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黄石:“现代人出东亚说”的来龙去脉

2017-06-05 黄石 大同思想网 大同思想网



“现代人出东亚说”的来龙去脉

 

黄石


我于1983年在复旦大学读完遗传学本科专业。之后将近26年,在美国继续读书并最终在美国圣地亚哥Burnham Institute 担任教授。2009年回国后,加盟中南大学医学遗传学国家重点实验室。


我们的团队从事分子遗传学和人类学研究多年,9年前(2008年)我们提出了一个更加完整的进化理论——遗传多样性上限理论,这一理论解决了遗传多样性之谜。自那时候,我们就开始建构现代人起源的分子模型。2016年,我们在相关学术机构作了报告,正式提出“出东亚说”,获得了一些影响力,并在2017年发表了研究论文,受到某国外主流媒体关注。但因为中国的主流媒体一直受出非洲说影响甚深,对我们的学术成果谨小慎微而不予报道。


大同思想网是国内一家开放、包容而大胆的学术思想网,也是国内一家少有的以研究文明起源而著称的思想平台,上面不少学者主张“湖南起源论”或“长江起源论”,与我的研究多少有些重叠。2016年大同思想网四周年的时候,因某种渊源枕戈总编采访了我,后来以标题《中南大学教授称:现代人类起源于湖南已获得分子人类学支持》发表在媒体,引起不小关注,公众才知道除了出非洲说,中国已经有了分子人类学意义上的“出东亚说”。


今年5月28日,大同思想网又举行了“长江文明起源”高峰论坛之“麓山论剑”,活动后红网、新华社客户端等不少媒体发表了《现代人与世界文明起源于长江流域?学者鏖战于长沙》,引起了一阵舆论的旋风,这标志着现代人起源和文明起源的研究愈来愈成为“显学”。这更引起了我的思考:“现代人出非洲”的假说在中国的成功传播,与其说是因为它的科学性,不如说是它的科普工作做得好,其中包括大众传媒的推波助澜乃至以讹传讹。“出非洲说”诞生至今正好是30年了,“出东亚说”的提出才1年不到,但已经引起巨震。在这个时间节点,我觉得很有必要向公众汇报“现代人出东亚说”的最新成果,以澄清真相和呈现真理。也算作一些科普工作。

 

“多地区起源说”和“出非洲说”

 

对于人类起源,目前学术界有两种对立流派,分别是“多地区起源说”以及“出非洲说”。两种学说对于直立人在约190万年前走出非洲有着同样的共识,分歧是关于5-10万年前出现的解剖形态学上的现代人与直立人的关系。


“多地区起源”将现代人看作是来自于非洲更新世早中期直立人演化的产物。这一学说的基础主要是依赖于化石和旧石器时代的文化遗存,特别是东亚地区的数据,可是却缺乏现代研究当中比较常见的分子遗传学证据。


“出非洲说”假设了一个相对距我们时间比较近的现代人共同祖先,该祖先于10-20万年前起源自非洲,在距今5万年左右进一步从非洲分散到欧亚大陆,然后取代了当地原有的古人(只有微弱的混合)。提出这个模型的最初理由是在非洲发现了最早的10-20万年前的现代人化石,但能成为主流共识主要是依赖了分子数据,以及分子进化中性理论对遗传多样性的解读,认为非洲人有着最大的遗传多样性,也就意味着演化时间最长。然而,“出非洲说”赖以为基石的“中性理论”虽然在一定范围内是合理的,但还有需要完善之处,还没有完全解决“什么因素决定了遗传多样性”这一世纪之谜。

 

分子钟和中性理论

 

“中性理论”是60年代主要由木村资生提出的分子进化理论,是一个针对微观并与宏观达尔文自然选择理论对立的学说,它能有生存空间来自于达尔文理论对理解微观现象的困难。但是,中性理论从一开始诞生就注定了其片面性,现在看来与它所依赖的数据仅是几个基因序列有关,属于对有限数据的误解。


遗传距离是衡量生物物种间遗传差异的指标,可以用序列相似性的高低来表示。1963年,美国院士Margoliash首次发现了遗传等距离现象,并首次正式表述了分子钟假说。等距离现象是具有开创范式意义的生物现象,可以表述为,任一简单物种与所有比它高级的千万种物种的同源序列的遗传距离大致相同,等于该低等物种的最大种内距离。例如,猴子与猩猩的距离与猴子与人的距离相同,等于猴子类中不同种猴子之间的最大距离;鱼与青蛙的距离与鱼与人的距离相同,等于鱼类中不同种鱼之间的最大距离。


