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以下文章來(lái)源于公眾號(hào)《不畏失敗》，作者鐵杵首先今年激動(dòng)人心的和高中生物學(xué)有關(guān)的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)結(jié)果已經(jīng)揭曉，當(dāng)然今年沒(méi)有中國(guó)，但至少以前有過(guò)，希望以后我們國(guó)家也能夠多多的出一些諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)摺?br>當(dāng)然歷年來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)關(guān)注度很高，高考考試也是一個(gè)重大熱點(diǎn)，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(huì)涉及到，因此，如何用高中生物學(xué)看待2022年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)也是非常重要的問(wèn)題，尤其是對(duì)高中師生來(lái)講，以下是個(gè)人對(duì)于今年諾貝爾獎(jiǎng)的一些理解：尼安德特人頭骨和斯萬(wàn)特·帕博教授，圖片來(lái)源：華盛頓郵報(bào)先講結(jié)論：諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2022年生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給瑞典生物學(xué)家、進(jìn)化遺傳學(xué)家斯萬(wàn)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(jìn)化相關(guān)的基因組。（高中知識(shí)鏈接：DNA通過(guò)堿基對(duì)的排列來(lái)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(lái)講就是斯萬(wàn)特·帕博通過(guò)他的開(kāi)創(chuàng)性研究，完成了一件看似不可能的事情：對(duì)人類已經(jīng)滅絕的親戚尼安德特人的基因組進(jìn)行測(cè)序。另一個(gè)成果是，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以前不為人知的古人類：丹尼索瓦人。 通過(guò)這些介紹依舊難以理解他對(duì)人類的科學(xué)具有什么樣的貢獻(xiàn)，畢竟我們平時(shí)雖然有時(shí)候會(huì)想“我們從哪里來(lái)？”，但是卻很少去真正的研究，下面就簡(jiǎn)單介紹一下斯萬(wàn)特·帕博完善之后的近代人類的演化和進(jìn)化史：
我們最早通過(guò)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(gè)真的正確嗎？畢竟還沒(méi)有人能夠活那么多年，活那么多年的生物也沒(méi)有出現(xiàn)逐漸演化的跡象：比如銀杏（起源于恐龍時(shí)代）等。因此弄清楚古化石或者說(shuō)是古人類他們之間的相互關(guān)系，尤其是過(guò)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(cè)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(kāi)始變得有跡可循，因此斯萬(wàn)特·帕博的成就也是一個(gè)時(shí)代的成就： 起先認(rèn)為人類的起源是一個(gè)線性的演化歷程，如下圖：
還有一張更加完整的演化進(jìn)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(shí)依舊是不完整的，通過(guò)不斷的對(duì)古人類的挖掘和研究，就發(fā)現(xiàn)其實(shí)在以前存在很多不同的古人類品種，也就是人科動(dòng)物。而在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，他她們發(fā)現(xiàn)了雜交，雖然后來(lái)有很多已經(jīng)滅絕了，但是也證實(shí)人類的演化應(yīng)該是一個(gè)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(guó)馬克斯·普朗克演化人類學(xué)研究所斯萬(wàn)特·帕博（Svante P??bo）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)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(gè)堿基對(duì)，約占其全基因組的60％。科學(xué)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(guò)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(tuán)隊(duì)從俄羅斯南西伯利亞阿爾泰山一個(gè)名為丹尼索瓦的洞穴中挖掘出來(lái)的一個(gè)尼安德特人腳趾骨，并從中提取出基因組DNA，測(cè)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(xué)》雜志上一篇論文則認(rèn)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(lái)源于尼安德特人，而尼安德特人對(duì)西歐人基因組的貢獻(xiàn)則只有1.8~2.4%。 同時(shí)在2010年，斯萬(wàn)特·帕博和俄羅斯科學(xué)院阿納托利·杰烈維揚(yáng)科（Anatoli P. Derevianko）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上撰文稱，他們發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)已滅絕的新人種。研究人員對(duì)一小塊手指骨片進(jìn)行線粒體DNA遺傳分析，這塊小骨片是杰烈維揚(yáng)科兩年前從丹尼索瓦洞穴中挖掘出來(lái)的。