新理論發現人類祖先差點兒“團滅”

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9月1日，《科學》在線發表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的最新成果。合作研究團隊“十年磨劍”，創建了快速極小時間溯祖（FitCoal）新理論，并發現人類在早、中更新世過渡期由于氣候環境劇變經歷了嚴重的“群體瓶頸”。在長達十幾萬年的漫長歲月中，人類祖先群體只有1000多人，幾近滅絕。

這項被譽為“新理論帶來新發現的典范式研究”，不僅展示了計算生物學對相關領域的促進和推動，也為進一步研究和確定所有人類出生地提供了關鍵線索。

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李海鵬（中）指導學生進行研究。課題組供圖

史前人口“普查”困局

“人類起源問題極其重要且引人入勝，而人群數量的變化歷史，為研究人類起源提供了關鍵信息。”西湖大學生命科學學院教授楊劍介紹說，“最近100萬年是現代人類進化的關鍵期。”

史前人口數量的變化綜合反映了該時期氣候環境的變遷。因此，通過群體遺傳學研究方法進行回溯，能深入地了解現代人類的形成。已有化石記錄表明，近100萬年是人類進化的關鍵時期，但人類群體歷史的研究多局限于最近30萬至 10萬年內。

“雖然近年來古DNA測序技術迅猛發展，但由于地球氣候不利于DNA保存，無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。”李海鵬告訴《中國科學報》。

因此，李海鵬和合作者一直嘗試通過群體遺傳學新理論，分析現代人群基因組并研究百萬年前的群體歷史。

“史前雖然沒有文字記載群體數量，但有效群體大小會影響每個世代的溯祖率（即兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率）。”李海鵬解釋說，“因此，可以通過人類祖先在群體基因組中留下印記，來推斷當時的群體大小。”

找到研究方法，但新問題也隨之而來。研究人員發現，群體歷史越久遠，留存至今的印記信號越微弱。

為準確解讀這些信號，進而準確估算百萬年前人類群體歷史，研究人員創建了群體遺傳學和計算生物學新理論——FitCoal。

“遵照該理論進行數學推導，可獲得任意群體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應溯祖樹枝長期望值的解，并獲得精確的似然值，即在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。”李海鵬說，“因此無需事先獲得群體歷史的先驗知識，用FitCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而推斷群體歷史，對古人類群體進行‘人口普查’。”

新理論催生新發現

在FitCoal理論基礎上，由中國科學家主導，意大利羅馬大學、佛羅倫薩大學和美國德克薩斯大學的研究人員通力合作，通過設定群體歷史模型（true model）并分析模擬產生的DNA多態數據，衡量估計群體歷史的無偏性和95%置信區間。

這是個評判某種分析方法準確程度的模型。通過模擬兩個群體歷史模型的結果可以看出，FitCoal估計的群體歷史不但“無偏差”，而且置信區間優于目前領域內常用的3種方法。

通過大量計算機模擬，研究人員進一步分析了不同條件下的群體歷史，包括群體交融和自然選擇，發現所有結果均表明FitCoal可精準估算百萬年內的人類群體歷史。

基于FitCoal，研究人員進一步分析了來自千人基因組計劃和HGDP-CEPH基因組計劃產生的50個現代人類群體基因組數據，首次發現在距今93萬年前，人類祖先由于早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化，在短期內喪失了約98.7%的群體成員，人類幾乎滅絕。

在此后長達11.7萬年的時間里，人類平均成年個體數僅為1280，且從千人基因組和HGDP-CEPH兩組獨立數據獲得的群體數估值幾乎完全一致（分別為1270人和1300人）。考慮到群體數量的自然波動，這一均值代表了遠古人類群體瓶頸期最小群體數量的上限。

“該理論在百萬年時間尺度上，實現了高精度時間回溯，同時能準確地估計近期和遠古的群體歷史。發現人類祖先經歷過嚴重的群體瓶頸是一個里程碑，對人類進化具有重要影響，可能決定了人類許多關鍵表型的形成。”楊劍說。

最好的“理論框架”

“這是個買櫝藏珠的故事。”中山大學生命科學學院教授、美國科學促進會會士吳仲義評價說，“也是近年CNS（《細胞》《自然》《科學》）上少數鳳毛麟角的理論論文。”

吳仲義認為論文只是刊登了研究結論，實際上該研究的理論架構意義深遠。

研究人員用南部非洲兩個群體的基因組作進一步驗證，雖然樣本個體僅為6人和8人，但FitCoal依然檢測到了遠古群體瓶頸。對非洲群體樣本重抽樣結果表明，僅需3個個體的基因組，即可檢測到這一遠古群體瓶頸，這進一步表明該理論的可靠性。

有趣的是，這一遠古群體瓶頸恰好與非洲人類祖先化石的缺失環節、非洲直立人化石的消失、新的古人類物種（LCA）的形成、兩條古人類2號染色體的融合階段相對應。

“這說明早、中更新世過渡期嚴重的群體瓶頸對人類進化具有關鍵影響，可能決定了現代人類許多關鍵表型的形成。”李海鵬說，“遠古時期群體數量減少降低了65.85%的現代人群遺傳多樣性，對人類生命和健康產生了深遠影響。”

群體遺傳學和人類遺傳學家、美國南佛羅里達大學教授劉曉明認為，FitCoal方法是目前最準確的估計有效群體規模歷史的方法。而且該方法基于突變頻譜數據，具有數據形式適應性強，計算速度快等優點，有非常廣泛的應用前景。

“在科學發現方面，他們第一次展示人類在約一百萬年前所經歷的一次嚴重群體規模瓶頸基因組證據。這一推斷與一系列人類學，古氣候學證據吻合。”劉曉明說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abq7487