科学生物学问题

自1856年在德国尼安德特人山谷发现最早的人类化石以来，古人类学从最初对人类起源的认识发展到相当系统和清晰的认识，已经经历了近150年。近20年来，现代物理学、生物学等学科的发展为古人类学研究提供了许多分析测试手段，突破了传统比较解剖学和形态测量学的单一模式，赋予了传统学科全新的生命力和竞争力，一门融合现代分子生物学和古人类学的新兴边缘学科——分子人类学应运而生。分子人类学通过对蛋白质、核酸等生物大分子的定性和定量分析，在推断人类起源和进化史方面发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍了分子人类学的发展历史、原理和方法，并结合最新研究进展，讨论了关于现代人起源的“非洲起源论”和“多区域连续进化论”。

1分子人类学的研究方法和原则

分子人类学的概念最早是由Sarich和Wilson在1962年用不同结构的生物分子研究人类进化时提出的[1]，是指通过分子生物学手段比较不同人群中同源蛋白质、核酸等生物大分子的序列多样性，来研究人类起源和进化等人类学问题的方法。在这一概念诞生之初，其意义更多地集中在基于分子水平的新生化方法在人类学中的应用，而没有对研究者掌握人类学知识的特殊要求，这使得当时许多人类学家对“分子人类学”这一概念产生了质疑。但这一概念的提出，标志着现代生化技术对传统人类学研究方法的突破，有些作者甚至将以往的一些研究实例归入分子人类学的研究范畴。在分子人类学研究的早期，由于用于核酸研究的分子生物学实验技术和相关数据库还处于探索和建设阶段，蛋白质是当时分子人类学研究的主要载体。自20世纪80年代以来，随着PCR(聚合酶链式反应)等分子生物学实验技术的建立，许多学者将目光直接投向了具有生物遗传信息的DNA水平。时至今日，经过40年的融合和渗透，分子人类学已经形成了一套比较完整的研究理论和方法。其理论基础是基于对人类遗传多样性和分子进化速率的分析研究，比较不同亲缘物种相同基因的差异，从而对人类从古至今进行分类，追溯人类的起源和进化。由于蛋白质和DNA的生化性质不同，在具体的研究方法和原理上也有一定的差异。

1.1蛋白的研究

蛋白质是由DNA序列决定的遗传密码的直接编码产物，可以从相对宏观的尺度上反映生物之间的遗传相似性。分子人类学早期对蛋白质的研究主要集中于血清蛋白质的免疫反应，在比较同源蛋白质氨基酸序列差异的基础上，探讨相关物种间的分类谱系关系。早在20世纪初，Reichert和Brown[2]对不同纲生物的血红蛋白序列进行了比较分析，发现血红蛋白序列的差异与物种间的距离有直接关系。Nuttall[3]用免疫学方法对灵长类动物血清进行免疫沉淀反应，从血清学角度阐述了人与猿、猴的关系。到20世纪60年代，Goodman研究了人类、黑猩猩和大猩猩的身体组成，认为三者身体中蛋白质氨基酸序列的相似性达到98%以上[4]。Sarich和Wilson[5]在Goodman的研究基础上，使用更精确的蛋白质免疫学实验，并引用化石证据，计算出现代人类和古猿从同一祖先分化形成独立物种的年龄。他们认为现代人和非洲类人猿在五百万年前有着相同的祖先，然后一小部分灵长类动物由于自然选择发生了变化，进入了人类进化阶段，成为了现代人的原始祖先。近年来，Goodman等人一直坚持ε-血红蛋白等蛋白质水平的研究，并结合核酸序列分析，深入探讨灵长类动物的系统进化和分类关系[6]，为人类的起源提供分子基础。

目前对人类蛋白质的研究仅限于现代样本，没有对古代人类蛋白质序列的研究。Nielsen-Marsh等人[7]首次报道了采自西伯利亚和阿拉斯加苔原的野牛样本骨蛋白全序列，分别为55.6ka和58.9ka，并与由此样本获得的古DNA序列进行了确认，在古蛋白序列研究方面做出了开创性的工作。相信将有可能获得古人类的蛋白质序列，并将其应用于古人类的研究。