他們從這塊小骨片中提取了線粒體DNA并測(cè)序，通過(guò)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(jìn)行比對(duì)，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(jìn)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(wàn)年前共享同一祖先，研究人員因此推測(cè)這一小骨片屬于一個(gè)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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)這根指骨的基因組DNA進(jìn)行了分析，推測(cè)出這一新人種與尼安德特人親緣關(guān)系較近，可能在64萬(wàn)年前是一家，而與現(xiàn)代非洲人分歧演化時(shí)間可能是84萬(wàn)年前。不久，研究人員又在同一洞穴挖掘出其他分屬不同個(gè)體的骨片，均具有與這個(gè)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(lái)自于后者。2018年，維維亞娜·斯隆（Viviane Slon）和斯萬(wàn)特·帕博（Svante P??bo）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)來(lái)自俄羅斯阿爾泰山丹尼索瓦洞中的一小段骨頭進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該骨頭屬于9萬(wàn)年前的一個(gè)至少13歲的女孩，更令人驚喜的是，其母親是一個(gè)尼安德特人，父親則是一個(gè)丹尼索瓦人，這是科學(xué)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(jiàn)的。（也表明早期的人科物種并沒(méi)有產(chǎn)生生殖隔離，高中生物學(xué)必修二）基于這項(xiàng)研究，科學(xué)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(xiàng)研究將這一比例降低至1.1%，而且推測(cè)可能存在另一種已滅絕的人類貢獻(xiàn)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(xiàn)。（現(xiàn)在的人類都有其遺傳信息的影子） 2018年3月，美國(guó)華盛頓大學(xué)西雅圖分校和普林斯頓大學(xué)的研究人員在《細(xì)胞》雜志上撰文稱，他們利用一種新的無(wú)參考基因組的檢測(cè)方法，對(duì)5639個(gè)來(lái)自歐亞大陸和大洋洲的人類全基因組序列進(jìn)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(cè)丹尼索瓦人與現(xiàn)代人類至少發(fā)生過(guò)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(fù)雜。 5萬(wàn)年前現(xiàn)代人類的祖先剛剛走出非洲時(shí)，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(wàn)年，演化出對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑹澄?、病原微生物等環(huán)境較強(qiáng)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?，F(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(lái)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(jìn)而開(kāi)枝散葉，遍布全球。深圳華大基因研究院、加利福尼亞大學(xué)以及華南理工大學(xué)等單位的科研人員研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)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?yàn)槲鞑厝藦牡つ崴魍呷嘶蚱浣H那里繼承一個(gè)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(guó)馬克斯·普朗克演化人類學(xué)研究所的研究人員對(duì)11.2萬(wàn)英國(guó)人基因組進(jìn)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(lái)自尼安德特人。2018年10月，來(lái)自美國(guó)亞利桑那大學(xué)的戴維·恩納德（David Enard）和斯坦福大學(xué)的德米特里·佩特羅夫（Dmitri A. Petrov）在《細(xì)胞》雜志上報(bào)告稱，尼安德特人和古代智人在混交過(guò)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(duì)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(duì)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(lái)源：David Enard et al., 2018, Cell相關(guān)的知識(shí)與擴(kuò)展：
