第三章 古代DNA湧現
來自東方的驚奇
二〇〇八年，俄羅斯考古學家在西伯利亞南方阿爾泰山山區的丹尼索瓦洞中，挖出了一個小指骨骸。十八世紀俄羅斯隱士丹尼索（Denis）住在那個洞穴中，因而得名。骨骸中的生長板還沒有合起來，顯示那是兒童的骨頭。骨骸太小，不足以進行碳放射性定年，發掘出這塊骨骸的土層曾經混合過，含有人造物，推定的年歲不遠於三萬年前，不近於五千年前。發掘工作的領導人阿納托利．德雷維安柯（Anatoly Derevianko）認為那是現代人類的骨頭，也這樣製作了標本標示。再不然，這可能是尼安德塔人的骨頭嗎？因為洞窟附近也發現了尼安德塔人的遺骸。德雷維安柯把小指骨骸的一部分給了在德國的史萬特．帕波。
帕波實驗室中的團隊由約翰內斯．克勞賽（Johannes Krause）率領，成功的把尼安德塔洞窟骨頭中的粒線體DNA萃取出來。這個粒線體DNA序列的類型和已經定序過的一萬多個現代人類粒線體DNA序列與七個尼安德塔人粒線體DNA序列都不同。現代人類和尼安德塔人的粒線體DNA中，約有兩百個不同的地方。從丹尼索瓦洞窟找到的骨骸中，粒線體DNA序列和現代人類與尼安德塔人的差異有將近有四百個。經由突變累計的速度來計算，現存人類與尼安德塔人的粒線體DNA估計是在四十七萬到三十六萬年前分開的。從丹尼索瓦洞窟手指骨頭中粒線體DNA序列的突變差異，可以計算出大約是在八十萬到一百萬年分開的。這個結果顯示那塊骨頭屬於之前從未發現過的古代人族。
但是這個族群的身分當時尚未揭露。沒有發現其他骨架或是工具讓我們多少了解一下。尼安德塔人就不是這樣，考古發現推動了尼安德塔人基因組定序的工作。而這個新發現的人族族群，先找到的是遺傳資料。
從基因組找化石
我在二〇一〇年初到德國萊比錫拜訪帕波實驗室時，知道了這個前人未知的古代人族族群。從二〇〇七年起，我加入了帕波的尼安德塔人基因組分析聯盟，之後每年會前往他的實驗室三次。有天晚上，帕波帶我到啤酒餐廳，告訴我他們發現了新的粒線體DNA序列。神奇的是，丹尼索瓦洞窟的手指骨頭，是目前所找到的古代DNA樣本中，保存得最好的。帕波之前篩檢了數十份尼安德塔人骨骸的樣本，其中靈長類的DNA只佔了百分之四，但是那塊手指骨頭中靈長類DNA占了百分之七十。帕波與團隊當時從這個小骨頭所得到的基因組資料（而不只是粒線體DNA序列），要比之前從尼安德塔人骨骸中得到的還要多。他問我有沒有興趣幫忙分析這些資料。在我的科學生涯中，能夠獲邀分析丹尼索瓦人基因組，是最幸運的事情。
從粒線體基因組序列看來，丹尼索瓦洞窟指骨來自於一個人族族群，該族群在現代人類和尼安德塔人彼此從共同祖先分開之前，就已經和他們的共同祖先分開了。不過粒線體DNA只記錄了一個完整的女性血脈，在一個人類的基因組中，有幾十萬條血脈匯聚，粒線體DNA只是一小部分而已。要了解一個個體的過往歷史，知道所有祖先譜系是更為重要的。丹尼索瓦洞窟指骨的整個基因組序列所展現出來的歷史，和從粒線體DNA所展現的，有很大差別。
