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付巧妹团队利用古DNA技术开启寻根之旅 揭开中国史前人群南北格局

福建奇和洞约8400年前的2号个体头骨。

福建奇和洞约8400年前的2号个体头骨。

山东一具约9500年前个体的颞骨。

山东一具约9500年前个体的颞骨。

付巧妹在古DNA超净室工作。

付巧妹在古DNA超净室工作。

(神秘的地球uux.cn报道)据中国青年报企鹅号:我们是谁,我们从何而来?这些人类苦苦追寻的起源问题,如今有了一种最新认识。

5月15日,国际学术期刊《科学》在线发表一项关于华夏族群探源的突破性研究成果,该研究由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹团队主导,利用古DNA技术开启了一趟寻根之旅,历经8年艰辛探索,逐步揭开东亚尤其是中国史前人群南北格局、迁徙扩散及遗传混合的“神秘面纱”。

中国南北方人群究竟从哪里来,经历了怎样的发展变迁,这一发现对人类演化史的研究又有什么意义?记者采访了付巧妹团队。

打开古代生命奥秘的钥匙

近年来,与东亚毗邻的东南亚、西伯利亚等地的古代人类遗传演化研究已取得很多成果,但迄今为止,东亚尤其是中国南北方,史前人类基因组的相关信息却所知甚少。

这时,古DNA技术登场了。

所谓古DNA技术,就是通过现代分子生物学的手段,提取和分析保存在古代人类和动植物遗骸中的古DNA分子,用来研究人类起源与迁徙路线、人类遗骸的性别鉴定等内容,解决了许多传统手段无法解决的科学问题,被誉为打开古代生命奥秘的钥匙。

不过,这把钥匙并非谁都能用好,付巧妹说,运用古DNA技术需要非常谨慎地判断和细致地操作,原因在于古DNA极易被污染。

事实上,这项研究工作自2012年起就已筹备开展,在2014年,付巧妹和团队成员便成功获得北方山东和南方岛屿亮岛的几个关键样本基因组数据,在东亚南北方古人群遗传特点上,也得出了“非常有价值”的研究进展。

然而,其中一个细节却始终让付巧妹存疑,那就是“亮岛作为岛屿的特殊地理位置”。她说,“亮岛个体能否代表典型南方人群,他们与南方大陆人群会否存在巨大差异?”

于是,付巧妹带领团队,开始了长达6年的南方大陆样品“攻坚战”。

“我国南方大陆炎热潮湿的气候导致南方的样本材料不仅稀少,而且微生物DNA污染严重,人类DNA被高度甚至完全降解。”付巧妹说,原本要从年代久远的人类骨骼遗骸中提取到内源DNA已是不易,而南方样本更是让相关实验和研究难上加难。

在之后近4年里,他们专注于南方样本的采集和古DNA实验。

其间,科研团队还和我国南方多家博物馆及考古机构联络深度合作,也曾因古DNA样品难获得而吃“闭门羹”;他们深入南方30多个遗址,采集了257例古代人类样本,却常常遇到“样本完全不含古DNA”,或是“保存条件太差而无法提取”的情况。

他们在古DNA技术方面不断摸索,最终取得突破,能够从大量土壤微生物DNA里“钓取”极其微量的人类内源DNA,可成功捕获仅占0.03%的人类核DNA。

“我们参与的古DNA短片段提取技术,将非冰冻层人类古DNA破译的时间推进到40万年前。”付巧妹说,这些技术极大扩展了可用于古DNA研究的样本范围。

9500年前就有南北方人之分了

有了古DNA技术这把钥匙,付巧妹团队联合多家科研机构,成功捕获并测序了我国北方山东、内蒙古及南方福建、毗邻亮岛和锁港等地11个遗址的个体基因组。

“这些古老的证据,为大时空框架下研究东亚古人群,尤其是现代人的迁徙与演化历史提供了重要的遗传学证据。”付巧妹说。

这也是科学家第一次针对我国南北方人群开展的时间跨度最大的系统性古基因组研究。

结果发现,在沿着黄河流域直到西伯利亚东部草原的人群里,至少从9500年前起,他们就携带一种以新石器时代山东为代表的古北方人群成分,而中国大陆沿海及台湾海峡岛屿人群,至少从8400年前起,就携带一种以新石器时代福建及其毗邻岛屿为代表的古南方人群成分,而且这两种成分截然不同。