1.2 DNA的研究

DNA是一种生物大分子，携带生物体的遗传信息，可以通过半保守复制来遗传。在真核细胞中，大部分DNA集中在细胞核中，与蛋白质和少量RNA形成染色质或染色体。20世纪60年代，Nass等人[8]首次用电子显微镜观察到细胞核外的线粒体中也存在少量丝状DNA，揭示了动物细胞中存在两套基因组。1981年，Anderson等人[9]测定了人类线粒体DNA的全序列，揭示了人类DNA(线粒体DNA，mtDNA双链闭环分子，由16，569bp组成，其基因几乎不含内含子，除了d-loop这一与DNA复制起始相关的高变控制区。

1986年，美国化学家米利斯和他的合作者创立了PCR技术，实现了DNA的体外扩增。PCR扩增的高灵敏度、特异性和快速反应速度，以及DNA测序技术的不断发展，使得DNA研究突破了原有的准确性、操作极限和检测速度，也使得现有的人类DNA数据发展迅速。同时吸引了大批分子人类学家利用核酸的序列差异研究人类的起源和进化。

在由23条染色体组成的约30亿碱基对的人类线粒体基因组和核基因组中，线粒体的D- loop控制区和Y染色体DNA是可以为分子人类学研究提供重要信息的主要部分[10]。此外，mtDNA的细胞色素B基因、12S rDNA基因、Cox基因、核基因组中的β-球蛋白基因、性别决定基因和多拷贝的rRNA基因也常用于分子系统学。

1.2.1 mtDNA

作为核外遗传物质的载体，mtDNA具有一系列特性，这使其作为分子标记在分子人类学研究中更具优势。首先，mtDNA在包括人类在内的哺乳动物中的垂直传播方式是特殊的，具有母体单倍体遗传特征。由于来自父系的mtDNA在受精过程中会被破坏，后代的mtDNA只能来自母系，而线粒体中的这种遗传物质在从亲本传递给后代的过程中并不涉及DNA重组，所以除非出现随机突变，否则mtDNA在很多代都不会发生变化，这使得根据mtDNA序列构建的系统发育树能够很好地反映人类的母系迁徙历史。此外，由于线粒体缺乏限制性内切酶，mtDNA的突变率比核DNA高5-10倍，长度为1和122 BP的D环控制区是mtDNA基因组中进化率最高的区域，广泛应用于不同地区或不同时期的线粒体遗传多态性研究。1987 Cann等人[11]通过研究生活在世界各地的147现代人胎盘线粒体DNA的序列多样性，提出了著名的“线粒体夏娃”理论，认为现代人的* * *祖先是28.5-650。

1.2.2 Y染色体DNA

与mtDNA的母系遗传特征相比，Y染色体遵循严格的父系遗传路线，是研究男性群体迁徙历史的理想标记。虽然Y染色体的突变率相对较低，但近年来，随着研究的深入，越来越多的Y染色体DNA多态性位点被发现。随着人类基因组计划的进展，人类Y染色体基因的所有序列都已被成功确定。结果表明，人类Y染色体含有大量回文。据科学家估计，父子间Y染色体的碱基序列差异达到600bp，比常规的突变概率高出数千倍。有研究者将这种现象与人类进化事件联系起来[12]。通过分析Y染色体的进化和Y染色体DNA的多态性位点，可以揭示特定地理区域内一个民族或人群的父系历史和分化时间[13-14]。卡佩里等人从英格兰、爱尔兰、苏格兰和威尔士的男性以及包括德国人和巴斯克人在内的400多名欧洲男性身上收集了超过1700份DNA样本。研究发现，威尔斯人和爱尔兰人的Y染色体与巴斯克人的非常接近。有人据此认为盎格鲁撒克逊人曾经被大多数人接受的历史即将被改写，来自法国和西班牙边境的巴斯克人是最早的。

