文/大衛(wèi)·賴克（David Reich）

54000年到49000年前，現(xiàn)代人類的祖先走出非洲后，和另一種人類——尼安德特人發(fā)生了雜交混血。雖然尼安德特人早已滅絕了，但在當今非洲以外人群的基因組中，大概有1.5%到2.1%源自尼安德特人。他們成了活在我們DNA里的“幽靈”。

2014年，我們對羅馬尼亞骨頭洞穴中發(fā)現(xiàn)的骸骨進行了DNA測序，結果發(fā)現(xiàn)，這具約4萬年前的現(xiàn)代人個體中擁有6%到9%的尼安德特人血統(tǒng)，遠高于今天的2%。在這個個體身上，我們發(fā)現(xiàn)某些尼安德特人的DNA片段能夠占到他的染色體長度的1/3，這說明：追溯他的祖先，那么6代以內(nèi)必定有一個真正的尼安德特人。那么，尼安德特人的血統(tǒng)傳到今天怎么就只剩下了2%？

現(xiàn)代人（左）和尼安德特人（右）頭骨對比。圖源：Smithsonian Magazine

歐洲早期現(xiàn)代人和尼安德特人面部復原圖對比。圖源：Wikipedia

混血種的生育能力較低，可能會降低尼安德特人血統(tǒng)在當代人身上所占的比例。這種可能性最早由勞倫特·?？怂箍品埔↙aurent Excoffier）提出。他從動植物的相關研究中了解到，當一個種群遷移到一個新的區(qū)域，它與新區(qū)域本地的種群哪怕只發(fā)生一點點雜交，也足以在后代中產(chǎn)生一個高的混血比例——這比在當代非洲以外人群身上看到的、僅2% 的尼安德特人血統(tǒng)占比可高多了。?？怂箍品埔J為，假設某種處于擴張過程的現(xiàn)代人和其他種的現(xiàn)代人也發(fā)生了混血，那么這種混血的次數(shù)比與和他們居住在一起的尼安德特人發(fā)生混血的次數(shù)要多至少50倍，才能解釋為什么現(xiàn)代人的基因組中殘留的尼安德特人血統(tǒng)比例這么低。他認為一種可能性極大的解釋是，在生育能力上，尼安德特人和現(xiàn)代人之間的后代要遠遠落后于現(xiàn)代人之間的后代。

我對這種說法并不是很信服，而是傾向于另一種更簡單的解釋：由于社會因素，根本就不會發(fā)生太多的混血。時至今日，由于文化、宗教或者種姓的障礙，現(xiàn)代人中的很多群體也是相互之間不通婚的。那么，憑什么尼安德特人和現(xiàn)代人之間就會一見鐘情、通婚無礙呢？

挖掘并修復古DNA的科學家。圖源：Martin Rowson

但?？怂箍品埔€是切中了要害。我們越是一點一點地將現(xiàn)代人群中遺留下來的尼安德特人DNA 進行分析、在基因組上確定它們的位置，真相就變得越來越清楚。我實驗室里的斯里拉姆·山卡拉拉曼（Sriram Sankararaman）專門對滿足以下條件的突變進行了搜索：存在于尼安德特人的基因組序列內(nèi)，但在撒哈拉以南非洲人的基因組序列中極少找得到。結果發(fā)現(xiàn)，在每個非洲以外人群身上我們都能找到大量源自尼安德特人的DNA 小片段。通過觀察這些小片段在基因組上的位置，我們發(fā)現(xiàn)與尼安德特人的混血對當代非洲以外人群的個體所帶來的影響千差萬別，平均下來的確是大約2% 的占比，但其分布很不均勻。在超過一半的位置上，任何個體內(nèi)都找不到尼安德特人血統(tǒng)的痕跡，但在某些特定的位置上，又有超過一半的DNA 序列來自尼安德特人。

在非洲以外人群基因組的哪些位置上，尼安德特人的痕跡非常罕見呢？研究這些位置，對于我們找出尼安德特人的DNA 遺傳模式至關重要。對于任意一段DNA 來說，找不到尼安德特人的血統(tǒng)并不奇怪，這只是偶然事件作用的結果。我們認為線粒體DNA 就符合這種情況。但是，如果在那些承載著特定生物功能的基因組區(qū)域，尼安德特人的血統(tǒng)都被系統(tǒng)性地“抹除”了，那起作用的就只能是自然選擇了。

但是，這種系統(tǒng)性的、對尼安德特人血統(tǒng)的抹除恰恰就是我們所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。而且，非同尋常的是，這種自然選擇對尼安德特人血統(tǒng)的系統(tǒng)性抹除，剛好就發(fā)生在基因組里兩處已知與生育能力息息相關的區(qū)域。

