2022诺贝尔生医奖爆冷，人类进化遗传学首次问鼎

瑞典当地时间2022年10月3日11时30分（北京时间10月3日17时30分），诺贝尔奖委员会宣布将2022年生理学医学奖颁发给瑞典生物学家、进化遗传学家Svante Pääbo（斯万特·帕博），以表彰他发现了与已灭绝古人类和人类进化相关的基因组。

Svante Pääbo于 1955 年 4 月 20 日出生在瑞典斯德哥尔摩，母亲是爱沙尼亚化学家 Karin Pääbo ，父亲是生物化学家 Sune Bergström，曾与 Bengt I. Samuelsson 和 John R. Vane共同获得 1982 年诺贝尔生理学或医学奖。 Svante Pääbo于 1986 年在乌普萨拉大学获得博士学位，研究腺病毒的 E19 蛋白如何调节免疫系统。 作为古遗传学的创始人之一，Pääbo对尼安德特人基因组进行了广泛的研究，并于1997年被任命为德国莱比锡马克斯普朗克进化人类学研究所遗传学系主任。

Svante Pääbo自上个世纪 80 年代开始古 DNA 研究以来，一直在为探索古 DNA 实验技术和建立古 DNA 研究标准而努力。随着分子克隆、 PCR、二代测序技术、引物延伸捕获和液相杂交捕获等扩增和测序技术的不断涌现，古 DNA 研究已逐渐成为一个用途广泛、极有发展前景的领域。古 DNA 研究为人类的起源和演化历史提供了非常有价值的参考。 2010 年，德国马普研究所 Svante Pääbo 领导的研究组对已灭绝的尼安德特人（ Neanderthal）全基因组测序分析发现非洲现代人中没有任何尼安德特人的遗传成分，但是在非洲之外的现代人群中都有 1%~4%的尼安德特人混血。其后， 4 万年前生活在北亚的丹尼索瓦人（ Denisovan）的全基因组也被成功解析，人类起源模型被修正为了“晚近非洲起源附带杂交”。

下文分两部分，前部分是其自述的工作内容，节选自Svante Pääbo的著作《尼安德特人》；后半部分是与其工作相关的一篇科普文章。

作者 | 斯万特·帕博（Svante Pääbo）

译者 | 夏志

审校 | 杨焕明

我一开始并没有研究尼安德特人，而是研究古埃及木乃伊。在我13岁的时候，妈妈带我去了埃及，自此我就迷上了那里的古老历史。但是当我在乌普萨拉大学开始认真进行这项研究时，我越来越清晰地意识到，我所迷恋的法老、金字塔、木乃伊只是青少年时期的浪漫梦想而已。我做了功课、记住了象形文字和历史事实，甚至曾连续两个夏天在斯德哥尔摩的地中海博物馆编撰陶片和其他文物的目录。我或许会成为瑞典的一位埃及古文物学者，并在同一家博物馆工作。但是我发现，同一个人第二个夏天所做的事情与第一个夏天几乎一样。此外，他们在同一时间去同一家餐馆吃同样的饭菜，讨论同样的古埃及之谜和学术八卦。事实上，我开始意识到，对我而言，埃及古文物学这个领域发展太慢。这不是我想要的那种职业生活。我想经历更多的兴奋，想要与我所看到的周围世界有更多的关联。

这种觉醒使我陷入了各式各样的危机。我父亲曾是一名医生，后来成了生物化学家。受其启发，我决定学医，尔后再从事基础研究。所以我进了乌普萨拉大学的医学院，几年后惊讶地发现自己非常喜欢问诊病人。医生似乎是为数不多的不仅可以遇到各式各样的人，还可对其生活发挥积极作用的职业。而与人们交流、建立关系的能力是我没想到自己会具备的才能。经过四年的医学研究，我又面临一个小小的危机：应该成为一名医生，还是转行到原本打算从事的基础研究呢？我选择了后者，并认为拿到博士学位后还可以（最有可能）回到医院。我加入了彼尔·帕特森（Per Pettersson）的实验室，他是当时乌普萨拉最炙手可热的科学家之一。不久之前，他的研究小组首次克隆了一类重要的移植抗原的基因序列。这些蛋白分子位于免疫细胞表面，并介导对病毒和细菌蛋白的识别。帕特森不仅提出了与临床实践相关的令人兴奋的生物学见解，而且他的实验室还是乌普萨拉少数几个已掌握通过引入细菌操纵DNA克隆这一新方法的实验室之一。

帕特森邀请我加入研究腺病毒编码蛋白的团队。腺病毒是一种会引起腹泻、类似感冒等其他扰人症状的病毒。人们认为这种病毒蛋白与细胞内的移植抗原相结合，因此一旦被运送到细胞表面，它就会被免疫系统细胞识别，然后激活免疫系统，杀死体内其他受感染的细胞。在接下来的三年里，我和其他人一起研究这种蛋白质，并开始意识到我们对这种蛋白质的看法是完全错误的。我们发现，病毒蛋白并非是免疫系统攻击的倒霉目标，相反，病毒蛋白能够寻找到细胞内部的移植抗原、与它们结合，并阻止它们被运输到细胞表面。由于受感染的细胞表面没有移植抗原，所以免疫系统无法识别它是否受到感染。可以这么说，这种蛋白质掩护了腺病毒。事实上，它使得细胞内的腺病毒可以存活相当长一段时间，甚至可能活得与感染者一样久。这种病毒可以以此方式屏蔽宿主的免疫系统，这着实是一项意外的发现。最后，我们以多篇备受瞩目的论文把工作成果发表在顶级期刊上。实际上，后来诸多研究发现，其他病毒也使用类似的机制逃避免疫系统的攻击。