遗传等距离现象的发现直接导致了“分子钟”假说的提出,认为物种突变速率是恒定的且不同物种突变速率是相同的。而“中性理论”是把自然界并无普遍存在的“分子钟”当成是真实的自然现象来进行解释而得出的。其核心内容或前提假设是基因组中存在着无限多可容忍突变的中性位点,但这个前提的证据不足,并与一些自然现象和常识矛盾。如果要对人类起源进行研究,就必须使用正确的种系发生的研究手段,包括正确或与现实接近的前提假设,而且必须是在对遗传多样性有着正确完整的认识之后而不是之前。然而长期以来,决定遗传多样性的关键因素,仍然是困扰进化领域内科研工作者的未解难题,达尔文和木村资生的“中性理论”都没能够给出满意答案。当然,不应否认的是,中性理论也还是有合理内容的,在有限范畴内是被检验成立的。在进化时间较短并且是类似物种比对时,分子钟是较准确的。


等距离现象被首次报道后, 几乎再没有出现在任何后续主流教科书或原始研究文献中。仅在对进化论公开持怀疑态度的学者的专著中出现过,被某些学者看成是现代科学最令人震惊的发现之一,超前时代半个世纪,直到今日仍然能够震惊几乎所有人。

 

遗传多样性上限理论

 

在过去十几年里,我们实验组针对遗传多样性这一世纪难题,做了大量的工作,已经基本找出其背后的关键因素。基因组DNA是生物体内最基本的建筑零件,个体内的遗传变异相当于是零件的误差或熵,遗传多样性的增加即意味着事物向杂乱无章的状态趋近。我们提出了“遗传多样性上限理论”(后简称为“上限理论”),对现存理论的合理内容进行了吸收,补充和完善(图一)。


图一, 上限理论模型。A.大进化(Macroevolution)。物种基因组功能部分用蓝线表示,中性或适应性序列用黄色表示。B 小进化。


生物体的复杂性可以定义为它的表观遗传编程的复杂性。具体来说,复杂性可通过参与表观遗传编程的基因数目和细胞种类数来估算。我们提出了一个逻辑自明的直觉或公理:在建筑上,如果一个系统或者机器越复杂它能容忍的建材的随机变异就越少。由这一直觉我们可以自然地得出生物学中与之对应的常识,即表观遗传复杂性较低的简单物种能容忍更多的DNA变异,或者说它的遗传多样性更高。


我们进一步将现有理论的正确部分公理化。在建造学中,有另外一个显而易见的直觉,即任一有序复杂系统都能容忍一定限度的建材误差范围,这些有限的误差可对系统功能造成有利、有害或中性的影响。显然,只要将这里的建材换成DNA就可以表述在生物学中与之等同的常识,主流进化理论的正确部分基本上等同于此公理的内容。   


根据以上两个公理基石,可以逻辑推出遗传多样性上限理论,虽然大进化与小进化都涉及到基因突变及表观遗传复杂性的微小改变,但是从简单物种到复杂物种的大进化,是表观遗传复杂性的台阶式提高,以及相应的遗传多样性的降低。而在小进化中表观遗传复杂性没有大的改变,其线性阶段基本上可被主流现代进化理论来正确描述(图一)。


上限理论认为,今天看到的绝大部分遗传多样性和遗传距离是处在饱和状态,遗传多样性的饱和态水平的决定因素是物种的生理学构造或表观遗传编程图纸的复杂性秩序性水平。打一个通俗比喻,一个机器设备的零件的可容忍的上限误差范围,是由设计图纸或机器自身的构造要求来决定的。支持饱和态的数据很多,而支持大部分基因组序列变异处在线性阶段的证据还有待被发现。


上限理论首次将被分子钟和中性理论误读的真实自然现象(遗传等距离)进行了正确解读。并发现了遗传等距离现象所隐含的一个从未被任何理论解释的重要特征,即重叠位点特征或巧合重复突变特征。这一特征意味着极限距离,即突变在同一位点的重复积累发生不再导致遗传距离的增加。具有这一特征的序列不满足中性理论的无限多位点的前提,但占基因组绝大部分。分子钟和中性理论能够合理解释重叠位点少的现象,但不能解释重叠位点多的现象。


对于种系发生研究而言,使用的序列是否达到了遗传距离上限或饱和态,是课题中至关重要的一点。我们的大量研究证实,只有慢变序列还没达到上限,只占了基因组中非常小的一部分。

 

相信分子还是相信化石?