丹尼索瓦洞窟指骨全基因組序列所揭露的第一件事，是他和尼安德塔人的親緣關係更近，和現代人類比較遠。這個結果和光從粒線體DNA看到的不同。我們後來估計，尼安德塔人和丹尼索瓦人的祖先組群，約在四十七萬到三十八萬年前分開，而前兩者和人類的共同祖先族群，大約是在七十七萬到五十五萬年前分開。粒線體DNA顯示出的親緣關係，和基因組其他部分所顯示的不同，並不是矛盾。因為在古代兩個有共同祖先的個體，他們DNA中的任何一段，至少都會和從共同祖先分開那時一樣古老，有的時候還會更古老。不過研究整個基因組可以讓我們了解到組群是何時分開的。完整的基因組序列包含了所有祖先的血脈，因此經由研究基因組中某些突變密度比較低的片段，這些片段反映出族群分開稍前時共同祖先的樣貌。我們發現丹尼索瓦人和尼安德塔人像是表親，不過還是有很大不同。丹尼索瓦人在化石紀錄中許多尼安德塔人的特徵出現之前，就和尼安德塔人分開了。
對於這個新的族群該怎麼稱呼，我們有過熱烈的討論，後來決定使用一般性的非拉丁文名稱「丹尼索瓦人」，因為是在那個洞窟發現的，就像是尼安德塔人的名稱來自於最初在德國尼安德河谷（Neander Valley）發現了骨骸。有些同行不喜歡這個名稱，他們鼓吹要給一個新的學名，例如阿爾泰山人（Homo altaiensis），因為丹尼索瓦洞窟位於阿爾泰山。俄羅斯新西伯利亞（Novosibirsk）的一個博物館中就是用這個名稱描述丹尼索瓦洞窟中的發現。不過我們遺傳學家並不願意使用種名。尼安德塔人是否和現代人類屬於不同的物種？一直以來都有爭議。有些專家認為，尼安德塔人是人屬中的另一個物種尼安德塔人（Homo neanderthalensis），有些則認為尼安德塔人是現代人類中的某地區的類群，算是亞種，稱為「尼安德塔智人」（Homo sapiens neanderthalensis）。兩個現存群體要命名成不同的物種，通常依據的是假設兩者現實上無法混血。但是我們現在知道尼安德塔人和現代人類真的有混血，而且混血出現過好幾次，現代智人和尼安德塔人是不同物種的說法因此站不住腳。我們的資料顯示，丹尼索瓦人是尼安德塔人的表親。如果我們無法確定尼安德塔人是不是一個物種，對於丹尼索瓦人是否為一個物種，當然要抱持不確定的態度。對於已經滅絕的族群是否有足夠的特徵來命名為不同的物種，傳統上根據的是骨骼的形狀。丹尼索瓦人留下來的遺骸太少，因此對這個問題我們需要更為小心。
那些很少的遺骸卻很有趣。德雷維安柯和同事給帕波幾個從丹尼索瓦洞窟挖出來的臼齒，其中的粒線體DNA和指骨的很相近。這些臼齒很大，遠超過之前發掘的所有人屬的臼齒。比較大的臼齒往往是來自於飲食中含有大量堅韌未烹調植物所產生的適應結果。在發現丹尼索瓦人之前，有那麼大牙齒且和我們親緣關係最接近的是以植物為主食的南方古猿（australopithecenes），例如著名的「露西」（Lucy）。露西的骨骸發現於衣索比亞的阿瓦什山谷（Awash Valley），有三百萬年以上的歷史。露西並不使用工具，身體比較小，腦部比例在換算了身體大小之後，只比黑猩猩大一點。從丹尼索瓦人一點點的骨骸資料，我們確信了丹尼索瓦人是和尼安德塔人與現代人類非常不同。
混血的原則
在有了整個基因組的序列之後，我們開始分析丹尼索瓦人是否會和現代人類中的某些族群親緣關係更為接近，結果出乎意料之外。
在遺傳上，比起居住於歐亞大陸上的人群，丹尼索瓦人更接近新幾內亞人，意味著新幾內亞人的祖先曾經和丹尼索瓦人混血。不過丹尼索瓦洞窟和新幾內亞相隔約九千公里，而且新幾內亞和歐亞大陸之間有海相隔，當地主要屬於熱帶氣候，與西伯利牙嚴苛的冬天大相逕庭，適應某一種環境的古代人賴，不太可能在另一個環境中繁衍。
