第一篇：以粒線體DNA之研究論尼安德塔人與現(xiàn)代智人的關(guān)系

以粒線體DNA之研究

論尼安德塔人與現(xiàn)代智人的關(guān)係

陳珈琦

2000-3-1

5Introduction

1856年，在德國Neander Valley的一個石灰?guī)r洞穴中所發(fā)現(xiàn)的人骨化石是第一個被認(rèn)定尼安德塔人的人骨化石。之前雖然也有一些尼安德塔人的出土，但直到1856年以後才陸續(xù)被確認(rèn)出來，之後也在歐洲以及中亞各地的遺址中發(fā)掘出許多尼安德塔人。一般來講，尼安德塔人被描述為粗壯、肌肉發(fā)達(dá)、身材較矮的人種。頭骨的特徵則是前額較低、眉脊突出、有較大的鼻子與較寬的鼻孔，腦容量平均為1450㎝3。他們曾經(jīng)在歐洲及中亞地區(qū)居住了100,000年，之後還與現(xiàn)代智人在以上地區(qū)共存過一段時間，最後在距今30,000年前滅絕（Lewin, 1998：366;Lindahl, 1997）。

尼安德塔人在古人類學(xué)中是一個爭議很大的問題，到底他們是古代屬於早期智人（archaic Homo sapiens）的一個種族，對現(xiàn)代人的基因庫有貢獻(xiàn)；抑或他們有別於現(xiàn)代智人是另一個種（Homo neanderthalensis），被從非洲來的現(xiàn)代智人所取代而滅絕？在過去因?yàn)榭脊刨Y料的不足無法作定論，現(xiàn)在因生物科技的發(fā)達(dá)，透過古代DNA的研究可以為這個問題提供一條新的解決之道。

一個有關(guān)人類演化的重大爭論是兩個演化模型：非洲起源模型（Out of Africa）與多地區(qū)演化模型（Multiregional Continuity）的對立，而尼安德塔人與現(xiàn)代人的關(guān)係是這兩個模型的重要支持證據(jù)之一。非洲起源模型主張，人類的祖先在十萬年前出現(xiàn)於非洲並向世界其他地區(qū)擴(kuò)散，將當(dāng)時其他地方的人屬動物取代掉。而多地區(qū)演化模型則主張，自從兩百萬年前人類自非洲遷移出來之後，舊大陸各地的人類都是屬於一個種（Homo sapiens），並且藉著基因流動（gene flow）持續(xù)演化，至於不同時期、不同地區(qū)在型態(tài)上有所差異只是種內(nèi)的差異而已。Methods & Materials

古代DNA的研究始於1980年代中期，藉由分子演化的研究，企圖建構(gòu)出生物族群間的演化關(guān)係以及尋找已絕跡的物種或族群的基因。粒線體DNA（mtDNA）是古代DNA研究的主要對象，因?yàn)閙tDNA突變速率比細(xì)胞核DNA快，是演化研究中的重要優(yōu)點(diǎn)，而且mtDNA在一個細(xì)胞之中的數(shù)量很多，是更好的選擇。聚合鋂連鎖反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction, PCR）是重要的工具之一，透過PCR將DNA大量複製，使其能夠被定出序列。

但古代DNA研究有一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的瓶頸。首先是因?yàn)殚L期的水解及氧化過程會損壞DNA，所以考古標(biāo)本若超過100,000年以上的話，DNA幾乎無法保存，所以年代愈古老，樣本便愈有限。其次是被現(xiàn)代DNA污染的問題，因?yàn)楣糯鶧NA過於微量，只要摻雜一點(diǎn)現(xiàn)代DNA

就會使結(jié)果受到破壞（H?ss, 2000）。

Krings的兩篇研究（1997;1999）皆以德國西部出土的尼安德塔人為樣本，分別以mtDNA中變異性很大的兩個區(qū)段（Hypervariable Region I, HVRI;Hypervariable Region II, HVRII）來與現(xiàn)代智人做比較。Ovchinnikov（2000）的研究則以高加索（Caucasus）北部的尼安德塔人為樣本，做的是HVRI的比較。

最後用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，畫出尼安德塔人與現(xiàn)代智人的演化樹，若尼安德塔人出現(xiàn)在演化樹的外圍，是符合非洲起源模型；若其演化樹的分支出現(xiàn)在現(xiàn)代智人之間，則是支持多地區(qū)演化模型。

