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繩文人真是現代日本人的祖先?有多少遺傳留下?──繩文人DNA研究(上)

寒波_96
・2019/09/11 ・2635字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

日本的史前居民繩文人,即使在台灣也有相當知名度。許多學者認為繩文人是日本人的祖先之一,但是繩文人對於現代的日本族群,遺傳貢獻究竟多大卻難以估量。而繩文人從何而來,也是爭論已久的問題。最近由繩文人遺骸取得 DNA 的遺傳學研究,對於這些問題提供了相當有用的線索,還意外發現繩文人與台灣原住民之間,有著非常古老的聯繫。

2018 年日本繩文特展的文宣,左邊是遮光器土偶,右邊是火焰土器。圖/取自 ticketlife

繩文人的時空範圍

繩文時期定義上,最早的草創期始於距今約 16,000 年前,接下來是早期、前期、中期、後期、晚期。各家對於草創期在何時開始、每一時期的分期認定有點出入。不過晚期都大概在 2,350 年前結束,隨後接續到彌生時期

如今的日本國土,各處都有繩文人遺址的分佈,包括最北方的北海道、最南方的琉球群島,以及介於其間的本州等國土。有一派說法認為,兩千多年前彌生人移民進入日本以後,只有北海道與琉球保留較多繩文人的元素。此一論點使得許多分析日本人的遺傳學研究中,將日本分為三個族群:北海道的阿伊努人琉球人,以及其餘地區的「本土人」。

現代三個地方的族群,遺傳組成上確實能看出不太一樣,本土人比較接近北京漢人,與阿伊努人的差異最大,而琉球人介於其間,不過較為靠近本土人。1

比較日本各地與北京漢人基因組的 PCA。圖/改編自 ref1

若是將日本人視為繩文與彌生的合體,繩文人的遺傳比例佔有多少?假如把現代的阿伊努人當作繩文人,北京漢人或韓國人當作彌生人,用於估計本土人的血緣,不同方法略有出入,不過估計結果都不到 20%。但是無法克服的問題是,漢人不是彌生人,阿伊努人更不是真正的繩文人。這就能看出直接取得繩文人 DNA 的價值。

繩文人遺址出品的一些陶器等。左:繩文的女神。by 芹沢長介 – 日本陶磁大系 繩文 [第1卷];中:繩文土偶 由 東京国立博物館 – 土器の造形—繩文の動•弥生の靜—;右上:火焰土器 By Daderot;右下:遮光器土偶由 東京国立博物館 – 土器の造形—繩文の動•弥生の靜—

取得繩文人的DNA,身世終於要釐清啦

首度取得繩文人基因組的論文發表於 2016 年,兩位距今約 3000 年的繩文人住在本州東部,福島縣的三貫地貝塚(Sanganji)。儘管基因組非常殘缺,仍是值得紀念的第一篇論文。2

第二篇論文發表於 2018 年,報告愛知縣伊川津貝塚(Ikawazu),一位 2500 年前繩文人的基因組,不過這篇論文主要的研究範圍是東南亞,繩文人只佔其一小部分 3。第三篇論文於今年(2019 年)問世,2 件樣本來自北海道的船舶遺址(Funadomari),距今 3500 到 3800 年4。第四篇論文則是進一步分析伊川津貝塚的樣本,論文尚未正式發表,作者先將初稿上傳網路5

目前繩文人的古代基因組已經有 5 個樣本,共 4 篇論文問世,對於釐清繩文人的身世很有幫助。

日本地圖。目前取得繩文人古代基因組的地點有福島、愛知、北海道三處。圖/取自 日本漫遊

東亞大家族的一員,很早離開大家

歐亞大陸東方與西方的人類族群,遺傳上大概分開 4 萬年左右。繩文人比較接近東方族群,故可以推論繩文人是東西大分家以後才誕生的遺傳族群。然而繩文人和東方各族群,包括美洲原住民比較的結果是,繩文人與大家的分歧程度都差不多,表示他們與眾人分離的年代,處於現代各東方族群分家以前,或是很初期的階段。

美洲原住民遺傳上,保守估計最初在 2.6 萬年前與其他東亞族群分家,而繩文人或許又早於此一年代。綜合起來就是:繩文人遺傳上誕生的年代介於 2.6 到 4 萬之間。

再考慮到本州島最早的遺址是 3.8 萬年前,比距今 1.6 萬年開始的繩文時期更早很多;由此可以推測,繩文人遺傳上或許傳承自更早來到日本的祖先,於 1.6 萬年前出現文化轉變而進入繩文時期

繩文人兩條可能前往日本的路線。圖/改編自 readyfor

東南亞或東北亞,繩文人從哪裡來?

繩文人住在日本,關於他們的來歷,主要有東南亞、東北亞兩種說法。東南亞說的支持者認為,智人祖先離開非洲以後,一群人先來到東南亞,繩文人的祖先之後離開大家,一路向北,最後抵達日本。東北亞說的支持者則主張,繩文人的祖先是直接由東北亞進入日本。

要注意的是,對於繩文人祖先由哪裡進入日本,兩套說法不見得有差異,抵達日本的前一站都可以是朝鮮半島,分歧關鍵在於更早以前的經歷。目前的古代 DNA 分析比較支持「繩文人來自東南亞」的論點,但是考古上,也能見到繩文人與東北亞在文化、科技上的交流。

下集:日本的繩文人從哪裡來?和台灣原住民又有什麼淵源?

延伸閱讀:

參考文獻:

  1.  Jinam, T., Nishida, N., Hirai, M., Kawamura, S., Oota, H., Umetsu, K., … & Tanabe, H. (2012). The history of human populations in the Japanese Archipelago inferred from genome-wide SNP data with a special reference to the Ainu and the Ryukyuan populations. Journal of Human Genetics, 57(12), 787.
  2. Kanzawa-Kiriyama, H., Kryukov, K., Jinam, T. A., Hosomichi, K., Saso, A., Suwa, G., … & Inoue, I. (2016). A partial nuclear genome of the Jomons who lived 3000 years ago in Fukushima, Japan. Journal of Human Genetics.
  3. McColl, H., Racimo, F., Vinner, L., Demeter, F., Gakuhari, T., Moreno-Mayar, J. V., … & Wasef, S. (2018). The prehistoric peopling of Southeast Asia. Science, 361(6397), 88-92.
  4. KANZAWA-KIRIYAMA, H. I. D. E. A. K. I., JINAM, T. A., KAWAI, Y., SATO, T., HOSOMICHI, K., TAJIMA, A., … & SHINODA, K. I. (2019). Late Jomon male and female genome sequences from the Funadomari site in Hokkaido, Japan. Anthropological Science, 190415.
  5. Gakuhari, T., Nakagome, S., Rasumussen, S., Allentoft, M., Sato, T., Korneliussen, T., … & Mizushima, S. (2019). Jomon genome sheds light on East Asian population history. bioRxiv, 579177.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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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》。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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