摸骨、看相、尋找遺傳密碼……何以追溯人類祖先家譜？

2023-04-01 09:50:49 3

製作:中國科普

作品:李景書(中國科學院古脊椎動物與古人類研究所)

生產者:計算機網絡信息中心

你家有黃色的家譜嗎？雖然其中記錄的許多名字是陌生的，但他們攜帶的個體與你有著密切的血緣關係。

普通人的族譜可以追溯到三到五代，這常常使後代難以區分。古人類學家如何能夠用僅有的幾個分散的遺骸和斷骨來編纂人類祖先的「譜系」，跨越數百萬年甚至更長的時間來觀察令人困惑的親緣關係？

第一步是觸摸骨頭和看圖片。

化石一直保存到現在，經常被複雜的掩埋過程弄得支離破碎。因此，研究者大多獲得了零散的人體骨骼碎片，如幾顆牙齒(中學歷史課本開頭提到的元謀實際上是以兩顆牙齒命名的)、手臂或大腿骨、腳趾、手指...化石的觀察、種類和位置的鑑定、測量和比較是研究人類遺骸的第一步。

袁某人的牙齒(百度百科)

據說古人類學家賈蘭坡先生有一個習慣，就是把幾塊人類化石放在口袋裡，反覆摸索和摸索，以增進他對古代人類骨骼的了解。儘管今天的學者不再被允許將化石放入口袋，但骨骼追蹤的基本訓練是絕對不可避免的。如果連人類和動物的化石都是愚蠢和混亂的，大腿還是手臂的問題也不清楚，那麼下一步的研究是什麼？

當然，如果你足夠幸運地發掘出完整的遺骸，你可以輕鬆愉快地完成第一步。遺憾的是天氣不佳。這種子話題的概率很低。無論是我們所知的北京猿人化石，還是人類的「老祖母」露西的化石，都是古人類學家經過長期的實地考察和發掘拼湊而成的較為完整的遺蹟。

露西的骨骼，一種在衣索比亞發現的南方古猿(大約320萬年前)(維基百科)

有時候，僅僅找到頭骨就足以讓古人類學家歡呼雀躍，因為頭骨包含了其他部分無法比擬的豐富信息。觀察面部可以發現很多信息:例如，面部是否像現代人或者更像猿，頭骨是否是圓形的，大腦體積有多大，牙齒是否原始等等。然而，高解析度工業CT技術、三維重建、各種微小解剖部位的幾何形狀量化以及其他手段使古人類學家能夠從頭骨中獲得更多的形態學數據。之後，通過分析數據，我們可以畫出人類祖先的進化樹。

許佳堯顳骨及其內耳迷路三維重建(中國科學院古脊椎動物研究所官方網站)

然而，以這種方式繪製的家譜有明顯的局限性。如果一些古人只是變老了呢？

同齡人的對比照片(yxlady.com)

2015年，一組古生物學家宣布，在南非發現了最早的原始人——納勒迪人，因為納勒迪人具有許多原始原始人的特徵，比如比南方古猿的大腦更小。研究人員推測這些原始人生活在大約300萬年前。

鼻孔復原圖:看著這張古老的臉，我們幻想著遠古祖先的出現(國家地理)

兩年後，光致發光、古地磁、鈾系等各種測年方法的綜合測年數據令所有人驚訝。300萬年前，那瑞迪人實際上只有大約30萬歲(大約33.5萬到23.6萬年前)——那瑞迪人不是南猿的對手，而是尼安德特人的鄰居。由此可以看出，僅僅通過判斷頭骨是原始的還是現代的，是不可能真正知道它的進化位置的。畢竟，變老不是納瑞迪的錯！

另一個例子是，在30萬年前的非洲大陸，一些原始人類頭骨在某種程度上與早期現代人類頭骨的解剖特徵有關。可以說，它們兼具「原始」和「現代」特徵，古人類學家很難找到令人信服的統一標準來區分它們。不僅如此，事實上，在人類進化的所有階段，例如從直立人到智人的階段，大多數古代人類化石都很難根據它們的骨骼形態特徵來判斷誰老誰年輕。

因此，僅僅觸摸骨骼並從更高的層面看圖片是遠遠不夠的。

第二步:你多大了？

如上所述，年代測定的結果改變了納萊提人的進化地位，正是因為年代不明，學術界對許多標本的重要性產生了懷疑。古人類學家高興曾經說過,「時代」的準確性在研究不同地區古代人類的進化過程、時間順序和遷徙路線方面起著決定性的作用。 ' '

然而，獲得年代數據不是一件簡單的事情。在古代人類研究中，可以獲得的年代通常分為「絕對時代」和「相對時代」，而絕對時代通常指直接在化石上測量的時代。然而，考慮到古代人類化石的稀有性，很少有學者慷慨地拿出標本讓年代學家鑽孔和研磨(樣品)。儘管很難放棄「一組」令人信服的數據，但大多數學者仍會選擇更保守的「相對年齡」。

確定相對年齡包括確定化石出土的層位、與化石一起出土的哺乳動物和文物以及化石中的沉積物。正是因為用於定年的對象不同，所以通常會有一個地點和多個年代數據結果。同時，由於測年技術的不斷進步，許多古代遺址經常有新舊測年數據。

北京猿人遺址發現於1921年，被認為是我國發現的最早的古代人類遺址。然而，到目前為止，在時間順序數據被更新之前仍然有新的記錄。2009年，《自然》雜誌以封面文章的形式發布了一份新的年代數據(大約77萬年前，在此之前，人們普遍認為北京人生活在大約50萬年前)。將北京人置於「一個更冷的新時代」挑戰了北京人的耐寒性。