这是我第一次体验到从事尖端科学研究的滋味，非常着迷。这也是我第一次（但不是最后一次）看到，科学的进步往往是一个痛苦的过程：认识到自己和同龄人的想法是错误的，而说服你最亲密的伙伴以及全世界的大部分人好好考虑新的想法甚至需要更长的时间。

但不知何故，虽处在对生物学的兴奋之中，我仍无法完全摆脱对古埃及的迷恋。只要有时间，我就去埃及学研究所听课。我一直选修科普特语课，这是一种古埃及法老所说的语言。我同罗斯季斯拉夫·霍尔特尔（ Rostislav Holthoer）成为朋友。他是一名快乐的芬兰埃及古物学者，在社会、政治和文化方面拥有强大的人脉。20世纪70年代末和80年代初，我经常在罗斯季斯拉夫的乌普萨拉家中享用晚餐，度过漫漫长夜。我经常抱怨，虽然我热爱埃及古文物学，但很难看到未来。我也喜欢分子生物学，它可以不断提升人类的福祉。我得在两条同样诱人的职业道路之间做出抉择—这太痛苦难解。当然这看起来并不值得同情，因为这个年轻人虽然不知道如何做决定，但面对的两个选择都堪称绝佳。

但罗斯季斯拉夫对我很有耐心，他一直在倾听。我解释科学家们现在如何能从任何生物中提取DNA（可以是真菌、病毒、植物、动物或人），然后将其插入质粒（一种来自细菌病毒的DNA载体分子），并将质粒引入细菌，与细菌宿主一起复制出成百上千份外来DNA。我还解释了如何确定外源基因的四个核苷酸序列，如何发现两个个体或两个物种DNA序列之间的差异。两个序列越相似（即两者之间的差异越少），两者之间的关系就越密切。事实上，透过共有突变的数量，我们不仅可以推断，在数千年和数百万年间，特定的序列如何从共同祖先的DNA序列演变而来，还可推断出这些祖先DNA序列存在的大致年月。例如，在1981年的一项研究中，英国分子生物学家亚历克·杰弗里斯（Alec Jeffreys）分别分析了一个人类和猿类血液中的血红素蛋白基因的DNA序列，并推断出该基因何时开始在人类和猿类中独立演化。我解释说，此方法可能很快就会应用于许多基因上，任何物种的许多个体都有这些基因。这样，科学家就能确定过去不同物种之间的亲缘关系，以及它们何时开始各自的演化，这种方法比形态学或化石研究更可靠。

当我向罗斯季斯拉夫解释这一切时，一个问题逐渐浮现在我的脑海中：此方法只能用于测序当今人类及动物的血液或组织样本中的DNA吗？这种方法能否用于测序那些埃及木乃伊的DNA呢？DNA分子能否在木乃伊中留存下来呢？它们也能插入质粒并在细菌中复制吗？我们是否有可能通过研究古DNA序列，从而阐明古埃及人彼此之间以及与现今人类之间是否关联呢？如果可以做到，那么我们便可以回答埃及学研究中常规方法所无法回答的问题。例如，今天的埃及人与生活在大约5000年至2000年前法老统治时期的埃及人有何关联？是否由于政治和文化的重大变化造成了埃及的大量人口被更替，例如公元前4世纪亚历山大大帝的征战和7世纪阿拉伯人的入侵？或者这些军事和政治事件只是让当地居民采用了新的语言、新的宗教以及新的生活方式？总体而言，如今居住在埃及的那些人和曾经建造金字塔的人是否一样？或是他们的祖先与侵略者混杂在一起，所以现在的埃及人和古代埃及人完全不同？诸如此类的问题令人激动不已。当然其他人应该也想到了。

我到大学图书馆查阅了相关的期刊和书籍，但没有发现任何关于从古代材料中获取DNA的报告。似乎从没有人试图获取古代的DNA；或者如果有，他们没有成功，因为如果成功了，他们肯定会公布他们的发现。我与帕特森实验室中比较有经验的研究生和博士后讨论此事。他们说，鉴于DNA的敏感性，为何你认为它能保存几千年呢？我们的谈话令人沮丧，但我没有放弃希望。我在查阅文献时找到了几篇文章，那些作者声称他们从博物馆上百年的动物皮肤中检测到了蛋白——蛋白仍能被抗体检测到。我还发现，有研究声称已在显微镜下发现了古埃及木乃伊的细胞轮廓。所以的确有些东西保存了下来。我决定开展实验。

第一个问题是DNA能否在死后的组织中长期存活。我推测，如果组织变得干燥，如古埃及尸体防腐人员制作的木乃伊那样，那么 DNA或许可以长期保存良好，因为降解 DNA的酶需要水来激活。这是我需要测试的第一件事情。1981年夏天，实验室里没有太多人，我去超市买了一块小牛肝。我把商店的收据黏在一个崭新的实验笔记本的首页，我要用它记录这些实验。我给这本笔记本贴上自己的名字标签，不为别的，只是因为我想尽可能地让我的实验处于保密状态。如果帕特森认为这些实验并不必要，还发现我为此分心，他或许会禁止我做这些实验。毕竟免疫系统的分子机制研究竞争激烈，我该好好全身心投入其中。无论如何，我都希望一切保密，以免失败后遭到同事们的奚落。

为了模仿古埃及木乃伊，我决定将牛肝封存在实验室的烤箱中并加热到50℃，让其木乃伊化。这样做的第一个后果便是我的秘密项目将公之于众。第二天，怪味招致了许多闲言碎语，我不得不在大家发现并处理掉牛肝之前公开我的项目。所幸随着脱水过程的进行，气味不再浓郁，于是也就没有腐烂的气味或埋怨的话传到教授那里。

