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首先今年激動人心的和高中生物學有關(guān)的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎結(jié)果已經(jīng)揭曉，當然今年沒有中國，但至少以前有過，希望以后我們國家也能夠多多的出一些諾貝爾獲獎?wù)摺?br>當然歷年來諾貝爾獎關(guān)注度很高，高考考試也是一個重大熱點，綜合近幾年的高考試題研究可發(fā)現(xiàn)，即使明年不考，后年也可能會涉及到，因此，如何用高中生物學看待2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎也是非常重要的問題，尤其是對高中師生來講，以下是個人對于今年諾貝爾獎的一些理解：尼安德特人頭骨和斯萬特·帕博教授，圖片來源：華盛頓郵報先講結(jié)論：諾貝爾獎委員會宣布將2022年生理學或醫(yī)學獎頒發(fā)給瑞典生物學家、進化遺傳學家斯萬特·帕博（Svante P??bo），以表彰他發(fā)現(xiàn)了與已滅絕古人類和人類進化相關(guān)的基因組。（高中知識鏈接：DNA通過堿基對的排列來記錄生物的遺傳信息，從一定程度上，破譯了DNA的密碼，就可以了解生命背后的許多奧秘，這其中就包括人類的起源和演化。） 具體來講就是斯萬特·帕博通過他的開創(chuàng)性研究，完成了一件看似不可能的事情：對人類已經(jīng)滅絕的親戚尼安德特人的基因組進行測序。另一個成果是，發(fā)現(xiàn)了一個以前不為人知的古人類：丹尼索瓦人。 通過這些介紹依舊難以理解他對人類的科學具有什么樣的貢獻，畢竟我們平時雖然有時候會想“我們從哪里來？”，但是卻很少去真正的研究，下面就簡單介紹一下斯萬特·帕博完善之后的近代人類的演化和進化史：
我們最早通過地層中化石出現(xiàn)的先后順序大體確定了物種演化的先后順序，并得出普遍的結(jié)論：都有共同的祖先。但是這個真的正確嗎？畢竟還沒有人能夠活那么多年，活那么多年的生物也沒有出現(xiàn)逐漸演化的跡象：比如銀杏（起源于恐龍時代）等。因此弄清楚古化石或者說是古人類他們之間的相互關(guān)系，尤其是過渡種的出現(xiàn)就尤為重要，如鴨嘴獸：隨著新的化石證據(jù)的不斷出現(xiàn)和現(xiàn)代DNA測序溯源技術(shù)的不斷研究和應(yīng)用，那么答案的追尋似乎也開始變得有跡可循，因此斯萬特·帕博的成就也是一個時代的成就： 起先認為人類的起源是一個線性的演化歷程，如下圖：
還有一張更加完整的演化進程：
?從左到右分別是：上猿、原康修爾猿、森林古猿、山猿、臘瑪古猿、南方古猿、傍人、高等南方古猿、直立人、早期智人、梭羅人、羅德西亞人、尼安德特人、克羅馬農(nóng)人、現(xiàn)代人。但是這種圖其實依舊是不完整的，通過不斷的對古人類的挖掘和研究，就發(fā)現(xiàn)其實在以前存在很多不同的古人類品種，也就是人科動物。而在這個過程當中，他她們發(fā)現(xiàn)了雜交，雖然后來有很多已經(jīng)滅絕了，但是也證實人類的演化應(yīng)該是一個網(wǎng)狀的演化歷程。最明顯的也是現(xiàn)代人類繁衍的路徑就可知：
2009年2月12日，德國馬克斯·普朗克演化人類學研究所斯萬特·帕博（Svante P??bo）領(lǐng)導的一個國際研究團隊宣布，他們首次破譯了尼安德特人基因組草圖，這些基因組DNA是從屬于不同尼安德特人的三塊小骨頭提取的，此次公布尼安德特人的基因組信息總共約有20億個堿基對，約占其全基因組的60％。科學家發(fā)現(xiàn)，在歐洲和亞洲人口中竟然含有1～4%的尼安德特人特有的基因組信息，而非洲原住民則不含，表明現(xiàn)代人走出非洲后與尼安德特人有過混交，而且這些混交的后代成為現(xiàn)代人的祖先。