描述
开 本: 32开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787553678351
从提取古埃及木乃伊的DNA到测序尼安德特人的全基因组
从冷战时期的单枪匹马到全球大协作背景下的往来轶事
古DNA领域奠基人的一手回忆，一线科研工作者的立体人生
1856年，也就是达尔文发表《物种起源》的三年前，在德国杜塞尔多夫以东约10千米处的尼安德河谷，清理采石场的工人发现了一个头盖骨和一些骨头。几年后，这些遗骸被鉴定为属于一种已经灭绝的古人类——尼安德特人。他们是谁？大约于3万年前消失的他们，是否与现代人类有过混血？我们体内是否还留存着尼安德特人的古老基因？
本书的作者斯万特·帕博（Svante Pääbo）通过古DNA技术，大胆且严谨地探索了以上问题。《尼安德特人》既是他对古DNA领域从兴起到日趋成熟的*手行业记录，同时也交织着一位科研工作者，真诚面对困惑、失败、质疑、成功与更多未知的精彩经历。从古埃及木乃伊到获得*个尼安德特人线粒体DNA序列，再到发表*个尼安德特人基因组草图；从瞒着导师开展实验，到冷战时期前往民主德国获取样本，再到全球科研协作背景下的交流轶事——帕博在古DNA领域30多年的探索，在“走出非洲”和“多地起源”学说争论之间，拉开了研究古老基因变异如何影响现代人生理的序幕，也见证了一位好奇于古埃及学的医学生到人类演化科研项目组织者的成长。请跟随本书追本溯源，一探我们如何成为人类，又是什么使我们成为人类。
探索现代人起源的不同尝试 吴新智………………………… iii
科学领域的文学之作，文学之作中的严谨科学 马未都 …… v
科学家的好奇心 赖旭龙…………………………………… viii
见证新科学分支的诞生和发展 付巧妹…………………… xi
前 言………………………………………………………… xiv
章 尼安德特人横空出世………………………………… 1
第二章 木乃伊与分子……………………………………… 26
第三章 放大历史…………………………………………… 42
第四章 实验室里的恐龙…………………………………… 56
第五章 人类受挫…………………………………………… 72
第六章 联络克罗地亚……………………………………… 87
第七章 新 家……………………………………………… 94
第八章 多地区起源的争议………………………………… 106
第九章 细胞核测试………………………………………… 117
第十章 向细胞核进发……………………………………… 125
第十一章 启动基因组计划………………………………… 140
第十二章 硬骨头…………………………………………… 156
第十三章 细节中的魔鬼…………………………………… 172
第十四章 绘制基因组图谱………………………………… 183
第十五章 从骨头到基因组………………………………… 190
第十六章 有基因流动吗…………………………………… 201
第十七章 初 瞥…………………………………………… 212
第十八章 基因流动………………………………………… 220
第十九章 替代人群………………………………………… 234
第二十章 人类的本质……………………………………… 243
第二十一章 公布基因组…………………………………… 254
第二十二章 不同寻常的手指……………………………… 267
第二十三章 尼安德特人的亲戚…………………………… 282
后 记………………………………………………………… 297
注 释………………………………………………………… 301
索 引………………………………………………………… 310
出版后记……………………………………………………… 317
帕博用*人称的视角为我们讲述了引人入胜的古遗传学研究发展，以及使该领域成为可能的技术革新。
——《科学》
《尼安德特人》展现了一个新兴科学领域的发展历史。
——卡尔·齐默，《纽约时报·书评》
如果有一个人的名字是与古DNA绑定在一起的，那非斯万特·帕博莫属……《尼安德特人》的出版及时，且行文流畅。推荐。
——《自然》
1996年的某个深夜，我刚在床上睡下，电话就响了。那是我在慕尼黑大学动物学研究所实验室的研究生马蒂亚斯·克林斯（Matthias Krings）打来的。他就说了一句话：“那不是人类的。”
“我马上过来。”我嘟囔着，套上衣服，开车穿过整座城市来到实验室。那天下午，马蒂亚斯启动了我们的DNA测序仪，放入他之前提取和扩增好的DNA—这些DNA取自收藏在波恩莱茵博物馆的尼安德特人上的一小块肩胛骨。多年来我们得到过太多令人失望的结果，所以我并不抱太大希望。无论我们怎样提取，得到的十之八九都是自其出土约140年来渗入到骨头中的细菌或人类的DNA。但在电话里，马蒂亚斯听起来很激动。他真的提取到了尼安德特人身上的遗传物质？还是别抱过多期望为好。
来到实验室，我发现马蒂亚斯和拉尔夫·施米茨（Ralf Schmitz）在一起。这位年轻的考古学家曾帮助我们从存放在波恩的尼安德特人化石中取到一小块肩胛骨。当他们给我看一串从测序仪中得出的A、C、G、T序列时，这两人都情不自禁地笑了。我和他们以前都不曾见过这样的序列。
对于外行来说，这似乎只是一个由四个字母组成的随机序列，事实上，它们是DNA化学结构的简明表示，而作为遗传物质的DNA几乎存在于身体的每个细胞。DNA的双螺旋结构为人们所熟知，其中的两股链由核苷酸腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶组成，分别缩写为A、T、G和C。这些核苷酸的排列顺序储存着让我们身体成形并维持各项功能运作的遗传信息。我们所研究的特殊DNA片段是线粒体基因，即mtDNA，它经由母亲的卵细胞转递给后代。线粒体DNA的数百份拷贝都储存在细胞内的微小结构—线粒体中，并且这些DNA携带的特定信息对于线粒体的产能来说十分必要。我们每个人都只携带一种线粒体DNA，它只占了我们基因组的0.000 5%。由于我们的每个细胞均携带着成千上万个同类型线粒体DNA的拷贝，所以特别容易研究。它不像我们携带的其他的DNA只有两份拷贝，一份来自母亲一份来自父亲，且均存储在细胞核内。截至1996年，我们已研究了几千份来自世界各地的人类线粒体DNA序列。通常这些序列会被拿来与个已确定的人类线粒体DNA序列进行比较，因而这个常见的参考序列可以用来编译列表，展示不同位置的具体差异。让我们大喜过望的是，从尼安德特人骨中得到的序列所包含的变化，不曾出现在之前研究过的数千份人类DNA序列中。我简直不敢相信这是真的。
每每得到激动人心或意想不到的结果时，我的心中便会充满怀疑。我会仔细检查所有出错的可能。也许有人用牛皮制成的胶处理了骨头的某个部位，所以我们才会在实验结果中发现牛的线粒体DNA。但是这种可能很快被否定了。我们立即检查了牛的线粒体DNA（已经由别人完成测序），发现两者之间存在非常大的差异。这个新的线粒体DNA序列显然非常接近人类的序列，但与已经测过的几千份人类DNA序列相比还是略有不同。我开始相信，这确实是提取并测序自一种已灭绝人类的DNA片段。
我们打开一瓶存放在实验室咖啡厅冰箱里的香槟。我们知道，如果我们所看到的真的是尼安德特人的DNA，那么自此便开启了无限可能。也许有一天，我们真的能比较尼安德特人和现存人类的所有基因或任何特定的基因。当我穿过漆黑静谧的慕尼黑走回家时（我喝了太多香槟无法开车），我简直不敢相信所发生的事情。回到床上，我辗转反侧无法入睡。我一直在想尼安德特人的事情，以及我们刚刚获得的那个线粒体DNA样本。