几天之后，肝脏就变得坚硬、干燥，并变成黑褐色，就像埃及木乃伊一样。我开始从中提取DNA，大获成功。我获得的DNA是只有几百个核苷酸的短片段，不像从新鲜组织中提取的DNA那样有数千个核苷酸，不过依旧足够用于实验。我的想法得到了证实。认为DNA可以在一个死组织中存活至少几天或几周，这并不荒谬。但是，几千年呢？很明显，下一步便是在埃及木乃伊中尝试同样的方法。此时我跟罗斯季斯拉夫的友谊派上了用场。

罗斯季斯拉夫早知道我在埃及学和分子生物学上的苦恼，也乐于支持我尝试把埃及学带进分子时代。他是一家小型大学博物馆的馆长，博物馆中收藏了一些木乃伊。他同意了我取样木乃伊的请求，当然，他不会让我切开木乃伊并取走它们的肝脏。但如果木乃伊已经被撕开，并且其肢体已经断裂，罗斯季斯拉夫允许我从木乃伊断裂处取一小块皮肤或肌肉组织，进行DNA提取。一共有三个这样的木乃伊可供使用。当我把手术刀放到一个曾存活于3000年前的人的皮肤和肌肉上时，我发现它的组织质地与我烤箱中的小牛肝不一样。小牛肝质地坚硬，易于切割。但木乃伊很脆，切割的时候其组织易碎成棕色粉末。我用提取肝脏的相同流程来提取木乃伊。木乃伊提取物不同于肝脏提取物，前者与木乃伊一样是棕色的，后者则清澈如水。我通过外加电场，使木乃伊提取物在凝胶中迁移以获取DNA，并用染料染色。如果染料与DNA结合了，那么便会在紫外灯下发出粉红色荧光。不过结果是除了棕色的东西，我什么也没看到。事实上，紫外灯光下的确有荧光，但是呈现蓝色而非粉红色，所以不是我们所预期的DNA。我在其他两个木乃伊样品上重复这个过程。同样，没有DNA。所有我期待含有DNA的提取物，最后都发现只是不明的棕色物质。我的实验室同事似乎是对的：即使在细胞内，脆弱的DNA分子也需要被不断地修复才能保持不被分解。它们怎么可能残存数千年？

我把秘密的实验笔记本放在书桌抽屉的底部，重新回去研究通过小蛋白聪明地欺骗免疫系统的病毒，但我无法将木乃伊从脑海中移去。其他人怎么可能在木乃伊中看到残存的细胞呢？也许那些棕色的东西实际上就是DNA，只是经历了某种化学修改，以至于它们看起来是棕色，并在紫外灯下发出着蓝色荧光。也许期待每个木乃伊中均残存DNA过于天真。也许需要分析许多木乃伊才能找到一个足够好的样本。找到答案的唯一办法是说服博物馆馆长们牺牲许多块木乃伊，也许会徒劳无功，但还是要怀着渺茫的希望，期待能从其中一块中找寻到古DNA。我也不知如何才能得到他们的支持。我似乎需要一个快速、低损的方法来分析很多木乃伊。我的医学教育背景给了我一条线索。例如，用活检针从可疑的肿瘤中取出很小的组织块，将其固定和染色，然后在显微镜下观察。其中可识别的细节一般很明显，受过训练的病理学家既可从中区分肠道黏膜、前列腺或乳腺中的正常细胞，又可以发现开始改变的细胞，从而检测出早期肿瘤。此外，研究人员可以在显微镜玻片中使用特定的DNA染料，检验是否存在DNA。我需要做的就是从大量木乃伊中收集少量样本，然后进行DNA染色和显微镜观察。显然，想要获得大量木乃伊，必须从最大的博物馆着手。但一个来自瑞典的过于亢奋的学生，为了异想天开的项目而想要获得哪怕一丁点组织，这无疑会引起馆长的怀疑。

罗斯季斯拉夫还是很同情我。他告诉我，有一个收藏了大量木乃伊的大博物馆，可能愿意合作。那就是柏林国家博物馆群（Staatliche Museen zu Berlin）。这个综合性博物馆群位于当时德意志民主共和国的首都柏林（东柏林）。罗斯季斯拉夫曾在那里花了好几周时间研究古埃及陶器收藏。他作为一名瑞典教授获得了在博物馆工作的许可。不过，他能和该馆群的几个馆员成为亲密朋友，主要有赖于他深入发展跨国界友谊的能力。1983年夏天，我坐上去往瑞典南部渡口的火车，第二天早上抵达民主德国。

我在柏林待了两个星期。每天早上，我都要通过数道检查关卡才能进入国家博物馆群之一的博德博物馆（ Bode Museum）的储存间。博德博物馆位于近柏林中心施普雷河中的一个岛上。二战过去已将近40年了，但博物馆仍清晰地保留了战争的痕迹。我看到窗户周围的墙面上有弹孔，那是苏联军队攻陷柏林之时用机枪扫射所留下的。第一天，他们带我去参观战前的古埃及文物展，并给了我一顶建筑工人用的安全帽。我很快就明白这是为了什么。展览馆的屋顶有炮击和炸弹所留下的巨大孔洞。鸟儿飞进飞出，有的甚至在法老的石棺里筑巢。一切脆弱的文物材料，如今已被明智地存储在别处。

在接下来的几天里，主管埃及文物的馆员带我参观了所有木乃伊。午餐前几小时，我在他那满是灰尘的破旧办公室，从已裂开且破损的木乃伊上切下了几小块组织。午餐颇费一番工夫，因为需要通过所有安全检查才能到达河对岸的一家餐馆。那里的食物很油腻，需要就着大量啤酒和杜松子酒才能下咽。回到展馆，我们继续喝了一下午杜松子酒。虽然我们花了数小时讨论关于未来的种种假设，我还是设法采集了30多份木乃伊样品，并带回瑞典。

