人类祖先巨大进步，人类祖先最早发现的事情

■本报记者张双虎

中国科学院上海营养与健康研究所研究员、华东师范大学脑功能基因组学研究所副研究员潘创建了快速最小时间溯源新理论，发现人类在早更新世和中更新世过渡期由于气候和环境的剧烈变化，经历了严重的“群体瓶颈”。在十几万年的漫长岁月里，人类祖先只有1000多人，几乎灭绝。相关研究于9月1日在线发表在《科学》杂志上。

这项研究被称为“新理论带来新发现的模型研究”，不仅显示了计算生物学对相关领域的推动和促进作用，也为进一步研究和确定所有人类的发源地提供了关键线索。

走出史前人口普查的困境

“人类起源的问题极其重要，令人着迷，人口数量的变化历史为研究人类起源提供了关键信息。”西湖大学生命科学学院教授杨健说，“最近的一百万年是现代人类进化的关键时期。”

史前人口的变化综合反映了这一时期气候和环境的变化。因此，通过群体遗传学的研究方法，可以深入了解现代人类的形成。现有化石记录显示，近100万年是人类进化的关键时期，但人类群体历史的研究大多局限于最近30万年至10万年。

“虽然近年来古DNA测序技术发展迅速，但由于地球气候不利于DNA保存，无法从30万年前的非洲人类祖先化石中提取古DNA。”李海鹏告诉《中国科学杂志》。

因此，李海鹏和他的合作者一直试图通过新的群体遗传学理论来分析现代人的基因组，研究数百万年前的人口历史。

“虽然没有文字记载史前时期的群体数量，但sewall wright会影响每一代的祖先率，即两个血统在上一代来自同一个祖先的概率。”李海鹏解释说，“因此，可以从人类祖先在种群基因组中留下的印记来推断当时的种群规模。”

虽然找到了研究方法，但新的问题也随之而来。研究人员发现，群体历史越久远，留存至今的印记信号就越弱。

为了准确解读这些信号，进而准确估计数百万年前的人类种群历史，研究人员创造了一种新的种群遗传学和计算生物学理论——Fit Coal。

“根据这一理论，我们可以得到任意种群模型中每个突变类型的解，即突变谱对应的祖先分支长度的期望值，得到准确的似然值，即在种群的历史条件下观察到样本突变谱的概率。”李海鹏说。因此，在没有群体历史先验知识的情况下，FitCoal可以自动快速搜索最大似然值，从而推断出群体历史，对古代人类群体进行“普查”。

新理论导致新发现。

在FitCoal理论的基础上，由中国科学家领导，来自意大利罗马大学、佛罗伦萨大学和德克萨斯大学的研究人员相互合作，通过建立种群历史模型和分析模拟产生的DNA多态性数据，测量估计种群历史的无偏性和95%置信区间。

这是一个判断分析方法准确性的模型。通过模拟两种群历史模型的结果可以看出，FitCoal估计的群历史不仅“无偏”，而且置信区间优于目前该领域常用的三种方法。

通过大量的计算机模拟，研究人员进一步分析了不同条件下的群体历史，包括群体混合和自然选择，发现所有的结果都表明FitCoal可以准确地估计一百万年内的人类群体历史。

基于FitCoal，研究人员进一步分析了千人基因组计划和HGDP-CEPH基因组计划生成的50个现代人类种群的基因组数据，首次发现在93万年前，由于早更新世和中更新世过渡期剧烈的气候变化，人类祖先在短时间内丧失了约98.7%的种群成员，导致人类几近灭绝。

在随后的117000年间，成年个体的平均数量仅为1280个，千人基因组和HGDP-CEPH两个独立数据得出的种群估计值几乎相同，分别为1270个和1300个。考虑到人口的自然波动，这个平均值代表了古代人类群体瓶颈期最小人口的上限。

“这一理论实现了百万年时间尺度上的高精度时间回溯，可以精确估算近期和古代的群史。发现人类祖先经历了严重的群体瓶颈，对人类进化产生了重要影响，可能决定了人类许多关键表型的形成，这是一个里程碑。”杨健说。

最佳“理论框架”

“这是一个关于购买‘隐藏’珍珠的故事。”中山大学生命科学学院教授吴仲义评价说，“这也是近年来少有的发表在《细胞》、《自然》、《科学》上的理论文章。”

吴仲义认为论文只是发表了研究结论，但实际上这一研究的理论框架具有深远的意义。

研究人员使用了南非两个种群的基因组进行进一步验证。虽然样本个体只有6个和8个，但FitCoal还是检测出了古代种群的瓶颈。对非洲人口样本的重采样结果表明，仅用三个基因组就可以利用该理论检测出这一古老的人口瓶颈，进一步验证了该理论的可靠性。

有趣的是，这个远古人口瓶颈恰好对应了非洲人类祖先化石的缺失环节，非洲直立人化石的消失，一个新的古人类物种(LCA)的形成和两个古人类2号染色体的融合阶段。

“这说明早更新世和中更新世过渡期的严重群体瓶颈对人类进化具有关键影响，可能决定了现代人类许多关键表型的形成。”李海鹏说，“古代人口的减少使现代人口的遗传多样性减少了65.85%，对人类的生活和健康产生了深远的影响。”

群体遗传学和人类遗传学专家、美国南佛罗里达大学教授刘晓明认为，FitCoal方法是目前估计有效种群规模历史最准确的方法。而且该方法基于突变光谱数据，具有数据形式适应性强、计算速度快的优点，具有非常广阔的应用前景。

“在科学发现方面，他们首次展示了人类在大约100万年前经历的一次严重群体瓶颈的基因组证据。这一推断与一系列人类学和古气候证据相一致。”刘晓明说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.abq7487