古遺傳學

古遺傳學（英語：Archaeogenetics）是運用各種分子遺傳方法和DNA資源研究古DNA的學科，可應用於人類、動物和植物標本的遺傳分析。古代DNA可從各類化石標本中提取，包括骨骼、蛋殼以及人類和動物標本中人工保存的組織；植物方面，古代DNA可從種子和組織中提取。古遺傳學為我們提供了關於古代種群遷徙、馴化事件以及動植物演化的遺傳證據。將古代DNA與現代遺傳種群的DNA交叉比對，研究人員能夠開展比較研究，在古代DNA受損時提供更完整的分析。

「古遺傳學」一詞來源於希臘語詞根arkhaios（意為「古代」）和genetics（意為「遺傳學研究」）。該術語由考古學家科林·倫福儒創造，倫福儒於2000年將其用於描述將遺傳學方法應用於探討歐洲人口史前史的跨學科研究。另一種常被引用的定義來自安東尼奧·阿莫里姆（António Amorim），他於1999年將古遺傳學定義為「將分子遺傳學方法應用於重建人類歷史」的學科。該領域的思想淵源可追溯至鮑林（Linus Pauling）和朱克坎德爾（Emile Zuckerkandl）於1963年提出的分子演化鍾概念。

2021年2月，科學家成功從一頭距今逾百萬年的猛獁象骨骼中提取並測序了迄今已知最古老的DNA。

## 早期研究

路德維克·赫茲菲爾德（Ludwik Hirszfeld, 1884–1954）

路德維克·赫茲菲爾德是一位波蘭微生物學家和血清學家，曾擔任第二屆國際輸血大會血型分組主席。他與埃里希·馮·鄧格爾恩（Erich von Dungern）於1910年共同奠定了血型遺傳學的基礎，並在此後畢生為該領域作出重要貢獻。他長期研究ABO血型。在1919年的一項研究中，赫茲菲爾德記錄了馬其頓前線人員的ABO血型與發色，發現二者之間不存在相關性。他還觀察到，從西歐至印度，A型血頻率呈遞減趨勢，而B型血頻率則相反。他推測，這種東西向血型比率分布源於以A型或B型為主的兩種血型自O型血突變而來，並經由人口遷徙和混居而擴散。赫茲菲爾德的大量研究致力於探討血型與性別、疾病、氣候、年齡、社會階層及種族的關聯。他的研究發現消化性潰瘍在O型血人群中更為多見，且AB型血母親的男女出生比例偏高。

亞瑟·穆蘭特（Arthur Mourant, 1904–1994）

亞瑟·穆蘭特是一位英國血液學家和化學家，曾獲包括皇家學會院士在內的多項殊榮。他整理了現有的血型基因頻率數據，通過對眾多種群血型的研究，為世界基因圖譜的建立作出了重大貢獻。穆蘭特發現了路易斯、漢肖（Henshaw）、凱爾和恆河猴系統的新血型抗原，並分析了血型與多種疾病的關聯。他還深入研究了遺傳多態性的生物學意義。他的工作為古遺傳學奠定了基礎，因為它促進了人與人之間生物親緣關係遺傳證據的分離——此前遺傳證據正是被用於這一目的——並為種群遺傳學理論的檢驗提供了素材。

威廉·博伊德（William C. Boyd, 1903–1983）

威廉·C·博伊德是一位美國免疫化學家和生物化學家，因其1950年代對種族遺傳學的研究而聲名卓著。1940年代，博伊德與卡爾·O·倫科寧（Karl O. Renkonen）獨立發現凝集素對不同血型的反應有所不同——他們發現利馬豆和巢菜的粗提取物能使A型血紅細胞發生凝集，但對B型和O型血無效。這一發現最終促成了數千種含有這類蛋白質的植物被陸續揭示。為探究種族差異以及各種族群體的分布和遷徙規律，博伊德系統性地採集並分類來自世界各地的血液樣本，由此發現血型不受環境影響、屬於遺傳性狀。在其1950年出版的著作《人類遺傳學與種族》（Genetics and the Races of Man）中，博伊德依據不同的血型譜系將世界人口劃分為13個種族，並將人類種族界定為「擁有不同等位基因的種群」。與遺傳性狀相關的遺傳特徵研究中，血型研究至今仍是資訊最為豐富的來源之一。

## 方法

### 化石DNA的保存

化石發掘始於挖掘地點的選擇。潛在發掘地點通常通過對當地礦物學特徵的分析以及對地表骨骼的目視勘察來確定；此外，可攜式X射線螢光儀和密集立體重建（Dense Stereo Reconstruction）等技術手段也可用於發掘區域的探測。發掘工具包括刀具、刷子和尖頭泥鏟，用於將化石從土中取出。

為避免污染古代DNA，標本出土後須立即戴手套處理，並在−20°C條件下保存。在未曾進行其他DNA分析的實驗室中進行分析，也有助於防止污染。骨骼須研磨成粉末，經溶液處理後再進行聚合酶鏈反應（PCR）。用於DNA擴增的樣本不一定是化石骨骼——在某些情況下，經鹽醃或風乾處理的保存皮膚也可用於提取。

DNA保存困難，這是因為骨骼的化石化過程會導致DNA降解，通常由土壤中的細菌和真菌引發化學變化。從化石中提取DNA的最佳時機是出土後不久，因為此時DNA含量約為儲存骨骼的六倍。提取地點的溫度也影響可獲取的DNA量——若化石出土於氣候較暖地區，DNA擴增的成功率會明顯下降。化石所處環境的驟然改變同樣影響DNA保存；挖掘本身導致的環境突變可能引發DNA分子的理化變化。此外，DNA保存還受到出土後處理方式（如沖洗、刷洗和日曬）、pH值、輻射、骨骼和土壤的化學成分以及水文條件等因素的影響。化石DNA的降解可分為三個成岩階段：第一階段為細菌腐爛，估計可導致DNA降解15倍；第二階段為骨骼化學降解，主要通過脫嘌呤作用進行；第三階段發生在化石出土並儲存之後，此時骨骼DNA降解速度最為迅速。

### DNA提取方法

從考古地點採集到標本後，可通過一系列流程從中提取DNA。其中一種常用方法利用矽結合聚合酶鏈反應，從骨骼樣本中採集古代DNA。

從化石中提取古代DNA並進行分析面臨諸多挑戰。DNA會持續斷裂，生物體在世時斷裂可得到修復，但死亡後修復停止，DNA隨之降解，導致樣本中DNA鏈長度約僅100個鹼基對。污染是整個提取過程中的另一重要挑戰：樣本中常混有細菌DNA等外源DNA，因此需要為古代DNA提取工作配備獨立的通風系統和操作空間。新鮮出土的化石是最佳樣本，因為不當沖洗可能導致黴菌滋生。化石來源的DNA中有時還含有抑制DNA複製的化合物。由於標本的獨特性導致實驗難以重複，各方法孰優孰劣也難以形成共識。

基於矽的DNA提取是一種純化方法，用於從考古骨骼文物中提取DNA，所得DNA可經聚合酶鏈反應（PCR）技術進行擴增。該方法以矽作為介質，使DNA與阻礙PCR擴增的其他化石成分分離結合。但矽本身也是強效PCR抑制劑，因此提取後須仔細確保矽已從DNA中徹底去除。基於矽的提取方法的主要步驟如下：

- 清潔骨骼標本並刮去外層
- 優先從緻密骨骼部分取樣
- 將樣本研磨成細粉，加入提取液釋放DNA
- 加入矽溶液並離心，促進DNA結合
- 去除結合液，加入緩衝液將DNA從矽上洗脫

基於矽的DNA提取法主要優點在於操作相對迅速高效，僅需基本的實驗室設備和化學試劑，與樣品量無關，可根據需要調整規模，並能在室溫下進行。然而該方法也存在局限：只適用於骨骼和牙齒樣本，不能用於軟組織；對經博物館處理的非新鮮化石效果較差；且與所有DNA複製技術一樣，存在因污染導致結果誤判的風險。

聚合酶鏈反應是一種可擴增DNA片段的技術，常用於古代DNA的後續分析。其主要步驟為：變性——在高溫下將雙鏈DNA解開為兩條單鏈；退火——將引物DNA鏈與單鏈結合，使Taq聚合酶得以附著；延伸——加入Taq聚合酶，將兩條單鏈各自配對合成為完整的雙鏈。該過程須重複多個循環，在用於古代DNA時循環次數通常更多。PCR方法的挑戰之一在於，針對古代DNA須使用重疊引物對（因其序列較短）；此外，「跳躍PCR」現象可能在不均一樣本的PCR過程中引發重組，增加DNA分析的難度。