古DNA和平日里大家提到DNA并沒(méi)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(yuǎn)古時(shí)期的 DNA 片段。正因?yàn)椤皝?lái)自遠(yuǎn)古時(shí)期”這一特點(diǎn)，古 DNA 的提取并不簡(jiǎn)單。 一方面 DNA 會(huì)被不斷降解。外界環(huán)境的“風(fēng)吹雨打”都會(huì)對(duì) 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(wàn)到數(shù)十萬(wàn)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(huì)被污染。埋藏在化石周?chē)母鞣N動(dòng)植物殘骸、各種帶來(lái)不確定因素的微生物，以及實(shí)驗(yàn)時(shí)候現(xiàn)代人的影響，也都給整個(gè)提取過(guò)程帶來(lái)了未知數(shù)。 基因組 DNA 包括細(xì)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(jìn)化相關(guān)的信息。但這些 DNA 存在分解與污染的問(wèn)題，也給研究帶來(lái)了極大的考驗(yàn) | 圖源：nobelprize.org 雖然DNA序列的穩(wěn)定性很高，但是隨著時(shí)間的推移，古代標(biāo)本中的DNA依舊會(huì)被降解成短片段。一般來(lái)講DNA在地球上穩(wěn)定存在的時(shí)間最長(zhǎng)只能達(dá)到數(shù)十萬(wàn)年，也就是說(shuō)想用DNA復(fù)活恐龍那基本是不可能的，因?yàn)樗腄NA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(jìn)行深入研究分析的最大挑戰(zhàn)就是需要控制不同來(lái)源的現(xiàn)代人類和微生物DNA的污染。 當(dāng)認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代人帶來(lái)的任何污染都可能讓一次對(duì)古DNA的研究徹底失敗之后，帕博搭建了世界上第一個(gè)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(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置。 超凈室 圖片來(lái)源：nytimes.com 其實(shí)早在1984年，就有研究者從博物館的標(biāo)本上提取到了古 DNA，但是當(dāng)時(shí)技術(shù)有限，提到的 DNA 并不能開(kāi)展什么研究。 直到21世紀(jì)，隨著測(cè)序技術(shù)的飛快發(fā)展，以及更特異的 DNA 擴(kuò)增技術(shù)，讓研究古 DNA 成為了可能，而斯萬(wàn)特·帕博也抓住了這個(gè)機(jī)遇，開(kāi)始了不同于現(xiàn)代人的古人類研究——尼安德特人（以下簡(jiǎn)稱為“尼人”）。帕博其實(shí)也只是一個(gè)對(duì)生物很感興趣的普通人在帕博13歲時(shí)，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(lái)學(xué)習(xí)了醫(yī)學(xué)，但他仍舊熱愛(ài)埃及古文物學(xué)。 很多年輕人在選擇工作時(shí)，常常會(huì)在幾個(gè)選項(xiàng)間徘徊，不知道哪個(gè)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(dāng)時(shí)并沒(méi)有人試圖獲取古代的DNA，至少?zèng)]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(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，一方面怕導(dǎo)師反對(duì)，另一方面也擔(dān)心自己天馬行空的想法一旦失敗，可能會(huì)被同事們嘲笑。1981年的夏天，瑞典烏普薩拉大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室臭氣熏天。這股臭味來(lái)自帕博的實(shí)驗(yàn)，他在搗鼓一塊腐爛的肝臟。當(dāng)時(shí)，沒(méi)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(gè)實(shí)驗(yàn)。他把牛肝放進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的烤箱里加熱到50℃，讓其木乃伊化。幾天之后，肝臟變得堅(jiān)硬、干燥，變成了黑褐色，帕博成功在里面提取到了DNA。實(shí)驗(yàn)成功之后，帕博開(kāi)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(guó)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(gè)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(xì)胞核。 木乃伊組織中的細(xì)胞核 圖片來(lái)源：烏普薩拉大學(xué) 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(jìn)行克隆測(cè)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(rèn)識(shí)到，古DNA的提取并非全無(wú)可能。 帕博的努力開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的領(lǐng)域 圖片來(lái)源：molecularecologist.com 帕博自己回憶說(shuō)，在公開(kāi)表示要測(cè)序尼安德特人的基因組時(shí)，他知道做成這件事需要三樣?xùn)|西：大量研究資金，許許多多的測(cè)序儀，還有保存良好的尼安德特人骨頭——這三樣?xùn)|西他全都沒(méi)有，但幸運(yùn)的是，只有他自己知道他啥都沒(méi)有。他最后成功了。 自此，古 DNA 研究的熱潮也被掀起，越來(lái)越多的遺傳學(xué)家、考古學(xué)家投入這樣的一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域，不斷從各種化石、墓葬、木乃伊，甚至羊皮紙、動(dòng)物骨骼、土壤里探尋古 DNA 的蹤跡，通過(guò)遺傳學(xué)的手段，不斷擴(kuò)展我們未知的人類，乃至生物圈歷史。
2021年《Science》雜志的年度進(jìn)展之一，就是土壤中提取古DNA 到此，2022年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，你懂了嗎？
參考資料：初高中生物學(xué)教材、返樸、科學(xué)大院、biokiwi、果殼、各大新聞報(bào)道等。 編輯：鐵杵
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