1856年，达尔文的《物种起源》出版的前三年，在杜塞尔多夫以东约10千米处的尼安德特河谷，工人在清理采石场的一个小山洞时，发现了一个头盖骨和一些骨头。他们认为这些骨头来自熊。但几年之后，这些遗骸被鉴定为来自一种已灭绝的人类。这是首次有人描述此类遗骸。此发现震惊了博物学界。多年来，关于这些骨头的研究一直在持续开展，并且发现了更多类似的骨头。这些研究想要知道尼安德特人是谁？他们是如何生活的？他们为什么在大约3万年前消失？在欧洲和尼安德特人共存的数千年间，我们现代的祖先与他们是如何互动的，他们是朋友还是敌人？尼安德特人是我们的祖先，抑或我们失联已久的表亲（见图1.1）？尼安德特人行为特征方面的迷人细节对我们而言并不陌生，如照料伤患、举行葬礼仪式，甚至创作音乐等。考古遗址的发掘结果告诉我们，相较任何现今的猿类，尼安德特人与我们更相像。那么，到底有多像呢？他们是否会说话？他们是否是人类家族演化分支中走入末路的一个物种？抑或是，他们的一些基因流传至今，现在仍隐藏在我们体内？这些问题都已成为古人类学的重要课题。可以说这个学科领域在那些骨头从尼安德谷发现之时便开始建立，而现在已经可以从那些骨头中得到遗传信息了。
这些问题本身就足够有趣。不过在我看来，尼安德特人的骨头片段会带来更大的惊喜。尼安德特人是现代人类为近缘的已灭绝的亲属。如果研究他们的DNA，我们无疑会发现他们的基因和我们的非常相似。几年前，我的团队对黑猩猩基因组中的大量DNA片段进行了测序。结果表明，在我们人类与黑猩猩共有的DNA序列中，只有略高于1%的核苷酸存在差异。显然，尼安德特人肯定比这个结果更接近于我们人类。但是（这令人倍感欢欣鼓舞），我们在尼安德特人的基因组中找到的这些差异，其中一定有一些会将我们区别于早期的人类祖先。这些祖先不仅仅是尼安德特人，还有生活在大约160万年前的图尔卡纳男孩（Turkana Boy）、大约320万年前的露西（Lucy）以及50多万年前的北京人（Peking Man）。也正是由这些少数差异构成的生物学基础，使现代人类诞生之后又演化出了全新的行为模式，包括出现迅速发展的技术、我们如今所熟悉的艺术形式，以及目前已知的语言和文化。如果可以研究尼安德特人的DNA，那么我们便可以解开以上所有谜题。怀揣着这样的梦想（或幻想），我终于在旭日东升时进入梦乡。
第二天，马蒂亚斯和我都较晚才到实验室。检查完昨晚的DNA序列，确保我们没有犯任何错误之后，我们坐下来，计划下一步该做什么。从尼安德特人化石中得到一小段看起来有趣的线粒体DNA序列是一回事，但要让我们自己信服这是一个生活在（在如此特殊情况下）大约4万年前的人类的线粒体DNA，又完全是另一回事，更不用说让世界上的其他人都相信了。过去12年的工作经验让我清楚地知道下一步该如何做。首先，我们必须重复试验—不只是后一步，而是所有的步骤，从提取一块新骨头开始，从而证明我们所获得的序列并非来自骨头中严重损坏和历经变化的现代线粒体DNA分子。其次，我们必须延伸线粒体DNA序列，这些序列是通过骨头提取物的重叠DNA片段而得到的。这样我们能够重建一个更长的线粒体DNA序列，从而开始估计尼安德特人的线粒体DNA与当今人类相比是多么不同。接下来的第三个步骤也是必需的。我自己经常要求，来自古老骨骼的DNA序列需要经由特别的证据证实—即在另一个实验室重复试验。在竞争尤为激烈的科学领域，这是一个不同寻常的步骤。我们肯定会因为宣称获得了尼安德特人DNA而被视为异类。为了排除实验室中未知的错误来源，我们需要与一个独立的实验室分享一些珍贵的骨头材料，并希望他们能重复我们的结果。我与马蒂亚斯和拉尔夫讨论了所有想法。我们制订了工作计划，并彼此发誓在研究团队之外，每个人对于这项研究保密。在确定我们所获的结果真实无误之前，我们不想引起关注。
马蒂亚斯立即开始工作。他曾花了近三年时间试图从埃及木乃伊中提取DNA，不过均徒劳无果。这次前景看好，他信心满满。拉尔夫回到波恩后似乎有些沮丧，因为他只能在那里焦急地等待我们的结果。我试着专注于手头的其他项目，但我很难将马蒂亚斯在做的事完全抛于脑后。
