古遗传学

古遗传学（英语：Archaeogenetics）是运用各种分子遗传方法和DNA资源研究古DNA的学科，可应用于人类、动物和植物标本的遗传分析。古代DNA可从各类化石标本中提取，包括骨骼、蛋壳以及人类和动物标本中人工保存的组织；植物方面，古代DNA可从种子和组织中提取。古遗传学为我们提供了关于古代种群迁徙、驯化事件以及动植物演化的遗传证据。将古代DNA与现代遗传种群的DNA交叉比对，研究人员能够开展比较研究，在古代DNA受损时提供更完整的分析。

“古遗传学”一词来源于希腊语词根arkhaios（意为“古代”）和genetics（意为“遗传学研究”）。该术语由考古学家科林·伦福儒创造，伦福儒于2000年将其用于描述将遗传学方法应用于探讨欧洲人口史前史的跨学科研究。另一种常被引用的定义来自安东尼奥·阿莫里姆（António Amorim），他于1999年将古遗传学定义为“将分子遗传学方法应用于重建人类历史”的学科。该领域的思想渊源可追溯至鲍林（Linus Pauling）和朱克坎德尔（Emile Zuckerkandl）于1963年提出的分子演化钟概念。

2021年2月，科学家成功从一头距今逾百万年的猛犸象骨骼中提取并测序了迄今已知最古老的DNA。

## 早期研究

路德维克·赫兹菲尔德（Ludwik Hirszfeld, 1884–1954）

路德维克·赫兹菲尔德是一位波兰微生物学家和血清学家，曾担任第二届国际输血大会血型分组主席。他与埃里希·冯·邓格尔恩（Erich von Dungern）于1910年共同奠定了血型遗传学的基础，并在此后毕生为该领域作出重要贡献。他长期研究ABO血型。在1919年的一项研究中，赫兹菲尔德记录了马其顿前线人员的ABO血型与发色，发现二者之间不存在相关性。他还观察到，从西欧至印度，A型血频率呈递减趋势，而B型血频率则相反。他推测，这种东西向血型比率分布源于以A型或B型为主的两种血型自O型血突变而来，并经由人口迁徙和混居而扩散。赫兹菲尔德的大量研究致力于探讨血型与性别、疾病、气候、年龄、社会阶层及种族的关联。他的研究发现消化性溃疡在O型血人群中更为多见，且AB型血母亲的男女出生比例偏高。

亚瑟·穆兰特（Arthur Mourant, 1904–1994）

亚瑟·穆兰特是一位英国血液学家和化学家，曾获包括皇家学会院士在内的多项殊荣。他整理了现有的血型基因频率数据，通过对众多种群血型的研究，为世界基因图谱的建立作出了重大贡献。穆兰特发现了路易斯、汉肖（Henshaw）、凯尔和恒河猴系统的新血型抗原，并分析了血型与多种疾病的关联。他还深入研究了遗传多态性的生物学意义。他的工作为古遗传学奠定了基础，因为它促进了人与人之间生物亲缘关系遗传证据的分离——此前遗传证据正是被用于这一目的——并为种群遗传学理论的检验提供了素材。

威廉·博伊德（William C. Boyd, 1903–1983）

威廉·C·博伊德是一位美国免疫化学家和生物化学家，因其1950年代对种族遗传学的研究而声名卓著。1940年代，博伊德与卡尔·O·伦科宁（Karl O. Renkonen）独立发现凝集素对不同血型的反应有所不同——他们发现利马豆和巢菜的粗提取物能使A型血红细胞发生凝集，但对B型和O型血无效。这一发现最终促成了数千种含有这类蛋白质的植物被陆续揭示。为探究种族差异以及各种族群体的分布和迁徙规律，博伊德系统性地采集并分类来自世界各地的血液样本，由此发现血型不受环境影响、属于遗传性状。在其1950年出版的著作《人类遗传学与种族》（Genetics and the Races of Man）中，博伊德依据不同的血型谱系将世界人口划分为13个种族，并将人类种族界定为“拥有不同等位基因的种群”。与遗传性状相关的遗传特征研究中，血型研究至今仍是信息最为丰富的来源之一。

## 方法

### 化石DNA的保存

化石发掘始于挖掘地点的选择。潜在发掘地点通常通过对当地矿物学特征的分析以及对地表骨骼的目视勘察来确定；此外，便携式X射线荧光仪和密集立体重建（Dense Stereo Reconstruction）等技术手段也可用于发掘区域的探测。发掘工具包括刀具、刷子和尖头泥铲，用于将化石从土中取出。

