楊冬

尼安德特人是人類祖先智人的親戚。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們都認(rèn)為尼安德特人早在數(shù)萬年前就已被智人取代，并沒有留下任何后代。然而，近年來，科學(xué)家通過對(duì)“古DNA”的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人的基因組里混有來自尼安德特人的基因。這說明在遠(yuǎn)古時(shí)期，智人與尼安德特人之間有過某種程度的雜交。研究智人與尼安德特人的關(guān)系，對(duì)于理解人類的進(jìn)化歷史具有很重要的意義。

今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主斯萬特·帕博是“古DNA”研究領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一。“古DNA”，是指幾千甚至數(shù)萬年前古代生物遺骸內(nèi)包含的DNA。通過研究這些“古DNA”，可以回答很多有關(guān)物種進(jìn)化的問題。在帕博的著作《尼安德特人》（中文版于2018年出版）中，作者介紹了他是如何在40年前通過一個(gè)異想天開的想法開啟了一條“古DNA”研究之路。

帕博的《尼安德特人》不僅給出一系列科學(xué)研究的結(jié)論，還向讀者展示了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的歷程。在描述科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程中，作者并沒有隱瞞他遇到的困難或犯下的錯(cuò)誤。比如，最初，帕博對(duì)研究古埃及木乃伊的DNA非常著迷。當(dāng)時(shí)他在攻讀博士學(xué)位，研究與人體免疫相關(guān)的蛋白質(zhì)，突然轉(zhuǎn)向研究古代人類DNA，無疑是個(gè)瘋狂的想法。為了實(shí)現(xiàn)自己的研究目標(biāo)，帕博冒著得罪導(dǎo)師的風(fēng)險(xiǎn)，從他的博士研究中抽出大量時(shí)間，去當(dāng)時(shí)東德的一個(gè)博物館收集木乃伊樣品。通過一系列實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為自己提取到了古代木乃伊的DNA。帕博的這項(xiàng)研究成果還發(fā)表在了一些學(xué)術(shù)刊物上，其中包括讓很多科研人員羨慕的著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。不過，后來的研究發(fā)現(xiàn)，“古DNA”實(shí)際上很容易被現(xiàn)代人的DNA污染。由于當(dāng)時(shí)帕博沒有考慮到這個(gè)問題，也沒有設(shè)計(jì)方案控制污染，所以他最初幾次提取的“木乃伊DNA”，很可能是已經(jīng)被現(xiàn)代人的DNA污染后的結(jié)果。

帕博研究“古DNA”的經(jīng)歷會(huì)給我們帶來什么啟發(fā)呢？首先，瘋狂的想法往往是偉大事業(yè)的開端；其次，真正在科學(xué)上前進(jìn)一步要克服的困難難以想象。有時(shí)候你覺得自己的研究取得了突破，然而由于沒有考慮到某些關(guān)鍵因素，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出錯(cuò)。就“古DNA”領(lǐng)域而言，在20世紀(jì)90年代初，隨著基因克隆技術(shù)的發(fā)展，大批科學(xué)家進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，試圖克隆出古老的DNA。在那段時(shí)間里，新聞報(bào)道的內(nèi)容越來越駭人聽聞。有報(bào)道稱，科學(xué)家利用幾千萬年前的各種化石克隆出了形形色色的古代生物的DNA，包括植物、酵母、白蟻、恐龍，等等。然而，經(jīng)過一段時(shí)間后，這些克隆實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果紛紛被證明是錯(cuò)誤的。DNA無法留存幾千萬年，而這些所謂的遠(yuǎn)古DNA實(shí)際上都是來自細(xì)菌的污染。

在克隆技術(shù)備受矚目的時(shí)期，帕博調(diào)整了自己的研究方向，逐漸把工作聚焦在一些可以解決的問題上。既然很難區(qū)分現(xiàn)代人的DNA與古人的DNA，那么就暫時(shí)不研究人的DNA，而是轉(zhuǎn)為研究最近滅絕的一些動(dòng)物。研究這些動(dòng)物還有一個(gè)好處—它們滅絕的時(shí)間離現(xiàn)在比較近（幾千到幾萬年），研究人員無需提純幾十萬年或幾百萬年前的DNA。這種“量力而行”的態(tài)度很快就有了回報(bào)。

帕博最先研究的是線粒體DNA。線粒體是細(xì)胞中的一個(gè)細(xì)胞器，它是細(xì)胞的能量供應(yīng)站。動(dòng)物、植物、真菌等生物被稱為真核生物，因?yàn)樗鼈兌加烧婧思?xì)胞組成，真核細(xì)胞中都有線粒體。在真核細(xì)胞進(jìn)化的過程中，由于接納了遠(yuǎn)古的細(xì)菌，逐漸演化出了線粒體。雖然目前大部線粒體DNA都已經(jīng)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)，但是線粒體還是保留了一些DNA。由于一個(gè)細(xì)胞內(nèi)有大量線粒體，同時(shí)線粒體又有雙層膜保護(hù)，所以與從古老樣品中提取細(xì)胞核里的DNA相比，提取線粒體DNA要容易得多。

磨齒獸是帕博最先選定的研究對(duì)象，它是在距今1萬年前滅絕的一種類似樹懶的動(dòng)物。與樹懶不同，磨齒獸生活在地面。通過對(duì)古線粒體DNA的分析，帕博帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)建立了磨齒獸與現(xiàn)存的二趾樹懶之間的親緣關(guān)系?，F(xiàn)存的三趾樹懶則與它們的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。因此，這個(gè)研究說明了現(xiàn)存的兩種樹懶可能是獨(dú)立進(jìn)化出了樹棲的生活模式。

