代约有36次重组。因此，来自某一代的染色体，经历愈多世代后，随着重组次数增加，DNA长度将一代代愈来愈短。

假如混血只发生一次，尼安德塔人将DNA送进智人基因库以后，随着代代相传，本来源自尼安德塔人，完整的一条染色体，会因重组之故显得愈来愈分散。若是知道当下的各片段有多长，可以回推它多久之前仍然完整－也就是混血发生之际。

近来一些重大发现，都是此一策略的成果。例如住在罗马尼亚，距今约4万年的智人Oase 1，于4到6代以前有位尼安德塔先祖 [2]。还有南岛族群前进太平洋后，在1500到2300年前间，又与随后前来的巴布亚人融合 [3]。

详情可见：
《智人与尼安德塔人40000年前在欧洲有过后代》
《航向太平洋的DNA之旅：南岛语族与拉匹达关系解密》

Physics

分子钟的限制与问题

分子钟相当实用，很多古人类学家讨论问题时，也渐渐采用分子钟的资讯。问题是，分子钟的定年准确吗？

严谨、专业的学者一定知道，分子钟有许多限制。一方面，取样由于种种限制，常常会有偏差，无法涵盖完整的资讯，随着资讯更加全面，分子钟的结果也会常常修正。另一方面，分子钟还有些方法本质的限制。

例如，分子钟得到的时间，其实是用“世代”间接推估。假设一代 30 年，世代是 50 代，那么就是经历过 1500 年；可是，如果世代不是 30 年，而是 20 年，那么实际上 50 代只经过 1000 年而已。

另一问题是突变率。突变率愈高，累积差异愈快，经历时间也就愈短。如之前举例，平均每 2000 年出现 1 个变异，差5个位置就是分家 10000 年；然而若是突变率其实只有一半，也就是每4000年才有一个变异，那么分子钟其实走的比较慢，差 5 个位置，实际上已经过 20000 年之久。

很明显，分子钟假设的突变率不同，会得到差异很大的年代，进而大幅影响推论。有人以较慢的分子钟估计，认为人类和黑猩猩介于 650 到 930 万年前分家，比本来认为的 600 多万年更早。尼安德塔人与智人，若以较高的突变率估计，共同祖先将介于 28 到 38 万年，远比较低突变率算出的 55 到 77 万年，更接近现代。

用古代 DNA 校正分子钟，跨领域精益求精的科学精神

孰是孰非？借由比较现存生物 DNA 的差异，能计算改变的速度；可是古代突变率也许和今日不同，各时期间也可能不一致。我们该如何得知，古时候的突变率和世代长度？所幸，靠着古代 DNA，以及跨领域的研究策略，遗传学家能校正出更精确的分子钟。

来个实际案例。西班牙的胡瑟裂谷遗址，有批距今43万年，算是很早期的尼安德塔人化石。之所以知道43万年，是采取铀钍同位素定年的结果。铀钍定年是相当准确的定年手法，值得一提的是，此一工作是由台大的教授沈川洲完成。[4]

知晓胡瑟裂谷人的年代后，古代遗传学研究团队，后来又取得他们的 DNA [5]。靠着比较 43 万前，以及其他年代样本间的 DNA 差异，得以校正突变率，算出更加精确的年代。结果是，用较低突变率，得到走比较慢的分子钟是对的。此结果厘清了古代的突变率，确认智人与尼安德塔人分家的年代，的确介于 55 到 77 万年前。

分子钟是实用，却仍不够好的工具。许多如贾伯斯般又饥又傻，渴求科学真相的学者，不断致力于改进分子钟，以求更加贴近真相。不肯安于现状，不断精益求精，正是科学精神的具体展现。

撰文/寒波

延伸阅读：鸡排的起源？从古 DNA 探索鸡的驯化与育种过程

参考文献：
1. 本文架构主要参考《DNA dating: How molecular clocks are refining human evolution’s timeline》https://theconversation.com/dna-dating-how-molecular-clocks-are-refining-human-evolutions-timeline-65606
2. Fu, Q., Hajdinjak, M., Moldovan, O. T., Constantin, S., Mallick, S., Skoglund, P., … & Viola, B. (2015). An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor. Nature, 524(7564), 216-219.
3. Skoglund, P., Posth, C., Sirak, K., Spriggs, M., Valentin, F., Bedford, S., … & Fu, Q. (2016). Genomic insights into the peopling of the Southwest Pacific. Nature.
4.Arsuaga, J. L., Martínez, I., Arnold, L. J., Aranburu, A., Gracia-Téllez, A., Sharp, W. D., … & Carbonell, E. (2014). Neandertal roots: Cranial and chronological evidence from Sima de los Huesos. Science, 344(6190), 1358-1363.
5. Meyer, M., Arsuaga, J. L., de Filippo, C., Nagel, S., Aximu-Petri, A., Nickel, B., … & Viola, B. (2016). Nuclear DNA sequences from the Middle Pleistocene Sima de los Huesos hominins. Nature, 531(7595), 504-507.

（作者部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名的粉丝团《同名的粉丝团》，欢迎参观、拍打、与喂食）