第一處就是在兩條性染色體之一的X 染色體上。這讓我想起了好幾年前我和尼克·帕特森共同開展并發(fā)表的一項研究，那項研究關注的是人類和黑猩猩的祖先在歷史上的分離。對X 染色體來說，雌性攜帶兩個副本、雄性只攜帶一個副本；而對其余的常染色體來說，不管雌性、雄性，大多數(shù)情況下都各攜帶兩個副本。那么，在任何種群中，X 染色體的三條副本就對應著常染色體的四條副本。這意味著，在每一代中，任意兩條X 染色體與任意兩條常染色體相比，其擁有共同親本的概率比是4︰3——X 染色體之間擁有共同親本的概率更大。依此我們可以進一步推斷，任意兩條X 染色體從共同祖先那里演化出來的平均時間是常染色體的3/4。但是，我們實際觀察到的數(shù)字只有0.5 甚至更低。

在那項關于人類和黑猩猩的共同祖先種群的研究中，我們一開始假想的多種歷史場景都無法解釋這種模式，比如雌性在群體內(nèi)移動的比例較低，或者雌性的后代數(shù)量波動比雄性的要大，或者是種群的擴張、收縮等。然而，我們后來還是找到了一種可以用來解釋這種模式的場景：一開始，人類的祖先和黑猩猩的祖先是相互分離的，后來，其中一個支系的部分成員通過雜交把血緣帶進了另一個支系，從那以后，這兩個支系就完全隔離了。

20世紀70年代，有人聲稱圖中的動物Oliver是人和黑猩猩的雜交后代，但事后證明，雖然它長得有點像，直立行走能力也不錯，但它有48條染色體，是一只如假包換的黑猩猩。圖源：news.com.au

那么，雜交混血是如何導致X 染色體上的遺傳變異遠遠少于基因組的其他部分呢？從對各種動物的研究中可以得知，只要兩個動物種群的差異足夠大，它們雜交的后代就會出現(xiàn)生育能力下降的情況。就拿和人類類似的哺乳動物來說，這種現(xiàn)象在雄性身上更為明顯，而且與生育能力下降相關的遺傳因素都集中在X 染色體上。所以，當兩個比較疏遠的種群已經(jīng)出現(xiàn)了雜交后代的生育能力下降的現(xiàn)象，但還是發(fā)生了雜交的話，就會出現(xiàn)強烈的自然選擇，把那些導致生育能力下降的遺傳因素清除掉。

由于在X 染色體上集中了導致不育的基因，這個自然選擇的過程在X 染色體上表現(xiàn)得特別顯著。結果就是，針對X 染色體的自然選擇青睞那個能增加后代生育能力的種群，把來自這個種群的DNA片段保留在了雜交后代中。這就使得雜交種群所攜帶的X 染色體幾乎完全來自一個祖先種群。于是，雜交后的種群和其中一個祖先種群之間在X 染色體上的遺傳差異也被降低到了一個反常的水平。這正與我們在人類和黑猩猩身上看到的模式是一致的。

這種理論上的預測似乎有些不可思議，但的確，在西歐家鼠和東歐家鼠的雜交品種身上，我們就能看到這種現(xiàn)象。這種雜交鼠生活的地帶，大致沿著當年冷戰(zhàn)時期的兩方陣營分界線從南到北地穿過中歐。由于西歐鼠和東歐鼠的差異非常大，而雜交鼠身上又攜帶著來自兩者的DNA，所以在大多數(shù)雜交鼠的基因組里，能夠將雜交鼠和西歐鼠區(qū)分開來的突變密度都很高。但是如果只看X 染色體，突變密度就小很多了，原因就是如果X 染色體來自東歐種群，雄性雜交鼠就會喪失生育能力，最終造成雜交鼠從東歐種群X 染色體中獲取的DNA 數(shù)量很少。

黑猩猩（左）和倭黑猩猩（右）。倭黑猩猩體型只有黑猩猩的一半，Peace and Love是它們的猿生信條，它們很頻繁地用隨隨便便的性生活和雙性性交來處理沖突和解決社會問題。

2006 年我們發(fā)表了這篇論文，主張人類或者黑猩猩可能起源自古代的一次重大雜交事件，而在那之后，相關的證據(jù)也越來越強烈地支持我們的主張。2012 年，米克爾·舒爾普（Mikkel Schierup）和托馬斯·梅倫德（Thomas Mailund）及其同事們開發(fā)了一種新方法，利用遺傳學數(shù)據(jù)來估算兩個當代物種的祖先在發(fā)生物種隔離時的突然程度。當他們研究黑猩猩和倭黑猩猩的隔離時間時，發(fā)現(xiàn)這次隔離是突然降臨的，而這恰好與一種假說相吻合：這兩個物種是被一條一兩百萬年前驟然出現(xiàn)的大河——剛果河分開的。相反，當他們?nèi)绶ㄅ谥?，去研究人類和黑猩猩時，他們卻發(fā)現(xiàn)這兩個種群在分化開始以后，仍延續(xù)了一段時間的基因交流，這恰好就是兩者發(fā)生雜交的證據(jù)之一。