### DNA分析方法

從化石中提取的DNA主要通過大規模平行測序進行測序，該技術可同時擴增和測序樣本中的所有DNA片段，即便高度片段化、濃度極低亦可勝任。其原理是在每條單鏈末端附接通用序列，使通用引物得以結合，從而擴增樣本中的全部DNA。與PCR相比，該方法通常成本較高、耗時較長，但考慮到古代DNA擴增所面臨的困難，其綜合效率更高。馬爾古利斯（Margulies）等人開發的一種大規模平行測序方法採用珠基乳液PCR和焦磷酸測序，被證明在古代DNA分析中具有很強的效力，可避免樣品損失、模板底物競爭以及複製過程中的誤差傳遞。

分析古代DNA序列最常用的方法是將其與已知序列進行比對，可依據不同目的採用不同方式。

通過使用BLASTN等軟體將化石DNA序列與已知物種序列進行比對，可確定化石所屬物種。當化石的形態特徵不明確時，這一古遺傳學方法尤為有用。此外，也可通過查找aDNA序列中的特定遺傳標記進行物種鑑定。例如，美洲原住民種群以華萊士（Wallace）等人所界定的特定線粒體RFLP和缺失為特徵。

對古代DNA序列的比較研究還可揭示兩個物種之間的演化關係。古代物種與現存近緣物種DNA之間的鹼基差異數量，可用於推算兩者自共同祖先分化以來的時間。澳大利亞有袋狼和美洲地懶等滅絕物種的系統發育樹，即通過此方法重建。動物的線粒體DNA和植物的葉綠體DNA通常用於這一目的，因為它們在每個細胞中有數百個拷貝，在古代化石中更易獲取。

另一種研究兩個物種親緣關係的方法是核酸雜交。將兩個物種的單鏈DNA片段混合，使其形成互補鹼基配對。親緣關係越近的物種，遺傳組成越相似，雜交信號也越強。Scholz等人對尼安德特人古代DNA（提取自W-NW化石和克拉皮納遺址化石）進行了Southern印跡雜交。結果顯示，古代人類與尼安德特人之間的雜交信號較弱，而古代人類與現代人之間的雜交信號較強；人類與黑猩猩及尼安德特人與黑猩猩之間的雜交強度相近且均較弱。這表明，人類與尼安德特人的親緣關係不如同一物種內兩個個體那樣緊密，但比雙方與黑猩猩的親緣關係更近。

此外，也有研究嘗試解讀古代DNA以獲取古代物種的表型資訊，通常通過將aDNA序列映射到研究較深入的近緣物種核型上實現——這些近緣物種擁有大量相似的表型特徵。例如，格林（Green）等人將尼安德特人Vi-80化石的aDNA序列與現代人X染色體和Y染色體序列進行比對，分別發現每萬個鹼基有2.18和1.62個相似位點，由此推斷Vi-80樣本來自男性個體。其他類似研究還包括：在努比亞古代棉花中發現了與Arabidopsis侏儒症相關的突變，以及對尼安德特人苦味感知基因座的研究。

## 應用

### 人類考古學

#### 非洲

現代人類被認為至少在距今20萬年前（kya）已在非洲完成演化，部分證據甚至指向超過30萬年前。對線粒體DNA（mtDNA）、Y染色體DNA和X染色體DNA的分析表明，最早離開非洲的種群規模約為1500名男性和女性。多項研究表明，在走出非洲的擴張發生之前，種群在一定程度上已具有地理上的「結構性分化」——這從共同mtDNA譜系的古老性可以得到印證。一項針對非洲大陸各地121個種群的研究發現了14個遺傳和語言「簇群」，表明非洲種群存在古老的地理結構。總體而言，基因型和表型分析表明這些種群在其演化歷史的大部分時間裡「規模龐大且高度分化」。

遺傳分析支持考古學假說，即班圖語人群在約5000年前大規模遷徙至非洲南部。微衛星DNA、單核苷酸多態性（SNP）和插入/缺失多態性（INDELS）的研究表明，尼羅-撒哈拉語系人群起源於蘇丹。此外，遺傳證據還顯示，查德湖地區的尼羅-撒哈拉語系後裔族群約於8000年前從蘇丹遷徙至查德湖。遺傳證據還表明，非非洲種群曾對非洲基因庫作出重要貢獻——例如，撒哈拉地區的貝扎人（Beja）攜帶大量中東以及東非庫希特人的DNA。坎恩（Rebecca Cann）、斯通金（Mark Stoneking）和威爾遜（Allan Wilson）於1987年對線粒體DNA的開創性研究，通過分析來自世界各地女性的mtDNA，支持了所有現代人類共同起源於非洲的假說。

