追寻人类祖先的足迹.pdf
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追寻人类祖先的足迹 金 力 生命科学学院 人类从哪里来？ 东亚人从哪里来？ 直立人 现代人 何时何地？ 如何来此？ 源 人的起源 遗传学 视角 流 人的迁徙 现代人群 遗传结构 人类 进化史 人类的分类学地位 1758 林奈将人、猿和猴归为灵长类，并将Homo sapiens赋予人类。 目前的分类： Kingdom: Animalia 动物界 Phylum: Chordata脊索动物门 Class: mammalia 哺乳纲 Infraclass: Eutheria真哺乳亚纲 Order: Primates 灵长目 Superfamily: Hominoidea人总科 人科 Family: Hominidae 人属 Genus: Homo 人 Species: sapiens 人类是灵长动物（primates） 劳亚兽总目 灵长总目 真哺乳亚纲 贫齿总目 非洲兽总目 哺乳纲 灵长目 啮齿目 兔形目 皮翼目 樹鼩目 我们是人 人类是猿（Apes） 捻鼻次亞目 干鼻次亞目 类人猿 阔鼻猿 狹鼻猿 狐猴 蜂猴 眼镜猴 灵长目 人类的近亲们 人类进化历程的四大阶段 南方古猿 能人 700万～160万年前 直立人 200万～20万年前 早期智人 80万～3万年前 晚期智人 （现代人） 20万前～现在 人类祖先（>420万年前） 6-7 MYA 5-6 MYA 5.2-5.8 MYA 乍得沙赫人地猿始祖种 图根原人 南方古猿（420 – 200万年前） 汤恩男孩 200万年前 体格粗壮 脑袋很小 嘴巴向前突出 大下颌 A. Afarensis 露西少女 320万年前 直立人（190-160万年前） 直立人 180万年前 能人 Nariokotome boy 图尔卡那男孩 160万年前 发现直立人化石的主要地点 • 直立人扩散到亚、非、欧三大洲。主要集中在亚洲的南部 和中部、非洲的东部和西北部，以及欧洲的西部地区。 直立人征服欧亚大陆的可能路线图 早期智人（80 – 3万年前） 尼安德特人 25 – 2.8 万年前 欧洲/西非 脑容量大于现代人 海德堡人 80 – 20万年前 非洲/欧洲 解剖学上的现代人（晚期智人） • Anatomically modern humans (AMH) • AMH 与古人类的差别 – 头盖骨的球形程度 – 脸的扁平程度 • AMH分布 – Herto（埃塞俄比亚）：16万年前 – Omo-Kibish （埃塞俄比亚）： 13万年前 – Klasies River Mouth （南非）： 12 – 9万年前 – 以色列: 10-9万年前 – 柳江 （中国）：6.7万年前 – Lake Mungo （澳大利亚）：6.2万年前 – East Timor （印度尼西亚）：3.5-3万年前 – Isturitz （法国）： < 3.9万年前 时间（百万年前） 古人类化石的地理分布及时间 4百万年前 2百万年前 非洲 尼安德特人 晚期智人 非洲及非洲以外 人类起源的共识和争议 共识 争议 人类与黑猩猩有共同的祖先 （700-400万年前） 没有争议 人类进化：南方古猿、直立 人、早期智人、现代人四个 阶段 各大洲的直立人来源于非洲 早期智人来源于直立人 在非洲发生没有争议。但非 洲以外直立人、早期智人、 现代人间的进化关系如何？ 没有争议 现代人来源于直立人 各大洲的直立人是否独立进 化为现代人？ 各大洲的直立人是否独立进 化为早期智人？ 东亚-东南亚的语言分布 阿尔泰语系 汉藏语系 苗瑶语系 侗傣语系 南亚语系 南岛语系 民族的多样性 什么是科学研究？ 建立新的假设 设计、完成实验 进行观察 获得、分析数据 支持或推翻假设 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 多地区起源说 非洲起源说 100-200 万年 直立人 晚期智人 10-20 万年 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 东亚发现的古人类化石 直立人 早期智人 晚期智人 Yiyuan Dingcun Jinniushan Zhoukoudian (“Peking Man”) Upper-Cave Dali Xujiaoyao Chenjiawo (Lantian) Tongzi Hexian Yuanxian 1 and 2 Nanjing Changyang Gongwangling (Lantian) 800 KYA Chaoxian 500 KYA 300 KYA South China Maba Liujiang 100 KYA 50 KYA 化石证据 • 面临的挑战： – 稀少 • 分布密度低 • 骨骼化石化难 – 不完整 • Tough bones: 头盖骨, 下巴, 牙齿 – 多样性 • 两性差异 • 地区差别 • 群体特异性差 – 随年代变化 – 形态上的模糊性、复杂性 – 年代确定难 形态特征与遗传特征的比较 • 形态特征: –复杂、模糊 –群体特异性差 • 遗传特征（遗传标记）: –确定 –群体特异性好 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 多地区起源说 非洲起源说 100-200 万年 直立人 晚期智人 10-20 万年 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 14.3万年前 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 非洲起源说 现代人类起源于非洲，并于约10万年 前起自非洲向世界各地迁移。 一、 近代起源 二、 来自非洲 “夏娃理论”的核心： 1、具有现代人特征的人类最早出现在非洲，生活在距 今大约29万～14万年前，平均时间为20万年前； 2、这批现代人在大约18万～9万年前，平均时间约13 万年前开始向世界各地扩散，并取代了当地的土著 直立人和早期智人； 3、来自非洲的现代人祖先没有和当地土著人类发生融 合或基因交流，当地的土著居民最终绝灭了。 反方怎么说？ • 人类化石在东亚的连续性 – 时间、形态变化、空间 • 对遗传学证据的批评 – 取样覆盖面和代表性不够 – 分析方法有缺陷 – 仅线粒体DNA证据不说明问题 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 遗传学分析技术的进化 • 1978年 • 80年代中 • 1989年 • 1995年 • 90年代末 RFLP技术 测序技术 微卫星分析技术 Y染色体分析技术 大规模SNP分析技术 90年代初期的遗传学证据 1989年到1994年，大量的遗传学证据无 一例外地显示：非洲人群中的多样性要 远远高于非洲以外的人群。 • 非洲人群相对古老，与非洲起源说一致 • 至少人群的绝大部分来自非洲 人类基因组 碱基数 遗传方式 是否重组 突变速率 群体大小 线粒体 16K 母系 否 快 1/4 Y染色体 60,000K 父系 否 慢 1/4 常染色体 3,000,000K 父母系 是 慢 1 技术突破 • Y染色体多态位点稀少 需要大量测序 • DNA测序非常昂贵 • 方法：先筛选、后测序 • 变性高效液相层析 （DHPLC） H1 M1 M130 M89 H2 H1A M15 H4 M48 M9 H3 H1B H5 M11 7C M176 M122 H5A H5B H5D H6 M46 H5C M7 H7 M119 M95 M45 H9 H11 H14 M88 M111 M120 M3 M50 M110 M134 M103 M5 H17 M17 H8 H10 H12 H13 H15 H16 3 X 36 X 6 = 648 genotyping each running 5 X 36 X 6 =1080 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 Y染色体证据 Underhill et al. