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标题: 什么是分子人类学? [打印本页]

作者: 代启福 时间: 2009-4-9 08:12 标题: 什么是分子人类学?

产生于本世纪60年代，它是分子生物学与人类学交叉产生的边缘学科。从60年代开始，一些分子生物学家逐步将分子生物学技术引入人类学研究领域，试图通过研究人类DNA中所蕴藏的遣传信息来揭示整个人类的形成与演化过程，并寻找人类的祖先。随着分子生物学理论和技术应用于人类学领域，人类学的一门新的分支学科——分子人类学（Molecular anthropdogy）兴起了。

分子人类学在诞生之初并未受到人类学界的欢迎。许多人类学家对该学科的研究成果都持怀疑或否定态度。60年代未美国加州大学伯克利分校的两位分子生物学家—阿伦·威尔逊（Alan Wilson，后来夏娃理论的主要提出者）和文森特·萨里奇（Vincent Sarich）通过比较现代人类和非洲猿类的血液蛋白的分子结构，得出了人猿分离时间为距今约500万年前的结论。这与古人类学家通过化石证据获得的1500万年前的结论相去甚远，因而引发了人类学界的一场大争论。当时绝大多数古人类学家都不相信威尔逊和萨里奇的结论，认为这是离奇和荒谬的。但在以后的十多年中，其他一些分子生物学家通过研究人类其他组织的分子结构，得出了和威尔逊等相似的结果。80年代初，匹尔比姆（Pilbeam）和安德鲁斯（Andrews）根据新的化石材料否定了腊玛古猿（Ramapithecus,当时曾认为其生存年代为1400万年前）的人类祖先地位，从而大大缩短了我们人类出现的时间。整个人类学界不得不承认：在人猿分离问题上，威尔逊和萨里奇是正确的，而人类学家是错误的10。此后，一些古人类学家（如英国的斯琼格 Stringer、德国的布劳尔 Brauer等）开始欢迎分子生物学家的介入，并把分子人类学的研究成果视为人类起源研究的重要组成部分。
在人猿分离争论结束后不久，一场更大的争论席卷了整个人类学界，这场争论一直延续至今。1987年1月，美国加州大学伯克利分校的3名分子生物学家威尔逊、卡恩（Cann）、斯托金（Stoneking）联名在英国的《自然》（Nature）杂志上发表了《线粒体DNA与人类进化》一文，在文中他们根据对147名妇女（这些妇女分别来自欧、亚、非洲及太平洋群岛和澳大利亚）的胎盘细胞线粒体DNA（Mitochondrion DNA）11的分析提出了著名的夏娃理论。该理论认为，现代人类的共同祖先是20万年前生活在非洲的一名妇女（威尔逊命名其为夏娃），大约在10－15万年前，夏娃的后裔走出非洲并扩散到世界各地，在这一扩散过程中他们完全取代了当地的原始人类（完全取代意味着夏娃的后裔与当地人群之间的杂交即使存在的话，其影响程度也只是无穷小的）。
威尔逊小组12的报告给人类学界以猛烈的冲击，其程度较之分子生物学家们前一次的介入（人猿分离问题的争论）有过之而无不及。针对威尔逊小组的观点，从事现代人类起源研究的古人类学家们的态度各不相同。多区进化论者认为：威尔逊小组的资料和分析方法都是不可靠的，现代人类的“基因相似性表明了一直追溯到一百多万年前我们的祖先最初居住于旧大陆以来人们之间的（基因）连锁的结果，基因相似性是具有悠久历史的群体联系和配偶交换的产物”13。其他持多区进化论观点的古人类学家也先后对威尔逊小组提出批评，认为从现有的化石材料中找不到现代人类完全取代古人类的证据。持非洲起源说主张的学者则多支持威尔逊小组的观点，斯琼格认为：“所有现代人类均来源于一较近非洲祖先的理论已得到研究现代人群的遗传学家的支持，化石记录也从另一方面为这一模型提供了证据。”14生物学界的态度则较为一致，多数遗传学家都支持威尔逊小组的观点，认为它在生物学上也是最合理的。但同时，对威尔逊小组最有力的批评也来自生物学界。美国华盛顿大学的遗传学家坦普列顿（Templeton）在他于90年代发表的一系列论文中指出：运用威尔逊小组的分析方法并不能确切地得出现代人类起源的地点。他们对现代人类起源时间的估算也存在着较大的误差，多项研究结果表明在过去的近100 万年内，居住在欧洲和亚洲的人类之间存在着一定程度的基因交流，因而现代人类完全取代各地区原住居民的结论并不能成立15。
针对坦普列顿等人的批评，威尔逊小组的斯托金和文奇兰特在《皇家学会哲学学报》上撰文进行了反驳16。斯托金指出，坦普列顿使用了错误的数据库，因而他未能发现各人群基因突变上的明显差异，他们（威尔逊小组）对现代人类起源时间的估计是准确的，这一估计是根据一个年代测定相当准确的事件（人类在4－6万年间拓居到新几内亚）推算得出的。其可信度达95％。威尔逊在此前也针对沃尔泼夫等人的批评提出反驳，他认为，活人的生物学材料远比死人的化石重要，“因为现在的活人必定有其祖先，而死去了的化石则不一定会留下后代”17。
尽管坦普列顿的批评动摇了威尔逊小组的结论，但许多分子生物学家仍然相信对线粒体DNA的分析足以支持非洲起源说。同时，其他一些分子生物学家开始着手研究现代人类其他遗传位点上提供的信息，以检验线粒体DNA研究成果的可靠性，并更全面地揭示出人类的进化情况。现代人类起源研究自此又进入了一个新的发展阶段，在这一阶段，古人类学家在研究中独领风骚的局面被打破了，分子生物学家在现代人类起源研究中起到了越来越大的作用。