2009年，《自然》雜誌發表了北京猿人遺址的研究成果。

同樣在1921年，第一批古代人類的遺蹟出現在非洲。一群礦工在尚比亞的布羅肯山發現了一個原始頭骨，後來被命名為卡布韋。古人類學家根據他們的頭骨對海德堡進行了分類，後來發現了人骨。學者們認為海德堡可能是歐洲尼安德特人和現代非洲人的最後一個共同祖先。

最近，《自然》雜誌上的一篇文章發布了最新的時間順序數據。北京人「變老」了20萬年，而卡布韋人則不同，他們「年輕」了20萬年(大約324，000-274，000年前，一般認為這是在50萬年前)。

換句話說，以卡布韋為代表的海德堡人曾經和智人祖先、納瑞迪人、尼安德特人等一起出現在南部非洲？這個假設的祖先，不是弄巧成拙嗎？卡布韋有什麼樣的人？

卡布韋頭骨照片(科學新聞官方網站)

第三步，哪個是強大的遺傳密碼？

基因檢測現在是親子鑑定的一項家用黑色技術。如果有任何研究在過去20年裡完全改寫了許多古代人類進化的故事，那一定是古代的DNA研究。大衛·賴克甚至認為對古代DNA的研究是繼人類起源故事中的碳14年代之後的第二次考古科學革命。似乎只要能提取出DNA信息，許多關於親屬關係的問題就能得到解答。

根據基因研究，學術界提出了「非洲多區域主義」理論，即在40萬至1萬年間，由於氣候原因，非洲大陸被劃分為不同的生態區域，生活在不同區域的不同人群往往在半隔離狀態下獨立進化，產生基因變異。但是過一會兒，這些人會在接合處進行基因交換。頻繁的基因交換最終會產生現代人。2020年初，一個研究小組發現，現代西非基因組中平均有6.6%至7%的古代基因來自一個「幽靈」古代人類群體，這可能是原始群體之間基因交換的證據。

然而，在關於卡布韋人的研究文章中，研究人員不得不推測，與古代人(如智人祖先、尼安德特人和納勒迪人)生活在同一代的卡布韋人可能屬於這樣的「幽靈人」。

然而，古代的DNA信息極其容易降解，如果降解到一定程度，即使是先進的DNA測序方法也無法檢測到。大約700萬到900萬年前，人類和猿來到了一個岔路口，但迄今為止人類最古老的DNA證據不超過40萬年。

2019年，《自然》發表了一篇題為《DNA，請邁步:這是揭示人類歷史的古代蛋白質的轉折》的報告，這似乎給學術界帶來了新的希望。

研究人員希望對古代蛋白質進行測序，以研究更多的古代人類，包括花商(來自《自然》雜誌)

同樣保存了遺傳密碼的古代蛋白質似乎比古代DNA更穩定，可以保存更長的時間，並且保留的可能性更大。古生物學家甚至在一億三千萬年前的介形類化石羽毛中發現了至今仍保存的角蛋白。難怪一些樂觀的學者認為，在未來，古蛋白質組學可能會解開整個人類進化樹。

從利用古代蛋白質在骨頭碎片中發現人骨並鑑定人類遺骸的性別，到僅僅依靠蛋白質序列鑑定沙河的傑尼索夫人，到從180萬年前喬治亞德馬尼西人的遺骸中提取古代蛋白質序列，似乎對古代蛋白質的研究確實勢不可擋。

2020年4月，《自然》再次發表了弗裡多·韋爾克和他的團隊的研究成果，他們參與了夏河傑尼索夫人的鑑定。這項研究的先驅(先佔有者)通常被認為是西歐人類學最早的成員。根據以往對骨骼和牙齒形態的研究，研究人員認為，拓荒者與尼安德特人有相似之處，也有早期現代人的一些特徵，這使得人們無法判斷拓荒者與直立人、尼安德特人和早期現代人之間的關係。

在新的研究中，研究人員不僅從牙齒中提取了古老的蛋白質組信息，並將蛋白質序列與來自喬治亞的直立人和智人的類似蛋白質進行了比較，然後將先驅者放在人類進化樹的相應位置，也就是說，先驅者是中更新世晚期和更新世晚期人類(包括智人、尼安德特人和丹尼索瓦人)的一個密切相關的姐妹譜系。

根據蛋白質組研究結果重新繪製的系統發育圖，黃色箭頭指的是先驅者(來自Welker F等人，2020)

但不置可否的是，古代蛋白質研究、年代測定技術和古代DNA研究面臨著同樣的問題，即標本的破壞。同時，蛋白質種類繁多，其序列和結構比DNA更複雜，在實際操作中仍有困難。例如，蛋白質不能像核酸序列一樣被擴增，因此檢測靈敏度有限，並且對樣品中蛋白質含量的要求很高。此外，很難獲得完整的肽信息用於嚴重降解樣品的測序。

然而，我們也看到化石本身沒有智慧。只有通過幾代學者對這些牙齒和斷骨的多學科分析和多角度探索，我們才能越來越接近人類祖先地圖的完成和人類進化的真相。

參考:

1.吳新傑，一，劉偉，等。東歐亞更新世人類的時間迷宮

本文僅代表作者的觀點，並不代表中國科普博覽會的立場。