我們對這個發現感到懷疑，設想其他的解釋方式。一個可能是現代人類的祖先在數十萬年前分成數個族群，其中一個和丹尼索瓦人的親緣關係比較近，而這個族群也和現代的新幾內亞人比較近，和其他現代人類族群比較疏遠。如果真的是這樣，那麼丹尼索瓦人和現代新幾內亞人遺傳關聯密切，可能是來自於某些數十萬年前就進入新幾內亞人親緣譜系中的DNA片段。我們現在有新幾內亞人的基因組序列，可以計算出其中古代祖先的DNA片段大小，發現到和丹尼索瓦人相關的片段長度，要比和尼安德塔人相關的片段長了百分之十二，這代表平均來說，丹尼索瓦人相關的DNA片段比尼安德塔人的，更晚才進入新幾內亞人的基因組中。
一旦古代族群和現代組群混合，古代人類的DNA片段會在染色體重組過程中切斷，插入到現代人類的染色體中，每傳一代，染色體就會切一到兩次。在第二章中討論到，尼安德塔人古代染色體片段的長度代表了混血發生在五萬四千年前到四萬九千年前。根據新幾內亞人中丹尼索瓦人染色體片段要比尼安德塔人染色體片段還要長的程度，我們能夠推測出，丹尼索瓦人和新幾內亞人祖先大約在五萬九千年前到四萬四千年前混血的。
新幾內亞人的基因組中，來自丹尼索瓦人的所占百分比有多少？計算方式是比較新幾內亞人和其他非非洲族群中古代人類遺傳證據的強度，我們估計新幾內亞人的血統中有百分之三到六來自於丹尼索瓦人，而來自於尼安德塔人的只有百分之二。因此總加起來，新幾內亞人祖先有百分之五到八屬於古代人類。這是古代人類基因組保留到現代人類族群中比例最高的例子。
來自東方的驚奇
二〇〇八年，俄羅斯考古學家在西伯利亞南方阿爾泰山山區的丹尼索瓦洞中，挖出了一個小指骨骸。十八世紀俄羅斯隱士丹尼索（Denis）住在那個洞穴中，因而得名。骨骸中的生長板還沒有合起來，顯示那是兒童的骨頭。骨骸太小，不足以進行碳放射性定年，發掘出這塊骨骸的土層曾經混合過，含有人造物，推定的年歲不遠於三萬年前，不近於五千年前。發掘工作的領導人阿納托利．德雷維安柯（Anatoly Derevianko）認為那是現代人類的骨頭，也這樣製作了標本標示。再不然，這可能是尼安德塔人的骨頭嗎？因為洞窟附近也發現了尼安德塔人的遺骸。德雷維安柯把小指骨骸的一部分給了在德國的史萬特．帕波。
帕波實驗室中的團隊由約翰內斯．克勞賽（Johannes Krause）率領，成功的把尼安德塔洞窟骨頭中的粒線體DNA萃取出來。這個粒線體DNA序列的類型和已經定序過的一萬多個現代人類粒線體DNA序列與七個尼安德塔人粒線體DNA序列都不同。現代人類和尼安德塔人的粒線體DNA中，約有兩百個不同的地方。從丹尼索瓦洞窟找到的骨骸中，粒線體DNA序列和現代人類與尼安德塔人的差異有將近有四百個。經由突變累計的速度來計算，現存人類與尼安德塔人的粒線體DNA估計是在四十七萬到三十六萬年前分開的。從丹尼索瓦洞窟手指骨頭中粒線體DNA序列的突變差異，可以計算出大約是在八十萬到一百萬年分開的。這個結果顯示那塊骨頭屬於之前從未發現過的古代人族。
但是這個族群的身分當時尚未揭露。沒有發現其他骨架或是工具讓我們多少了解一下。尼安德塔人就不是這樣，考古發現推動了尼安德塔人基因組定序的工作。而這個新發現的人族族群，先找到的是遺傳資料。