在乌普萨拉，为了制作供显微镜观察的样本，我把标本浸泡在盐溶液中补充水分，然后将它们置于载玻片上染色，再观察组织中细胞保存的状况。为了避免太多人知道我在做什么，我只在周末和深夜开展这项工作。当我透过显微镜观察时，古老组织的模样让我沮丧。我几乎无法从肌肉样本中看到纤维，更不用说任何可能存有DNA的细胞核痕迹了。我几近绝望，直到有一天晚上，我观察了一个木乃伊外耳软骨部分的切片。和骨头中的细胞一样，软骨里的细胞生活在致密硬组织的腔隙之中。观察软骨时，我看到腔隙内似乎有细胞残骸。兴奋之余，我将带有DNA的部分染色。当我把玻片放于显微镜下时，双手一直在颤抖。软骨细胞内的确残留有DNA染色的迹象（见图2.1）。软骨里面残存有DNA！

我的精神为之一振，继续处理其他所有从柏林带回的样品。有几个样品看起来颇有希望。特别值得注意的是其中一块取自一个儿童木乃伊左小腿的皮肤，其上带有明显的细胞核。当我给一段带有DNA的皮肤染色时，细胞核发光了。由于这种DNA存在于细胞核中，所以它们虽然会随机出现在生长着细菌或真菌的组织中，却不可能来自细菌或真菌。这确实证明，该儿童自身的DNA被保存了下来。我拍了很多显微镜照片。

经过细胞核染色，我发现3具木乃伊样品中残存有DNA。那个儿童的样本保存了最多完好的细胞。但现在另一个疑虑开始侵袭我。我怎样才能确定这真的是一具古老的木乃伊？有时为了从游客和收藏者那里赚到少数的钱，骗子们会把新近的尸体伪造成古埃及的木乃伊。这些木乃伊有的后来会被捐赠到博物馆。柏林博物馆的工作人员无法给我出具任何关于这个木乃伊的出处记录，也许是因为相关记载已经惨遭战火摧毁。只有通过碳测年方法才能确定它的年代。幸运的是，碳测年专家戈兰·波士兰德（Göran Possnert）就在乌普萨拉大学工作。他利用加速器，通过测量碳同位素的比值来测定微量古代残骸的年份。我问他测年木乃伊需要花多少钱，我担心自己微薄的学生津贴负担不起。他对我表示同情并许诺测年是免费的。他体贴地一笔带过价格。毫无疑问，真实价格大大超出我的承受范围。我把一小块木乃伊交给戈兰并等待结果。对我来说，这是科学研究中最令人沮丧的状况之一：当你的工作在很大程度上取决于其他人时，除了等待一个可能永远不会响起的电话，你无能为力。但几周之后，我终于等到了一直苦苦等待的电话。结果是个好消息！那就是木乃伊有2400年的历史。2400年前，差不多是亚历山大大帝征服埃及时期。我长舒一口气，出门买了一大盒巧克力寄给戈兰。然后我开始考虑发表这一发现。

在民主德国的时候我已经了解到，生活在当时氛围之下的人很敏感。我还知道，博物馆馆长和其他接待我的博物馆工作人员会对我仅在论文末敷衍地致谢而失望。我想以恰当的方式处理这件事情，所以与罗斯季斯拉夫以及史蒂芬·格鲁纳特（Stephan Grunert）商量。史蒂芬是我在东柏林结交的年轻但雄心勃勃的民主德国埃及古文物学者。最后，我决定在民主德国的科学期刊上发表首篇关于木乃伊DNA的文章。我用仅有高中水平的德语，艰难地写出发现，并附上木乃伊本身以及DNA染色组织的照片。同时，我还从木乃伊身上提取DNA。这一次，我可以用凝胶证明提取物中含有DNA，并在文中附上该实验的结果图。大部分DNA降解，但有些片段依然有几千个核苷酸长，与从新鲜血液样本中提取的DNA差不多长。我写道，这似乎表明，有些远古组织的DNA分子或许大到足以供我们研究个体基因。我畅想着，如果能系统地研究古埃及木乃伊的DNA，将来还会迎来什么可能。在论文最后，我满怀希望地写下：“未来几年的工作将昭示这些梦想是否会成真。”我将文稿寄给史蒂芬，他修正了我的德语。1984年，这篇论文发表在由民主德国科学院出版的期刊《古代》（Das Altertum）上。但是接下来什么都没有发生。没有一个人写信给我，更不用说索要复印本了。纵然我为自己得到的结果兴奋，但其他人似乎并非如此。

我意识到，世界上大部分人并没有阅读民主德国出版物的习惯。之后，我从一个木乃伊男人的头骨片段中得到了类似的结果，同年10月，我将以此结果撰写好的论文提交给看似很合适的西方期刊—《考古学杂志》（Journal of Archaeological Science）。但让我沮丧的是，整个发表过程出奇的慢，比我在民主德国发表论文还要慢。但是在民主德国杂志发表论文时，需要由史蒂芬斧正语言。我觉得，这反映出考古相关领域的进展如同冰川移动一样缓慢。最终在1985年年底，《考古学杂志》刊载了我的论文，那时，论文中的结果已被其他实验盖过。

