尼安德塔人的粒線體變化,古 DNA 揭露未知混血秘辛

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人類從何而來,如何演化成現在這個樣子,吸引了一代又一代的學者關注。西元 1856 年首度為人知悉的尼安德塔人(Neanderthals),儘管開始時沒引起太大重視,卻揭示了今日眾所皆知的事實:我們智人並非獨一無二,史前時代還有其他「人類」存在。

古代 DNA,看似矛盾的發現

已經滅亡的古代人種中,最早被發現的尼安德塔人,DNA 也是最早被定序成功的。1997 年發表在《Cell》期刊的劃時代論文,比較尼安德塔人與智人的粒線體 DNA,得知尼安德塔人的變異落在智人族群以外,提供了「尼安德塔人不算是智人」遺傳學上的證據。[1]

隨著古代 DNA 研究的發展,如今尼安德塔人已有十餘個完整的粒線體 DNA 發表,並且全都自成一群。而取得尼安德塔人的細胞核基因組之外,科學家還透過定序化石中的 DNA,意外發現另一種古代人種:丹尼索瓦人(Denisovans);據細胞核基因組判斷,他們更接近尼安德塔人,和我們較為疏遠。[2][3]

暫且不管丹尼索瓦人,只看尼安德塔人與智人,估計兩者粒線體分家的年代大概距今 40 萬年;然而,細胞核基因組分家的年代,卻是更早以前的 55 到 77 萬年前。為什麼同樣一個人,兩種獨立遺傳的基因物質,在歷史上的分家時間點卻不一致?[4]

假說:巨大又微小的遺傳交流

尼安德塔人與智人,除了粒線體與細胞核 DNA 分家時間不一致外,還有一點令人困惑。住在西班牙胡瑟裂谷(Sima de los Huesos),距今 43 萬年的早期尼安德塔人,古遺傳學家克服萬難取得他們的 DNA 後(目前已知最古老的人類 DNA),驚覺其粒線體與丹尼索瓦人相似,可是細胞核 DNA 卻較為接近尼安德塔人。[5]

換個說法,早期尼安德塔人的粒線體,比較接近丹尼索瓦人,可是晚期的尼安德塔人卻更像智人;加上之前得知,粒線體與細胞核 DNA 分家時間不一致;可見古代人類之間,勢必發生過數次遺傳交流,才造成我們如今在線索有限下,看似矛盾的狀況。

瞎子摸象的遺傳學家提出好幾種假說,試圖解決以上矛盾。其中一種是,細胞核基因組反映的是主要源流,而 3 種古代人類大分家以後,尼安德塔人又經歷過小規模的基因流動;其造成影響是,巨大到讓所有尼安德塔族群的粒線體被更換為新版,卻又微小到不太影響細胞核基因組。

尼安德塔人族群,比本來以為的更龐大

來推敲以上假說中,事情何時發生。它不能超過智人與後世尼安德塔人粒線體分家的時間點,也就是 40 多萬年前;但又要發生在所有尼安德塔人粒線體尚未分化前,因為後世所有尼安德塔人全都帶有新版的粒線體,無一例外。近期發表的論文,替此一假說提供了有用的線索。[6]

新論文的樣本來自德國 Hohlenstein–Stadel (以下簡稱 HST)遺址,是於 1937 年出土的大腿骨,所以是個老樣本的新應用。古遺傳學家從中獲得完整的粒線體 DNA,確認它屬於尼安德塔人,卻跟已知的其他同類都有最大的差異。

理論上,若族群愈大,族群內就愈有機會累積更多遺傳上的變異;因此比較個體之間的差異程度,若是愈大,或許能反映族群個體數目也愈多。

根據以上原理,之前認為(尚未離開非洲前的)智人族群遠大於丹尼索瓦人,丹尼索瓦人又比尼安德塔人多一點。然而加上新的樣本比較後,結果相當令人驚訝,尼安德塔人的族群,竟然其實跟智人差不多大!意謂過往由於取樣侷限,太過低估尼安德塔人的人口。

DNA_Neanderthals

延伸閱讀:讓基因檢測更正確──從非洲探索失落的遺傳多樣性

 

神秘混血事件,不晚於 27 萬年前

用分子演化學的方法,估計各樣本本身的歲數。論文指出,出土於阿爾泰山遺址(就是出土過丹尼索瓦人的同一處)的尼安德塔人是最古早的,距今達 13 萬年,而新定序,德國的 HST 則是 12.4 萬年。

將已知的尼安德塔樣本擺在一起畫出演化樹,並估計分家年代,論文發現儘管  HST 與阿爾泰的尼安德塔人,幾乎生存在同一時期,他們卻可以視為 2 個分化已久的支系:HST 自成一支,阿爾泰和其他尼安德塔人則屬另外一支。兩者共同祖先能追溯到 27 萬年前(介於距今 21.9 到 31.6 萬年之間),這也就是上述提及的假說中,尼安德塔人與未知人種上演遺傳交流,最晚可能發生的年代。

此次研究雖然表面上只獲得一個新的尼安德塔粒線體 DNA,卻帶來不成比例的關鍵新知:一、尼安德塔人族群,其實曾經與智人差不多大。二、帶來新版粒線體的神秘混血事件,取平均值的話,發生在 27 到 40 萬年前之間,將統計誤差考慮進去,則是介於 22 到 47 萬年前。

問題:是誰?何地?怎麼會?

仍有許多未解之謎等待探索,比方說,帶來新版粒線體的是什麼人?尼安德塔人在哪裡碰上他們?混血後又要怎麼達成「改變粒線體達 100%,影響基因組卻逼近 0%」的反差?

以上問題目前仍沒有答案。將粒線體傳給尼安德塔人的神秘人,與智人分家 40 萬年,意即他們還不是智人,卻是智人所屬演化分支中的某一成員;考量到考古證據,或許是原本住在非洲,海德堡人旗下的某個族群。

尼安德塔人沒有到過非洲,表示雙方碰面的地點在非洲之外的某處,這不見得是歐洲,像是中東、高加索等地都有機會。另外由於混血最遲可能發生在 27 萬年前,神秘人或許也是在離開非洲一段時間後,才碰上尼安德塔人。

至於混血後,源自粒線體和細胞核 DNA 命運的極端反差,目前資訊少到連推論都太過冒險。假如該假說為真,如此罕見的案例,別說人類演化,即使擺在整個演化領域下看都很值得重視。樂觀的想,古代遺傳學研究進展飛快,也許不久以後,我們就能得知答案。

文 / 寒波

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參考文獻:
1. Krings, M., Stone, A., Schmitz, R. W., Krainitzki, H., Stoneking, M., & Pääbo, S. (1997). Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans. Cell, 90(1), 19-30.Reich, D., Green, R. E., Kircher, M., Krause, J., Patterson, N., Durand, E. Y., … & Pääbo, S. (2010). Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature, 468(7327), 1053-1060.
2. 丹尼索瓦人(上):尼安德塔人的神秘近親
3. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Li, H. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
4. 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.
5. Posth, C., Wißing, C., Kitagawa, K., Pagani, L., van Holstein, L., Racimo, F., … & Krause, J. (2017). Deeply divergent archaic mitochondrial genome provides lower time boundary for African gene flow into Neanderthals. Nature communications, 8.

(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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