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明德讲堂M665报道:我们是谁?我们从哪里来?

  • 图文/李敬朴
  • 创建于 2020-12-21
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今年9月11日,在习近平总书记主持召开的科学家座谈会上,作为科学家代表之一,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹研究员介绍了自己在古基因组学与人类遗存演化方面的研究工作。座谈会现场,习总书记就“人类从哪里来”“基础研究、冷门学科的作用”等问题与她亲切交流。9月28日,习总书记在讲话中进一步指出,“考古学是一门十分重要的学科。百万年的人类起源史和上万年的人类史前文明史,主要依靠考古成果来建构。”

值得注意的是,付巧妹研究员2009年硕士毕业于中国科学院研究生院科技史与科技考古系(现中国科学院大学考古学与人类学系)。这次应国科大考古系杨益民教授邀请,付巧妹研究员回到母校“明德讲堂”的讲台,为现场300余位师生带来的正是古基因组学绘制的人类起源史与人类史前文明史。


付老师从理工科学生熟悉的DNA讲起,问到“半保留复制如果没有差异,父母与子女还有差异吗?”得到了大家的否定回答之后,她介绍了人类与黑猩猩的基因差异,并指出人类染色体DNA、线粒体DNA上的碱基数量决定了基因之间可能存在的巨大差异。


当话题从遗传学的基础知识来到人类演化与古基因组研究,付巧妹老师首先强调了这一领域的科学意义。人类的演化存在着许多重大的科学之谜,在Science杂志创刊125周年之际,曾提出了125个最具挑战性的科学问题,其中至少两个问题与此直接有关,分别是第14个问题是“什么遗传变化造就了独特的人”和第111个问题“最近的过去有多少种人共存过,他们之间有何联系”。从古DNA的角度开展人类遗传、演化和迁徙等相关问题的研究,是近些年来新兴的世界科学前沿,可以提取到传统的形态学以及现代遗传研究无法获取的重要信息。在付巧妹老师重点研究的人类祖先、现代人祖先遗传演化方面,学界主要关注的科学问题是共存时间里,灭绝古人类与早期现代人如何互动?现代人在不同时间阶段如何演化?这里的现代人所指的不仅仅是现生人群,而是生理上与现生人群整体一致的人种。

早在上世纪八十年代,国际上已经开展古DNA研究;本世纪以来,随着生化分析技术和计算机算力的提高,遗传学界爆发了一场“基因组革命”;2010年,一枚小指骨化石的古DNA研究第一次使人们了解到新的未知人种——丹尼索瓦人;2014、2015年,付老师的一系列工作揭示了现代人与尼安德特人的多次基因交流;2018年,科学家利用ZooMS技术从化石里筛选出人骨,对一枚来自5万年前的小女孩的骨骼碎片进行DNA提取与分析,发现了尼安德特人与丹尼索瓦人的混血现象;近年来,付老师终于实现了在沉积物中提取古DNA进行分析,并与相关团队合作,成功揭示了青藏高原白石崖遗址的丹尼索瓦人活动,进而证明丹尼索瓦人曾在亚洲地区广泛分布。


付老师指出,灭绝古人类对现代人的基因影响不容忽视,如尼安德特人提供了除非洲以外现代人基因的4%,而来自丹尼索瓦人的基因EPAS1为人类提高了高海拔适应性,在东亚人群中的1~2%拥有这一基因,而西藏人群的宿主比例则是80%。这意味着在漫长的人类历史上,不同人种之间存在着复杂的基因交流和演化。随后,付老师介绍了测定这种基因交流时间的方法——依据片段被打断的分布,并根据她的历次研究,指出早期现代人中尼安德特人基因含量不断下降。而白石崖溶洞沉积物中成功提取到的古DNA表明,该人群仅与丹尼索瓦洞穴晚期人群非常接近,与早期人群差异则较大。

接着,付老师为大家介绍了古DNA研究的技术难题,即如何解决污染问题。样品中的DNA既有内源性的,也有外源性的,后者往往更多,比如埋藏过程中的微生物DNA、发掘保存过程中的人源DNA。付老师的重要贡献,即是开发了一种古DNA捕获技术,能够将仅占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,该技术是使当前国际遗传学界能够大量生产古DNA数据的关键。

基于古DNA捕获技术,付巧妹老师通过尼安德特人与早期现代人的系列工作“重写了欧洲最早的现代人类历史”,成为Nature杂志评选的“中国十大科学之星”。她的关注目光回到东亚地区后,立马对距今4万年的田园洞人DNA进行了研究。结果表明,田园洞人在遗传意义上已经是东亚人;并且,相比于其他美洲原住民,田园洞人与亚马逊人更接近。此外,一些研究表明大洋洲人群与亚马逊人群有着密切的血缘联系。


