DNA 分子钟 找寻祖先踪迹

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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

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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)

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