这意味着,早在9500年前,我国的南北方人群就已经分化了。

当然,随着时间的推移,南北方人之间的差异性和分化程度,又逐渐缩小了。付巧妹说,这种变化暗示着,自新石器时代以来,南北方人之间已经有了频繁的迁移与混合。至少在8000年前,南北人群融合与文化交流的进程即已开始,4800年前出现强化趋势,至今仍在延续。

有意思的是,在这个过程中,古北方人群成分对现在的东亚人显示出更多的影响。付巧妹说,在新石器时代之后,可以非常明显地看到古北方人对整个中国南北方人群的影响。

有关东亚与东南亚祖先人群,学术界有一个“两层假说”,即距今5000年及以前,中国福建奇和洞人与台湾海峡亮岛人等古南方人群,属于“第一层”人群,他们与从事农业经济的“第二层”农业人群,也就是现代东亚人,是截然不同的。

不过,付巧妹团队通过这次古DNA研究却发现,在至少8400年前,组成现今东亚人群、南岛语系人群基因结构的主要祖先群体之一,已经在东南沿海出现。

“这表明,最早的南岛语系人群,起源于与我国南方的福建及其毗邻地区相关人群,并且这一时间可以明确追溯到8400年前。”付巧妹说。

这也是科学家第一次通过古基因组数据,明确了中国8000多年前的古南方人群是南岛语系人群的祖先来源。

没有外来人群的“大换血”

另一个有意思的发现是,我国南北方人的这种演化互动,和欧洲人群截然不同。

在约9000年前农业出现以来,欧洲人群就不断遭遇近东迁徙而来的农业人群,以及欧亚草原人群等外来群体的“大换血”。换言之,外来人群长期在重构欧洲人群遗传信息,对现今欧洲人产生重要影响。

我国的情况却有所不同。根据这次研究可以看到,虽然早在9500年前,我国南北方人群已经分化,但南北方同期人群的演化,基本是连续的。

“这说明我们没有受到明显的外来人群影响,迁徙互动,也主要发生在东亚区域内各人群间。”付巧妹说。据她推断,这可能与我国是稻作和粟作农业的独立起源中心有关,不需要外来人群带来农业,就能够较好地自给自足。

如今,取得这一突破,付巧妹认为一个关键的原因,还是在于古DNA技术的创新。

在科研团队借助这一技术成功获取相关基因组数据后,审稿专家给出高度评价:“研究提供了非常珍贵的基因组数据,其代表的时间和区域,是前所未有而又必不可少的。”

在5月14日中科院和国家文物局联合举行的重大科学发现与研究成果发布会上,中科院院长白春礼院士专门向这一研究成果致贺信,其中谈到他的评价:这项成果对于“探索中国史前人群的迁徙历史、遗传格局及内部融合过程,对于明确现今主要生活在中国台湾及太平洋岛屿等地的南岛语系人群的祖先来源,具有重大的科学价值和社会意义”。

在接受记者采访时,付巧妹说,这一发现填补了东方尤其是中国史前人类遗传、演化、适应方面的重要信息。她也坦言,该研究只是揭开人类演化史的冰山一角,同时提出更多、更深层的追问——

旧石器时代,中国南北方人群有着怎样的互动与交流?新石器时代,北方沿海人群与内陆人群是否存在较大差异?中国南北方人群的迁移,与农业技术的传播与扩散有何关联?