Result

Germany

以mtDNA的HVRI所做出的序列顯示，現(xiàn)代人之間互相的平均序列差異是8.0 ±3.1，現(xiàn)代人與尼安德塔人的平均序列差異則是27.2 ±2.2（圖一），而當(dāng)尼安德塔人與各洲人種做比較時，可得到下列數(shù)據(jù)：與歐洲人平均差28.2 ±1.9，與非洲人平均差27.1 ±2.2，與亞洲人平均差27.7 ±2.1，與美洲人平均差27.4 ±1.8，與澳洲或大洋洲人平均差28.3 ±3.7。若說尼安德塔人是歐洲人的祖先，那麼他們的序列差異應(yīng)該比較小，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴我們，尼安德塔人與歐洲人並沒有較親近的關(guān)係，根據(jù)這些分析可以畫出演化樹（圖二）。另一方面，從研究的結(jié)果推算出尼安德塔人與現(xiàn)生人類mtDNA分歧的時間是距今550,000年至690,000年前，而現(xiàn)代人的出現(xiàn)時間，用相同的方法推算出來，是在距今120,000年至150,000年前（Krings,1997)。

而mtDNA的HVRII研究顯示，現(xiàn)生人類之間mtDNA的序列差異約為10.9個位置，但與尼安德塔人的差異則為35.3左右，非洲人、歐洲人、亞洲人與尼安德塔人的序列差異分別為34.4 ±2.7、35.8 ±2.1、33.8 ±2.0，雖然差異最少的是歐洲人，但其關(guān)係並沒有特別親近，他們的演化樹如圖

三。而推測出尼安德塔人與現(xiàn)代人的共同祖先約為465,000年前，明顯比現(xiàn)代人的共同祖先，約在距今163,000年之前，早很多（Krings, 1999）。

Caucasus

以mtDNA的HVRI做比較下，高加索地區(qū)的尼安德塔人與現(xiàn)生的非洲人、蒙古人種以及高加索人種的序列差異，分別為23.09 ±2.86、23.27 ±4.06以及25.45 ±3.27，而以此數(shù)據(jù)的分析可以畫出其演化樹（圖四）?，F(xiàn)代人與尼安德塔人在mtDNA的分歧點(diǎn)，推測為365,000年至853,000年前，而最早的現(xiàn)代人的mtDNA則是推測在距今106,000年至246,000年前出現(xiàn)（Ovchinnikov, 2000）。

Discussion

Krings及Ovchinnikov的三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果皆顯示，尼安德塔人的mtDNA在演化樹中是在現(xiàn)代人的群組之外，而且尼安德塔人與現(xiàn)代人在mtDNA上的分歧點(diǎn)比現(xiàn)代人之間的分歧點(diǎn)早了大約四倍的時間，如此看來，雖然尼安德塔人與現(xiàn)代人曾經(jīng)共存一段時間，但他們的基因庫（gene pool）是分開的，彼此之間並沒有混血。這樣的結(jié)論是支持非洲起源模型的，尼安德塔人被從非洲出來的現(xiàn)代人所取代，並且沒有與現(xiàn)代人混血。

但是這樣的結(jié)論仍有許多被質(zhì)疑的地方，首先是實(shí)驗(yàn)本身權(quán)威性的問題，到底做出的mtDNA

序列是不是純正的尼安德塔人的序列，沒有受到現(xiàn)代DNA的污染？

實(shí)驗(yàn)本身可以被接受之後，接下來是樣本數(shù)量大小的問題，目前只有兩個遺址出土的考古標(biāo)本做這方面的研究，需要更多遺址的考古標(biāo)本來做更有力的支持，而且只有以mtDNA的HVRI, II來做比較，也有待以細(xì)胞核內(nèi)的DNA來做研究，說不定有另一種的結(jié)果出現(xiàn)（Lindahl, 1997）。References

H?ss, Matthias

2000Neanderthal Population Genetics.Nature 404: 453-4.Krings, Matthias, Anne Stone, et al.1997Neandertal DNA Sequences and the Origin of Modern Humans.Cell 90:19-30.1999DNA Sequence of the Mitochondrial Hypervariable Region II from the Neandertal Type

Specimen.Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 96: 5581-5.Lewin, Roger

1998Principles of Human Evolution: A Core Textbook.London: Blackwell Science, Inc.Lindahl, Tomas

1997Facts and Artifacts of Ancient DNA.Cell 90:1-3.Ovchinnikov, Igor V.,Anders G?herstr?m, et al.2000Molecular Analysis of Neanderthal DNA from the Northern Caucasus.Nature 404:490-3.