人類基因組是一部用遺傳密碼寫就的人類自傳。自生命誕生之日起，就用“基因語言”記錄了人類所經歷的世事更迭與滄桑變遷。

中國科學家通過創(chuàng)新構建的全基因組分析方法和理論，研究發(fā)現在距今93萬年前，人類祖先在早、中更新世過渡期，由于劇烈的氣候變化，短期內喪失了98.7%成員個體；在此后長達11.7萬年的時間里，人類祖先平均成年個體數僅為1280。國際學術期刊《科學》（Science）9月1日在線發(fā)表了相關研究論文。

93萬年前人類遭遇了嚴重的“群體瓶頸”幾近滅絕？這一研究成果引起社會各界廣泛關注、甚至質疑。本報記者專訪了論文的共同通訊作者、中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬研究員。

(資料圖片)

“群體瓶頸”與人類學和古氣候學一系列證據時間吻合

“我是誰？我從哪里來？我要到哪里去？”面對這三個終極追問，科學家從未停止探索人類自身的起源之謎。

根據目前考古成果，人類進化始于靈長類的森林古猿，隨后歷經南方古猿、能人、直立人、智人四個階段，其中“智人”就是目前世界上現存的人類。最近100萬年是人類進化的關鍵時期，但由于分析方法的局限，對人類祖先群體數量變化歷史的研究多局限于最近的30萬至10萬年內。

化石是研究人類進化的最直接證據。古生物學家發(fā)現非洲古人類化石存在“缺失的環(huán)節(jié)”，在距今95萬至65萬年之間的化石極為稀缺，但在距今95萬年之前和距今65萬年以內的則相對較為豐富。在非洲發(fā)現的多個直立人化石，都是距今約90萬年之前的，在距今約90萬年之內的，則沒有發(fā)現過，取而代之的是另外一個新的人類物種。

“我們通過對現代人基因組分析，發(fā)現人類祖先在距今93萬年至81.3萬年的時間里，經歷了一個長達11.7萬年的群體瓶頸。這一時間段正好解釋了非洲人類祖先化石缺失的環(huán)節(jié)、非洲直立人化石消失的謎團。因為根本就沒有化石留下來。”李海鵬說。

根據研究結果，在大約81.3萬年前，人類祖先從人口衰減過程中快速恢復，相對應的是一個新的古人類物種的形成。

“基于我們的分析，這是一個新的古人類物種，而不是一個古人類物種取代另外一個古人類物種?！崩詈ｙi說，“如何命名這一新的古人類物種？目前化石界爭議很大。為了避免爭議，我們將其命名為LCA，即現代人、尼安德特人和丹尼索瓦人的最近共同祖先?！?/p>

染色體數目的變化，對于生物體的影響極大。染色體的融合或斷裂，是進化過程中一個重要事件。人類是猿類的后代，和黑猩猩有共同的祖先。但自從600萬年前黑猩猩和人類在進化樹上分道揚鑣之后，在人類這一支發(fā)生了形成現代人2號染色體的染色體融合事件，即人類的2號染色體，是由兩個中等大小的猿染色體融合而成。

“通過統(tǒng)計人類2號染色體融合區(qū)域AT到GC的轉換率，并與黑猩猩同源區(qū)域進行比較，可估計兩條古人類2號染色體的融合時間。國際上有兩個研究組分別對古人2號染色體的融合時間進行了估計。其中一組研究的估計結果為74萬年前，另外一組的估計結果為90萬年前。因此，這一染色體融合時間很可能發(fā)生在74萬-90萬年前，這也與我們研究的遠古嚴重瓶頸時間段相對應?！崩詈ｙi說。

創(chuàng)新構建“快速極小時間溯祖（FitCoal）”理論和方法

近年來，雖然古DNA測序技術迅猛發(fā)展，但由于炎熱條件不利于DNA的保存，科學家無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。這一研究成果的取得，源于李海鵬和華東師范大學腦功能基因組學研究所潘逸萱，帶領胡王杰、郝子謙等團隊成員，創(chuàng)新構建了“快速極小時間溯祖（FitCoal）”新理論。

這一基于群體遺傳學和計算生物學交叉的新理論，可在百萬年這一大時間尺度上，實現高精度的時間回溯，準確估算遠古的群體歷史，從而對古人類群體進行“人口普查”。

史前雖然沒有文字記載群體數量，但有效群體大小會影響每個世代的“溯祖率”，也就是兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率。因此，人類祖先曾在群體基因組中留下印記，反映當時的群體大小。群體歷史越久遠，留存至今的印記信號越微弱。

李海鵬和潘逸萱研究團隊根據這一原理創(chuàng)建了FitCoal理論。遵循這一理論進行數學推導，獲得在任意群體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應溯祖樹枝長期望值的解析解，就獲得精確的似然值，即在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。因此，無需事先獲得群體歷史的先驗知識，FitCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而估算群體歷史。

研究一開始遇到了非常大的困難?！拔覀兊乃悸肥峭ㄟ^計算任意模型下突變頻譜的期望值，與觀察到的突變頻譜相互比較來推斷群體歷史。突變頻譜的期望值等于溯祖樹對應枝長的期望值和突變速率的乘積。然而，對于如何計算溯祖樹對應枝長的期望值，我們起初是完全不知道的?！崩詈ｙi說。

經過近一年的艱辛數學推導和計算機編程之后，研究人員發(fā)現自己陷入了一望無際的泥潭，根本看不到出路在何方。發(fā)現理論推導的方向是錯誤的，程序內存開銷極大，完全沒有實用價值，而且計算的結果也是錯誤極大。后來經過許多次討論，潘逸萱當時建議：“與其耗時解開一個亂線團，還不如重新繞一個線團。”

“研究團隊最終決定將所有代碼刪除，從頭開始進行數學推導，從頭開始編程。此后，研究回到正軌上，基本上沒有碰到太大問題，并且經過日常的討論機制，避免了很多彎路。科研的過程就是痛苦和快樂并存?！崩詈ｙi說。

對研究結果進行七年驗證并發(fā)布論文預印本

經過三、四年時間構建起“快速極小時間溯祖（FitCoal）”新理論方法后，研究團隊在2016至2017年開始進行人群數據分析，并且很快“看到了”遠古時期的人類群體瓶頸。

在長達11.7萬年的時間里，人類祖先平均成年個體數僅為1280？“回想起來，我們第一次看到這個結果的時候，不是吃驚，而是有點沮喪。因為這太令人不可思議了，或許代表著我們程序有錯。畢竟這樣明顯的一個群體歷史事件，為什么前人沒有發(fā)現，難道是我們哪些地方算錯了？”李海鵬說。

胡王杰、郝子謙、李海鵬、潘逸萱等團隊成員反復檢查理論方法、檢查代碼，經過好幾個月無數次嘗試之后，始終沒找到錯誤。這時，他們才意識到這個人類群體瓶頸有可能是真實存在的。

此后，他們用了近七年時間證實這個群體瓶頸的存在。從分析千人基因組數據，到分析另外一個測序倍率高、但樣本相對較小的人類基因組多樣性計劃（HGDP-CEPH）數據，都檢測到了同樣的群體瓶頸。并且兩組獨立的、共50個現代人類群體的基因組數據，獲得的群體瓶頸時間和人數的估計，幾乎完全一樣。

接著，研究人員又采用HGDP-CEPH數據集的兩個南部非洲群體做了進一步驗證，雖然樣本量僅為6個和8個個體，但依然檢測到了遠古群體瓶頸。對非洲群體樣本重抽樣的研究結果表明，僅需3個非洲個體的基因組，即可檢測到這一遠古群體瓶頸，進一步表明“快速極小時間溯祖（FitCoal）”理論創(chuàng)新帶來的這一重大發(fā)現。

“群體遺傳學在群體歷史估計的領域，有標準的證偽流程?？梢院唵卫斫鉃?，群體數量的變化，是一個統(tǒng)計學意義上發(fā)生的事件，相當于一個假設檢驗。因此，我們通過了大量的模擬實驗來驗證我們的結論。論文附錄有100多頁，其中很大一部分都是對于遠古時期群體瓶頸的驗證，所有的驗證結果都是支持我們的結論。”李海鵬說。