付巧妹希望利用古DNA技术,未来能一一破解这些谜团,“期待着新一轮中国史前人群研究带来新的解答。”

我们是谁?我们从何而来?为东亚南北方人群寻根

(神秘的地球uux.cn报道)据经济日报·中国经济网(记者 沈慧):喜欢吃面食还是米饭?买菜论斤还是一棵棵买……我国南北方人群的差异,一直是大家津津乐道的话题。我国南北方人群从何而来,又如何演化?这些我们曾经苦苦追寻的起源问题,如今随着一篇研究论文的发表有了新进展——大家很可能是南北方“混血儿”。

近日,国际顶级学术期刊《科学》杂志在线发表了我国科学家的最新研究成果。这项研究成果由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所付巧妹团队主导、多单位参加,通过针对中国南北方人群的古基因组研究,逐步揭开了东亚尤其是中国史前人群南北格局、迁徙扩散及遗传混合历史的神秘面纱。

“这项成果对于探索中国史前人群的迁徙历史、遗传格局及内部融合过程,对于明确现今主要生活在中国台湾及太平洋岛屿等地的南岛语系人群的祖先来源,具有重大科学价值和社会意义。”中国科学院院长白春礼评价称。

探源华夏族群与文化

近年来,与东亚毗邻的东南亚、西伯利亚等地的古代人类遗传演化研究已取得很多成果。然而迄今为止,关于东亚尤其是中国南北方史前人类基因组的相关信息所知甚少。我们是谁?我们从哪里来?为回答这一困扰人类演化的“千古谜题”,寻根东亚南北方人群,8年前,付巧妹将目光对准了古人类化石——这一目前研究人类起源最直接也最具说服力的证据。

研究的“工具”找到了,但如何获得古人类化石的内源古DNA,一直困扰着众多考古学家及古人类遗传学家:那些距今几千年甚至几十万年前的骨骼,一般来说含有非常高(99.97%)的微生物DNA,将含量仅占0.03%的人类核DNA从中成功辨识提纯出来,好比大海里捞针,难度可想而知。

“中国南方大陆炎热潮湿的气候非常不利于化石保存,因而南方的样本材料不仅稀少,而且微生物DNA污染严重,其中的人类DNA被高度甚至完全降解。”付巧妹说,原本要从年代久远的人类骨骼遗骸中提取到内源DNA已是不易,而南方样本更是让相关实验和研究难上加难。

向着梦想努力奔跑,付巧妹带领团队,从2014年起全力专注于南方样本的采集和古DNA实验。然而,困难接踵而至:有时团队因古DNA样品难获得而吃“闭门羹”;深入南方30多个遗址采集257例古代人类样本,却常遇到样本完全不含古DNA,或是保存条件太差导致无法提取……

面对不期而遇的“麻烦”,付巧妹愈挫愈勇,最终摸索出一套行之有效的古DNA捕获技术,实现从大量土壤微生物DNA里“钓取”极其微量的内源古DNA,成功捕获测序了中国北方山东、内蒙古及南方福建等地11个遗址的26个个体基因组。其中,25个来自9500年至4200年前,1个来自3000年前。

“这为大时空框架下研究东亚古人群,尤其是现代人迁徙与演化历史提供了重要遗传学依据,同时也是首次针对中国南北方人群开展的时间跨度最大的系统性古基因组研究。”付巧妹表示。

南北方人群9500年前已分化

有了这个具有关键作用的古DNA捕获技术,付巧妹的“寻根”之旅变得轻松许多。

通过研究这些人群的基因组,研究人员发现:在沿着黄河流域沿岸,直至西伯利亚东部草原的人群,至少从9500年前起携有一种以新石器时代山东个体为代表的古北方人群成分,而中国大陆沿海及台湾海峡岛屿人群至少从8400年前起就携有一种以新石器时代福建及其毗邻岛屿个体为代表的古南方人群成分,且这两种成分截然不同。