为避免污染古代DNA，标本出土后须立即戴手套处理，并在−20°C条件下保存。在未曾进行其他DNA分析的实验室中进行分析，也有助于防止污染。骨骼须研磨成粉末，经溶液处理后再进行聚合酶链反应（PCR）。用于DNA扩增的样本不一定是化石骨骼——在某些情况下，经盐腌或风干处理的保存皮肤也可用于提取。

DNA保存困难，这是因为骨骼的化石化过程会导致DNA降解，通常由土壤中的细菌和真菌引发化学变化。从化石中提取DNA的最佳时机是出土后不久，因为此时DNA含量约为储存骨骼的六倍。提取地点的温度也影响可获取的DNA量——若化石出土于气候较暖地区，DNA扩增的成功率会明显下降。化石所处环境的骤然改变同样影响DNA保存；挖掘本身导致的环境突变可能引发DNA分子的理化变化。此外，DNA保存还受到出土后处理方式（如冲洗、刷洗和日晒）、pH值、辐射、骨骼和土壤的化学成分以及水文条件等因素的影响。化石DNA的降解可分为三个成岩阶段：第一阶段为细菌腐烂，估计可导致DNA降解15倍；第二阶段为骨骼化学降解，主要通过脱嘌呤作用进行；第三阶段发生在化石出土并储存之后，此时骨骼DNA降解速度最为迅速。

### DNA提取方法

从考古地点采集到标本后，可通过一系列流程从中提取DNA。其中一种常用方法利用硅结合聚合酶链反应，从骨骼样本中采集古代DNA。

从化石中提取古代DNA并进行分析面临诸多挑战。DNA会持续断裂，生物体在世时断裂可得到修复，但死亡后修复停止，DNA随之降解，导致样本中DNA链长度约仅100个碱基对。污染是整个提取过程中的另一重要挑战：样本中常混有细菌DNA等外源DNA，因此需要为古代DNA提取工作配备独立的通风系统和操作空间。新鲜出土的化石是最佳样本，因为不当冲洗可能导致霉菌滋生。化石来源的DNA中有时还含有抑制DNA复制的化合物。由于标本的独特性导致实验难以重复，各方法孰优孰劣也难以形成共识。

基于硅的DNA提取是一种纯化方法，用于从考古骨骼文物中提取DNA，所得DNA可经聚合酶链反应（PCR）技术进行扩增。该方法以硅作为介质，使DNA与阻碍PCR扩增的其他化石成分分离结合。但硅本身也是强效PCR抑制剂，因此提取后须仔细确保硅已从DNA中彻底去除。基于硅的提取方法的主要步骤如下：

- 清洁骨骼标本并刮去外层
- 优先从致密骨骼部分取样
- 将样本研磨成细粉，加入提取液释放DNA
- 加入硅溶液并离心，促进DNA结合
- 去除结合液，加入缓冲液将DNA从硅上洗脱

基于硅的DNA提取法主要优点在于操作相对迅速高效，仅需基本的实验室设备和化学试剂，与样品量无关，可根据需要调整规模，并能在室温下进行。然而该方法也存在局限：只适用于骨骼和牙齿样本，不能用于软组织；对经博物馆处理的非新鲜化石效果较差；且与所有DNA复制技术一样，存在因污染导致结果误判的风险。

聚合酶链反应是一种可扩增DNA片段的技术，常用于古代DNA的后续分析。其主要步骤为：变性——在高温下将双链DNA解开为两条单链；退火——将引物DNA链与单链结合，使Taq聚合酶得以附着；延伸——加入Taq聚合酶，将两条单链各自配对合成为完整的双链。该过程须重复多个循环，在用于古代DNA时循环次数通常更多。PCR方法的挑战之一在于，针对古代DNA须使用重叠引物对（因其序列较短）；此外，“跳跃PCR”现象可能在不均一样本的PCR过程中引发重组，增加DNA分析的难度。

