你敢信？長達(dá)11.7萬年的時間里，人類祖先成年個體數(shù)僅剩1280！

你敢信？在距今93.0萬年前，人類祖先由于早、中更新世過渡期的氣候劇烈變化，在短期內(nèi)喪失了約98.7%的成員個體，幾乎滅絕！

這些發(fā)現(xiàn)，來源于中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所李海鵬研究組與華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所潘逸萱研究組合作的結(jié)晶。相關(guān)成果于9月1日在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表。

(資料圖)

研究成果示意圖（受訪者供圖）

PART 1：新發(fā)現(xiàn)

一個長達(dá)11.7萬年的群體瓶頸

“我是誰？我從哪里來？我要到哪里去？”面對這三個終極追問，科學(xué)家從未停止探索人類自身的起源之謎。

根據(jù)目前考古成果，人類進化始于靈長類的森林古猿，隨后歷經(jīng)南方古猿、能人、直立人、智人四個階段，其中“智人”就是目前世界上現(xiàn)存的人類。最近100萬年是人類進化的關(guān)鍵時期，但由于分析方法的局限，對人類祖先群體數(shù)量變化歷史的研究多局限于最近的30萬至10萬年內(nèi)。

化石是研究人類進化的最直接證據(jù)。古生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)非洲古人類化石存在“缺失的環(huán)節(jié)”，在距今95萬至65萬年之間的化石極為稀缺，但在距今95萬年之前和距今65萬年以內(nèi)的則相對較為豐富。在非洲發(fā)現(xiàn)的多個直立人化石，都是距今約90萬年之前的，在距今約90萬年之內(nèi)的，則沒有發(fā)現(xiàn)過，取而代之的是另外一個新的人類物種。

“我們通過對現(xiàn)代人基因組分析，發(fā)現(xiàn)人類祖先在距今93萬年至81.3萬年的時間里，經(jīng)歷了一個長達(dá)11.7萬年的群體瓶頸。這一時間段正好解釋了非洲人類祖先化石缺失的環(huán)節(jié)、非洲直立人化石消失的謎團。因為根本就沒有化石留下來?！敝袊茖W(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員李海鵬說。

與人類學(xué)和古氣候?qū)W證據(jù)時間吻合

根據(jù)研究結(jié)果，在大約81.3萬年前，人類祖先從人口衰減過程中快速恢復(fù)，相對應(yīng)的是一個新的古人類物種的形成。

“基于我們的分析，這是一個新的古人類物種，而不是一個古人類物種取代另外一個古人類物種?！崩詈ｙi說，“如何命名這一新的古人類物種？目前化石界爭議很大。為了避免爭議，我們將其命名為LCA，即現(xiàn)代人、尼安德特人和丹尼索瓦人的最近共同祖先?！?/p>

染色體數(shù)目的變化，對于生物體的影響極大。染色體的融合或斷裂，是進化過程中一個重要事件。人類是猿類的后代，和黑猩猩有共同的祖先。但自從600萬年前黑猩猩和人類在進化樹上分道揚鑣之后，在人類這一支發(fā)生了形成現(xiàn)代人2號染色體的染色體融合事件，即人類的2號染色體，是由兩個中等大小的猿染色體融合而成。

“通過統(tǒng)計人類2號染色體融合區(qū)域AT到GC的轉(zhuǎn)換率，并與黑猩猩同源區(qū)域進行比較，可估計兩條古人類2號染色體的融合時間。國際上有兩個研究組分別對古人類2號染色體的融合時間進行了估計。其中一組研究的估計結(jié)果為74萬年前，另外一組的估計結(jié)果為90萬年前。因此，這一染色體融合時間很可能發(fā)生在74萬-90萬年前，這也與我們研究的遠(yuǎn)古嚴(yán)重瓶頸時間段相對應(yīng)。”李海鵬說。

PART 2：尋證明

一場對古人類群體開展的“人口普查”

近年來，雖然古DNA測序技術(shù)迅猛發(fā)展，但由于炎熱條件不利于DNA的保存，科學(xué)家無法從30萬年前非洲人類祖先化石中提取古DNA。這一研究成果的取得，源于李海鵬和華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)研究所潘逸萱，帶領(lǐng)胡王杰、郝子謙等團隊成員，創(chuàng)新構(gòu)建了“快速極小時間溯祖（FitCoal）”新理論。

這一基于群體遺傳學(xué)和計算生物學(xué)交叉的新理論，可在百萬年這一大時間尺度上，實現(xiàn)高精度的時間回溯，準(zhǔn)確估算遠(yuǎn)古的群體歷史，從而對古人類群體進行“人口普查”。

史前雖然沒有文字記載群體數(shù)量，但有效群體大小會影響每個世代的“溯祖率”，也就是兩個譜系在上一世代來自同一祖先的概率。因此，人類祖先曾在群體基因組中留下印記，反映當(dāng)時的群體大小。群體歷史越久遠(yuǎn)，留存至今的印記信號越微弱。