作者: 代启福 时间: 2009-4-9 08:13

从DNA开始，关于人类的研究渐渐超出了文化的层面，人们学习着从自己体内寻找丢失的历史。上世纪80年代末，人类学中诞生出一支怪异的分支，分子人类学。它自诞生起就显示出惊世骇俗的力量。它不仅让“非洲起源说”的面目变得清晰可信，分子人类学家甚至凭借它找到了非洲的亚当和夏娃。

1987年，美国夏威夷大学的瑞贝卡·坎恩破译了来自世界各地的妇女的线粒体DNA，发现现代女性的线粒体DNA都来自一位妇女，她大约生活在15万年前的非洲。

线粒体存在于细胞质里，是细胞的“能量工厂”，它们包含少量遗传物质—————DNA.每个人的线粒体都来自母亲，因此线粒体是从母系遗传的角度研究人类进化的重要工具，就像Y染色体是研究父系遗传的工具。

随后，分子人类学家再次成功破译了男性遗传密码的Y染色体。通过研究，他们得出结论，现代男性都有一个共同的父亲，他生活的年代也应该在大约15万年前的东部非洲。

“DNA中的遗传密码让亚当、夏娃离开了神话世界，变成了有血有肉的非洲人。

他们成了包括中国人在内的所有人的祖先”。复旦大学生命科学学院博士生李辉说。

李辉解释说。大约15万年前，在东非分化出了很多人种与部落，其中就已经包含了现在的黑、棕、黄、白四个人种的祖先。Y染色体上的M168是目前发现的一个很古老的突变位点，这是人类在要离开非洲时产生的突变，大约发生在10万年之前。那些棕色人、黄种人就是带着这个古老的突变开始向世界扩散。除了非洲以外的现代人都具有这个位点的突变。

10万年前，地球处于冰川期，大部分陆地被冰川覆盖。整个海平面比现在低120米左右，许多海床裸露在地面。在东非，各个部落拥挤在这块炙热的土地上，抢夺着有限的食物。或许是频繁发生类似于现在的卢旺达种族清洗事件，一部分人开始走出非洲。

“又过了几千几万年，现代人在Y染色体基因突变M168基础上又出现了2个突变类型，M130和M89.前者发生在8万年前，后者发生在4万5千年前，人类已通过北非进入了欧亚大陆。”李辉说，最早出来的是棕色人。他们主要是在海边捕鱼为生，并捡食滩涂上的高蛋白食物。他们拿着旧石器和尖木叉，在印度洋岸边走着。公元5万年前，他们已占领了南亚和东南亚的陆地和岛屿。在之后的几万年里，散漫的捕捞捡食生活让他们沿着无边的海岸线，一路走到东亚，之后可能穿过白令海峡到达北美和南美洲。

黄种人走出非洲的时间要比棕色人晚了近5万年。

但他们的扩散速度很快。他们只用了棕色人1/5的时间就到达东南亚。柯越海取样的1万2千个中国人的样本中有11311个样本在M89的位点上发生突变。而这个突变标记在黄种人到达东南亚时就已形成，并且一直在这里做了很长久的活动，之后他们将要进入中国，分化出现在的汉族。

作者: 代启福 时间: 2009-4-9 08:16 标题: 分子人类学

分子人类学(Molecular Anthropology)是人类学的分支，利用人类基因组的分子分析以及DNA遗传信息来分析人类起源、民族演化、古代社会文化结构等多方面多层次的问题，是一门新兴交叉学科。主要方法是比较DNA或蛋白质序列，早期方法亦包括血清学的比较研究。通过检查不同特定住民的DNA序列，科学家能判断特定住民之间或之内的亲属关系。人类学家们根据基因序列的特定相似处判断不同的人群是否属于同一基因组（haplogroup），以及是否发源自同一个地方。这就得以帮助人类学家跟踪迁徙和定居的模式，去发现现代人类如何形成和发展的。2002年，中国第一所研究分子人类学的学术机构复旦大学现代人类学研究中心正式成立。
分子人类学的单倍体遗传点
男性和女性携带有两套连续遗传机制。第一套是Y染色体在男性间的遗传，从父到子。第二套连续遗传机制是线粒体DNA，即mtDNA在女性之间进行遗传。只有非常特殊的情况下，mtDNA在男性间进行遗传。

　　【线粒体DNA（mtDNA）】

　　线粒体存在于细胞质里，是细胞的“能量工厂”，它们包含少量遗传物质———DNA。每个人的线粒体都来自母亲。与作为基因组的染色体DNA不同，线粒体DNA的优点在于它不会进行重组。DNA重组过于频繁就丧失追溯到父系源流的能力。而线粒体DNA却是在不断克隆自身，只会接受极少的父系mtDNA。线粒体DNA不但所处的位置与细胞核DNA不同，遗传方式也迥然有别——它测定线粒体DNA是追踪母系血亲的惟一办法。线粒体DNA的另一点优势在于，高度变化区域的进化快速，显示线粒体DNA的某些染色体领域趋于局外中立。因此线粒体DNA还被当作一种特殊的“钟”，用来估计家系大约是在多久之前彼此分离的。因此线粒体是从母系遗传的角度研究人类进化的重要工具，就像Y染色体是研究父系遗传的工具。同时，线粒体基因组是独立于核基因组的遗传物质，它普遍存在于真核细胞中，线粒体内包含有DNA和转录与转译系统，是具有一定自主性的细胞器。线粒体基因组具有的独特优点：线粒体DNA分子小、拷贝数高; 结构和组织简单而高度保守; 母系遗传，缺乏重组; DNA突变率高。线粒体DNA跟RFLP的原理是一样的，只不过目的DNA由基因组DNA变为线粒体DNA。
【Y染色体】

　　Y染色体存在于细胞核中，即细胞核DNA（nDNA）。与mtDNA不同的是，Y染色体在非重组区域存在交换。

　　基因的本质是DNA链上有功能的片断，它参与蛋白质等的合成，最终决定了生物的特征，它的多样性也决定了生物界的多样性。此外，DNA链上还有更多没有具体表达功能的片断，这些片断不受自然选择压力的影响，可以匀速自由地突变，更忠实地记载了人群进化的历史。

　　DNA大部分存在于生物体细胞的细胞核内，此外，在细胞核以外的其他地方也有少量的DNA分子存在，如线粒体内存在线粒体DNA（mtDNA），植物的叶绿体内存在叶绿体DNA。在男性精子中线粒体位于精子的尾部。在受精的时候，精子只有头部进入卵子的体内，尾部则自然脱落，因此，子女的mtDNA只来源于母亲，呈现随母系遗传的方式。而父系遗传的最典型代表则是存在于男性精子细胞核中的Y染色体（Y-DNA），卵子没有Y染色体。也即mtDNA只在母亲和女儿之间传递，呈严格的母系遗传；Y-DNA只在父亲和儿子之间传递，呈严格的父系遗传。

