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▌追溯人類的DNA足跡
▌文／斯蒂克斯（Gary Stix）
▌譯／王心瑩
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奧薩瑪賓拉登的同父異母兄弟擁有一家開發公司，去年宣佈要建造一座橋樑，橫跨連接紅海與印度洋的曼達布海峽。這個極富野心的計畫若成真，非洲的人們將可經由這座全世界最長的橋樑前往麥加朝聖，且從數十公尺的高空重現人類歷史上最值得紀念的遷徙旅程：約在5~6萬年前，一小群非洲人（幾百或甚至幾千人）搭乘小船穿越這個海峽，再也沒有回頭。
我們無法完全參透那群人離開東非家園的原因，也許是氣候發生變化，或者曾經不虞匱乏的貝類消失了。但有幾件事是相當確定的：最初離開非洲的移民所擁有的身體與行為特徵（腦容積很大、具有語言能力）完全就是現代人類的特徵。從亞洲大陸（今天的葉門）出土的營地遺跡看來，他們在數萬年間跨越各個大陸與陸橋，一路遷徙到南美洲最南端的火地島。
科學家費盡千辛萬苦，收集到許多化石骨骼和矛尖之類的工具，當然能對這段遷徙歷程有比較深入的認識，但古代遺物總是太少，無法為如此久遠的歷史提供完整的圖像。過去20年來，族群遺傳學家開始能夠填補考古人類學記錄上的這塊空白了，在他們眼中，現代人類早期一路遷徙，彷彿留下一路的「遺傳麵包屑」可供追蹤。
人與人之間的DNA幾乎完全相同，也就是說，所有人的基因組都包含30億個核酸，這些「字母」有多達99.9%是相同的，但混雜其中的另外0.1%則是關鍵的差異所在。若是比較東非人和美洲原住民在這部份的差異，便可得出人類血統的關鍵線索，以及從一個大陸遷徙到另一大陸的確切過程。到了最近幾年，在遺傳學家眼中，只由父傳子或母系遺傳的DNA已等同化石證據；最新的研究更使科學家調整關注焦點，現在他們不只看少數幾段單獨的DNA，而是放寬視野，研究散佈在整個基因組裡的幾十萬個核酸。
廣泛掃描DNA的結果，已經為人類在全球的遷徙過程提供了空前精確的路線圖，有些研究甚至是近幾個月才剛發表。這項研究能為「現代人類起源於非洲」的說法背書，也顯示非洲是遺傳多樣性的儲藏庫，從而涓滴流出到全世界各個地方去。這棵遺傳親緣樹的根部是從非洲桑人開始，最後新生的分枝則是南美洲印第安人和太平洋島民。
人類遺傳歧異度的研究（可說是一種史學的全球定位系統）可追溯到第一次世界大戰，當時有兩位醫師研究駐紮在希臘第撒隆尼基的士兵，發現一種特定血型的出現率會依國籍不同而有所差異。1950年代，卡瓦利–斯福札（Luigi Luca Cavalli-Sforza）正式開始研究各個族群的遺傳差異，方法是檢視各自的血型蛋白，而這些蛋白質之所以不同，是因為製造它們的基因並不相同。
接著在1987年，美國加州大學柏克萊分校的肯恩（Rebecca Cann）和威爾森（Allan Wilson）發表了一篇開創性的論文，他們分析經由母系代代相承的粒線體（細胞裡製造能量的胞器）DNA後指出，人類所有族群都是20萬年前一位非洲女性的後代。媒體立刻以「粒線體夏娃」為頭條標題來報導這項發現（儘管以聖經人物為名，這個夏娃並不是第一個女性，只是她的血統一路傳承至今。）
一切都與夏娃有關
在粒線體當中，無益也無害的中性突變發生速度快、機率相對可預測，因此這胞器就像個「分子時鐘」，只要計算兩群人或兩個譜系之間突變數量的差異（就像時鐘滴答了幾下），研究者就可繪製遺傳樹圖，回溯出兩者共同的祖先，即「粒線體夏娃」或繁衍出新譜系的另一位女性。比較各地區不同譜系的繁衍時間長短，就可建構出人類遷徙的時間表了。