#### 歐洲

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mtDNA分析表明，現代人類在距今6至7萬年前以單次遷徙事件占領了歐亞大陸。遺傳證據顯示，人類在近東和歐洲的定居不早於5萬年前。對單倍群U的研究表明，人類自近東分別向歐洲和北非發生了獨立的擴散。

古遺傳學領域的大量研究集中於歐洲的新石器時代轉型。卡瓦利-斯福扎（Cavalli-Sforza）對遺傳-地理格局的分析使其得出結論：新石器時代伊始，大批近東種群湧入歐洲。這一觀點促使他「極力強調擴張中的早期農業人口，而相對忽視本土中石器時代採集狩獵人群」。然而，1990年代的mtDNA分析對此提出了異議：M.B.理查茲（M.B. Richards）估計，現存歐洲人mtDNA中僅有10至22%來源於新石器時代的近東種群，大多數mtDNA「已在中石器和舊石器時代人群中存在」。現代歐洲人mtDNA的大多數「控制區譜系」可追溯至末次冰期最盛期（LGM）結束前後向北歐再定居的建群事件。針對歐洲現存mtDNA的一項研究認為此次再定居發生於LGM結束之後，另一項研究則認為發生在LGM結束之前。單倍群V、H和U5的分析支持歐洲人「先鋒定殖」模式，即新石器時代到來的農業人群吸納了已有採集狩獵人群。此外，對古代DNA（而非僅限於現代DNA）的分析也正在揭示一些新問題：例如，新石器時代與中石器時代DNA的比較表明，乳業的發展早於乳糖耐受的廣泛傳播。卡瓦利-斯福扎（Luigi Luca Cavalli-Sforza）、梅諾齊（Paolo Menozzi）和皮亞扎（Alberto Piazza）於1994年合著的《人類基因的歷史與地理》對歐洲遺傳-地理格局進行了系統分析，為這一領域的研究奠定了重要基礎。

#### 南亞

南亞在現代人類走出非洲後的地理擴散中發揮了重要的廊道作用。根據mtDNA M譜系的研究，部分學者認為印度的最早居民是約4.5至6萬年前進入的南亞-澳大利亞語系人群。印度基因庫的構成來自最早定居者，以及不早於8000年前自西亞和中亞遷入的人群。mtDNA譜系多樣性低於Y染色體譜系的現象表明，這些遷徙活動主要由男性參與。對起源於中亞的mtDNA U譜系兩個子支U2i和U2e的發現，「調整」了關於中亞向印度大規模遷徙的認識，因為兩支譜系早在5萬年前即已分化。此外，U2e在歐洲比例較高而在印度較低，U2i則相反，這表明U2i可能是印度的本土譜系。印度基因組變異聯盟（Indian Genome Variation Consortium）於2008年的研究通過對印度種群進行系統的基因組多樣性分析，為南亞人類遺傳歷史提供了重要的數據基礎。

#### 東亞

對mtDNA和NRY（Y染色體非重組區）序列的分析表明，走出非洲的第一次主要擴散經由阿拉伯半島和印度海岸發生於5至10萬年前；第二次主要擴散則發生於喜馬拉雅山脈以北地區，時間為1.5至5萬年前。

研究者就東亞內部南北向遷徙的程度進行了大量研究。通過比較東北亞和東南亞人群的遺傳多樣性，考古學家得出結論：許多東北亞人群源於東南亞。泛亞SNP研究發現，單倍型多樣性與緯度之間存在「顯著的高度相關性」，結合人口統計學分析，支持東亞人口主要自南向北擴散的假說。古遺傳學還被用於研究該地區的狩獵採集人群，例如日本的阿伊努族和菲律賓的尼格利陀人群體。例如，泛亞SNP研究發現，馬來西亞和菲律賓的尼格利陀種群與當地非尼格利陀種群的親緣關係，比兩個尼格利陀種群之間更為接近，表明尼格利陀和非尼格利陀種群通過同一次入境東亞事件產生關聯；不過也有部分尼格利陀群體與其他群體（包括澳大利亞原住民）具有親緣關係，對此一種可能的解釋是某些尼格利陀群體近期曾與當地種群發生混血。

