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最古老的尼安德塔人DNA?

 

尼安德塔人的骨架和重建模型,國立科學博物館(東京)。source:wiki

尼安德塔人的骨架和重建模型,國立科學博物館(東京)。source:wiki

這是個很久很久以前的故事…

近年來古代DNA的研究十分熱門,從猛瑪象、洞熊到冰人奧茲的腸道菌,許多幾千、幾萬年前生物的DNA被成功定序,其中最受矚目的莫過於尼安德塔人(Neanderthals)。最近科學家宣稱,他們從義大利南部的城市阿爾塔穆拉(Altamura)的化石中取得保存十幾萬年,已知最古老的尼安德塔人DNA。

約4萬年前滅亡的尼安德塔人是現存的智人近親,自從1856年第一個化石出土,100多年來科學家找到相當豐富的尼安德塔人化石,也成功定序了整個基因組,這讓我們得知如今非洲以外人類族群基因組中,有1.5到2.1%的DNA貢獻自尼安德塔人[1],可見現代人的祖先當年走出非洲不久後,曾經與尼安德塔人有過遺傳交流。

科學家百年來挖掘出很多古代人類的化石,並藉由形態比較重建人類演化的歷史。但許多化石兼有不同人種的特徵,難以輕易判斷所屬,更別提研判他們的親緣關係:有人主張兼具多種人種特徵是發生過雜交的證據,也有人認為那是同一人種在不同年代與地點於形態上的差異。

阿爾塔穆拉在1993年發現一具保存相當完整,部分嵌在石灰岩中的遺骸。他有尼安德塔人的形態,卻也有其他尼安德塔人化石中沒看過的特徵,他也是尼安德塔人嗎?科學家們對他進行了包括定年、形態分析與DNA定序的全面研究,最近發表於「人類演化期刊(Journal of Human Evolution)」[2]。

由於化石本身老到超過碳定年法的極限,因此採用鈾釷定年法測定化石旁邊的方解石,得到範圍大概介於13到17萬年。形態上他具備尼安德塔人的特徵,但有部分不同,接近所謂的「早期尼安德塔人(early Neanderthals)」,也就是距今10萬年以上,像是在克羅埃西亞克拉皮納(Krapina)與希臘阿皮迪馬(Apidima)發現的化石。

大部份化石因為年代久遠,遺傳物質早已全部毀滅,無法定序;幸運的是阿爾塔穆拉化石的肩胛骨中仍有部分DNA保留。透過PCR,用專門替尼安德塔序列設計的引子抓到一段高齡至少13萬年的粒線體DNA。和其他已知尼安德塔人粒線體DNA的相同部分比對發現,這次獲得的片段雖然只有短短31個核苷酸長,卻已經足以辨識出屬於尼安德塔人。

阿爾塔穆拉與其他各地尼安德塔人,以及另一種被定序的古代人種,尼安德塔人的近親:丹尼索瓦人(Denisovan),一起進行的親緣分析。結果顯示,阿爾塔穆拉和許多已知的尼安德塔人被分在同一群,而丹尼索瓦人獨自被分在所有尼安德塔人的更外頭。可見阿爾塔穆拉化石在親緣上,的確屬於尼安德塔人。可惜已知的片段太短,因此沒辦法做其他分析,得到更多資訊。

即使形態上有些許疑問,分子證據仍支持阿爾塔穆拉化石屬於尼安德塔人,顯示古代DNA定序對親緣分類很有幫助,不過13到17萬年還不夠讓他成為最早的尼安德塔人化石[3]。這篇論文聲稱的「最古老的尼安德塔DNA」這種說法也大有爭議。

誰才是最古老的尼安德塔DNA?

假如17萬年的化石定序,得到的是最老的尼安德塔人DNA,那麼去年台大沈川洲教授替西班牙胡瑟裂谷(Sima de los Huesos)定年,得出距今43萬年的尼安德塔人[4],其粒線體早在2013年就被定序[5],比17萬年早得多,又是怎麼回事?

這是學界對尼安德塔人的定義尚未明確所致。胡瑟裂谷化石分類上同時具備尼安德塔人與海德堡人(H. heidelbergensis)的特徵:學界多半認為海德堡人是尼安德塔人的直系祖先,但一派學者主張胡瑟裂谷化石應該屬於海德堡人;另一派則把胡瑟裂谷化石視為從海德堡人演化而來,仍帶有部分海德堡人特徵的最初期尼安德塔人。

假如把43萬年前的胡瑟裂谷化石視為尼安德塔人而非海德堡人,海德堡人在定位上可以視為智人與尼安德塔人的共同祖先,那麼後來的智人與尼安德塔人,就是分別由海德堡人的不同族群演化而來[6][7]。這個看法接近沈教授參與的研究團隊的觀點,所以沈教授自然會認為他研究的對象是尼安德塔人。

萬能的DNA定序?