1987年之後，人類多樣性的資料庫益發擴充，又加入了只由父傳子的性染色體「Y染色體」，這種男性遺傳的DNA含有好幾千萬個核酸，比只有1萬6000個核酸的粒線體DNA多了很多，大大提升了研究人員區辨各族群的能力。仔細分析各族群的粒線體DNA和Y染色體DNA，可以得到幾百個遺傳標記（指DNA出現特殊突變的位置，可用來識別特定譜系）。
人類在幾萬年間由非洲遷徙至美洲，現在我們已經可以描繪出當時的路徑，那就像是旅行者在彼此相接的高速公路上前進，只不過速度極其緩慢。我們可以借用「英文字母加數字」的道路標示方式來表示各個遺傳標記，以Y染色體來說，先由M168公路（等同遺傳標記）跨越曼達布海峽，沿著M89向北穿越阿拉伯半島，接著在M9右轉，經過美索不達米亞，一直走到中亞的興都庫什山北方區域，再於M45左轉，到了西伯利亞之後，右轉沿著M242一直向東走，最後跨越陸橋來到阿拉斯加，此時走M3，繼續前進至南美洲。
粒線體DNA和Y染色體至今仍是很有用的分析工具，美國國家地理學會、國際商業機器公司（IBM）和韋特家族基金會集資4000萬美元，預計推動一項運作至2010年的研究，便有賴這些工具來完成。這個「基因地理計畫」獲得10個區域性學術機構的協助，要在全球各地收集10萬名當地居民的DNA。計畫主持人韋爾斯（Spencer Wells）說：「我們的重點是要研究人類遷徙過程的細節。」研究人員在一份近期發表的論文中指出，經過了10萬年，南非的郭依桑人一直與其他非洲人擁有不一樣的遺傳特性。另一項研究則發現，黎巴嫩人的一部份基因庫顯示，他們同時擁有基督教十字軍和阿拉伯半島穆斯林的血統。
有力的分析工具
沿著已發現的遷徙路徑，遺傳研究者採集了許多居民的DNA，然而這些資料看似確切，有時卻仍存疑問，因此跟譜系樹比起來，研究人類起源的科學家寧願相信握在手上的化石，因為化石是用放射性同位素來定年，DNA則看突變，而突變率會隨著不同段DNA而有變動。
但是考古人類學家深陷一個困境：化石遺物太稀少，而且常常不完整。舉例來說，透過粒線體和Y染色體的遺傳物質，可以看出人類最早由非洲遷徙到澳洲的過程（多虧有印度洋北部安達曼群島等居民），但路徑沿線的實體人工製品多半已消失無蹤。
因此，缺乏石頭與骨頭的解決方案是：更多的DNA，不管哪裡來的都好。為了支持遺傳證據的可信度，研究人員更著手探尋在人類身上搭便車的微生物，檢查它們的基因是否呈現類似的遷移模式；這些白吃白喝的傢伙包括細菌、病毒甚至蝨子。除了研究微生物，人類基因組計畫與其他廣泛檢視整個基因組的相關研究也發展出一系列有力工具，有助於彌補遺傳研究方法的不足之處。美國加州大學戴維斯分校的人類學教授魏佛（Tim Weaver）說：「從很多個人與族群的基因組可看到如此多的差異，由這些差異來測試不同的假說，會得到比較顯著的統計結果。」
近十年來，研究人員同時比較了散佈在整個基因組30億個核酸之間、各式各樣的不同位置，結果得到戲劇化的發現。第一個針對全基因組的研究在將近10年前進行，重點是比較不同族群之間稱為「微衛星基因座」的短段重複DNA片段有何差異。最近的全基因組掃描又讓我們眼界更寬，今年2月，《科學》和《自然》各刊登一篇至今最大規模的人類多樣性研究，兩個研究都測試過50萬個以上的「單核酸多型性」（SNP，DNA一個特定位置的核酸換成另一種核酸），材料來自「人類基因組多樣性群集」，這是取自全球51個族群約1000個人身上的細胞株，保存於法國巴黎的「人類多型性研究中心」。