　　在分子人类学研究中，mtDNA和Y-DNA的研究在探究人类历史以及不同人群之间的渊源关系有很大的优势：mtDNA和Y-DNA均呈单倍体，无重组，这一特点可以使它们能够完整地保存母系或父系祖先的遗传信息，容易构建谱系树；mtDNA和Y-DNA的遗传呈单系遗传，可直接追踪母系或父系遗传的历史；mtDNA和Y-DNA的有效群体大小为常染色体的1/4，一方面使mtDNA和Y-DNA能在较短时间内积累比较多的突变，另一方面容易形成人群特异的遗传标记，提高了mtDNA和Y-DNA在进化研究中的信息量和分辨率。
线粒体DNA遗传
　线粒体只会遗传自母亲，以哺乳类而言，一般在受精之后，卵子细胞就会将精子中的线粒体摧毁。 1999年发表的研究中显示，父系精子线粒体（含有mtDNA）带有泛素（ubiquitin）标记，因而在胚胎中会被挑选出来，进而遭到摧毁。 1999年发表的研究中显示，父系精子线粒体（含有mtDNA）带有泛素（ubiquitin）标记，因而在胚胎中会被挑选出来，进而遭到摧毁。不过某些细胞外的人工受精技术可直接将精子注入卵子细胞内，可能会干扰摧毁精子线粒体的过程。不过某些细胞外的人工受精技术可直接将精子注入卵子细胞内，可能会干扰摧毁精子线粒体的过程。

　　由於母系遗传的特性，使得研究者能够藉由线粒体DNA，追溯长时间的母系族谱（与之相对的为专门用来追溯父系族谱的Y染色体）。人类的线粒体DNA中累积了一些高度变异控制区域（hypervariable control region；包括HVR1与HVR2），在HVR1中含有大约440个碱基对，这些碱基对可用来与其他个体（特定人士或资料库中的讯息）的控制区作比对，进而测定出母系族谱。人类的线粒体DNA中累积了一些高度变异控制区域（hypervariable control region；包括HVR1与HVR2），在HVR1中含有大约440个碱基对，这些碱基对可用来与其他个体（特定人士或资料库中的讯息）的控制区作比对，进而测定出母系族谱。 Vilà等人的研究中回溯了家犬与狼的母系祖先，同样的分析方式也导出了线粒体夏娃概念，用於研究人类起源。 Vilà等人的研究中回溯了家犬与狼的母系祖先，同样的分析方式也导出了线粒体夏娃概念，用于研究人类起源。但最近科学家发现的线粒体DNA重组特征对线粒体夏娃概念提出了挑战。

　　由于mtDNA并非高度保守，而是拥有较快的突变速率，因此可用来研究种系发生学，生物学家挑选少量不同物种的基因，分析其序列的保留与变异程度，可建立出演化树。
线粒体遗传的假设　　线粒体DNA用于研究母系遗传的前提在于，线粒体DNA不容易重组和改变。但分子人类学的理论还远未成熟，分子数据应用在人类学问题时实际上常常被证实很难解释，这是分子序列的比较方法引起的后果。比如研究人种A和人种B在进行分子进化率的时候，就必须选择人种C进行参照，如果A和C之间的分子差别与B与C之间的差别类似，那么就推论A和B的分子率类似。同时由于科学依赖于未来的发现不会与现有理论产生矛盾。实际上，目前的发现也有否定线粒体遗传的假设，那么当前学说很有可能在未来20年内被完全否定。所以对待分子人类学研究的结论必须审慎，不能盲从。