他說：“這十年來，我們絕大部分的時間都是圍繞著我們的發(fā)現，做進一步驗證。就像福爾摩斯的名言：排除一切不可能的，剩下的即使再令人難以置信，那也是真相。目前網絡上出現的批評建議，都沒有超出我們過去六、七年在反復驗證過程中考慮過的范疇?！?/p>

即使經過反復的交叉驗證確認發(fā)現了一個重要的人類群體瓶頸，但依然缺乏古生物學證據。研究團隊經過討論之后，2021年5月決定通過發(fā)布預印版的方式，開誠布公聽取學術界的反饋并尋求合作。

預印本發(fā)布幾天之后，意大利羅馬大學、佛羅倫薩大學的古人類學家Giorgio Manzi教授和Fabio Di Vincenzo教授，很快主動來聯系，告知這一發(fā)現與他們化石考古學上現象一致。經過認真討論和交流，大家決定聯合起來，進一步完成這個課題。最終，經過近一年緊密合作和修改之后，于2022年4月28日將文章投寄給了《科學》（Science）。

在正式發(fā)表的論文中，研究團隊將眾多技術細節(jié)放到了100多頁的補充材料中。為了便于學術界重復和驗證他們的結果，還特地提供了模擬程序具體的參數，排版好了便于同行使用。

中山大學生命科學學院教授、博士生導師吳仲義評價說：“這篇論文，理論架構全部在附件里。正文只是刊登了結論。這是個買櫝藏珠的故事，也是近年來CNS期刊（Cell、Nature和Science三個期刊的簡稱）上鳳毛麟角的理論論文?！?/p>

人類自古就是命運共同體

通過現代人群的基因組數據回溯到的進化信息，均代表了現代人類祖先的信息（包括基因漸滲）。

“我們研究中看到的遠古群體瓶頸，代表了現代人類的直接祖先，在一個很短的時間內快速喪失了98.7%的成員個體，降低到原有數量的1.3%，這是一個非常強烈的沖擊，與目前許多瀕危物種中觀察到的群體數量變化現象一致。人類祖先曾經瀕臨滅絕的結論，不依賴于分子鐘假設?！崩詈ｙi說。

他認為，當時如果人類祖先沒有任何實際行動，不做出任何改變，任由群體數量快速衰減，必然是全員絕滅的結果。只有緊密團結在一起，更加有效、公平地獲取并分配極為有限的食物，才能夠使得我們的祖先，在長達11.7萬年的時間里渡過難關。

除了文化上和相互合作方面的改變，生存壓力也讓人類祖先產生許多改進性的進化。例如，腦容量的增加、兩條染色體的融合、新的古人類物種形成等。此外，人類控制火的早期考古記錄，與人類祖先種群開始快速恢復的時間也非常接近，或許也對恢復群體大小有著重要作用。

“人類自古就是命運共同體，面對嚴酷的生存環(huán)境，我們的祖先團結應對，才有了今天人類在地球上的生命繁華?！崩詈ｙi說，“今天，我們面對嚴峻的極端氣候和紛繁復雜的紛爭，我們更應該回歸到人類的本源，秉持人類命運共同體理念，團結協助、共同發(fā)展，才能更好地在地球上世代繁衍、生生不息?！?/p>

美國南佛羅里達大學人類遺傳學家劉曉明教授，西湖大學統(tǒng)計遺傳學實驗室負責人、生命科學學院楊劍教授等專家認為，人類在93萬年前遭遇“群體瓶頸”這一里程碑事件，對于人類進化具有重要影響，可能決定了現代人類許多關鍵表型的形成。人類祖先在這一遠古時期群體數量的急劇衰減，還降低了65.85%現代人群的遺傳多樣性，也對人類生命和健康產生了深遠影響。這是一個“新理論帶來新發(fā)現”的研究典范。（記者 張建松）

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