從基因組找化石
我在二〇一〇年初到德國萊比錫拜訪帕波實驗室時，知道了這個前人未知的古代人族族群。從二〇〇七年起，我加入了帕波的尼安德塔人基因組分析聯盟，之後每年會前往他的實驗室三次。有天晚上，帕波帶我到啤酒餐廳，告訴我他們發現了新的粒線體DNA序列。神奇的是，丹尼索瓦洞窟的手指骨頭，是目前所找到的古代DNA樣本中，保存得最好的。帕波之前篩檢了數十份尼安德塔人骨骸的樣本，其中靈長類的DNA只佔了百分之四，但是那塊手指骨頭中靈長類DNA占了百分之七十。帕波與團隊當時從這個小骨頭所得到的基因組資料（而不只是粒線體DNA序列），要比之前從尼安德塔人骨骸中得到的還要多。他問我有沒有興趣幫忙分析這些資料。在我的科學生涯中，能夠獲邀分析丹尼索瓦人基因組，是最幸運的事情。
從粒線體基因組序列看來，丹尼索瓦洞窟指骨來自於一個人族族群，該族群在現代人類和尼安德塔人彼此從共同祖先分開之前，就已經和他們的共同祖先分開了。不過粒線體DNA只記錄了一個完整的女性血脈，在一個人類的基因組中，有幾十萬條血脈匯聚，粒線體DNA只是一小部分而已。要了解一個個體的過往歷史，知道所有祖先譜系是更為重要的。丹尼索瓦洞窟指骨的整個基因組序列所展現出來的歷史，和從粒線體DNA所展現的，有很大差別。
丹尼索瓦洞窟指骨全基因組序列所揭露的第一件事，是他和尼安德塔人的親緣關係更近，和現代人類比較遠。這個結果和光從粒線體DNA看到的不同。我們後來估計，尼安德塔人和丹尼索瓦人的祖先組群，約在四十七萬到三十八萬年前分開，而前兩者和人類的共同祖先族群，大約是在七十七萬到五十五萬年前分開。粒線體DNA顯示出的親緣關係，和基因組其他部分所顯示的不同，並不是矛盾。因為在古代兩個有共同祖先的個體，他們DNA中的任何一段，至少都會和從共同祖先分開那時一樣古老，有的時候還會更古老。不過研究整個基因組可以讓我們了解到組群是何時分開的。完整的基因組序列包含了所有祖先的血脈，因此經由研究基因組中某些突變密度比較低的片段，這些片段反映出族群分開稍前時共同祖先的樣貌。我們發現丹尼索瓦人和尼安德塔人像是表親，不過還是有很大不同。丹尼索瓦人在化石紀錄中許多尼安德塔人的特徵出現之前，就和尼安德塔人分開了。
對於這個新的族群該怎麼稱呼，我們有過熱烈的討論，後來決定使用一般性的非拉丁文名稱「丹尼索瓦人」，因為是在那個洞窟發現的，就像是尼安德塔人的名稱來自於最初在德國尼安德河谷（Neander Valley）發現了骨骸。有些同行不喜歡這個名稱，他們鼓吹要給一個新的學名，例如阿爾泰山人（Homo altaiensis），因為丹尼索瓦洞窟位於阿爾泰山。俄羅斯新西伯利亞（Novosibirsk）的一個博物館中就是用這個名稱描述丹尼索瓦洞窟中的發現。不過我們遺傳學家並不願意使用種名。尼安德塔人是否和現代人類屬於不同的物種？一直以來都有爭議。有些專家認為，尼安德塔人是人屬中的另一個物種尼安德塔人（Homo neanderthalensis），有些則認為尼安德塔人是現代人類中的某地區的類群，算是亞種，稱為「尼安德塔智人」（Homo sapiens neanderthalensis）。兩個現存群體要命名成不同的物種，通常依據的是假設兩者現實上無法混血。但是我們現在知道尼安德塔人和現代人類真的有混血，而且混血出現過好幾次，現代智人和尼安德塔人是不同物種的說法因此站不住腳。我們的資料顯示，丹尼索瓦人是尼安德塔人的表親。如果我們無法確定尼安德塔人是不是一個物種，對於丹尼索瓦人是否為一個物種，當然要抱持不確定的態度。對於已經滅絕的族群是否有足夠的特徵來命名為不同的物種，傳統上根據的是骨骼的形狀。丹尼索瓦人留下來的遺骸太少，因此對這個問題我們需要更為小心。