mtDNA的不可靠性和重组特征　　此前科学家认为，线粒体DNA分子是相对稳定的，不会互相交换DNA片断，造成它们发生变化的唯一因素是自发变异。这种变异以相对稳定的速率进行并积累，可以作为“分子钟”使用。两个人的线粒体DNA的差异程度，就决定了这两个人最近的母系共同祖先生活在多少年前。科学家曾经对世界不同地区和民族的女性进行线粒体DNA调查，确定现代人的线粒体来自于约15万年前的一位女性，这位母系祖先被称为“线粒体夏娃”。但在几年前，人们发现了一个罕见的例外，一名男子的线粒体DNA中，有一部分来自于他的父亲。为了检验线粒体DNA不会重组的假设是否正确，哈佛医学院的科学家对这名男子和他的父母进行线粒体DNA序列比较。结果发现，有一些来自父亲的线粒体DNA片断混合在母系DNA中。进一步试验表明，负责复制线粒体DNA的酶停止复制母亲的DNA、跳到父亲的DNA上从对应的位置开始复制时，就发生了线粒体DNA的重组。这一成果显示，线粒体DNA可能并不那么稳定，而会因为自发变异之外的原因发生改变。寻找人类母系祖先的研究，比人们原先认为的更复杂。

　　但美国科学家的新研究也显示，有关线粒体的一个关键科学假设可能存在问题，使得追溯人类母系祖先所用的“分子钟”不准确。美国哈佛医学院科学家说，mtDNA分子也会发生DNA片断交换和重组，这与此前人们所认为的不同。该成果发表在新一期美国《科学》杂志上，可能对以前的一系列科研成果造成冲击，涉及人类的进化、原始人类的迁徙，乃至各种人类语言之间的关系。
分子人类学与非洲人类起源论　　近年来，分子人类学技术大量应用于人类学和考古学研究领域，在人类起源与演化、人群的迁徙与交流、人群间的亲缘关系，以及考古鉴定等方面发挥着越来越大的作用。1987年，英国《自然》（Nature）周刊上刊登了美国加州大学伯克利分校三位分子生物学家卡恩（R. L. Cann）、斯通金（M. Stoneking）和威尔逊（A. C. Wilson）的《线粒体DNA与人类进化》（Mitochondrial DNA and human evolution）一文，他们选择了其祖先来自非洲、欧洲、亚洲、中东，以及巴布亚新几内亚和澳大利亚土著共147名妇女，从她们生产后婴儿的胎盘细胞中成功地提取出mtDNA，并对其序列进行了分析，根据分析结果绘制出一个系统树。由此推测，所测定的婴儿mtDNA可以将所有现代人最后追溯到大约29万～14万年，平均20万年前生活在非洲的一位妇女。她就是今天生活在地球上各个角落的人的共同“祖母”。其后，又根据mtDNA发生突变的速率计算出非洲人群分化出世界其他人群的大致时间，为大约18万～9万年，平均约13万年前。认为在大约13万年前，这个“祖母”的一群后裔离开了他们的家园非洲，向世界各地迁徙扩散，并逐渐取代了生活在当地的土著居民直立人的后裔早期智人，从此在世界各地定居下来，逐渐演化发展成现在的我们。这就是著名的现代人起源的“夏娃假说”[3,4]。

　　2000年美国斯坦福大学昂德希尔（P. A. Underhill）等利用变性高效液相层析技术，分析得到218个Y染色体非重组区位点构成的131个单倍型，对全球1062个具有代表性的男性个体进行研究，同样根据分析结果绘制出一个系统树。Y-DNA系统树所展示的结果与mtDNA系统树的结果非常相似。欧洲和亚洲等世界其他现代人群都起源于非洲，而美洲和澳洲现代人群又都起源于亚洲人群。这就是与“夏娃假说”相互应征的“亚当假说”。同样根据Y-DNA发生突变的速率计算出非洲人群分化出世界其他人群的大致时间在14万～4万年，平均约6万年前[5,6]。

　　1997年7月，美国《科学》（Science）周刊发表了一篇文章，引起学术界一片喧嚣。德国慕尼黑大学的分子生物学家克林斯（M. Krings）等，对1856年发现于德国杜塞尔多夫城尼安德特峡谷的距今大约6万年左右的尼安德特人化石，进行了mtDNA的抽提和PCR扩增，并对提取出的DNA进行了测序。发现尼人的mtDNA序列中有12个片断与现代人类的完全不同，尼人的mtDNA处在现代人类的变异范围之外，推算得出的分化时间在30万年以上。而历史上尼人和现代人的并存历史在10万年以内，如果这两个人种之间有直接传承关系，其差异应该不超过10万年。由此推测，尼人不可能是现代人类的直系祖先，他们根本就没有将其血缘遗传给现代人类，只成为人类演化史上的一个旁支。这一研究结果支持“现代人起源于非洲的假说”[7]。这一科学发现曾被评为1997年世界十大科技成就之一。其后，又有科学家成功地从出土于高加索和克罗地亚的尼安德特人化石中提取了mtDNA序列，同样得出尼人与现代人没有遗传联系的结论。

