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DNA 分子鐘 找尋祖先蹤跡

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用DNA改變的速度作為時鐘

年代,在研究中常常是重要的資訊;不同領域的學者,取得年代的手法各有巧妙。歷史學家,靠文獻記錄得知年代;考古學家,以化石型態、地質、同位素定年釐清;研究遺傳物質的遺傳學家,則以稱作分子鐘(molecular clock)的方式定年。[1]

分子鐘的「分子」通常是指DNA。以DNA定年使用已久,我們也早已習以為常,例如我們的祖先約6萬年前離開非洲、與尼安德塔人在55到77萬年前分家、與黑猩猩的共同祖先能追溯到600多萬年前。

分子鐘的原理是,生物代代相傳的過程中,由於突變會累計變異,而世代愈多,累計突變也愈多。差異正比於經歷過的歲月;所以只要知道兩者間DNA差異多少,再加上改變速率,就能回推兩者分家的年代。(以上只是簡化說明,實際上計算複雜很多)

例如一段DNA序列,平均每兩千年出現1個變異,比較兩個樣本,之間若是差異5個位置,則可推估它們分家於一萬年前。前述3個案例,大致都是如此算出來的。

多久以前混血?分子鐘也知道

以上是傳統的分子鐘,用於估計分家年代;不過分開多時的族群,常常又會碰面而混血,例如5萬年前左右,尼安德塔人的DNA又進入智人基因庫。這又是怎麼算出來的呢?

原理是「重組(recombination)」,也叫「染色體互換(crossing over)」。重組,意思是在精卵結合形成胚胎,生命之初時,來自父母雙方的染色體之間,會交換部分片段,平均一代約有36次重組。因此,來自某一代的染色體,經歷愈多世代後,隨著重組次數增加,DNA長度將一代代愈來愈短。

假如混血只發生一次,尼安德塔人將DNA送進智人基因庫以後,隨著代代相傳,本來源自尼安德塔人,完整的一條染色體,會因重組之故顯得愈來愈分散。若是知道當下的各片段有多長,可以回推它多久之前仍然完整-也就是混血發生之際。

近來一些重大發現,都是此一策略的成果。例如住在羅馬尼亞,距今約4萬年的智人Oase 1,於4到6代以前有位尼安德塔先祖 [2]。還有南島族群前進太平洋後,在1500到2300年前間,又與隨後前來的巴布亞人融合 [3]。

詳情可見:
智人與尼安德塔人40000年前在歐洲有過後代
航向太平洋的DNA之旅:南島語族與拉匹達關係解密

Physics

分子鐘的限制與問題

分子鐘相當實用,很多古人類學家討論問題時,也漸漸採用分子鐘的資訊。問題是,分子鐘的定年準確嗎?

嚴謹、專業的學者一定知道,分子鐘有許多限制。一方面,取樣由於種種限制,常常會有偏差,無法涵蓋完整的資訊,隨著資訊更加全面,分子鐘的結果也會常常修正。另一方面,分子鐘還有些方法本質的限制。

例如,分子鐘得到的時間,其實是用「世代」間接推估。假設一代 30 年,世代是 50 代,那麼就是經歷過 1500 年;可是,如果世代不是 30 年,而是 20 年,那麼實際上 50 代只經過 1000 年而已。

另一問題是突變率。突變率愈高,累積差異愈快,經歷時間也就愈短。如之前舉例,平均每 2000 年出現 1 個變異,差5個位置就是分家 10000 年;然而若是突變率其實只有一半,也就是每4000年才有一個變異,那麼分子鐘其實走的比較慢,差 5 個位置,實際上已經過 20000 年之久。

很明顯,分子鐘假設的突變率不同,會得到差異很大的年代,進而大幅影響推論。有人以較慢的分子鐘估計,認為人類和黑猩猩介於  650 到 930 萬年前分家,比本來認為的 600 多萬年更早。尼安德塔人與智人,若以較高的突變率估計,共同祖先將介於 28 到 38 萬年,遠比較低突變率算出的 55 到 77 萬年,更接近現代。

用古代 DNA 校正分子鐘,跨領域精益求精的科學精神

孰是孰非?藉由比較現存生物 DNA 的差異,能計算改變的速度;可是古代突變率也許和今日不同,各時期間也可能不一致。我們該如何得知,古時候的突變率和世代長度?所幸,靠著古代 DNA,以及跨領域的研究策略,遺傳學家能校正出更精確的分子鐘。

來個實際案例。西班牙的胡瑟裂谷遺址,有批距今43萬年,算是很早期的尼安德塔人化石。之所以知道43萬年,是採取鈾釷同位素定年的結果。鈾釷定年是相當準確的定年手法,值得一提的是,此一工作是由臺大的教授沈川洲完成。[4]

知曉胡瑟裂谷人的年代後,古代遺傳學研究團隊,後來又取得他們的 DNA [5]。靠著比較 43 萬前,以及其他年代樣本間的 DNA 差異,得以校正突變率,算出更加精確的年代。結果是,用較低突變率,得到走比較慢的分子鐘是對的。此結果釐清了古代的突變率,確認智人與尼安德塔人分家的年代,的確介於 55 到 77 萬年前。

分子鐘是實用,卻仍不夠好的工具。許多如賈伯斯般又饑又傻,渴求科學真相的學者,不斷致力於改進分子鐘,以求更加貼近真相。不肯安於現狀,不斷精益求精,正是科學精神的具體展現。

撰文/寒波

延伸閱讀:雞排的起源?從古 DNA 探索雞的馴化與育種過程

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參考文獻:
1. 本文架構主要參考《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》、同名的粉絲團《同名的粉絲團》歡迎參觀、拍打、與餵食)

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