1.2.3古代DNA

在DNA研究中，古DNA由于其物质来源的特殊性及其所反映的遗传信息的时空差异性，在分子人类学领域占据了非常重要的地位。古代DNA是指从博物馆、考古材料和化石标本中获得的古代生物遗传物质。1980年，中国湖南医学院科研团队发表了2100年前[16]马王堆汉墓保存的女尸肋骨提取的古DNA，这是最早的古DNA提取研究。1985年，Pbo从埃及木乃伊中获得线粒体DNA片段并成功克隆测序[17-18]，引起了当时学术界的广泛关注，并由此在世界范围内掀起了古人类DNA研究的热潮。各国学者不仅对世界各地发掘的古人类材料进行了DNA序列提取实验，此外，对古DNA实验中的难点问题进行了深入探讨[19-24]，为古DNA在人类学中的应用构建了成熟的知识体系。研究人员通过对比古代和现代人类种群的DNA序列，利用生物信息学方法构建反映不同种群间亲缘关系的系统发育树，可以在一定程度上还原古代人类种群的亲缘关系结构、进化过程和迁徙方式，从而使人类起源等古人类学问题的研究向纵深发展。除了为人类进化提供证据，古DNA在判断古人类的亲缘关系方面也有很大作用。

生物死亡后，细胞内DNA损伤修复机制也随之崩溃，DNA被氧化、水解、生物酶降解，使得保存在生物体内的古DNA大多以微量、高度碎片化的形式存在，实验过程中易污染的特点给古DNA的研究带来了极大的困难。在mtDNA和Y染色体DNA中，前者在研究古代DNA方面更有优势。这是因为古代样本中Y染色体DNA的含量较少，古代DNA中Y染色体DNA信息与现代研究成果的纵向比较研究有限。除上述特点外，mtDNA的有效群体只有核DNA大小的四分之一，通过自我复制在细胞内有数百个拷贝，对mtDNA的检测具有更高的灵敏度，可以在一定程度上缓解古代DNA因氧化水解而产生的微小和高度碎片化带来的困难。

2现代人的起源

近20年来，人类化石的许多新发现以及与人类进化相关的理论基础和分析技术的快速进步，使古人类学取得了重要进展。纵观当前国际上的古人类学研究，有三大热点，即人类何时何地由类人猿演变而来，人类何时走出人类的摇篮，解剖学上的现代智人是仅起源于非洲还是起源于许多地区的研究和讨论[25]。人类社会发展到现在的高度文明阶段，出于对健康的追求和对生命的热爱，人们比以往任何时候都更加关注自身的起源和发展。因此，人类进化的最后一个阶段——现代人直系祖先的诞生和进化，引起了学者们的研究兴趣。在世界各地，都有相对丰富的直立人以来各个进化阶段的化石资料，这也为我们研究现代人的起源和进化提供了独特的物质基础。弄清人类自祖先诞生以来所经历的发展历程，是20世纪生物学领域的一大进步。在人类的进化发展过程中，从700万年前以两足类出现为标志的人科动物起源，到后来大约300-200万年适应辐射后进化出一个脑容量相对较大的新物种，再到类人猿动物的出现，具有语言、意识、艺术想象力和技术创新的现代人的起源，这是大多数学者公认的人类史前时期的四个关键阶段。关于现代人的起源时间、地点和环境背景，目前主要有两种学说:“非洲起源说”和“多区域持续进化说”

2.1走出非洲理论

非洲起源理论，又称单一地域起源或替代理论，20世纪80年代后又被称为夏娃假说。它最初是由Protsch[26]和Howells[27]在20世纪70年代中期提出的。自20世纪80年代以来，约翰逊等人[28]和坎恩等人[11]对各大洲的现代人做出了巨大贡献。支持这一理论的研究者认为，世界各地解剖学上的现代人都不是由当地古人类直接进化而来，而是由10 ~ 20万年前起源于非洲的同一祖先，后来传播到其他大陆，取代了当地古人类。Templeton[29]基于近年来几个有代表性的案例，包括Y染色体的现代mtDNA、SRY和YAP DNA序列，X连锁基因(Xq13.3，PDHA1)和常染色体控制区基因(MX1，EDN，ECP，MC1R和MS205)，认为非洲人对现代人类基因组的贡献是通过至少两次向世界其他地区的扩张(一次又一次地走出非洲