既然我手头已有一些木乃伊DNA，下一步工作就很清楚了：我需要在细菌中克隆它。我用酶处理，使DNA的末端与其他DNA结合，然后与细菌质粒混合，再加入一种酶，使DNA片段连接在一起。如果实验顺利，就会得到木乃伊DNA片段与质粒DNA结合在一起的混合分子。将这些质粒导入细菌后，混合分子不仅会在细菌细胞中大量复制，还会使细菌对我加进培养基中的抗生素产生抗性，因此只有那些含有混合质粒的细菌才能生存。在含有抗生素的生长板上培养细菌时，如果实验成功，就会出现细菌菌落。每个菌落都来自单一的细菌，它们各自携带一份特殊的木乃伊DNA。为了检查实验，我设置了对照组，这在任何实验中都是必需的。我还同时重复了两组完全一样的实验，只是一组没有在质粒中添加木乃伊DNA，另一组则添加了现代人类DNA。将相应的DNA添加入细菌后，我把它们涂抹在含有抗生素的琼脂平板上，然后放入37℃的恒温箱中过夜。不出所料，隔天早上我一打开恒温箱，就感受到带有培养基味道的潮湿空气扑面而来。加了现代人类DNA的平板上满满覆盖了数千个菌落。这表明我的质粒已经发挥作用：因为携带了质粒，所以细菌能存活下来。而没有在质粒中加入外来DNA的实验，几乎都没有长成菌落，这表明我的实验中没有未知来源的DNA。加了东柏林木乃伊DNA的那组实验，长出了数百个菌落。我欣喜若狂。很显然我复制了2400年前的DNA！但是，它是否可能来自寄生在该儿童体内的细菌，而非她自身的DNA呢？我怎样才能证明我在细菌中克隆的DNA至少有一部分来自人类呢？

我需要确定一些DNA序列，表明它是人类DNA，而非细菌的。但如果我只是随意对克隆进行测序，其中有些可能来自人类基因组（1984年，人类全基因组还未解码，科学家当时花了很大力气才测出了零星序列），有些可能来自某些微生物，而它们的DNA序列几无人知。因此，我必须挑出一些重要的克隆进行测序，而不是随意选择。帮助我解决这个问题的，是一项可以识别哪些克隆中含有与我所想找的序列相似的DNA技术。这项技术包括将数百个菌落中的一些细菌转印到纤维素滤纸上，细菌在纤维素滤纸上破裂，它们的DNA就附着纸上。接着我用放射性物质标记DNA片段，即制成一个单链“探针”，然后与滤纸上的单链DNA互补序列杂交。我选用的DNA片段含有重复DNA元件（即Alu元件），长约 300个核苷酸。人类基因组中约有 100万份Alu元件，而猿、猴等生物中都没有。事实上，这些Alu元件是如此之多，人类基因组的10%以上都由其组成。如果能在克隆中发现Alu元件，那就可以表明我从木乃伊中提取的DNA至少有一些来自人类。

我在实验室研究过的基因中，有一个包含Alu元件。我将其与放射性物质结合，然后与滤纸混合在一起。正如期望的那样，如果含有人类的DNA，这些克隆里就会含有放射性物质。我挑了放射性最强的杂交克隆，它包含一个大约由3400个核苷酸组成的DNA片段。在我们研究组的DNA测序专家达恩·拉哈玛（Dan Larhammar）的帮助下，我测序了一部分克隆，发现其中确实包含有Alu元件。我很高兴。我的克隆中有人类DNA，并且它们可以在细菌中复制。

1984年11月，当我还在努力地与测序凝胶打交道时，《自然》上发表了一篇对我来说意义重大的论文。在加州大学伯克利分校和艾伦·威尔逊（现代人类起源“走出非洲”理论的主要构建者，也是当时最著名的生物演化学家之一）一起工作的罗素·樋口（Russell Higuchi），从一头100年前的斑驴（一种已经灭绝的斑马亚种，100多年前仍存在于非洲南部）皮肤上成功提取并克隆了DNA。罗素·樋口获得了2条线粒体DNA片段。他指出，正如预期的那样，斑驴与斑马更为近缘，与马的关系更远。这项工作极大地鼓舞了我。如果艾伦·威尔逊也研究古DNA，如果《自然》认为一篇研究120年前的DNA的论文足够有趣、值得发表，那么我做的事情既不疯狂，也不枯燥。

这是我第一次坐下来写关于这项研究的论文，我相信全世界的很多人都会对此感兴趣。受艾伦·威尔逊例子的启发，我投给《自然》。我描述了针对东柏林木乃伊开展的实验，还在参考文献的开头列上了自己发表在民主德国杂志上的那篇论文。不过，在把论文寄到《自然》的伦敦办公室之前，我需要做一些事情。我需要和我的论文导师彼尔·帕特森谈谈，并把已写好并准备投稿的论文给他看。带着些许惶恐，我走进他的办公室，告诉他我所做的这些事情。我问他是否愿意以导师身份，和我一起成为论文的共同作者。显然，我想多了。他不仅没有责备我滥用科研经费和浪费宝贵的时间，似乎还很高兴。他答应看论文，但拒绝挂名共同作者，原因很明显，他之前完全没意识到有这项研究。

几周后，我收到了《自然》的回信，编辑说，如果我能回复审稿人的一些小意见，他们之后就可以发表我的论文。没过多久，校样寄来了。那时，我正想着如何接近艾伦·威尔逊（在我看来，他如同神一般的存在），并询问他，等我博士答辩之后，我是否可以和他一起在伯克利工作。我不知该如何开口，于是便把校样稿的复印本寄给了他，没有附上任何说明。我觉得如果能提前看到未正式发表的论文，他会很高兴。我想以后再写信给他，询问是否可以在他的实验室工作。《自然》的进度很快，甚至设计了一幅DNA序列巧妙环绕木乃伊的封面插画。更为迅速的是，我收到了艾伦·威尔逊的回信。他称呼我为“帕博教授”——那个时候还没有互联网和谷歌，所以他没法知晓我是谁。回信的其余部分更令我惊奇不已。他问我，是否能在即将到来的休假年到“我”的实验室访学！这真是个美丽的误会，全因为我什么介绍都没附。我跟伙伴们开玩笑说，最有名的分子演化学家艾伦·威尔逊或许会给我洗一年的凝胶板。然后我静下来给他回信，解释我不是教授，甚至还不是博士，也没有可以供他学术休假访问的实验室。相反，我倒想知道我是否有机会去他伯克利的实验室做博士后。