兩個研究團隊以不同的方法分析大量資料，一方面直接比較各族群的SNP，另一方面也檢視各種「單倍型」（即DNA片段包含很多個SNP，經過多個世代一直完整遺傳下來）。論文刊登於《自然》的團隊更發展出一項探討人類差異度的新技術，他們於整個基因組選取一些長達100萬個核酸的DNA段落，比較不同人之間這些段落的重複或缺失情形（稱為複製數變異），很符合在基因組裡尋找更多遺傳變異標記的研究主流。這篇論文的領銜作者、美國密西根大學安娜堡分校的羅森柏格（Noah A. Rosenberg ）說：「基因組的任何一段都有其歷史，但不見得能夠反映整個基因組的自古源流。」不過他又說，若能同時檢視許多區域，便可克服上述問題：「只要握有數千個標記，便有可能說出人類遷徙的完整故事。」
研究人員檢視數十萬個SNP之後，便能解答各個族群的來源與身份，即使播遷到遠方，也能看出族群間的親疏關係。舉例來說，南美洲原住民的血統可追溯至西伯利亞人及一些亞洲民族；中國以漢人為主要民族，但北方漢人和南方漢人的血統不同；貝都因人身上同時有來自歐洲、巴基斯坦和中東的血統。
這些發現與先前的人類學、考古學、語言學和生物學（包含前面提到的粒線體與Y染色體DNA部份）研究結果若合符節，也為「遠離非洲」假說提供更廣泛的統計基礎，可以支持一小群人由非洲向外遷移的說法。這群人在新家園繁衍壯大，直到這些「最早的祖先」分支出另一個子群，並再次出走；這樣的過程反覆發生，直到最後全世界都有人類居住。與此同時，這些徒步旅人壓縮了其他古代人類族群（包括尼安德塔人和直立人）的生活空間，也很少或幾乎沒有機會與這些族群混血。由新的DNA研究結果可看出，每回分支出一個較小的族群時，源自非洲族群的遺傳多樣性就少一點，一旦遷徙距離（與時間）離非洲越遠，多樣性益發減少，這也就可以當做追蹤族群移動的工具。例如美洲原住民是最後一群大規模跨洲遷徙的移民，與非洲人比起來，他們基因組內的多樣性只剩下一半。
很多科學家認為，由於諸如《科學》和《自然》論文等大規模統計分析的背書，如今證據確鑿，可讓「遠離非洲理論」支持者在人類起源的長期論戰中明顯佔上風。「遠離非洲理論」的競爭對手是「多地區起源理論」，「多地區起源理論」認為在過去180萬年間，古代人類（例如直立人）的後代於非洲、歐洲和亞洲各地不斷演化，最終由現代智人逐漸脫穎而出；在這過程中，各族群偶爾混血，因此並未演化成不同的物種。
少數科學家仍高舉「多地區起源理論」大旗，並堅持原本的論述。不過也有越來越多人接受修正版論述，他們的研究焦點是要確定我們的基因組是否留下其他人科表親的印記。印度理工學院的埃斯瓦蘭（Vinayak Eswaran）在美國猶他大學的哈彭丁（Henry Harpending）和羅傑斯（Alan Rogers）的協助下，近年來展開一連串模擬研究，顯示人類遷出非洲後，仍然與諸如直立人等古代人種廣泛混血。埃斯瓦蘭的模擬研究顯示，現代人的基因組有80%可能受到此類混血的影響。
如果真有混血，相關的遺傳印記不見得如想像中容易看出。哈彭丁為此提出解釋，例如遷離家園的非洲人帶來一組有益的基因可造成某種優勢（也許是順利分娩），到最後把某些古代人種基因的特性遮蓋掉了。哈彭丁說：「光看有益的基因，這個族群似乎與（非洲）祖先族群比較接近，但實際上不然。」
我們身上有尼安德塔人的血統嗎？
不只埃斯瓦蘭和哈彭丁提出不同人種混血的可能性，有些現代智人的骨骼化石也呈現早期人科動物的特徵，而當代人類的遺傳記錄也為相關討論提供了不少素材。
從記錄遺傳譜系的樹狀圖來看，有些基因變異型「極其古老」，若人類遲至20萬年前才從單一同質群體演化而來，這些變異型似乎就不應存在，這便暗示可能有混血。2006年，美國芝加哥大學的拉恩（Bruce Lahn）與同事發表了一個吸引眾人目光的研究，他們發現有一類「微腦磷脂」基因（掌管腦的大小）具有一種單倍型，可能是四萬年前與尼安德塔人混血而傳承下來的。
還有一個更加可靠的答案會在12個月內出現。「尼安德塔人基因組計畫」由德國馬克士普朗克演化人類學研究所與美國康乃狄克州454生命科學定序公司合作進行，他們取用自克羅埃西亞洞穴發現的四萬年前尼安德塔人頭骨，預定在今年底前完成70%的DNA初步定序工作，並於六個月後發表定序結果。
到目前為止，這個計畫尚未發現兩個人科譜系之間確有交換遺傳物質的任何跡象。主持計畫的馬克士普朗克教授帕波（Svante P鳵bo）說：「我們沒有看到證據，但不能排除可能性。」早先他的團隊曾發表一項研究結果，他們篩檢100萬個核酸（只佔整個基因組的極小部份），認為有些基因可能曾經交換過，但隨後發現結果有誤，因為樣本受到污染。這些研究人員尚未定序到拉恩所說的「微腦磷脂」基因變異處。
研究古代基因時，光是碰觸到樣本或呼一口氣，都可能造成錯誤結果，有些古人類學家前往挖掘現場時，甚至會用微晶片工廠無塵室所穿的「兔子裝」無塵衣，把自己全身包裹起來。在上述初步論文之後，帕波在馬克士普朗克的實驗室也調整了無塵室作業的程序。此外，在每一股尼安德塔人的遺傳物質前端，研究人員會加上一段包含四個核酸的合成DNA「標籤」，每一股DNA移出定序機器時，都還要經過分子身份認證。
如果能了解人類譜系中最近親戚的遺傳組成（根據先前估計，兩者基因組的相似度高達99.5%），就可為兩個基因組進行最精確的相對定年工作，從而找出人類基因組有哪些位置發生混血、哪些位置又曾經由天擇選取了某些特徵。帕波說：「我認為，如果你對人類演化過程有興趣，尼安德塔人是個獨特的議題。他們是人類最近的親戚，雖然技術上很困難，你還是可以取得他們的基因組，若換成其他大多數古人類，則根本就不可能取得。」
尚未發表的新近研究顯示，尼安德塔人的Y染色體與人類不同。帕波注意到：「沒有一個人類的Y染色體像尼安德塔人那樣。」先前的研究結果也顯示，人類與尼安德塔人的粒線體DNA很不一樣，兩個結果彼此呼應。不過在去年11月，帕波和他的團隊曾提出兩個人科物種的一項相似處：於西班牙出土的尼安德塔人有一個基因叫FOXP2，與人類掌管說話和語言發展的基因型式完全相同。而在今年4月，另一個研究團隊也發表論文，探討這個基因是否可能是混血的結果，只不過無法排除實驗遭到污染的可能性。
打破種族與國界的概念
就在一些研究人員持續進行老骨頭碎屑的DNA定序工作，以便了解人類是否曾與其他人屬物種交配時，其他研究者則著手分析全基因組的DNA，想知道人類遷徙到新家園時，有哪些基因控制的性狀隨著遺傳漂變（即隨機突變）和天擇而改變了。
有一項研究刊登在今年2月的《自然》，顯示人類離開非洲後，遺傳多樣性下降對人類造成的影響。這個計畫的研究對象是20位歐裔美國人和15位非裔美國人，比較這群人的四萬個SNP，發現歐裔美國人身懷有害遺傳變化（可能與疾病有關）的機率比非裔美國人高，不過作者沒有特別指出是哪些健康方面的影響。計畫主持人布斯塔曼德（Carlos D. Bustamante）稱這個結果為歐洲人祖先的「族群遺傳殘跡」，也就是說，歐洲最早的一小群住民因為遺傳多樣性較低，使一些有害的突變得以傳播開來，等到人口越來越多，又出現一些新的突變，而天擇都還沒有時間剷除這些有害的變化。
