距今93万年前 人类祖先差点儿灭绝！上海科学家创建新理论推动重大科学发现

图说：上海科学家领衔创建新的全基因组分析方法并发现人类在早、中更新世过渡期经历严重的群体瓶颈 采访对象供图

你敢信？长达11.7万年的时间里，人类祖先成年个体数仅剩1280！

你敢信？在距今93.0万年前，人类祖先由于早、中更新世过渡期的气候剧烈变化，在短期内丧失了约98.7%的成员个体，几乎灭绝！

(资料图片)

这些发现，来源于中国科学院上海营养与健康研究所李海鹏研究组与华东师范大学脑功能基因组学研究所潘逸萱研究组合作的结晶。相关成果于北京时间今天（1日）凌晨2时在国际顶尖学术期刊《科学》（Science）上在线发表。

图说：中国科学院上海营养与健康研究所研究员李海鹏介绍科研成果 郜阳 摄

缺少DNA“逼出”新方法

很多人应该还记得去年诺贝尔生理学或医学奖爆出的大冷门，在人类演化以及已灭绝的人类基因组研究方面作出杰出贡献的斯万特·帕博摘下桂冠——十多年前，他发表了首个尼安德特人基因组序列。

这位古DNA研究界大神的获奖也让人们开始思考一个问题：我们为什么要追溯过去？

这个问题，在2013年时，同样萦绕在中国科学院上海营养与健康研究所研究员李海鹏的心头。

“史前人口数量的变化，综合反映了该时期气候环境的变迁，所以通过群体遗传学的研究方法进行回溯，可以更深入地了解现代人类的形成。”他解释。

最近400万年内的人科化石，展示了我们的祖先如何一步步进化演变为现代人；而最近100万年是人类进化的关键时期，即由直立人到现代人的关键时间段。不过，人类群体历史的研究多局限于最近的10万年内，也就是现代人走出非洲、扩散到全世界的那段历史。

“虽然古DNA测序技术发展迅猛，但非洲气候炎热，不利于DNA的保存，所以无法从10万年前非洲人类祖先化石中提取古DNA。”李海鹏表示。

史前虽然没有文字记载群体数量，但有效群体大小会影响每个世代的溯祖率——两个谱系在上一世代来自同一祖先的概率。人类祖先曾在群体基因组中留下印记，反映当时的群体大小，群体历史越久远，留存至今的印记信号越微弱。

为准确解读这些信号，进而准确估算百万年前人类群体历史，研究人员创建了群体遗传学和计算生物学新理论：快速极小时间溯祖（FitCoal）。

为古人类群体“人口普查”装上“八倍镜”

“此前，已有方法对10万年以内的群体历史有较为准确的估计，为了估计百万年前的群体历史，就需要设计一个高精度的新方法了。”李海鹏打比方说，以前的方法就好像100米内用手枪瞄准，而FitCoal就像是装上了“八倍镜”，可以看清千米内的目标了。

据了解，遵循这一理论进行数学推导，获得在任意群体模型下突变频谱对应溯祖树枝长期望值的解析解，计算出观察到样本突变频谱的概率，进而估计群体历史。通俗来说，FitCoal无需事先获得群体历史的先验知识，即可自动快速搜寻出极大似然值，从而估算群体历史，对古人类群体进行“人口普查”。

研究人员通过设定群体历史模型并分析模拟产生的DNA多态数据，衡量估计群体历史的无偏性和95%置信区间，评判了FitCoal的准确程度：FitCoal估计的群体历史不但是无偏的，而且置信区间小于目前领域内常用的三种方法。

研究人员进一步通过大量的计算机模拟，分析不同条件下的群体历史，包括群体交融和自然选择，所有结果均表明FitCoal可以精准地估计百万年内的人类群体历史。

长期从事群体遗传学和进化基因组学方面研究的美国南佛罗里达大学教授刘晓明认为，这是目前为止最为准确地估计有效群体规模历史的方法，而且这个方法具有数据形式适应性强，计算速度快等一系列优点，有非常广泛的应用前景。

基于FitCoal，研究人员分析了来自千人基因组和HGDP-CEPH基因组计划产生的、共50个现代人类群体的基因组数据，首次发现在距今93.0万年前，人类祖先由于早、中更新世过渡期的气候剧烈变化，在短期内丧失了约98.7%的成员个体，几乎灭绝。在长达11.7万年的时间里平均成年个体数仅为1280。

“回顾之前的人类有效群体规模历史的研究，其实这一瓶颈事件也并非无迹可寻。”刘晓明教授指出，这项研究是一个非常好的方法学推动科学发展的案例。

发现“古事”更要启迪未来

值得一提的是，上海科学家领衔发现的这一严重的远古群体瓶颈，恰好与非洲人类祖先化石的缺失环节、非洲直立人化石的消失、新的古人类物种的形成、两条古人类2号染色体的融合阶段相对应。

“这一远古时期群体数量的衰减，降低了65.85%现代人群的遗传多样性，对人类生命和健康产生了深远的影响，很可能决定了现代人类许多关键表型的形成。”李海鹏表示。

他介绍，在长达11.7万年的时间内，平均成年个体数刚过千，饥荒是个无法排除的假设。那么科学家们就会进一步想到，什么样的人能在当时的环境下生存，是否是他们能更有效利用能量呢？他进而思考，如今肥胖率上升，又是否和相应的基因突变有关。“我们已经定位了相关基因，今后的研究会靶向遗传学上的改变。”李海鹏透露，如果这一假设成立，则证实全人群都对糖尿病易感，或许会颠覆长久以来人们对该疾病的认识。

在李海鹏看来，这项研究成果有着诸多“溢出效应”：有助于揭示肿瘤的演化，帮助揭开脑容量快速增长的分子机制的秘密……甚至，“千人幸存”的历史或许是人类命运共同体的最早实践。

中国科学院院士、中国科学院上海营养与健康研究所学术所长李林则点了“计算生物学”的名。在此次成果中，这门方兴未艾的学科大显身手。据悉，计算生物学可应用的领域很多，如支持创新药研发、帮助科学家找到疾病背后的科学机理等。“生命科学是基础研究中最重要的组成部分之一，计算生物学在其中占有重要的一席之地，上海营养与健康所将充分发挥融‘营养、大数据、健康’为一体的特色优势，持续产出高质量的基础研究成果。”李林表示。

（新民晚报记者 郜阳）