这意味着什么?一句话:早在9500年前,中国南北方人群就已经分化了。

然而,随着时间推移,东亚大陆南北方人群之间的这种差异性与分化程度却逐渐缩小。研究团队在8300年至7700年山东人群中发现了古南方人群成分,在约8300年前亮岛1号人中发现有少量古北方人群的影响。“这种变化暗示着,自新石器时代以来,南北方之间已经有了频繁的人群迁移与混合。”付巧妹解释。

有趣的是研究还观察到,现今的东亚人群,不管是来自北方还是南方,都同时混合有古北方人群成分,即以黄河沿岸的山东人群为代表,以及古南方人群成分,即以福建与台湾海峡岛屿人群为代表,但古北方人群成分影响更为广泛。

让付巧妹更意外的是,中国人群与欧洲人群,自新石器时代以来的演化历程差异较大。在约9000年前农业出现以来,欧洲人群不断遭遇外来群体“大换血”,人群遗传信息被重构。在中国,南北方人群虽早在9500年前已分化,但南北方同期人群的演化基本是连续的,没有受到明显外来人群影响,迁徙互动主要发生在东亚区域内各人群间。

付巧妹分析,这可能与中国是稻作与粟作农业的独立起源中心有关。“农业对人口扩增影响巨大。农业不是在欧洲本土起源的,外来人群带来了农业,就可能很快在当地扩张起来;而中国人有自己的农业,能自给自足,何不‘自得其乐’呢?”

南岛语系人群祖先来源找到

关于东亚与东南亚的祖先人群,学术界曾有个“两层假说”:距今5000年及以前的中国福建奇和洞人,以及台湾海峡亮岛人等古南方人群,属于“第一层”人群,也就是以狩猎采集经济和屈肢葬为特点的狩猎采集人群;他们与从事农业经济的“第二层”农业人群,也就是现代东亚人截然不同。

然而,付巧妹团队研究发现,此前因为头骨特征被归入“第一层”的以奇和洞人与亮岛人为代表的古南方人群,实质上并没有明显属于“第一层”人群的遗传信息,反而与现今东亚人群、南岛语系人群有着直接而延续的遗传关系。

通过进一步研究,付巧妹团队证明:现今广泛分布于台湾海峡、东南亚与太平洋西南部岛屿的南岛语系人群,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。“这表明最早的南岛语系人群起源于中国南方的福建及其毗邻地区,且首次明确将时间追溯到8400年前。这是第一次通过古基因组数据明确中国8000多年前的古南方人群是南岛语系人群的祖先来源。”付巧妹表示。

该研究还发现,东亚和东南亚地区所有沿海人群之间很少存在遗传隔离的情况。数据显示,大部分新石器时代晚期的东南亚人群均混合有当地古老的和平文化人群与中国古南方人群相关遗传成分。其中,来自越南4000多年前的人群尤其显示出与新石器时代晚期中国沿海的福建人群有着非常密切的关系。这些研究表明,沿海区域不但未对相关人群造成隔离,反而促进了人群之间的互动和基因交流,即沿海地带是亚洲人群交流的重要通道。这一研究结果亦为探索东北亚祖先人群的构成提供了新的研究思路与遗传学线索。

“研究提供了非常珍贵的基因组数据,其代表的时间和区域是前所未有而又必不可少的。”审稿专家如是评价。

中国南北方人群的古基因组研究,揭开了人类演化史的冰山一角,同时也提出更多、更深层的追问——旧石器时代的中国南北方人群有着怎样的互动与交流?新石器时代的北方沿海人群与内陆人群是否存在较大差异?中国南北方人群的迁移与农业技术的传播与扩散有何关联……对于这些追问,让我们期待着新一轮中国史前人群研究带来新的解答。

相关报道:研究显示东亚南北方人群8300年前开始融合

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报(陆成宽):我们是谁?我们从哪里来?这不仅是个哲学问题,也是个科学问题。