此外，全基因組研究也提供了全面的看法，讓我們了解天擇如何協助遷徙者適應新環境。人類離開非洲，或採行農業及其他有助於適應新環境的生活方法後，至今發生了許多遺傳變化，過去兩年有許多研究便著手尋找這些變化；此外，遺傳學研究者也戮力鑽研「國際人類基因組單倍型圖計畫」，這個計畫將收集各種基因單倍型，共囊括390萬個SNP，研究對象包括具有西北歐血統的北美洲人，以及在奈及利亞、中國和日本採集的個人樣本。
哈彭丁與同事做的一項研究顯示，DNA的改變速率（可顯示演化的步調）在過去四萬年來逐漸加快。另一項由美國麻州劍橋市博德研究院的薩貝提（Pardis C. Sabeti）與同事進行的研究則指出，基因組內有數百個區域仍發生天擇，包括負責對抗疾病、膚色變化和毛囊調控汗水的區域。這些發現意味著自從人類離開古代非洲故鄉後，至今仍持續適應不同地區的差異，像是陽光曝曬度、食物種類和病原體等；即使是非洲人，也隨著環境的改變而不斷演化。
一項由法國巴黎巴斯德研究所的昆塔納–穆契（Lluis Quintana-Murci）帶領的最新研究指出，有580個基因（包括與糖尿病、肥胖和高血壓有關的一些基因）正在單倍型圖譜上的各個族群之間受到天擇，這或許可解釋某些疾病型態具有地理差異的原因，亦可為藥物的研發工作提供新目標與線索。
探討人類多樣性的形成過程時，有時會超越毛囊大小和牛奶消化能力之類的討論層次，這可從探究何種因素構成人種和民族的議題看出一二。例如，假設有個與「認知」有關的基因變異在歐洲人身上較常見，非洲人則否，這代表什麼意思呢？如果一般大眾能夠更深入了解遺傳學，明白單一基因的作用並不像個簡單的開關，打開就聰明、關掉就很笨，或許可消除一些錯誤的臆測。
未來，遺傳學的敘述不會再用「日本人」、「中國人」這類用語，而是根據近期所做的全基因組掃描結果，區分出各個不同的遺傳譜系，像是中國的漢民族就分成南方族群和北方族群。昆塔納–穆契便說：「沒有所謂的種族，從遺傳學觀點，我們只會看到隨地理分佈而變的漸次變化。歐洲人和亞洲人之間沒有一翻兩瞪眼的差異；從愛爾蘭一路到日本，也沒有什麼鮮明界限可標示出某種全然的變化。」
在演化歷史上，就比較基因組學的角度來看，人類的旅程仍不斷開展。與此同時，我們仍不斷渴求更多的資料、更強大的電腦和演算法，這份渴求永無止境。今年1月，一個國際合作計畫宣佈要定序來自不同地區、不同族群的1000個基因組，而隨著資料累積得越來越龐大，研究人員便可進行更加逼真的模擬研究，用以測試各種人類演化的理論模型，並評估每一種理論的可能性，從而得到有史以來最鮮明的圖像，讓我們知道自己是誰、又是從何而來。
（本文原載科學人2008年第78期8月號）
| ▌科學小視窗
▌波蘭發現2億年前恐龍化石
▌文╱科科報編輯小組
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波蘭學者在距離華沙200公里的Lisowice挖掘到一具2億年前的暴龍祖先骨骸，品種前所未見。
根據路透社報導，波蘭科學院考古團發現這種長約5公尺、用兩隻腳走路的恐龍，其牙齒最長有7公分，研究團隊成員Tomasz Sulej說，「這是前所未見的新物種。」
研究者認為，學界無人認為那個時代有這種恐龍存在，這次出土的化石將有助於解開暴龍演化史。
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