距今93萬年前，人類祖先在氣候劇變中喪失了98.7%的成員個體，幾近滅絕。在降低了65.85%的遺傳多樣性后，人類開始了新一輪進化，踏上了走出非洲的征程。
給出這一連串精準數字的，是一個名為FitCoal（快速極小時間溯祖）的軟件。它將精準追溯人類祖先歷史的年限從距今10萬年向前延伸到了100萬年，甚至在數據充足的條件下，還能精確追溯到每一天，置信區間高達95%。而且，輸入任何生物的一段DNA數據，FitCoal都能給出溯祖結果。
（圖片來源：Science）
為創制出這一神奇的人類學研究新工具，中國科學院上海營養與健康研究所李海鵬研究組與華東師范大學腦功能基因組學研究所潘逸萱研究組聯手合作，苦苦鉆研了整整十年。9月1日凌晨，國際頂尖學術期刊《科學》在線發表了這一重磅成果。
十年磨刀不發論文，只為“造一把新槍”
“我們從哪里來”是科學研究的永恒主題之一。除了從化石中尋找證據，人類學家一直在苦苦追尋精準溯源遠古人類祖先的技術手段。2022年諾貝爾生理或醫學獎就授予了創立古DNA提取技術的瑞典科學家斯萬特·佩博。
然而，古DNA提取技術并不是萬能的。由于DNA是生物大分子，很難長期保存，尤其在30萬年前的人類發源地非洲。因此，目前人類群體歷史的研究多局限于距今30萬至10萬年間。可是，化石考古發現，距今約100萬至50萬年間，非洲的人類化石存在缺失。那么，在這百萬年前究竟發生了什么？
“如果說古DNA提取和分析是一把槍，精準擊中了人類近十萬年的溯祖研究，那么我們就想造一把新槍，用以解決百萬年精準溯祖的問題。”2007年，李海鵬從美國、德國學成來到上海，成立研究組，希望破解這個人類群體進化史上的重大謎團。
經過前期鋪墊，課題于2013年正式啟動。“過去十年，我和潘老師的研究組每周都會開兩三次討論會，但卻沒有發過任何文章。”李海鵬說，得益于所里寬松包容的科研環境，他們的研究終于在十年后“一飛沖天”。
李海鵬回憶，當研究組對花了近一年時間完成的最初版FitCoal進行測試時，發現結果竟然一團糟。“我們不得不刪掉全部代碼，推倒重來。”他坦言，自己那時“看不到一點希望”。
終于，又經過數年努力，FitCoal第一個正式版于2021年在bioRxiv公布并提供下載。當全世界同行紛紛從不同角度對軟件進行驗證，兩個研究組都感受到了前所未有的興奮。
從10萬人銳減至千余人，人類祖先險遭滅絕
利用FitCoal軟件，研究人員深入分析了來自千人基因組計劃和HGDP-CEPH（人類基因組多樣性計劃）所產生的50個現代人類群體的基因組數據，首次發現了百萬年前的一次人類祖先幾近滅絕的大事件。
大約百萬年前，地球正處于早、中更新世的過渡期，全球氣候劇烈變化，冰期與間冰期的周期震蕩從百萬年縮短至十萬年。就在93萬年前，受氣候劇變影響，身處非洲的人類祖先在短期內喪失了約98.7%的成員個體，從近10萬人急劇下降到1280人。
“這段空缺一直持續了11.7萬年，此后人類種群數量上升至27160人。”李海鵬說，面對這一幾近滅絕的群體瓶頸，人類祖先一定發生了某些改變，最終適應了氣候變化，“此后再沒有發現類似的情況”。既往考古學研究顯示，人類約在79萬年前學會了用火，或許正是這一劃時代的技能習得，使人類祖先絕地逢生。
（圖片來源：Science）
同時，這一嚴重的群體瓶頸事件也在現代人類的基因中留下了深深印記。潘逸萱的另一個研究方向是糖尿病，“能夠生存下來的人類祖先個體，必定在高效儲存能量、獲取能量上有先天上的獨到優勢，并通過基因傳遞給后代”。當現代人類帶著這些適應食物極端匱乏生活的基因，走入物質極其豐富的當代社會，這些遠古基因反而成為人類整體水平上易感糖尿病的“元兇”。
“我們已經鎖定了一個可能與人類糖尿病易感性相關的基因，后續將進一步深入研究。”潘逸萱認為，如果在這方面有所突破，可能會尋找到一些新途徑，從人群總體上降低罹患糖尿病的風險。
輸入一段DNA，就能為任何生物種群溯源
“這是近年來CNS（《細胞》《自然》《科學》三大頂刊）期刊上鳳毛麟角的理論論文，也是一段買櫝藏珠的故事。”中山大學生命科學學院教授吳仲義毫不掩飾對FitCoal的贊許，“論文只講述了93萬年前的這個故事，理論框架和新的方法突破都在附件中”。
美國南佛羅里達大學教授劉曉明則稱FitCoal是“目前為止最為準確的估計有效群體規模歷史的方法”。作為一種全新工具，FitCoal基于的是突變頻譜數據，具有數據形式適應性強、計算速度快等優點，具有極為廣泛的應用前景。
“FitCoal是一種創新理論，軟件即是遵循這一理論進行數學推導的工具。”李海鵬介紹，史前雖然沒有文字記載群體數量，但人類祖先卻將這種印記留在了群體基因中。但群體歷史越久遠，留存至今的基因印記信號就越微弱。
“我們準確解讀出了這些信號，實現了對古人類群體的‘人口普查’。”李海鵬說，FitCoal無需事先獲得群體歷史的先驗知識，即可自動快速搜尋出最接近于真實歷史的相似值，也可以說估算出“精確到每一天”的群體歷史。
劉曉明表示，FitCoal的推斷與一系列人類學、古氣候學證據在時間上相吻合。過去，由于方法局限，科學家無法進行更精確的研究，“正是由于FitCoal在方法學上的突破，才使得這一發現得以合理地解釋和驗證”。
潘逸萱補充道，盡管他們無法確切知道這1280名人類祖先的具體地理位置，但對群體數量估算的準確度超越了之前所有方法，“根據我們的實驗驗證，僅需3個非洲現代人個體的基因組，就能檢測到這一瓶頸”。
據悉，這一方法同樣適用于包括動物、植物、微生物在內的多個物種，只要輸入一段DNA，就可獲得溯源結果，數據量越大，結果越精準。除了進一步深入了解人類歷史，這一全新方法還將有助于揭示腫瘤的演化、人類腦容量快速增長的分子機制，解釋現代人群對糖尿病的整體易感性等。
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記者 | 許琦敏
來源丨文匯網
編輯丨王越月
編審丨戴琪
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