　　褚嘉祐等14位中国学者1998年在《美国科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Sates of America，PNAS）上发表了一篇文章也支持现代人起源于非洲的观点。他们利用30个常染色体微卫星位点（由2-6个碱基重复单位构成的DNA序列），分析了包括中国汉族和少数民族的南北人群在内的28个东亚人群的遗传结构，结果支持现代中国人也起源于非洲的假说。并且认为现代中国人群是由东南亚进入中国大陆，而非通过中亚移民过来的。但是由于样本量较少、群体代表性不强，且微卫星位点突变率较高，对追溯久远事件有一定局限性等原因，褚嘉祐等人的工作对证明东亚人群起源于非洲的观点还不十分令人信服。

　　1999年，宿兵等人对包括中国各省份的汉族和少数民族，以及东北亚、东南亚、非洲、美洲和大洋洲总共925个个体的不同人群，利用19个Y-SNP（Y染色体单核苷酸多态位点）构成的一组Y染色体单倍型，系统地研究了包括中国各人群在内的现代东亚人的起源和迁徙。结果显示包括中国各人群在内的所有现代东亚人群的Y-SNP单倍型均来自较晚发生的突变，而更早的类型仅存在于非洲。因此认为，现代东亚人全部来自于非洲的某个古代类型。而且，东亚人群的迁徙是从东南亚进入到中国的南方，再向北迁移逐渐扩散到中国各地区及东北亚，并有可能完全取代了生活在当地的原土著居民，而成为该地区的新居民。

　　对于经过漫长跋涉由非洲迁徙而来的这些现代人群，是完全取代了生活在东亚大陆上的原土著居民成为东亚地区的新居民，还是与当地的土著居民有着某些程度的融合，两者共同对现在的我们有遗传贡献呢？这个问题也令许多科学家有非常浓厚的兴趣。他们基于这样一个假设，即从非洲迁徙而来的现代人群并没有在群体上完全取代当地土著居民，当地土著居民也可能有少量的基因遗传下来，在以上实验的基础上扩大东亚地区的样本量，来看这些当地土著居民的可能贡献率或不完全取代的可能性有多少？这些遗留下来的基因又有可能保留在现代哪些人群中？

　　2001年，柯越海等人对来自中国各地区近12 000份男性随机样本进行了M89、M130和YAP三个Y染色体单倍型的分型研究。所选择的三个Y染色体非重组区的突变型M89、M130和YAP均来自另一个Y染色体单倍型M168。M168突变型是人类走出非洲并扩散到非洲以外其他地区的代表性突变位点，它是所有非洲以外人群Y染色体的最近的共同祖先，所以M168是现代人类单一起源于非洲的最直接证据，在除非洲以外的其他地区没有发现一例个体具有比M168更古老的突变型。该项研究结果显示万份样品无一例外具有M89、M130和YAP三种突变型之一，并没有发现个体携带有以上三种Y-SNP突变型之外的类型，也没有发现同时具有M89、M130和YAP突变中任意两个以上突变的个体，这一结果与非洲以外的世界其他地区的基因型分型结果是一致的。在所检测的所有中国12 000份样品中全部都携带有来自非洲的M168突变型的“遗传痕迹”，因此认为，Y染色体的证据并不支持中国现代人独立起源的假说，而支持包括中国人在内的东亚现代人起源于非洲的假说。

　　其后，又有一些遗传学研究，特别是通过对Y染色体、线粒体DNA、常染色体及单核苷酸多态性等多种遗传标记和分型手段对东亚人群的广泛研究，结果都证明东亚现代人具有共同的非洲起源特征。通过对Y-DNA单倍型的变异速率推算出大致在距今约6万～1.8万年前，最早的一批走出非洲的现代人经由东南亚地区最先进入东亚的南方，随着东亚冰川期的结束，逐渐北上扩散至东亚大陆。而另外一支则沿着东南沿海从东南亚大陆向东逐渐进入太平洋群岛。

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