马蒂亚斯要做的事情并非都那么容易。毕竟，我们处理的不是从活人血液样本中提取的完整而纯净的DNA。教科书中干净利落的双链螺旋DNA分子，其核苷酸A、T、G、C以两股糖-磷酸骨架互补配对（腺嘌呤与胸腺嘧啶，鸟嘌呤和胞嘧啶）。当储存在细胞核和细胞线粒体之中时，DNA不是一个静态的化学结构，相反，DNA不断受到化学损伤、被复杂的机制识别和修复。此外，DNA分子非常长。细胞核中的23对染色体中的每一个都包含一个巨大的DNA分子。一组23条染色体全部加起来大约有32亿对核苷酸。由于细胞核有两份基因组拷贝（每份拷贝存储着一组23条染色体，分别继承自我们的母亲和父亲），所以细胞核中包含约64亿个核苷酸对。相较之下，线粒体DNA太小，只包含约16 500个核苷酸对。但考虑到我们的线粒体DNA是古老的，因而测序的挑战极大。
无论是核DNA还是线粒体DNA，常见的自发损伤都是胞嘧啶核苷酸（C）失去氨基，然后变为一个核苷酸；这个核苷酸不是DNA自然产生的，它被称作尿嘧啶（简称为U）。细胞中有酶系统。酶系统会去除这些U并替换成正确的C。丢弃的U终成为细胞垃圾。通过分析随尿液排出的受损核苷酸，我们计算出每天每个细胞大约有1万个C变成U，这些都要被移除并加以更换。这只是我们基因组遭受的几种化学攻击之一。例如，核苷酸会丢失，产生空的位点并导致DNA分子链迅速断裂。在断裂发生之前，有些酶会填补丢失的核苷酸。如果发生断裂，其他酶会将DNA分子重新结合在一起。事实上，如果这些修复系统不复存在，我们细胞中的基因组连保持1个小时的完整状态都做不到。
当然，这些修复系统的运作需要能量供给。我们死后会停止呼吸，体内的细胞耗尽氧气，也就无法制造能量。DNA的修复一旦停止，各种损伤会迅速积累。除了活细胞中不断发生的自发化学损伤，一旦细胞开始分解，很多死亡后的损伤也会开始出现。活细胞的重要功能之一是保持酶和其他物质相互分离隔断。有些隔断中含可以切割DNA链的酶，这些酶对于某些类型的修复而言十分必要。其他隔断中含有可以分隔DNA与各种微生物的酶，这些微生物有的会进入细胞，有的会被细胞吞入。一旦生物体死亡并耗尽能量，隔断膜就会恶化分解，这些酶就会泄漏，并开始不受控制地降解DNA。死亡后的几小时到几天内，我们体内的DNA链被切割成越来越小的碎片，而其他各种形式的损伤也逐步累积。同时，当我们的身体无法维持原有的隔离细菌的屏障时，生活在我们肠道和肺部的细菌开始失控生长。这些过程将一起终摧毁储存在我们DNA中的遗传信息—这些信息曾调控我们身体的形成、持续运转以及各项功能。历经完这个过程，我们便失去了彰显生物独特性的后一道痕迹。从某种意义上说，我们的肉体已彻底死亡。
不过，我们身体中的几万亿个细胞，每个都几乎包含整套DNA。因此，只要身体的某个角落有一些细胞内的DNA逃过被完全分解的过程，那么就会留存下遗传痕迹。例如，酶降解和改变DNA的过程需要水才能运作。如果我们身体的某些部分在DNA降解之前就变干燥，酶降解和改变DNA的过程就会停止，我们的DNA片段有可能会保存很长时间。这种情况是可能发生的。例如，躯体存放在干燥的地方而变成了木乃伊。这样的全身干燥有时是意外发生的，取决于生命终结时所处的环境；也可能是刻意为之。众所周知，古埃及人经常将死者做成木乃伊。在大约5 000至1 500年前，为了能给他们的灵魂提供死后的栖身之所，数十万人的尸体被做成了木乃伊。
即使没有变成木乃伊，身体的某些部位，如骨骼和牙齿，可能在尸体埋藏之后长期保存。这些硬组织含有细胞，这些细胞位于用显微镜才能看到的小孔中，负责骨折后新骨的生成。当这些骨细胞死亡，它们的DNA可能外渗，并与骨头的矿物成分结合在一起，从而阻止酶的进一步攻击。因此，幸运的话，有些DNA可以避开身体死亡后的降解和损伤侵袭而残存下去。
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