那些很少的遺骸卻很有趣。德雷維安柯和同事給帕波幾個從丹尼索瓦洞窟挖出來的臼齒，其中的粒線體DNA和指骨的很相近。這些臼齒很大，遠超過之前發掘的所有人屬的臼齒。比較大的臼齒往往是來自於飲食中含有大量堅韌未烹調植物所產生的適應結果。在發現丹尼索瓦人之前，有那麼大牙齒且和我們親緣關係最接近的是以植物為主食的南方古猿（australopithecenes），例如著名的「露西」（Lucy）。露西的骨骸發現於衣索比亞的阿瓦什山谷（Awash Valley），有三百萬年以上的歷史。露西並不使用工具，身體比較小，腦部比例在換算了身體大小之後，只比黑猩猩大一點。從丹尼索瓦人一點點的骨骸資料，我們確信了丹尼索瓦人是和尼安德塔人與現代人類非常不同。
混血的原則
在有了整個基因組的序列之後，我們開始分析丹尼索瓦人是否會和現代人類中的某些族群親緣關係更為接近，結果出乎意料之外。
在遺傳上，比起居住於歐亞大陸上的人群，丹尼索瓦人更接近新幾內亞人，意味著新幾內亞人的祖先曾經和丹尼索瓦人混血。不過丹尼索瓦洞窟和新幾內亞相隔約九千公里，而且新幾內亞和歐亞大陸之間有海相隔，當地主要屬於熱帶氣候，與西伯利牙嚴苛的冬天大相逕庭，適應某一種環境的古代人賴，不太可能在另一個環境中繁衍。
我們對這個發現感到懷疑，設想其他的解釋方式。一個可能是現代人類的祖先在數十萬年前分成數個族群，其中一個和丹尼索瓦人的親緣關係比較近，而這個族群也和現代的新幾內亞人比較近，和其他現代人類族群比較疏遠。如果真的是這樣，那麼丹尼索瓦人和現代新幾內亞人遺傳關聯密切，可能是來自於某些數十萬年前就進入新幾內亞人親緣譜系中的DNA片段。我們現在有新幾內亞人的基因組序列，可以計算出其中古代祖先的DNA片段大小，發現到和丹尼索瓦人相關的片段長度，要比和尼安德塔人相關的片段長了百分之十二，這代表平均來說，丹尼索瓦人相關的DNA片段比尼安德塔人的，更晚才進入新幾內亞人的基因組中。
一旦古代族群和現代組群混合，古代人類的DNA片段會在染色體重組過程中切斷，插入到現代人類的染色體中，每傳一代，染色體就會切一到兩次。在第二章中討論到，尼安德塔人古代染色體片段的長度代表了混血發生在五萬四千年前到四萬九千年前。根據新幾內亞人中丹尼索瓦人染色體片段要比尼安德塔人染色體片段還要長的程度，我們能夠推測出，丹尼索瓦人和新幾內亞人祖先大約在五萬九千年前到四萬四千年前混血的。
新幾內亞人的基因組中，來自丹尼索瓦人的所占百分比有多少？計算方式是比較新幾內亞人和其他非非洲族群中古代人類遺傳證據的強度，我們估計新幾內亞人的血統中有百分之三到六來自於丹尼索瓦人，而來自於尼安德塔人的只有百分之二。因此總加起來，新幾內亞人祖先有百分之五到八屬於古代人類。這是古代人類基因組保留到現代人類族群中比例最高的例子。
