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沒有化石沒關係,從泥土也能取得尼安德塔人DNA!

寒波_96
・2021/05/11 ・4969字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

最近十年,由遺骸取得古代DNA 的研究成為顯學,讓我們更深刻地認識人類與其他生物的演化歷史。遺骸之外,少數研究也由其他材料獲得 DNA,牙結石、鈣化結核、死海古卷(就是那個死海古卷!)、擦過古書頁面的橡皮擦屑屑,甚至是口香糖,都有成功的案例。[1, 2, 3, 4, 5]

泥土裡有古生物的 DNA?!圖/Is There DNA in Dirt?

最新發表的論文,則是由遺址中的泥土分離 DNA,拼湊出尼安德塔人部分的基因組。除了感嘆新技術出神入化,未來大有可為之外,對於尼安德塔人的大歷史,這項研究也帶來全新的視角。[6, 7, 8]

由遺址泥土取得目標 DNA

遺址中可以沒有化石,沒有石器,但是一定有很多很多土。生物去世以後 DNA 分解,都散落到周圍的土壤裡,假如遺址的地層中仍然存在化石,照理說 DNA 也有機會生還。

問題是,各種生物的 DNA 片段都可能留在土裡,非常不容易分辨。泥土取樣往往不是無法抓到,而是裡頭有太多動物、植物及微生物雜亂的 DNA。

如此雜亂的樣本中,仍然有機會只分離出想要的特定 DNA,不過必需先設定好要抓誰,設計和目標序列互補的探針。

西班牙 Galería de las Estatuas 遺址內部。挖土!圖/參考資料 7

2017 年發表的論文在多處遺址,成功抓到多種動物,包括尼安德塔人的粒線體 DNA,證實從泥土中取得特定 DNA 片段是可行的。2020 年的論文則在青藏高原的夏河,白石崖溶洞的不同地層中,獲得丹尼索瓦人的粒線體 DNA。[9, 10]

然而,粒線體和細胞核是兩種獨立遺傳的單位,承載的資訊量差異極大。以人類來說,粒線體約有 16500 個鹼基對,細胞核內的染色體合計則有 30 億。可想而知,即使能捕獲粒線體的所有 DNA,相比於細胞核基因組也微乎其微,抓下 30 億個鹼基對的難度完全是不同次元。

所幸尼安德塔人和智人之間,遺傳差異可謂大同小異,為求便利,可以不用捕捉整個基因組,只要選擇尼安德塔人獨特的 DNA 變異,針對那些部分即可。

研究者根據這個思路設計探針,鎖定尼安德塔人基因組上 160 萬處可能的變異位置,假如泥土樣本中的 DNA 片段對得上,就會被抓下來進一步分析。

遺址與樣本的地理位置,Chagyrskaya、丹尼索瓦洞穴位於中亞,Mezmaiskaya 在高加索,其餘遺址位於歐洲。圖/參考資料 6

深入探討的遺址有三處,中亞的丹尼索瓦洞穴及其西邊一些的 Chagyrskaya Cave,都曾經獲得過高品質的尼安德塔人基因組,適合作比較。兩處遺址取得的「泥尼」DNA,遺傳變異和當地已知的同類最接近,沒什麼意外,也證明新的取樣與分析辦法是可行的。

西班牙同地尼安德塔人,先後屬於不同遺傳族群

另一處遺址 Galería de las Estatuas(Estatuas)位於西班牙的東北部,可分為多層,年代介於 7 到 11 萬年前;出土約 500 件石器,皆屬於莫斯特風格(Mousterian)。此處應該曾經是尼安德塔人的家園,但是只留下一件殘缺的腳趾化石。

西班牙 Galería de las Estatuas 遺址的地層,及其內容。圖/參考資料 6

依照新的泥尼技術,成功由此處 4 個地層分離出尼安德塔人的 DNA,證實他們曾經長居此地。有趣的是:

較早和較晚的尼安德塔人,分別屬於不同的遺傳族群。

假如只有年代先後的 2 個樣本,乍看之下一定會是,一前一後的延續關係。不過古代DNA 研究至今,已經累積 18 位尼安德塔人(分別來自 14 處遺址),4 位丹尼索瓦人和 1 位半尼半丹(皆來自丹尼索瓦洞穴 1 處)的基因組,可以更精細地比較大家的親戚關係。

西班牙 Galería de las Estatuas 遺址,較早和較晚的尼安德塔人,分別屬於不同遺傳族群。圖/參考資料 6

Estatuas 遺址年代較早的 pit I Layer 4 地層中,距今約 11.2 萬年的尼安德塔人,和德國的 Hohlenstein-Stadel、Scalding 遺址(距今約 12 萬年),還有丹尼索瓦洞穴較早的尼安德塔人(稱為 Denisova 5 或 Altai Neanderthal,生活在 9 到 13 萬年前之間某個時候),基因組最為接近,他們的共同祖先可以追溯到 13.5 萬年前。據此推論尼安德塔人,這段期間有過一波擴張與分化。

Estatuas 遺址年代較晚的 pit I Layer 3 地層距今約 10.7 萬年,而 pit I Layer 2、pit II Layer 2 又更晚一些。這 3 個地層的尼安德塔人,基因組最接近高加索 7 萬年前的 Mezmaiskaya 1,以及中亞 6 萬年前(或 8 萬)的 Chagyrskaya 8。估計他們的共同祖先能追溯到 10.5 萬年前,那時可能有過另一波擴張與分化

然而,距今 10.5 萬年過後的尼安德塔人們,全都衍生自 13.5 萬年前分家潮中的其中一支。也就是說:

尼安德塔人更早之前累積的遺傳多樣性,距今 11 萬年前過後,大部分都喪失了。在此之後的尼安德塔人,不論住在哪兒,遺傳上皆能追溯到差異很有限的一個分支。

根據基因組的差異,建構尼安德塔人之間的親戚關係。圖/參考資料 6

古人類學家早就注意到,距今 10 萬年內的尼安德塔人之間,型態差異相當有限,或許和這回得知的大滅團有關。

除了遺傳與型態,超過 10 萬年前,各地尼安德塔人一度發展出的文化多樣性(如克羅埃西亞的鷹骨飾品),經此瓶頸之後,恐怕也損失慘重。

每過數萬年,尼安德塔人就面臨一次瓶頸考驗?

假如把十多萬年前西班牙尼安德塔人的興衰,視為「擴張—滅團—擴張」模式,非常有趣的是,此一模式也許不只上演一次。

根據粒線體 DNA 建構的演化樹,距今大約 7 萬年過後的尼安德塔人,似乎也自成一群,能追溯到更近期的共同祖先。倘若粒線體能代表每個年代,不同地點的尼安德塔人,那麼上述狀況反映出的是:

尼安德塔人的親戚關係,和年代比較有關,而不是地點。

處於同一個時間段,例如距今 4 到 7 萬年前之間的尼安德塔人,遺傳上也和這段期間的同類比較近,卻和住在同一地點,年代較早的尼安德塔人更加疏遠。

最明確的實例是,4.3 萬年前住在高加索的尼安德塔人,和住在比利時,同為 4.3 萬年前的同類較為親近,反倒與 7 萬年前一樣住在高加索的尼安德塔人更疏遠。

一如更早之前,西班牙 10 多萬年前的尼安德塔人,和隨後高加索、中亞的人血緣較近,卻與同一遺址 11.2 萬年前的同類較遠。

根據粒線體的差異,建構尼安德塔人之間的親戚關係。圖/參考資料 6

尼安德塔人的擴張與萎縮,似乎和大環境變化關係密切,例如距今 10 萬多年前是氣候宜人的間冰期,傾向促進族群膨脹。

而距今 5.7 到 7.1 萬年前的冰河時期,天寒地凍下尼安德塔遺址的數量大減,分佈範圍大部份偏南。每經過一次類似的瓶頸階段,尼安德塔人或許便損失一部分遺傳多樣性。

事後回顧,距今 4 萬年前左右,尼安德塔人面臨最後一次瓶頸,各地族群陸續消逝的逆境下,西班牙成為尼安德塔人最後的據點,之前幾次也是如此嗎?隨即尼安德塔人全面滅團,為什麼這回無法再次偉大?這些是人類演化史上,有待回答的重要問題。

泥土中的 DNA,將滋養更多演化樹!