当视野来到一万年以内,付老师关于中国南北方人群基因组的研究,复原了新石器时代以来东亚南北方人群的遗传差异及迁徙融合的过程。付老师介绍到,这项工作早已开展并得出了初步结论,但当时尚且存在一定的问题,如亮岛人个体能否代表典型南方人群?他们与南方大陆人群是否存在较大差异?但随着研究样本量的提高,相关结论逐渐稳固。这一研究成功揭示出万年以来中国南北人群的分化格局,但这一格局有着古今差异,即新石器时代南北方人群的遗传差异远高于现代——随着时间的推移,南北方人之间的差异性和分化程度逐渐缩小。这种变化暗示着,新石器时代以来,中国南北方人之间已经有了频繁的迁移与混合,其中,在8300年前南北人群第一次发生大规模的融合和互动。有趣的是,与欧洲不同,中国万年以来主体人群的演化基本是连续的,迁徙活动也主要发生在东亚内部,而欧洲地区人群自新石器时代以来不断遭遇着近东农业人群及欧亚草原人群等外来群体的“大换血”。

在这项关于万年以来中国南北方人群的研究中,南岛语系人群的起源问题也被解决。现今广泛分布于西起马达加斯加,东到复活节岛,北起台湾岛和夏威夷群岛,南抵新西兰的广阔海域上的南岛语系人群,与新石器时代的中国南方沿海人群有着非常密切的遗传联系,中国8400年前以奇和洞人为代表的古南方人群是南岛语系人群的祖先来源。此外,作为东亚南部最古老线粒体基因组数据,奇和洞人的DNA研究也修正了关于东亚与东南亚祖先人群的“二层假说”。


南岛语系如何扩散?中国历史时期北方向南方的扩散在DNA上有何反映?丹尼索瓦人混合现象在东南亚的分界线与生物地理学上的华莱士线是否有联系?古人类如何灭绝?中国人的直系祖先源于何时何地?疥疙洞遗址的研究有何进展?“非洲起源说”与“连续进化附带杂交学说”孰对孰错?“有害基因”为什么能遗传下来?DNA怎样测年? ……在讲座结束后,国科大的学子们提出了一个个十分专业的问题,与付巧妹老师热情交流了将近40分钟。

一位同学问到DNA研究与生物安全问题,担心DNA研究数据的公开化会导致一些国家针对特定人种研制基因武器。然而,正如不能因为原子弹的存在而不研究核物理一样,付老师强调了DNA研究的重要科学意义,同时也指出应当合理利用、保护基因资源。


另一位同学问到冷门学科、基础研究的研究意义与学术环境。在付老师看来,基础研究当然有其现实意义,如我国面临的许多“卡脖子”问题,本质上是基础研究跟不上。拿她所耕耘的古基因组学来说,这一外界看来十分“冷门”的学科实际上对于疾病筛查和诊断、细胞衰老和凋亡等问题有着重要作用。但基础研究本不该谈论这些事情,希望社会不要完全以“有没有用”评价、发展科学研究。

在科学家座谈会上,听取了付巧妹研究员的发言,习近平总书记曾深刻指出,“对冷门怎么看?按一般概念,一些冷门的东西没有用。这种认识可能把一个领域的事业耽搁了。做科研事业的评估,要有长远的眼光、世界的眼光、科学的眼光。”而以付老师所从事的考古工作为例,这一“冷门”中的“冷门”,却是“展示和构建中华民族历史、中华文明瑰宝的重要工作”。我国几代考古工作者接续奋斗,“延伸了历史轴线,增强了历史信度,丰富了历史内涵,活化了历史场景”,包括考古工作在内的众多冷门学科、基础研究的意义应当更多地为社会所认识、为国家所重视。

主讲人简介:付巧妹,国际著名古遗传学家,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员、博士生导师,国家杰出青年基金获得者,美国HHMI国际青年学者。她曾破译世界最古老现代人基因组,解码东亚早期现代人基因,揭秘中国南北方人群遗传历史,丰富了人类演化过程的细节知识和学术认知;在Nature、Science、Cell等国际核心期刊发表论文40余篇;因“重写了欧洲最早的现代人类历史”,入选Nature“中国十大科学之星”;此外获得“中国青年科技奖-特别奖”,首届“科学探索奖”等。

延伸阅读:

习近平与科学家的三段对话

http://www.12371.cn/2020/09/15/ARTI1600160482257845.shtml

习近平问付巧妹:人类从哪里来,你们搞明白了吗?

https://www.sohu.com/a/418624309_120207621

习近平:建设中国特色中国风格中国气派的考古学 更好认识源远流长博大精深的中华文明

http://www.xinhuanet.com/politics/leaders/2020-11/30/c_1126803588.htm

图文/李敬朴 海报/徐元昊,审核/吴慧