在舒爾普和梅倫德于2015 年發(fā)表的一篇論文中，還有另外一個更為重要的發(fā)現(xiàn)。他們與其他同事們一起證明了，在非洲以外的人群中，X 染色體上那些沒有尼安德特人基因滲入的區(qū)域，在很大程度上也正是在人類和黑猩猩之間存在較小遺傳差異的區(qū)域。這種現(xiàn)象與下述假設非常吻合：在混血種身上發(fā)生的、會降低生育能力的遺傳突變不僅集中在X 染色體上，而且還集中于X 染色體的某些特定區(qū)域內(nèi)，在這些特定的區(qū)域里，自然選擇最終拋棄了那些攜帶著劣勢血統(tǒng)的雄性。既然存在著把尼安德特人DNA 從X 染色體上清除的自然選擇，也正說明了尼安德特人和現(xiàn)代人的男性混血后代的生育能力下降了。

我們還發(fā)現(xiàn)了別的證據(jù)可以證明尼安德特人和現(xiàn)代人的混血后代不育的現(xiàn)象，而且這條證據(jù)與X 染色體無關。當我們在雄性混血個體身上發(fā)現(xiàn)生育能力下降的跡象時，相應的致病基因一般在雄性生殖組織中會特別活躍，從而導致了精子功能障礙。當我把X 染色體的證據(jù)給演化生物學家達文·普萊斯格瑞弗斯（Daven Presgraves）展示以后，他向我建議，如果這是真的，那么拿男性睪丸內(nèi)的精子細胞和人體其他組織的細胞相比，在精子細胞內(nèi)異常活躍的基因中，尼安德特人的血統(tǒng)占比應該相對較低。我們把實際的數(shù)據(jù)拿過來一看，果真如此！普萊斯格瑞弗斯的預言被證實了！

攜帶尼安德特人血統(tǒng)的現(xiàn)代人所面臨的問題不只是生育力的下降。事實是，不僅僅在X 染色體上那些對男性生育能力至關重要的基因周圍，而且在絕大多數(shù)基因上，都出現(xiàn)了尼安德特人的血統(tǒng)被系統(tǒng)性清除的現(xiàn)象。相比之下，在那些幾乎沒有什么生物功能的“垃圾”基因組部分，尼安德特人的痕跡明顯更重。與此相關的最清晰的證據(jù)，來自2016 年的一項研究。在這項研究中，我們公布了過去45 000 年里的超過50 個歐亞人的古DNA 全基因組數(shù)據(jù)集。從中可看出，在我們分析的大多數(shù)早期樣本中，尼安德特人血統(tǒng)所占比例為3% ～ 6%，而隨著時間的流逝，廣泛存在的自然選擇對尼安德特人的DNA 產(chǎn)生了清除作用，時至今日，它們的比例已經(jīng)降到了約2%。

在尼安德特人的大部分活動范圍內(nèi)，由于受冰河時期影響，他們所賴以生存的動植物群體經(jīng)常會遭遇周期性的巨大打擊，而居住在熱帶非洲的現(xiàn)代人祖先們則不大會受此折磨。遺傳學上的證據(jù)也確認，尼安德特人的群體規(guī)模比現(xiàn)代人祖先的要小，因為他們基因組的遺傳多態(tài)性大概是現(xiàn)代人祖先的1/4。一個種群如果在歷史上存在過種群規(guī)模偏小的情況，對這個種群的遺傳健康不是件好事。在這種情況下，每一代的遺傳突變頻率都會發(fā)生大幅度的波動，對某些突變而言，即便自然選擇傾向于降低其頻率，但是由于群體規(guī)模偏小引發(fā)的頻率大幅度波動還是有可能把這些突變在整個種群內(nèi)傳播開來。所以，在尼安德特人和現(xiàn)代人分離之后的50 萬年時間內(nèi)，尼安德特人積累了大量的遺傳突變，這些遺傳突變在尼安德特人和現(xiàn)代人發(fā)生混血后，對他們的后代產(chǎn)生了有害的影響。

尼安德特人基因組中產(chǎn)生的這些有害突變，與后來各種現(xiàn)代人群之間的混血行為產(chǎn)生了鮮明對比，后者并沒有出現(xiàn)受困于此的跡象。例如，在非裔美國人中，通過對大約3 萬人的研究，我們并沒有發(fā)現(xiàn)任何針對非洲或歐洲血統(tǒng)的自然選擇現(xiàn)象。對這件事的第一種解釋是，當尼安德特人和現(xiàn)代人混血的時候，兩者分道揚鑣的時間太久了，比起西非人和歐洲人的分離時間來說長了10倍多，在生物不兼容的道路上，他們已經(jīng)走了太遠。

第二種解釋是這樣的，根據(jù)對很多物種的研究成果，不育現(xiàn)象往往需要基因組上不同位置的兩個基因相互作用才能形成。因為產(chǎn)生一個生物不兼容性現(xiàn)象需要兩個基因上的改變，所以不育現(xiàn)象發(fā)生的速率是隨著種群分離時間的平方而增長的，增加10 倍的種群分離時間就相當于增加100 倍的發(fā)生遺傳不兼容的可能性。這么來看的話，我們沒聽說過當代人類的“混血兒”缺乏生育能力的事情，也在情理之中吧。