除了以Stringer[30]为代表的一些学者根据非洲和西亚出土的体质人类学化石记录提供的依据外，刘武等人[31]也通过对中国和近现代非洲人的一些头骨特征的对比分析，暗示支持了东亚人在一定程度上起源于非洲的观点。一般来说，很多关于非洲起源的证据都来自于分子人类学。2000年分子人类学研究和人类基因组草图构建的结果表明，虽然世界上不同种族在形态和解剖上存在明显差异，但人类在基因层面的相似性是非常惊人的，说明现代人类拥有相同的祖先。1987年，Cann等人对生活在各大洲的147名现代女性的胎盘mtDNA进行了分析，可以提供两方面的信息:一是对MTDNA的D-loop区的分析发现，现代非洲人群比其他大洲有更多的遗传多态性，说明现代非洲人群是一个相对古老的人群，比其他人群积累线粒体遗传变异的时期更长；其次，利用其mtDNA序列构建的系统进化树也显示，非洲人位于树的根部，所分析的人群构成了两个分支，其中一个仅包括非洲人群，另一个由非洲人和其他人群组成，进一步说明其他大陆的现代人起源于非洲。2000年，奥夫钦尼科夫等人[32]报道了北高加索Mezmaiskaya洞穴尼安德特人儿童肋骨古DNA的研究结果，并与Krings等人[33]在1997报道的德国费尔德霍夫洞穴尼安德特人儿童古DNA的研究进行了对比。两个相距2500km的尼安德特人MTDNA的最近祖先估计生活在15.1-35.2万年前，而现代人与尼安德特人MTDNA分离的时间估计在36.5-85.3万年前，说明现代人不可能通过遗传获得尼安德特人MTDNA序列。最近Caramelli等人[34]从解剖学上研究了24000年前现代欧洲人线粒体高变控制区的DNA，发现其序列多样性仍在现代人线粒体序列变异范围内，但与同时期尼安德特人的同源序列有显著差异，这也说明尼安德特人对现代人的基因组没有贡献，另一方面也为非洲起源理论提供了证据。

目前，“非洲起源论”已成为西方现代人起源的主流观点，但仍有不少反对意见。反对非洲起源论的理由主要来自于以下几点:第一，对Cann等人用最简方法构建的系统发育树的科学性提出质疑。其次，许多人类学家认为，在研究和讨论生物的起源和进化时，我们不应该过于依赖来自分子生物学的证据，尤其是当这些证据与既定的化石记录相矛盾时，我们应该更加谨慎地分析这种证据。众所周知，DNA链作为生物遗传物质的存在形式，只由A、T、G、C四个碱基组成，以各种组合方式排列。相对单一的成分使得即使是两个不相关的物种(比如人和水仙)的遗传信息也有25%以上的相似性。此外，由于三联体密码的简并性，当遗传信息被信使RNA翻译成蛋白质时，会进一步缩小物种在分子水平上的差异，因此很难简单地根据现代人不同种族间分子水平差异不超过0.1%得出我们拥有同一祖先的结论。第三，近年来，许多学者对生物学中线粒体的遗传方式以及用mtDNA研究人类起源的可靠性提出了质疑[35-37]。非洲起源理论最有力的证据来自对非洲人群中丰富的mtDNA遗传多样性的研究。其理论基础是基于mtDNA严格的母系遗传特征，人类mtDNA的碱基变化归因于线粒体高变控制区的基因突变而非精细胞结合时染色体的同源重组。但近年来发现哺乳动物mtDNA提取物具有同源重组活性[38]。如果父系mtDNA在受精过程中没有完全降解，而是少量混入卵细胞的线粒体中，必然会增加mtDNA重组的可能性，所有基于线粒体母系遗传、不重组特征的理论，包括分子钟假说、“线粒体夏娃”理论都会受到很大冲击。此外，随着近年来对mtDNA研究的深入，研究人员发现真核细胞中存在以假基因形式存在的mtDNA核拷贝[39-40]。这些核内的mtDNA相似序列比mtDNA序列有更多的突变位点，但在提取mtDNA后的PCR实验中，它们也能被通用引物扩增出来。甚至比原始mtDNA序列更容易与通用引物结合，它被优先扩增。如果在实验中不区分扩增的mtDNA的来源，从该序列获得的线粒体高变控制区序列差异的分析结果可能缺乏可靠性。

2.2多区域连续演化理论(Theory of multi-regional Evolution)