透视2022诺奖：杂种是怎么一步步主宰地球的？

今天，我们就来说说人类“杂种”发展史。

走出非洲

在大约700万年前的非洲某处，人类的祖先与猿分道扬镳，开始了制造工具、直立行走、会说话、讲故事的独特演进之路。

之后，南方古猿、能人和匠人等人类的祖先逐渐扩散到整个非洲；或者由于食物缺乏的原因，或者由于动物好奇心的本能驱使，100多万年前，真正站起来的直立人开始走出非洲，向欧亚大陆挺进。这些直立人包括在中国广袤土地上生活过的元谋人、蓝田人和北京人，不过这些早期走出非洲的人类相继灭绝，都不是现代人类的直系祖先。

几十年以来，大多数研究人类进化史的科学家相信，现代人类起源于留守在非洲南部某处的单一种群，大约在20万年前，这一人类分支开始快速演化，成为现代人类的直系祖先，即智人。但是，这一理论正受到一些新发现的强有力挑战。

2017年6月，德国马克斯·普朗克演化人类学研究所的珍-雅克·胡布林（Jean-Jacques Hublin）博士领导的国际研究团队在《自然》杂志上背靠背发表两篇重要论文，他们在非洲北部摩洛哥一处洞穴发现了一枚31.5万年前的智人头骨，不仅将现代人类的历史往前推进了10万年，而且推测智人并非从非洲南部单一起源，而是由遍布非洲多个地区的不同人种混交而成。也就是说，智人在走出非洲之前，就已开始“杂交”，如此产生的“杂种”后代才能走出非洲，走遍地球的每个角落。

在非洲繁衍生息二三十万年之后，这些现代人类的祖先与更早的人类祖先一样，也难以挣脱好奇心和食物的诱惑，不断尝试走出非洲，最后在5万年前，一小股的现代人类祖先幸运地取得了前所未有的胜利。

现代人类祖先之所以能取得进化上的成功，除了自己的努力之外，还得益于早期走出非洲的直立人后裔的帮助，包括基因的贡献。大约5～10万年前，现代人类祖先走出非洲，首先遇到了一些由直立人演化出的、熟悉和适应欧亚大陆环境的神秘人种，并与这些神秘人种开启长达数千年的相爱相杀，才造就了如今人科动物中孤独的我们。

与大脑袋的尼安德特人相恋

1856年，也就是达尔文发表《物种起源》的三年前，在德国杜塞尔多夫市以东12公里的尼安德谷一个采石场中，采石工人在作业时发现了一具人形头盖骨和一些骨头，经考古学家鉴定，这是一具已灭绝人种的遗骸，科学家将这种人种称为“尼安德特人”。后来考古学家又从欧洲和中东地区相继挖掘出数百个尼安德特人的遗骸。

尼安德特人在解剖上与早期智人有着明显差异。他们四肢粗短，身体强壮，拥有浅色皮肤，更为特别的是，他们的脑容量竟然比现代人类祖先的还大，会制造石器，会用火，而且可能已演进出一定的文化，如埋葬亲人。

科学家一直对尼安德特人在分类学上的地位争论不休，一些人认为尼安德特人属于与智人完全不同的人种，另一些人则认为尼安德特人也属于智人，是其下的一个亚种，而且大多数科学家普遍认为尼安德特人对现代人类没有基因贡献，直到2009年第一个尼安德特人的基因组草图公布。

2009年2月12日，德国马克斯·普朗克演化人类学研究所斯万特·帕博（Svante Pääbo）领导的一个国际研究团队宣布，他们首次破译了尼安德特人基因组草图，这些基因组DNA是从属于不同尼安德特人的三块小骨头提取的，而这些骨头则是出土自克罗地亚北部的温迪加洞穴。此次公布尼安德特人的基因组信息总共约有20亿个碱基对，约占其全基因组的60％。更令世人震惊的是，科学家发现，在欧洲和亚洲人口中竟然含有1～4%的尼安德特人特有的基因组信息，而非洲原住民则不含，表明现代人走出非洲后与尼安德特人有过混交，而且这些混交的后代成为现代人的祖先。科学家选择2月12日公布他们绘制的尼安德特人基因组草图，主要为了纪念进化论奠基人达尔文诞辰200周年。2010年5月，尼安德特人基因组草图的详细信息正式发表在《科学》杂志上。

四年后，该研究团队从俄罗斯南西伯利亚阿尔泰山一个名为丹尼索瓦的洞穴中挖掘出来的一个尼安德特人脚趾骨，并从中提取出基因组DNA，测出了阿尔泰尼安德特人的全基因组，并发现在现代人类基因组中只含有1.5-2.1%的尼安德特人遗传信息。2017年，《科学》杂志上一篇论文则认为，尼安德特人遗传信息在东亚人基因组的占比要略高于西欧人，其中东亚人基因组中有2.3~2.6%来源于尼安德特人，而尼安德特人对西欧人基因组的贡献则只有1.8~2.4%。