近日,《科学》杂志在线发表了一项关于华夏族群探源的突破性研究成果。我国科学家利用古DNA技术开启了一趟寻根之旅,历经8年艰辛探索,逐步揭开东亚尤其是中国史前人群南北格局、迁徙扩散及遗传混合的历史面纱。

南北方史前人类基因组信息知之甚少

近年来,与东亚毗邻的东南亚、西伯利亚等地的古代人类遗传演化研究已取得很多成果。但迄今为止,我们仍然对东亚,尤其是中国南北方的史前人类基因组相关信息知之甚少。

为解决这一问题,中科院古脊椎动物与古人类研究所等单位的研究人员,共同开发了古DNA技术,成功捕获测序中国北方山东、内蒙古及南方福建、亮岛和锁港等地11个遗址25个9500年前—4200年前的个体和1个300年前个体的基因组。

“这些基因组信息为在大时空框架下研究东亚古人群,尤其是现代人的迁徙与演化历史提供了重要的遗传学证据,这也是首次针对中国南北方人群开展的时间跨度最大的系统性古基因组研究。”论文通讯作者、中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员付巧妹说。

通过探究这些人群的基因组,研究人员发现,至少从9500年前起,沿着黄河流域直到西伯利亚东部草原的人群都携有一种以新石器时代山东个体为代表的古北方人群成分;同时,至少从8400年前起,中国大陆沿海及中国台湾海峡岛屿人群就携有一种以新石器时代福建及其毗邻岛屿个体为代表的古南方人群成分。更重要的是,这两种成分截然不同。

然而,随着时间的推移,东亚大陆南北方人群之间的这种差异性和分化程度逐渐缩小,至少在8300年前,南北人群融合与文化交流的进程就已开始,4800年前融合趋势强化,至今仍在延续。

研究还观察到,现今的东亚人群,不管是来自北方还是南方,都同时混合有古北方人群成分和古南方人群成分,但古北方人群成分影响更为广泛。

在中国,南北方人群虽早在9500年前已分化,但南、北方同期人群的演化基本是连续的,没有受到外来人群的明显影响,迁徙互动主要发生在东亚区域内各人群间。

与此同时,研究确认了现今主要生活在太平洋岛屿等地的南岛语系人群起源于中国南方的福建及其毗邻地区,且首次明确将时间追溯到8400年前。“这是第一次通过古基因组数据明确中国8000多年前的古南方相关人群是南岛语系人群的祖先来源。”付巧妹强调。

头骨形态学曾提出有关东亚与东南亚祖先人群的“两层假说”,即“第一层”狩猎采集人群和“第二层”农业人群。该假说认为,古南方人群属于“第一层”人群。

然而,付巧妹团队通过此次古DNA研究发现,此前因为头骨特征被归入“第一层”的以福建等人群为代表的古南方人群,实质上并没有明显属于“第一层”人群的遗传信息,反而与现今东亚人群、南岛语系人群有着直接而延续的遗传关系。

新技术扩展了古DNA研究的样本范围

近4年来,付巧妹团队一直专注于南方样本的采集和古DNA实验,与我国南方多家博物馆及考古机构深度合作,深入南方30多个遗址采集了257例古代人类样本。

事实上,我国南方炎热潮湿的气候环境,非常不利于化石的保存,因而南方的样本材料不仅稀少,而且微生物DNA含量很高,其中的人类古DNA含量很低甚至没有。“原本要从年代久远的人类骨骼遗骸中提取到内源DNA已是不易,而南方样本更是让相关实验和研究难上加难。”付巧妹说。

尽管如此,他们并没有放弃,而是不断摸索更有效获取古DNA尤其是核基因组的实验方法。比如,他们开发的古DNA捕获技术,曾经从样品成功捕获含量仅占0.03%的人类核DNA。基于这些方法,研究团队成功获取南方5个遗址18个距今8400年—4200年的人类基因组数据,填补了东亚南方大陆核基因组空白区域。




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