### DNA分析方法

从化石中提取的DNA主要通过大规模平行测序进行测序，该技术可同时扩增和测序样本中的所有DNA片段，即便高度片段化、浓度极低亦可胜任。其原理是在每条单链末端附接通用序列，使通用引物得以结合，从而扩增样本中的全部DNA。与PCR相比，该方法通常成本较高、耗时较长，但考虑到古代DNA扩增所面临的困难，其综合效率更高。马尔古利斯（Margulies）等人开发的一种大规模平行测序方法采用珠基乳液PCR和焦磷酸测序，被证明在古代DNA分析中具有很强的效力，可避免样品损失、模板底物竞争以及复制过程中的误差传递。

分析古代DNA序列最常用的方法是将其与已知序列进行比对，可依据不同目的采用不同方式。

通过使用BLASTN等软件将化石DNA序列与已知物种序列进行比对，可确定化石所属物种。当化石的形态特征不明确时，这一古遗传学方法尤为有用。此外，也可通过查找aDNA序列中的特定遗传标记进行物种鉴定。例如，美洲原住民种群以华莱士（Wallace）等人所界定的特定线粒体RFLP和缺失为特征。

对古代DNA序列的比较研究还可揭示两个物种之间的演化关系。古代物种与现存近缘物种DNA之间的碱基差异数量，可用于推算两者自共同祖先分化以来的时间。澳大利亚有袋狼和美洲地懒等灭绝物种的系统发育树，即通过此方法重建。动物的线粒体DNA和植物的叶绿体DNA通常用于这一目的，因为它们在每个细胞中有数百个拷贝，在古代化石中更易获取。

另一种研究两个物种亲缘关系的方法是核酸杂交。将两个物种的单链DNA片段混合，使其形成互补碱基配对。亲缘关系越近的物种，遗传组成越相似，杂交信号也越强。Scholz等人对尼安德特人古代DNA（提取自W-NW化石和克拉皮纳遗址化石）进行了Southern印迹杂交。结果显示，古代人类与尼安德特人之间的杂交信号较弱，而古代人类与现代人之间的杂交信号较强；人类与黑猩猩及尼安德特人与黑猩猩之间的杂交强度相近且均较弱。这表明，人类与尼安德特人的亲缘关系不如同一物种内两个个体那样紧密，但比双方与黑猩猩的亲缘关系更近。

此外，也有研究尝试解读古代DNA以获取古代物种的表型信息，通常通过将aDNA序列映射到研究较深入的近缘物种核型上实现——这些近缘物种拥有大量相似的表型特征。例如，格林（Green）等人将尼安德特人Vi-80化石的aDNA序列与现代人X染色体和Y染色体序列进行比对，分别发现每万个碱基有2.18和1.62个相似位点，由此推断Vi-80样本来自男性个体。其他类似研究还包括：在努比亚古代棉花中发现了与Arabidopsis侏儒症相关的突变，以及对尼安德特人苦味感知基因座的研究。

## 应用

### 人类考古学

#### 非洲

现代人类被认为至少在距今20万年前（kya）已在非洲完成演化，部分证据甚至指向超过30万年前。对线粒体DNA（mtDNA）、Y染色体DNA和X染色体DNA的分析表明，最早离开非洲的种群规模约为1500名男性和女性。多项研究表明，在走出非洲的扩张发生之前，种群在一定程度上已具有地理上的“结构性分化”——这从共同mtDNA谱系的古老性可以得到印证。一项针对非洲大陆各地121个种群的研究发现了14个遗传和语言“簇群”，表明非洲种群存在古老的地理结构。总体而言，基因型和表型分析表明这些种群在其演化历史的大部分时间里“规模庞大且高度分化”。

遗传分析支持考古学假说，即班图语人群在约5000年前大规模迁徙至非洲南部。微卫星DNA、单核苷酸多态性（SNP）和插入/缺失多态性（INDELS）的研究表明，尼罗-撒哈拉语系人群起源于苏丹。此外，遗传证据还显示，乍得湖地区的尼罗-撒哈拉语系后裔族群约于8000年前从苏丹迁徙至乍得湖。遗传证据还表明，非非洲种群曾对非洲基因库作出重要贡献——例如，撒哈拉地区的贝扎人（Beja）携带大量中东以及东非库希特人的DNA。坎恩（Rebecca Cann）、斯通金（Mark Stoneking）和威尔逊（Allan Wilson）于1987年对线粒体DNA的开创性研究，通过分析来自世界各地女性的mtDNA，支持了所有现代人类共同起源于非洲的假说。