科学家推测，尼安德特人在欧亚大陆生活的年代大约为40万年~4万年前，而早期现代人类走出非洲大约是在5万年前。很多研究都表明，正是在5~6万年前，早期现代人类刚刚走出非洲踏上中东的土地，就遇到了生活在附近的尼安德特人，双方可能在欧亚大陆共同生活长达5000年。双方是否发生大规模冲突并没有直接证据，但是通过比较远古人类的基因信息，科学家推测，尼安德特人和早期现代人类相互爱慕、发生混杂的情况时有发生。

2015年，来自中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的付巧妹博士作为第一作者，在《自然》杂志撰文称，研究人员对罗马尼亚出土的、距今约4万年的男性早期现代人类DNA进行分析，发现该现代人类的基因组中尼安德特人特有基因组信息占比高达9%。也就是说，该男子的曾曾祖父母可能其中就是一个尼安德特人。这也是目前为止，科学家发现与尼安德特人亲缘关系最近的早期现代人类。

其实，早期现代人类不仅接受了尼安德特人的基因馈赠，在10万年前也曾经成功将自己的遗传信息传递给了尼安德特人。2016年2月，德国马克斯·普朗克演化人类学研究所等国际小组的研究人员在《自然》杂志上宣布，在俄罗斯阿尔泰山脉一个偏远洞穴中的一个女性尼安德特人的基因组中，他们首次检测到现代人类祖先特有的基因信息，推测10万年前已有一小拨现代人类的祖先与东亚尼安德特人发生过混交，不过后来这些现代人类基因信息又消失得无影无踪。

勾结神秘的“丹尼索瓦人”

然而，与现代人类的祖先有基因交流的不仅仅只有尼安德特人。让我们回到之前提过的位于俄罗斯、中国和蒙古交界的阿尔泰山丹尼索瓦洞穴，这里不仅住过尼安德特人，也曾庇护过现代人类的祖先，而且还曾生活过一个神秘的人种。

就在第一张尼安德特人基因组草图发表在《科学》杂志的前一个月，马克斯·普朗克演化人类学研究所的斯万特·帕博和俄罗斯科学院阿纳托利·杰烈维扬科（Anatoli P. Derevianko）领导的团队在《自然》杂志上撰文称，他们发现了另一个已灭绝的新人种。研究人员对一小块手指骨片进行线粒体DNA遗传分析，这块小骨片是杰烈维扬科两年前从丹尼索瓦洞穴中挖掘出来的。他们从这块小骨片中提取了线粒体DNA并测序，通过与早期现代人类、尼安德特人、倭黑猩猩和黑猩猩的线粒体DNA进行比对，结果惊奇地发现，这块小骨片既不属于早期现代人类，也不属于尼安德特人，更不属于倭黑猩猩和黑猩猩。进一步分析发现，这块小骨片的主人与早期现代人类、尼安德特人在100万年前共享同一祖先，研究人员因此推测这一小骨片属于一个已灭绝的新人种。

2010年底，该研究团队进一步对这根指骨的基因组DNA进行了分析，推测出这一新人种与尼安德特人亲缘关系较近，可能在64万年前是一家，而与现代非洲人分歧演化时间可能是84万年前。

不久，研究人员又在同一洞穴挖掘出其他分属不同个体的骨片，均具有与这个新人种相近的遗传背景，因此将其称为“丹尼索瓦人”。

丹尼索瓦人与尼安德特人是近亲，其约17%的遗传信息来自于后者。2018年8月，据《自然》杂志报道，由德国马克斯普朗克演化人类学研究所的维维亚娜·斯隆（Viviane Slon）和斯万特·帕博（Svante Pääbo）领导的一个国际研究团队，对来自俄罗斯阿尔泰山丹尼索瓦洞中的一小段骨头进行分析发现，该骨头属于9万年前的一个至少13岁的女孩，更令人惊喜的是，其母亲是一个尼安德特人，父亲则是一个丹尼索瓦人，这是科学家首次发现尼安德特人和丹尼索瓦人的直接杂交后代，表明这些不同人种相遇后相互混杂是非常常见的。

丹尼索瓦人与现代人类的混交可能晚于尼安德特人，而且其基因分布也不像后者那么广。丹尼索瓦人的遗传信息主要留存在亚洲现代人的基因组中，其中生活着东南亚附近太平洋岛屿的美拉尼西亚人基因组含有4~6%的丹尼索瓦人遗传信息。2016年一项研究将这一比例降低至1.1%，而且推测可能存在另一种已灭绝的人类贡献了遗传信息。其他研究人员则发现现今一些澳大利亚和分散在东南亚岛屿上的土著人，以及东亚大陆及美洲土著人基因组中都有丹尼索瓦人的贡献。

2018年3月，美国华盛顿大学西雅图分校和普林斯顿大学的研究人员在《细胞》杂志上撰文称，他们利用一种新的无参考基因组的检测方法，对5639个来自欧亚大陆和大洋洲的人类全基因组序列进行分析，发现丹尼索瓦人遗留在东亚人群的遗传信息与在南亚人和大洋洲人群中的存在较大差异，因此推测丹尼索瓦人与现代人类至少发生过两次混交，这让现代人类与其他古人类混杂的情况变得更为复杂。

迄今为止，科学家只在俄罗斯阿尔泰山丹尼索瓦洞穴中发现过丹尼索瓦人的遗迹，而且都是一些小骨片，从没有发现其较为完整的遗骸，这让科学家很难推测丹尼索瓦人到底长什么样，更别提生活习性、生活区域等问题。但是他们和尼安德特人一样，通过与现代人类祖先混交，将他们的遗传信息永远留存在一部分现代人类的基因组，并且为这些现代人类适应环境，最终成为地球的主宰带来了意想不到的好处。