 

分子进化领域有一个业外人士不了解的公开秘密,那就是业内研究者之间交流时,从来没有把基于遗传数据和中性理论得到的结果(比如:分化时间和进化树拓扑结构)认为是一个肯定的结果。但笔者认为这不是正常的科学,得不到肯定的结果恰恰是自身理论系统的不完善所致,而不是进化研究本身的问题。


试想,中性理论的前提都不确定,结论如何能确定?在遗传多样性是什么意思都还没有完全搞明白之前,就去解读人的遗传多样性并得出“出非洲说”,这结论能确定吗?因此,目前的不确定是进化研究还处在起始阶段的暂时现象。


必须注意,其它的独立证据能成为一个结论的证据的前提是,必须首先要有一个正确结论的出现或提出。若分子方法只能给出有缺陷的不确定结论,其它独立的真实数据中(如化石)必定有部分数据只能是成为这一不确定结论的证伪数据,那时候,人们选择相信分子还是相信化石呢? 事实上这种情况已经发生,人们选择了信分子,原因是做分子的说自己的东西更硬,显然,分子遗传学者这里有自相矛盾。既然内部承认分子结论(如出非洲说)是不确定的,为何对业外人士说的那么绝对肯定?为何要科普这一不确定结论?为何不提醒人们出非洲说的前提假设是不确定的或有可能是错的?

 

现代人起源新解:常染色体多地区起源与现代型Y和线粒体出自东亚

 

我们从2009年起,开始对人类进化的分子模型进行重建,这期间在一些杂志报纸会议发表过一些批评出非洲说和普及上限理论的文章,分别是:《基因能否证明我们的祖先都来自非洲》(2014-11-21 文汇报);《分子进化迟到近半世纪的完整解读:支持“多地区起源说”而不是“出非洲说”》(《中国社会科学报》2012年12月7日第389期);《用与种系发生相关的DNA序列解读人类起源》(《21世纪中国人类学的发展》主编:席焕久,刘武,陈昭。知识产权出版社。)。


我们的工作得到了多地区起源说倡导者、中科院古人类所吴新智院士的大力支持。从2010年起,我多次拜访过他,并在古人类所多次报告过我们的研究进展。我在2013年3月应邀访问了德国马普人类所,向他们报告了我们的分子人类学研究进展,并认识了出非洲说的原作者之一Mark Stoneking教授,也结识了当时还是研究生的付巧妹教授。我在2013年10月北京的一次国际人类学会议上报告过我们的分子人类学研究进展,在同一会上,国内出非洲说的代表者金力教授也做了发言,我们有过一些对相关问题的交流。在2016年9月北京的一次国际人类学会议上,我们首次报告了现代人出东亚说,与会者有Mark Stoneking教授,对于出非洲说前提基石不稳的问题,我们进行了针锋相对的讨论,对方最后无以应对。


我们在2016年发表了我们耗时八年的研究成果——现代人出东亚的分子模型。我们仔细筛选出了15000多个中性慢变的SNPs,用新方法对已经发表的DNA数据进行了重新解读,结果与宏观研究得出的多地区起源附带杂交学说高度一致,得到了人类常染色体组在191-196万年前第一次分化的推论。对于Y染色体和线粒体,我们根据事实认为不同单倍型都是具有不同功能的,共享变异意味着共享生理功能和生存状态。我们因此重新构建了Y和线粒体进化树,把序列相同的归为一组。


图二。 现代人Y染色体东亚南方起源并扩散到其它地区。


新证据显示,现代人的Y和线粒体DNA起源于东亚南方,然后通过迁徙并与古人类杂交而散布到全球(图二)。另外,所有带有非洲人血统特征的民族都集中在ABCDE这一超级Y单倍型里面,与表形上显示的非洲人特征基本一致。我们进一步发现了相对于其他东亚群体(中国北方人,福建人,西双版纳傣族人,越南人,及日本人),非洲人有更多中国南方湖南人的血统,提示现代人可能出自以湖南为中心的东亚南方地区。


总之,我们的研究首次考虑到了遗传多样性的饱和状态问题,建立了新的人类进化分离时间以及进化分支的结构图。这一结果的基石是异常牢固的从公理出发的遗传多样性上限理论,以及中性理论的合理部分,并有大量分子实验证据和独立宏观研究的验证。我们的新理论和方法将会对未来的人类进化和文明史的研究,具有普遍现实意义。


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