當然這類擴張與萎縮事件有許多影響因素,不只和氣候變遷相關。另外,

雖然在奮鬥多年後累積不少遺傳樣本,現有的數量和代表性其實仍相當有限,無法支持任何肯定的答案。上述論點目前只能視為大膽的推理。

樂觀想,定序古代DNA 的技術成熟後,新的樣本不斷問世,如今又成功研發出「泥尼」技術,可能獲得基因組的範圍、數量都大大增加。尼安德塔人的演化大樹,可以預見將愈來愈完整。

探討人類演化史以外,新技術也能用於其他生物。最近便有一項研究,從墨西哥的遺址泥土中,獲得距今約 1.5 萬年的美洲黑熊(Ursus americanus),還有已經滅絕的大短面熊(giant short-faced bear,學名 Arctodus simus)部分基因組。[11]

擴及其他生物,只是時間問題。令人回憶起帕波曾言:

「除了非常聰明的人之外,重大突破幾乎都伴隨重大的科技進展。」

延伸閱讀

參考資料

  1. Weyrich, L. S., Duchene, S., Soubrier, J., Arriola, L., Llamas, B., Breen, J., … & Cooper, A. (2017). Neanderthal behaviour, diet, and disease inferred from ancient DNA in dental calculus. Nature, 544(7650), 357-361.
  2. Devault, A. M., Mortimer, T. D., Kitchen, A., Kiesewetter, H., Enk, J. M., Golding, G. B., … & Pepperell, C. S. (2017). A molecular portrait of maternal sepsis from Byzantine Troy. Elife, 6, e20983.
  3. Anava, S., Neuhof, M., Gingold, H., Sagy, O., Munters, A., Svensson, E. M., … & Rechavi, O. (2020). Illuminating genetic mysteries of the dead sea scrolls. Cell, 181(6), 1218-1231.
  4. Goats, bookworms, a monk’s kiss: Biologists reveal the hidden history of ancient gospels
  5. Jensen, T. Z., Niemann, J., Iversen, K. H., Fotakis, A. K., Gopalakrishnan, S., Vågene, Å. J., … & Schroeder, H. (2019). A 5700 year-old human genome and oral microbiome from chewed birch pitch. Nature communications, 10(1), 1-10.
  6. Vernot, B., Zavala, E. I., Gómez-Olivencia, A., Jacobs, Z., Slon, V., Mafessoni, F., … & Meyer, M. (2021). Unearthing Neanderthal population history using nuclear and mitochondrial DNA from cave sediments. Science.
  7. Nuclear DNA from sediments helps unlock ancient human history
  8. DNA from cave dirt tells tale of how some Neanderthals disappeared
  9. Slon, V., Hopfe, C., Weiß, C. L., Mafessoni, F., De La Rasilla, M., Lalueza-Fox, C., … & Meyer, M. (2017). Neandertal and Denisovan DNA from Pleistocene sediments. Science, 356(6338), 605-608.
  10. Zhang, D., Xia, H., Chen, F., Li, B., Slon, V., Cheng, T., … & Fu, Q. (2020). Denisovan DNA in Late Pleistocene sediments from Baishiya Karst Cave on the Tibetan Plateau. Science, 370(6516), 584-587.
  11. Pedersen, M. W., De Sanctis, B., Saremi, N. F., Sikora, M., Puckett, E. E., Gu, Z., … & Willerslev, E. (2021). Environmental genomics of Late Pleistocene black bears and giant short-faced bears. Current Biology.

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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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。