去伪存真，变身强者

在与现代人类祖先共同生活的岁月里，由于气候恶化等原因，尼安德特人和丹尼索瓦人也积累了大量有害的基因突变，这些基因突变不可避免地遗传给他们与现代人类杂交的后代。虽然从尼安德特人和丹尼索瓦人等人种那里获得的基因馈赠并非都对现代人类有利，但是现代人类在并不长的进化历史中，逐渐淘汰不利的基因，将有利的基因保留下来，才得以登上高原，游上海岛，走遍全球，甚至探索宇宙。

众所周知，5万年前现代人类的祖先刚刚走出非洲时，尼安德特人和丹尼索瓦人已经在欧亚大陆生活了30多万年，演化出对当地的气候、食物、病原微生物等环境较强的适应性，并最终形成了一些与环境相适应的特有基因型。现代人类与这些古人类混杂，有利于引入这些古人类相应的有利基因型，显然可以帮助初来乍到的现代人类快速适应环境，例如欧洲寒冷的气候等，进而开枝散叶，遍布全球。

来自深圳华大基因研究院、加利福尼亚大学以及华南理工大学等单位的科研人员研究发现，中国西藏人之所以能适应西藏4000多米的高海拔低氧环境，可能因为西藏人从丹尼索瓦人或其近亲那里继承一个与低氧适应相关的EPAS1基因突变型，该研究成果2014年7月发表在《自然》杂志上。

德国马克斯·普朗克演化人类学研究所的研究人员对11.2万英国人基因组进行分析，发现一些与肤色、头发颜色、高度、睡眠模式甚至吸烟状况有关的基因都是来自尼安德特人。

2018年10月，来自美国亚利桑那大学的戴维·恩纳德（David Enard）和斯坦福大学的德米特里·佩特罗夫（Dmitri A. Petrov）在《细胞》杂志上报告称，尼安德特人和古代智人在混交过程中，不仅相互传播病毒，而且还将病毒互作蛋白（VIP）基因遗传给双方混交的后代。VIP蛋白具有多种功能，比如参与免疫反应，能抵抗特定病毒、特别是RNA病毒的入侵。由于基因突变，有些尼安德特人的VIP蛋白能对抗某些特定病毒，特别是RNA病毒的入侵。这样，遗传有尼安德特人VIP基因的智人后代将获得应对更多病毒的抵抗力，即遗传适应性，得以在之后的大规模瘟疫中幸存，而那些非混交后代则被逐渐被淘汰。《福布斯》撰稿人珍妮弗·拉夫（Jennifer Raff）博士将这一现象形象地比喻成尼安德特人和古代智人既互相放毒，又相互提供解药。

虽然尼安德特人和丹尼索瓦人等作为人种已经完全灭绝，但是他们与现代人类祖先的爱情故事，已深深地镌刻在我们的基因组里，再也抹不去、擦不掉。

参考文献

1. 亚历山大·H·哈考特著，谢庶洁译，我们人类的进化-从走出非洲到主宰地球[M]. 北京,中信出版社，2017. ISBN:9787508678962.

2. 斯万特·帕博（Svante Pääbo）著，夏志译，尼安德特人. 杭州，浙江教育出版社, 2018. ISBN: 9787553678351.

3. Hublin JJ, Ben-Ncer A, Bailey SE, et al., New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens. Nature. 2017, 546(7657): 289-292.

4. Richter D, Grün R, Joannes-Boyau R, et al. The age of the hominin fossils from Jebel Irhoud, Morocco, and the origins of the Middle Stone Age. Nature. 2017, 546(7657):293-296.

5. Richard E. Green, Johannes Krause, Adrian W. Briggs et al. A Draft Sequence of the Neandertal Genome. Science. 2010, 328(5979) :710-722.

6. Kay Prufer, Fernando Racimo, Nick Patterson et al. The complete genome sequence of a Neanderthal from the Altai Mountains. Nature. 2014, 505(7481):43-9.

7. Prüfer K, de Filippo C, Grote S, et al. A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia. Science. 2017, 358 (6363): 655–58.

8. Qiaomei Fu, Mateja Hajdinjak, Oana Teodora Moldovan, et al., An early modern human from Romania with a recent Neanderthal ancestor. Nature. 2015, 524: 216–219.

9. T. Higham, K. Douka, R. Wood, et al. The timing and spatiotemporal patterning of Neanderthal disappearance. Nature. 2014, 512(7514): 306–09.

10. Johannes Krause, Qiaomei Fu, Jeffrey M. Good, et al. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia. Nature. 2010, 464: 894–897.

11. Reich David, Green Richard Kircher Martin, et al. Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. Nature. 2010, 468 (7327): 1053–60.

12. Browning SR, et al. Analysis of Human Sequence Data Reveals Two Pulses of Archaic Denisovan Admixture. Cell. 2018, 173(1): 53-61.

13. Viviane Slon, Fabrizio Mafessoni, Benjamin Vernot, et al. The genome of the offspring of a Neanderthal mother and a Denisovan father. Nature. 2018, 561:113–116.

14. Huerta-Sa´ nchez E, Jin X, Asan, Bianba Z, et al. Altitude adaptation in Tibetans caused by introgression of Denisovanlike DNA. Nature. 2014, 512:194-197.

15. Dannemann M, Kelso J. The contribution of Neanderthals to phenotypic variation in modern humans. Am J Hum Genet. 2017, 101:578-589.

16. Enard D. and Petrov D.A. Evidence that RNA Viruses Drove Adaptive Introgression between Neanderthals and Modern Humans. Cell. 2018, 175(2): 360-371.

感谢付巧妹博士对本文的审阅和修改。