#### 欧洲

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mtDNA分析表明，现代人类在距今6至7万年前以单次迁徙事件占领了欧亚大陆。遗传证据显示，人类在近东和欧洲的定居不早于5万年前。对单倍群U的研究表明，人类自近东分别向欧洲和北非发生了独立的扩散。

古遗传学领域的大量研究集中于欧洲的新石器时代转型。卡瓦利-斯福扎（Cavalli-Sforza）对遗传-地理格局的分析使其得出结论：新石器时代伊始，大批近东种群涌入欧洲。这一观点促使他“极力强调扩张中的早期农业人口，而相对忽视本土中石器时代采集狩猎人群”。然而，1990年代的mtDNA分析对此提出了异议：M.B.理查兹（M.B. Richards）估计，现存欧洲人mtDNA中仅有10至22%来源于新石器时代的近东种群，大多数mtDNA“已在中石器和旧石器时代人群中存在”。现代欧洲人mtDNA的大多数“控制区谱系”可追溯至末次冰期最盛期（LGM）结束前后向北欧再定居的建群事件。针对欧洲现存mtDNA的一项研究认为此次再定居发生于LGM结束之后，另一项研究则认为发生在LGM结束之前。单倍群V、H和U5的分析支持欧洲人“先锋定殖”模式，即新石器时代到来的农业人群吸纳了已有采集狩猎人群。此外，对古代DNA（而非仅限于现代DNA）的分析也正在揭示一些新问题：例如，新石器时代与中石器时代DNA的比较表明，乳业的发展早于乳糖耐受的广泛传播。卡瓦利-斯福扎（Luigi Luca Cavalli-Sforza）、梅诺齐（Paolo Menozzi）和皮亚扎（Alberto Piazza）于1994年合著的《人类基因的历史与地理》对欧洲遗传-地理格局进行了系统分析，为这一领域的研究奠定了重要基础。

#### 南亚

南亚在现代人类走出非洲后的地理扩散中发挥了重要的廊道作用。根据mtDNA M谱系的研究，部分学者认为印度的最早居民是约4.5至6万年前进入的南亚-澳大利亚语系人群。印度基因库的构成来自最早定居者，以及不早于8000年前自西亚和中亚迁入的人群。mtDNA谱系多样性低于Y染色体谱系的现象表明，这些迁徙活动主要由男性参与。对起源于中亚的mtDNA U谱系两个子支U2i和U2e的发现，“调整”了关于中亚向印度大规模迁徙的认识，因为两支谱系早在5万年前即已分化。此外，U2e在欧洲比例较高而在印度较低，U2i则相反，这表明U2i可能是印度的本土谱系。印度基因组变异联盟（Indian Genome Variation Consortium）于2008年的研究通过对印度种群进行系统的基因组多样性分析，为南亚人类遗传历史提供了重要的数据基础。

#### 东亚

对mtDNA和NRY（Y染色体非重组区）序列的分析表明，走出非洲的第一次主要扩散经由阿拉伯半岛和印度海岸发生于5至10万年前；第二次主要扩散则发生于喜马拉雅山脉以北地区，时间为1.5至5万年前。

研究者就东亚内部南北向迁徙的程度进行了大量研究。通过比较东北亚和东南亚人群的遗传多样性，考古学家得出结论：许多东北亚人群源于东南亚。泛亚SNP研究发现，单倍型多样性与纬度之间存在“显著的高度相关性”，结合人口统计学分析，支持东亚人口主要自南向北扩散的假说。古遗传学还被用于研究该地区的狩猎采集人群，例如日本的阿伊努族和菲律宾的尼格利陀人群体。例如，泛亚SNP研究发现，马来西亚和菲律宾的尼格利陀种群与当地非尼格利陀种群的亲缘关系，比两个尼格利陀种群之间更为接近，表明尼格利陀和非尼格利陀种群通过同一次入境东亚事件产生关联；不过也有部分尼格利陀群体与其他群体（包括澳大利亚原住民）具有亲缘关系，对此一种可能的解释是某些尼格利陀群体近期曾与当地种群发生混血。