四年后（即2013年），該研究團隊從俄羅斯南西伯利亞阿爾泰山一個名為丹尼索瓦的洞穴中挖掘出來的一個尼安德特人腳趾骨，并從中提取出基因組DNA，測出了阿爾泰尼安德特人的全基因組，并發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代人類基因組中只含有1.5-2.1%的尼安德特人遺傳信息。2017年，《科學》雜志上一篇論文則認為，尼安德特人遺傳信息在東亞人基因組的占比要略高于西歐人，其中東亞人基因組中有2.3~2.6%來源于尼安德特人，而尼安德特人對西歐人基因組的貢獻則只有1.8~2.4%。 同時在2010年，斯萬特·帕博和俄羅斯科學院阿納托利·杰烈維揚科（Anatoli P. Derevianko）領(lǐng)導的團隊在《自然》雜志上撰文稱，他們發(fā)現(xiàn)了另一個已滅絕的新人種。研究人員對一小塊手指骨片進行線粒體DNA遺傳分析，這塊小骨片是杰烈維揚科兩年前從丹尼索瓦洞穴中挖掘出來的。他們從這塊小骨片中提取了線粒體DNA并測序，通過與早期現(xiàn)代人類、尼安德特人、倭黑猩猩和黑猩猩的線粒體DNA進行比對，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)，這塊小骨片既不屬于早期現(xiàn)代人類，也不屬于尼安德特人，更不屬于倭黑猩猩和黑猩猩。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這塊小骨片的主人與早期現(xiàn)代人類、尼安德特人在100萬年前共享同一祖先，研究人員因此推測這一小骨片屬于一個已滅絕的新人種。基于線粒體基因比較發(fā)現(xiàn)尼人和現(xiàn)代人的差別，雖然比不上人類-黑猩猩的差別，但是明顯比現(xiàn)代人-現(xiàn)代人的差別更大 | 圖源：Krings M, et al. 1997.2010年底，該研究團隊進一步對這根指骨的基因組DNA進行了分析，推測出這一新人種與尼安德特人親緣關(guān)系較近，可能在64萬年前是一家，而與現(xiàn)代非洲人分歧演化時間可能是84萬年前。不久，研究人員又在同一洞穴挖掘出其他分屬不同個體的骨片，均具有與這個新人種相近的遺傳背景，因此將其稱為“丹尼索瓦人”。丹尼索瓦人與尼安德特人是近親，其約17%的遺傳信息來自于后者。2018年，維維亞娜·斯隆（Viviane Slon）和斯萬特·帕博（Svante P??bo）領(lǐng)導的一個國際研究團隊，對來自俄羅斯阿爾泰山丹尼索瓦洞中的一小段骨頭進行分析發(fā)現(xiàn)，該骨頭屬于9萬年前的一個至少13歲的女孩，更令人驚喜的是，其母親是一個尼安德特人，父親則是一個丹尼索瓦人，這是科學家首次發(fā)現(xiàn)尼安德特人和丹尼索瓦人的直接雜交后代，表明這些不同人種相遇后相互混雜是非常常見的。（也表明早期的人科物種并沒有產(chǎn)生生殖隔離，高中生物學必修二）基于這項研究，科學家們也慢慢繪制出了現(xiàn)代人遷徙的路線圖 | 圖源：Wikipedia 丹尼索瓦人的遺傳信息主要留存在亞洲現(xiàn)代人的基因組中，其中生活著東南亞附近太平洋島嶼的美拉尼西亞人基因組含有4~6%的丹尼索瓦人遺傳信息。2016年一項研究將這一比例降低至1.1%，而且推測可能存在另一種已滅絕的人類貢獻了遺傳信息。其他研究人員則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今一些澳大利亞和分散在東南亞島嶼上的土著人，以及東亞大陸及美洲土著人基因組中都有丹尼索瓦人的貢獻。（現(xiàn)在的人類都有其遺傳信息的影子） 2018年3月，美國華盛頓大學西雅圖分校和普林斯頓大學的研究人員在《細胞》雜志上撰文稱，他們利用一種新的無參考基因組的檢測方法，對5639個來自歐亞大陸和大洋洲的人類全基因組序列進行分析，發(fā)現(xiàn)丹尼索瓦人遺留在東亞人群的遺傳信息與在南亞人和大洋洲人群中的存在較大差異，因此推測丹尼索瓦人與現(xiàn)代人類至少發(fā)生過兩次混交，這讓現(xiàn)代人類與其他古人類混雜的情況變得更為復雜。 5萬年前現(xiàn)代人類的祖先剛剛走出非洲時，尼安德特人和丹尼索瓦人已經(jīng)在歐亞大陸生活了30多萬年，演化出對當?shù)氐臍夂?、食物、病原微生物等環(huán)境較強的適應(yīng)性，并最終形成了一些與環(huán)境相適應(yīng)的特有基因型。現(xiàn)代人類與這些古人類混雜，有利于引入這些古人類相應(yīng)的有利基因型，顯然可以幫助初來乍到的現(xiàn)代人類快速適應(yīng)環(huán)境，例如歐洲寒冷的氣候等，進而開枝散葉，遍布全球。深圳華大基因研究院、加利福尼亞大學以及華南理工大學等單位的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，中國西藏人之所以能適應(yīng)西藏4000多米的高海拔低氧環(huán)境，可能因為西藏人從丹尼索瓦人或其近親那里繼承一個與低氧適應(yīng)相關(guān)的EPAS1基因突變型，該研究成果2014年7月發(fā)表在《自然》雜志上。德國馬克斯·普朗克演化人類學研究所的研究人員對11.2萬英國人基因組進行分析，發(fā)現(xiàn)一些與膚色、頭發(fā)顏色、高度、睡眠模式甚至吸煙狀況有關(guān)的基因都是來自尼安德特人。2018年10月，來自美國亞利桑那大學的戴維·恩納德（David Enard）和斯坦福大學的德米特里·佩特羅夫（Dmitri A. Petrov）在《細胞》雜志上報告稱，尼安德特人和古代智人在混交過程中，不僅相互傳播病毒，而且還將病毒互作蛋白（VIP）基因遺傳給雙方混交的后代。VIP蛋白具有多種功能，比如參與免疫反應(yīng)，能抵抗特定病毒、特別是RNA病毒的入侵。由于基因突變，有些尼安德特人的VIP蛋白能對抗某些特定病毒，特別是RNA病毒的入侵。這樣，遺傳有尼安德特人VIP基因的智人后代將獲得應(yīng)對更多病毒的抵抗力，即遺傳適應(yīng)性，得以在之后的大規(guī)模瘟疫中幸存，而那些非混交后代則被逐漸被淘汰。尼安德特人與現(xiàn)代人祖先相互放毒又互相提供“解藥”，圖片來源：David Enard et al., 2018, Cell古DNA和平日里大家提到DNA并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，它們是古代生物遺體或遺跡中殘存的DNA片段。一般而言，用于研究人類演化的古DNA包括三種類型：線粒體DNA、Y染色體DNA和核DNA，它們分別反映了母系、父系，以及父母雙方的遺傳信息。所謂古 DNA是指：在化石、木乃伊、墓葬，甚至是古遺跡土壤中殘存的遠古時期的 DNA 片段。正因為“來自遠古時期”這一特點，古 DNA 的提取并不簡單。 一方面 DNA 會被不斷降解。外界環(huán)境的“風吹雨打”都會對 DNA 結(jié)構(gòu)造成損傷，而 DNA 本身也存在半衰期（不同溫度或環(huán)境條件下不等，大約在數(shù)萬到數(shù)十萬年左右），所以我們很難得到完整的 DNA 片段。另一方面，這些DNA可能會被污染。埋藏在化石周圍的各種動植物殘骸、各種帶來不確定因素的微生物，以及實驗時候現(xiàn)代人的影響，也都給整個提取過程帶來了未知數(shù)。 基因組 DNA 包括細胞核里的核 DNA 和在胞質(zhì)中的線粒體 DNA。核 DNA 包含了主要的遺傳信息，而線粒體 DNA 雖然小很多，但其中的突變也能告訴我們進化相關(guān)的信息。但這些 DNA 存在分解與污染的問題，也給研究帶來了極大的考驗 | 圖源：nobelprize.org 雖然DNA序列的穩(wěn)定性很高，但是隨著時間的推移，古代標本中的DNA依舊會被降解成短片段。一般來講DNA在地球上穩(wěn)定存在的時間最長只能達到數(shù)十萬年，也就是說想用DNA復活恐龍那基本是不可能的，因為它的DNA早就已經(jīng)塵歸塵，土歸土了。
因此，從古代人類遺骸中成功獲取內(nèi)源性古DNA并進行深入研究分析的最大挑戰(zhàn)就是需要控制不同來源的現(xiàn)代人類和微生物DNA的污染。 當認識到現(xiàn)代人帶來的任何污染都可能讓一次對古DNA的研究徹底失敗之后，帕博搭建了世界上第一個古DNA研究的超凈室（clean room）。 如今，超凈室已經(jīng)成為世界上大多數(shù)古DNA研究實驗室的標準配置。 超凈室 圖片來源：nytimes.com 其實早在1984年，就有研究者從博物館的標本上提取到了古 DNA，但是當時技術(shù)有限，提到的 DNA 并不能開展什么研究。 直到21世紀，隨著測序技術(shù)的飛快發(fā)展，以及更特異的 DNA 擴增技術(shù)，讓研究古 DNA 成為了可能，而斯萬特·帕博也抓住了這個機遇，開始了不同于現(xiàn)代人的古人類研究——尼安德特人（以下簡稱為“尼人”）。在帕博13歲時，帕博的母親帶其前往埃及。自此之后，帕博就迷上了那里的古老歷史。雖然后來學習了醫(yī)學，但他仍舊熱愛埃及古文物學。 很多年輕人在選擇工作時，常常會在幾個選項間徘徊，不知道哪個才是自己的最佳選擇，帕博也不例外，但他似乎找到了兩全的方法，研究那些埃及木乃伊的DNA。 當時并沒有人試圖獲取古代的DNA，至少沒有相關(guān)的論文發(fā)表，但帕博并不肯定自己的想法可以獲得成功。為此，他偷偷進行了一些實驗，一方面怕導師反對，另一方面也擔心自己天馬行空的想法一旦失敗，可能會被同事們嘲笑。1981年的夏天，瑞典烏普薩拉大學的一個實驗室臭氣熏天。這股臭味來自帕博的實驗，他在搗鼓一塊腐爛的肝臟。當時，沒有人知道層層包裹的千年木乃伊里是不是還有遺傳物質(zhì)，所以帕博決定拿牛肝先做個實驗。他把牛肝放進實驗室的烤箱里加熱到50℃，讓其木乃伊化。幾天之后，肝臟變得堅硬、干燥，變成了黑褐色，帕博成功在里面提取到了DNA。實驗成功之后，帕博開始真刀真槍，直接上手真·木乃伊。在早期的嘗試之后，帕博與柏林國家博物館取得了聯(lián)系，采集了30多份木乃伊樣品。在一塊取自一個兒童木乃伊左小腿的皮膚樣品中，帕博甚至發(fā)現(xiàn)了明顯的細胞核。 木乃伊組織中的細胞核 圖片來源：烏普薩拉大學 1985年，帕博從距今2400多年的埃及木乃伊中提取到了古DNA并進行克隆測序，發(fā)表了第一篇研究古人DNA的文章。雖然目前幾乎可以肯定該文章獲得的DNA是污染的結(jié)果，但這一努力已經(jīng)讓人們認識到，古DNA的提取并非全無可能。 帕博的努力開創(chuàng)了一個新的領(lǐng)域 圖片來源：molecularecologist.com 帕博自己回憶說，在公開表示要測序尼安德特人的基因組時，他知道做成這件事需要三樣東西：大量研究資金，許許多多的測序儀，還有保存良好的尼安德特人骨頭——這三樣東西他全都沒有，但幸運的是，只有他自己知道他啥都沒有。他最后成功了。 自此，古 DNA 研究的熱潮也被掀起，越來越多的遺傳學家、考古學家投入這樣的一個交叉學科領(lǐng)域，不斷從各種化石、墓葬、木乃伊，甚至羊皮紙、動物骨骼、土壤里探尋古 DNA 的蹤跡，通過遺傳學的手段，不斷擴展我們未知的人類，乃至生物圈歷史。
2021年《Science》雜志的年度進展之一，就是土壤中提取古DNA 到此，2022年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，你懂了嗎？
參考資料：初高中生物學教材、返樸、科學大院、biokiwi、果殼、各大新聞報道等。 編輯：鐵杵
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