古代DNA定序雖然威力強大,卻不見得一定解決問題,有時也會製造爭議,但總能告訴我們更多的事。2013年幾乎完整定序出胡瑟裂谷化石的粒線體DNA,親緣分析出人意料,他竟然跟丹尼索瓦人歸在一起,和其餘尼安德塔人分開。

丹尼索瓦人是古代DNA定序的傳奇,在只有一小塊指骨與2顆牙齒,長相完全沒概念下,竟然能幸運得到完整的基因組。更神奇的是,根據基因組分析,尼安德塔人的親緣關係比起智人,更接近丹尼索瓦人,可見丹尼索瓦人和尼安德塔人是近親;但只看粒線體卻會發現,尼安德塔人比起丹尼索瓦人,竟然比較接近智人。意謂核基因組與粒線體有著不同的來歷[8]。

胡瑟裂谷化石具有許多尼安德塔人的形態,粒線體卻更像丹尼索瓦人。最有可能的兩個解釋,第一,初期的尼安德塔族群中有2種不同粒線體共存,一種之後演化為丹尼索瓦人,另一種則成為隨後的尼安德塔人;第二,有另一未知的古代人種與胡瑟裂谷的尼安德塔人雜交過,在某個時候也把獨特的粒線體傳給丹尼索瓦人。謎樣的丹尼索瓦粒線體,需要更多資訊才能闡明來歷。

那麼43萬年前胡瑟裂谷與20萬年內阿爾塔穆拉的尼安德塔人,彼此的粒線體DNA差異如何?可惜目前的資訊無法回答這個問題,因為定序很完整的胡瑟裂谷化石,這段剛好缺漏很大,無法比對,要從這兩地的化石取得更多遺傳資訊,有待未來更先進技術的幫忙。至於哪個才是「最古老的尼安德塔DNA」?不管講哪一個,都會有聰明的科學家跳出來,講出一大套比這篇文章更複雜、難解數倍的理論反駁。

胡瑟裂谷及阿爾塔穆拉化石,在形態和分子研究方法互相支援下,對了解尼安德塔人的演化過程相當有幫助。近年來相關的研究蓬勃發展,科學家也發現人類演化的過程相當複雜,還有許多謎團待解,太多問題需要更多資訊才能釐清,而近年技術的進步讓人看到希望,幾十年前古代DNA定序只是夢想,現在卻連43萬年之久的化石都能達到,智人的聰明才智果真不斷進步。

參考資料:

  1. Prüfer, K., Racimo, F., Patterson, N., Jay, F., Sankararaman, S., Sawyer, S., … & Pääbo, S. (2014). The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature, 505(7481), 43-49.
  2. Lari, M., Di Vincenzo, F., Borsato, A., Ghirotto, S., Micheli, M., Balsamo, C., … & Manzi, G. (2015). The Neanderthal in the karst: First dating, morphometric, and paleogenetic data on the fossil skeleton from Altamura (Italy). Journal of human evolution.
  3. Oldest Neanderthal DNA Found in Italian Skeleton
  4. Arsuaga, J. L., Martínez, I., Arnold, L. J., Aranburu, A., Gracia-Téllez, A., Sharp, W. D., … & Carbonell, E. (2014). Neandertal roots: Cranial and chronological evidence from Sima de los Huesos. Science, 344(6190), 1358-1363.
  5. Meyer, M., Fu, Q., Aximu-Petri, A., Glocke, I., Nickel, B., Arsuaga, J. L., … & Pääbo, S. (2014). A mitochondrial genome sequence of a hominin from Sima de los Huesos. Nature, 505(7483), 403-406.
  6. Stringer, C. (2012). The status of Homo heidelbergensis (Schoetensack 1908). Evolutionary Anthropology: Issues, News, and Reviews, 21(3), 101-107.
  7. Callaway, E. (2013). Hominin DNA baffles experts. Nature, 504(7478), 16-17.
  8. Reich, D., Green, R. E., Kircher, M., Krause, J., Patterson, N., Durand, E. Y., … & Pääbo, S. (2010). Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature, 468(7327), 1053-1060.

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關於作者

寒波

生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。