#### 美洲

古遗传学被用于更好地理解美洲大陆由亚洲人群定居的历史。美洲原住民mtDNA单倍群的历史估计在1.5至2万年前，但不同研究的估计值存在一定差异。遗传数据被用于提出关于美洲大陆如何被定居的各种理论。尽管最广泛接受的理论认为是在末次冰盛期后经由白令陆桥的“三波”迁徙，但遗传数据也催生了其他假说：例如，一种假说认为约2至1.5万年前发生了从西伯利亚直至南美洲的迁徙，以及冰川消退后的第二次迁徙。Y染色体数据使部分研究者认为，末次冰盛期后发生了单次迁徙，起源于西伯利亚阿尔泰山地区，时间约在17200至10100年前。对mtDNA和Y染色体DNA的综合分析揭示出“小型建群种群”的证据。对单倍群的研究使部分科学家认为，从单一小型种群南向迁入美洲是不可能的；而另有分析则表明，若此类迁徙沿海岸线进行，则在数学上是可行的。

#### 澳大利亚与新几内亚

古遗传学还被用于研究澳大利亚和新几内亚的人类定居历史。澳大利亚和新几内亚的原住民在表型上高度相似，但mtDNA研究表明，这是由于在相似环境下生活所致的趋同演化。mtDNA非编码区分析表明，两地原住民种群之间“没有相似性”。此外，两个种群之间不共享任何主要NRY谱系。澳大利亚特有的单一NRY谱系的高频率，加上“谱系相关Y染色体短串联重复序列（Y-STR）单倍型的低多样性”，为澳大利亚发生过“近期建群事件或瓶颈效应”提供了证据。但与此同时，mtDNA多样性相对较大，表明瓶颈效应主要影响了男性。综合NRY和mtDNA研究的结果表明，两个种群的分化时间在5万年前以上，与近期共同祖先的假说相悖。近年来的研究也注意到，在考古科学中使用古代DNA存在许多伦理和解释方面的困境：性别、种族或族群等概念被许多学者认为是社会建构的，在不同社会和历史时期有所不同。将DNA研究与对性别或种族等刚性身份的解读相结合，可能强化科学中的生物决定论。此外，涉及人类遗骸的古代DNA研究也带来伦理问题——许多现存的后裔文化将祖先遗骸视为仍在发挥作用的活体，而非仅仅是科学研究的生物样本。因此，许多考古学家认为，在进行古代DNA研究时，若研究目标与相关活体后裔社会的价值观相符，应与其开展合作。

### 动植物

古遗传学已被用于探究动植物驯化的演变历程。

#### 植物驯化

遗传学与考古学发现相结合，被用于追溯世界各地最早的植物驯化迹象。然而，由于用于追溯驯化起源的核基因组、线粒体和叶绿体基因组以不同速率演化，这在追溯系谱时造成一定困难。核DNA相较于线粒体DNA和叶绿体DNA更常被选用，原因在于其更高的突变速率以及由较高多态性遗传标记一致性带来的种内变异。已发现的作物“驯化基因”（即被选择性保留或淘汰的性状）包括：

- tb1（teosinte branched1）——影响玉米的顶端优势
- tga1（teosinte glume architecture1）——使玉米种粒更便于人类利用
- te1（Terminal ear1）——影响种粒重量
- fw2.2——影响番茄的重量
- BoCal——影响西兰花和花椰菜的花序

通过对植物驯化的古遗传学研究，还可以发现最早的全球贸易网络的踪迹：在某一地区高度选育的农作物出现在原本不应存在的其他地区，即为早期贸易网络存在的证据。

#### 动物驯化

古遗传学已被用于研究动物的驯化历程。通过分析驯化动物种群的遗传多样性，研究人员可以在DNA中寻找遗传标记，从而深入了解祖先物种的潜在性状。这些性状随后被用于区分考古遗骸中的野生和驯化标本。遗传学研究还有助于鉴定驯化动物的祖先物种，而对现存种群遗传学研究所获取的信息，也为考古学家记录这些祖先物种提供了方向指引。

古遗传学已被用于追溯猪在旧世界的驯化历程，相关研究同时揭示了关于早期农业人群的详细信息。古遗传学方法也已被用于研究狗的驯化历程。遗传学研究已表明，所有家犬均为灰狼的后代，但犬的驯化发生的时间、地点及次数目前尚无定论。部分遗传学研究认为存在多次独立驯化，而另一些研究则持相反意见。考古发现通过提供关于家犬驯化历程的实物证据，有助于厘清这段复杂的历史。随着早期人类驯化狗，考古遗址中埋葬犬只的遗骸日益增多，不仅为考古学家提供了更多研究素材，也为了解早期人类文化提供了线索。