李海鵬和潘逸萱研究團隊根據(jù)這一原理創(chuàng)建了FitCoal理論。遵循這一理論進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得在任意群體模型下各突變類型（即突變頻譜）對應(yīng)溯祖樹枝長期望值的解析解，就獲得精確的似然值，即在群體歷史條件下觀察到樣本突變頻譜的概率。因此，無需事先獲得群體歷史的先驗知識，F(xiàn)itCoal即可自動快速搜尋出極大似然值，從而估算群體歷史。

個體數(shù)僅為1280？看到結(jié)果時“有點沮喪”

經(jīng)過三四年時間構(gòu)建起“快速極小時間溯祖（FitCoal）”新理論方法后，研究團隊在2016至2017年開始進行人群數(shù)據(jù)分析，并且很快“看到了”遠(yuǎn)古時期的人類群體瓶頸。

在長達(dá)11.7萬年的時間里，人類祖先平均成年個體數(shù)僅為1280？“回想起來，我們第一次看到這個結(jié)果的時候，不是吃驚，而是有點沮喪。因為這太令人不可思議了，或許代表著我們程序有錯。畢竟這樣明顯的一個群體歷史事件，為什么前人沒有發(fā)現(xiàn)，難道是我們哪些地方算錯了？”李海鵬說。

胡王杰、郝子謙、李海鵬、潘逸萱等團隊成員反復(fù)檢查理論方法、檢查代碼，經(jīng)過好幾個月無數(shù)次嘗試之后，始終沒找到錯誤。這時，他們才意識到這個人類群體瓶頸有可能是真實存在的。

他們花了近七年時間證實群體瓶頸的存在

此后，他們用了近七年時間證實這個群體瓶頸的存在。從分析千人基因組數(shù)據(jù)，到分析另外一個測序倍率高、但樣本相對較小的人類基因組多樣性計劃（HGDP-CEPH）數(shù)據(jù)，都檢測到了同樣的群體瓶頸。并且兩組獨立的、共50個現(xiàn)代人類群體的基因組數(shù)據(jù)，獲得的群體瓶頸時間和人數(shù)的估計，幾乎完全一樣。

接著，研究人員又采用HGDP-CEPH數(shù)據(jù)集的兩個南部非洲群體做了進一步驗證，雖然樣本量僅為6個和8個個體，但依然檢測到了遠(yuǎn)古群體瓶頸。對非洲群體樣本重抽樣的研究結(jié)果表明，僅需3個非洲個體的基因組，即可檢測到這一遠(yuǎn)古群體瓶頸，進一步表明“快速極小時間溯祖（FitCoal）”理論創(chuàng)新帶來的這一重大發(fā)現(xiàn)。

他說：“這十年來，我們絕大部分的時間都是圍繞著我們的發(fā)現(xiàn)，做進一步驗證。就像福爾摩斯的名言：排除一切不可能的，剩下的即使再令人難以置信，那也是真相。目前網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)的批評建議，都沒有超出我們過去六七年在反復(fù)驗證過程中考慮過的范疇。”

PART 3：里程碑

“人類祖先曾經(jīng)瀕臨滅絕的結(jié)論，不依賴于分子鐘假設(shè)”

“我們研究中看到的遠(yuǎn)古群體瓶頸，代表了現(xiàn)代人類的直接祖先，在一個很短的時間內(nèi)快速喪失了98.7%的成員個體，降低到原有數(shù)量的1.3%，這是一個非常強烈的沖擊，與目前許多瀕危物種中觀察到的群體數(shù)量變化現(xiàn)象一致。人類祖先曾經(jīng)瀕臨滅絕的結(jié)論，不依賴于分子鐘假設(shè)?！崩詈ｙi說。

他認(rèn)為，當(dāng)時如果人類祖先沒有任何實際行動，不做出任何改變，任由群體數(shù)量快速衰減，必然是全員絕滅的結(jié)果。只有緊密團結(jié)在一起，更加有效、公平地獲取并分配極為有限的食物，才能夠使得我們的祖先，在長達(dá)11.7萬年的時間里渡過難關(guān)。

除了文化上和相互合作方面的改變，生存壓力也讓人類祖先產(chǎn)生許多改進性的進化。例如，腦容量的增加、兩條染色體的融合、新的古人類物種形成等。此外，人類控制火的早期考古記錄，與人類祖先種群開始快速恢復(fù)的時間也非常接近，或許也對恢復(fù)群體大小有著重要作用。

美國南佛羅里達(dá)大學(xué)人類遺傳學(xué)家劉曉明教授，西湖大學(xué)統(tǒng)計遺傳學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人、生命科學(xué)學(xué)院楊劍教授等專家認(rèn)為，人類在93萬年前遭遇“群體瓶頸”這一里程碑事件，對于人類進化具有重要影響，可能決定了現(xiàn)代人類許多關(guān)鍵表型的形成。

“人類自古就是命運共同體，面對嚴(yán)酷的生存環(huán)境，我們的祖先團結(jié)應(yīng)對，才有了今天人類在地球上的生命繁華。今天，我們面對嚴(yán)峻的極端氣候和紛繁復(fù)雜的紛爭，我們更應(yīng)該回歸到人類的本源，秉持人類命運共同體理念，團結(jié)協(xié)助、共同發(fā)展，才能更好地在地球上世代繁衍、生生不息?！?/p>

——中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所研究員李海鵬

文字來源：新華社、《新華每日電訊》、《新民晚報》等