在Cann等人于1987年明确提出分子水平的非洲起源理论之前，在1984年，美国学者Wolpoff和著名人类学家吴心之等人[41]提出了基于东亚化石证据的多区域连续演化理论，并在与其他假说的争论过程中逐渐丰富。根据这一理论，现代人类从分布在欧洲、亚洲和非洲的早期智人不断进化到1万年前的直立人。当今世界人类群体DNA水平的高度一致性和身体特征的多样性，是基因交换和选择性适应平衡的结果。不断的进化使得现代四大种族保持各自的特点，易于识别；基因交换使各个地区的人类在经历了一百多万年的进化后，仍然保持同一物种。这两股力量的矛盾和辩证统一贯穿于现代人的形成过程，造成了今天的人的分布格局。由于不同地区的古代环境不同，不同地区现代人的进化模式也是多样的。比如东亚，以连续进化为主，杂交为辅；在欧洲，杂交和替代可能是主要因素，连续性为辅。

主张现代多区域起源理论的证据主要来自对各地发现的人类化石记录的人类学分析和化石断代资料。值得注意的是，少数分子人类学家最近在分子水平上证明了这一假设的合理性。中国是世界上为数不多的史前考古强国之一，已发现70具人类化石。这些发现的人类化石和旧石器工具不能支持夏娃假说。吴心之扩展了多区域连续进化理论中涉及中国的部分，提出了一个新的假说，即“有杂交的连续进化”，通过研究中国古人类与海外人群的关系，认为中国古人类主要是连续进化，但在更新世中国人类进化过程中，有少量与其他地区人群的杂交[42]。根据头骨、门牙等部分材料的形态特征，涵盖了从北京人到直立人以来现代华北人的所有进化阶段。这些* * *相同的特征和直立人与现代人之间没有明显界限的镶嵌式进化过程，表明东亚直立人与现代人之间存在一定的遗传联系，中国古代人的进化过程是连续的。对于在中国发现的为数不多的人类化石中，有一部分与中国人类化石的主流形态特征不协调，而大部分古欧洲人却具有相同特征的现象，吴心之提出，这是东西方基因交流的证据。霍克斯等人[43]利用差异分析和聚类分析对古澳大利亚人及其可能祖先的体质测量数据进行了分析，否定了该地区古人类完全被非洲人取代的假说；Adcock等人[44]通过对澳大利亚mtDNA的研究，从分子水平上证实了Hawks的结论。在人类遗址年龄的研究中，由于常规的14C测年方法在30ka以上的可靠性有限，许多遗址的年龄被低估。近十年来，现代物理学中的测年技术，如热释光(TL)和电子脊柱共振(ESR)，发展迅速，在人类学领域得到广泛应用，一些国际上有代表性的人类化石发掘遗址的测年数据得到重新确定，为许多地区的连续演化理论提供了一些有力的证据。在地层学研究的基础上，沈、王力等人[45]采用热电离质谱法(TIMS)对广西柳江人类遗址进行了年代测定。结果表明，该化石至少距今68000年，更有可能是距今11.1-139000年甚至65438+。在68000年和11.1.39万年甚至1.53万年的数据中，后者无疑否定了65438+万年前非洲人移居亚洲取代当地古人类的假设，甚至前者也不意味着非洲人会在短时间内移居亚洲，取代当地亚洲。此外，熊等[46]在对人类DNA的分析中发现了两种极其罕见的核苷酸晶体结构。它们与普通晶体分子的区别在于少数碱基不同形成一种罕见的基因突变因子，可以追溯到它的祖先1.5~2MaB。p，而且研究证明这个祖先明显不是非洲人而是蒙古人或者高加索人。

除了大量支持单区域起源理论的分子生物学实验证据外，反对多区域连续进化理论的学者也认为，长期地理隔离的早期人类不可能生活在截然不同的生活环境中，但同时通过平行进化，成为身体解剖特征和智力水平几乎相同的现代人。虽然有杂交的连续进化模型可以很好的解释这个问题，但是模型本身还需要分子证据来证实。此外，Lahr等人[47]认为支持多区域连续进化理论的化石形态连续进化特征不具有区域特异性，不能作为区域分类的标准，而一些在许多区域出现率较高的特征是* * *祖先性状，不具备物种分类的价值。也就是说，对于同一个研究对象，非洲起源论的支持者对其定义标准、功能意义和形成机制的解释，与多区域连续演化论的学者完全不同。

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