旗開得勝后，帕博開始考慮研究尼安德特人的DNA。因?yàn)槟岚驳绿厝穗m然屬于人類，但是畢竟和現(xiàn)代人（智人的后代）有區(qū)別。因此，現(xiàn)代人DNA的污染問題在尼安德特人的DNA樣品上也更好處理；同時(shí)，通過比較尼安德特人DNA與現(xiàn)代人DNA的差異，又能回答有關(guān)人類進(jìn)化的很多問題。

和磨齒獸的研究一樣，帕博也提取并分析了尼安德特人的線粒體DNA。在與現(xiàn)代人類的線粒體DNA進(jìn)行比較后，帕博獲得的初步研究結(jié)果是“尼安德特人對(duì)現(xiàn)代人的線粒體DNA沒有貢獻(xiàn)”。

這意味著什么呢？帕博的研究結(jié)果主要涵蓋兩個(gè)可能性，一是尼安德特人與智人沒有雜交的歷史，二是他們的后代不育或者有某種缺陷，因此最后被淘汰了。但是，由于線粒體DNA不一定能反映問題的全貌，這個(gè)研究結(jié)果中還隱藏著其他可能性。

線粒體只存在于細(xì)胞質(zhì)中，所以它只能通過母系進(jìn)行遺傳。也就是說，如果是男性尼安德特人與女性智人繁衍后代，尼安德特人的線粒體DNA不會(huì)進(jìn)入現(xiàn)代人的基因庫。因此，要全面研究這個(gè)問題，需要提純并分析尼安德特人的細(xì)胞核DNA。

提純細(xì)胞核DNA非常困難，帕博嘗試了很多方法。首先，通過各方努力，帕博及其研究團(tuán)隊(duì)得到了克羅地亞一家博物館的幫助，獲得了尼安德特人DNA含量特別高的古代骨骼樣品。其次，他們利用細(xì)菌和人類DNA的序列差異，使用能夠特異切割細(xì)菌序列的酶處理樣品，從而大大富集了樣品中的尼安德特人DNA。最后，帕博團(tuán)隊(duì)使用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的測(cè)序技術(shù)，即第二代測(cè)序技術(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)序。在克服了重重挑戰(zhàn)，嘗試了多種前沿技術(shù)之后，帕博團(tuán)隊(duì)終于完成了尼安德特人DNA測(cè)序工作。

測(cè)序完成后，還需要將測(cè)得的短DNA序列組裝成尼安德特人的基因組，這一過程也充滿挑戰(zhàn)。比如，在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的歲月后，尼安德特人DNA的堿基可能會(huì)發(fā)生化學(xué)損傷，從而導(dǎo)致序列改變（如C通過脫氨基變成U，后者在測(cè)序時(shí)會(huì)被讀作T），因此當(dāng)來自尼安德特人的基因序列與現(xiàn)代人不同時(shí)，科學(xué)家們必須確定這是真正的序列差異還是由于堿基損傷導(dǎo)致的改變。同時(shí)，由于污染的危險(xiǎn)始終存在，在分析數(shù)據(jù)的那段時(shí)間，帕博多次被樣品可能受到嚴(yán)重污染所驚嚇，幾乎情緒失控。不過，經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲎C明，帕博團(tuán)隊(duì)提純的樣品純度很高，來自于污染的DNA不到1%。

最后，帕博團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果證明，在非洲以外的現(xiàn)代人中，尼安德特人對(duì)其DNA有貢獻(xiàn)，其貢獻(xiàn)在現(xiàn)代人的基因組中約占2%。

比較有趣的是，在中國人和歐洲人的DNA中，尼安德特人的貢獻(xiàn)基本相同。由于當(dāng)時(shí)還未在中國發(fā)現(xiàn)過尼安德特人活動(dòng)的痕跡，所以書中給出的解釋是，當(dāng)智人走出非洲后，他們首先在中東與當(dāng)?shù)氐哪岚驳绿厝斯泊媪艘欢螘r(shí)間，在那段時(shí)間里，這兩種人類有了一定的基因交流。

特別值得一提的是，在非洲以外的現(xiàn)代人的基因組中，含有某種特定的MHC基因突變體，而此種突變體在尼安德特人中也普遍存在。由于該MHC基因突變體在非洲智人中不存在，因此現(xiàn)代人的MHC基因突變體很可能來自尼安德特人。研究者發(fā)現(xiàn)，MHC基因與人體免疫系統(tǒng)密切相關(guān)，涉及抗原的識(shí)別，它可以識(shí)別某些非洲以外的病原體。因此，MHC基因突變體在非洲以外的現(xiàn)代人中得到了擴(kuò)張。雖然尼安德特人沒有與智人同行，繁衍至今，但卻在現(xiàn)代人的DNA中留下了有助于生存的特殊禮物。

帕博在《尼安德特人》一書中給讀者講述了兩個(gè)故事。一個(gè)是關(guān)于科學(xué)的故事，即怎么從無到有，把“古DNA”研究建設(shè)成了一門學(xué)科。另一個(gè)是關(guān)于我們?nèi)祟愖嫦鹊墓适?，即尼安德特人還沒有完全“滅亡”，他們的基因還在通過現(xiàn)代人的繁衍而延續(xù)，無聲無息地影響著我們的生活。這兩個(gè)故事在一本書里奇妙地合成一個(gè)整體，創(chuàng)造出豐富、美妙的思考空間，令讀者沉浸其中，流連忘返。