#### 美洲

古遺傳學被用於更好地理解美洲大陸由亞洲人群定居的歷史。美洲原住民mtDNA單倍群的歷史估計在1.5至2萬年前，但不同研究的估計值存在一定差異。遺傳數據被用於提出關於美洲大陸如何被定居的各種理論。儘管最廣泛接受的理論認為是在末次冰盛期後經由白令陸橋的「三波」遷徙，但遺傳數據也催生了其他假說：例如，一種假說認為約2至1.5萬年前發生了從西伯利亞直至南美洲的遷徙，以及冰川消退後的第二次遷徙。Y染色體數據使部分研究者認為，末次冰盛期後發生了單次遷徙，起源於西伯利亞阿爾泰山地區，時間約在17200至10100年前。對mtDNA和Y染色體DNA的綜合分析揭示出「小型建群種群」的證據。對單倍群的研究使部分科學家認為，從單一小型種群南向遷入美洲是不可能的；而另有分析則表明，若此類遷徙沿海岸線進行，則在數學上是可行的。

#### 澳大利亞與新幾內亞

古遺傳學還被用於研究澳大利亞和新幾內亞的人類定居歷史。澳大利亞和新幾內亞的原住民在表型上高度相似，但mtDNA研究表明，這是由於在相似環境下生活所致的趨同演化。mtDNA非編碼區分析表明，兩地原住民種群之間「沒有相似性」。此外，兩個種群之間不共享任何主要NRY譜系。澳大利亞特有的單一NRY譜系的高頻率，加上「譜系相關Y染色體短串聯重複序列（Y-STR）單倍型的低多樣性」，為澳大利亞發生過「近期建群事件或瓶頸效應」提供了證據。但與此同時，mtDNA多樣性相對較大，表明瓶頸效應主要影響了男性。綜合NRY和mtDNA研究的結果表明，兩個種群的分化時間在5萬年前以上，與近期共同祖先的假說相悖。近年來的研究也注意到，在考古科學中使用古代DNA存在許多倫理和解釋方面的困境：性別、種族或族群等概念被許多學者認為是社會建構的，在不同社會和歷史時期有所不同。將DNA研究與對性別或種族等剛性身份的解讀相結合，可能強化科學中的生物決定論。此外，涉及人類遺骸的古代DNA研究也帶來倫理問題——許多現存的後裔文化將祖先遺骸視為仍在發揮作用的活體，而非僅僅是科學研究的生物樣本。因此，許多考古學家認為，在進行古代DNA研究時，若研究目標與相關活體後裔社會的價值觀相符，應與其開展合作。

### 動植物

古遺傳學已被用於探究動植物馴化的演變歷程。

#### 植物馴化

遺傳學與考古學發現相結合，被用於追溯世界各地最早的植物馴化跡象。然而，由於用於追溯馴化起源的核基因組、線粒體和葉綠體基因組以不同速率演化，這在追溯系譜時造成一定困難。核DNA相較於線粒體DNA和葉綠體DNA更常被選用，原因在於其更高的突變速率以及由較高多態性遺傳標記一致性帶來的種內變異。已發現的作物「馴化基因」（即被選擇性保留或淘汰的性狀）包括：

- tb1（teosinte branched1）——影響玉米的頂端優勢
- tga1（teosinte glume architecture1）——使玉米種粒更便於人類利用
- te1（Terminal ear1）——影響種粒重量
- fw2.2——影響番茄的重量
- BoCal——影響西蘭花和花椰菜的花序

通過對植物馴化的古遺傳學研究，還可以發現最早的全球貿易網路的蹤跡：在某一地區高度選育的農作物出現在原本不應存在的其他地區，即為早期貿易網路存在的證據。

#### 動物馴化

古遺傳學已被用於研究動物的馴化歷程。通過分析馴化動物種群的遺傳多樣性，研究人員可以在DNA中尋找遺傳標記，從而深入了解祖先物種的潛在性狀。這些性狀隨後被用於區分考古遺骸中的野生和馴化標本。遺傳學研究還有助於鑑定馴化動物的祖先物種，而對現存種群遺傳學研究所獲取的資訊，也為考古學家記錄這些祖先物種提供了方向指引。

古遺傳學已被用於追溯豬在舊世界的馴化歷程，相關研究同時揭示了關於早期農業人群的詳細資訊。古遺傳學方法也已被用於研究狗的馴化歷程。遺傳學研究已表明，所有家犬均為灰狼的後代，但犬的馴化發生的時間、地點及次數目前尚無定論。部分遺傳學研究認為存在多次獨立馴化，而另一些研究則持相反意見。考古發現通過提供關於家犬馴化歷程的實物證據，有助於釐清這段複雜的歷史。隨著早期人類馴化狗，考古遺址中埋葬犬只的遺骸日益增多，不僅為考古學家提供了更多研究素材，也為了解早期人類文化提供了線索。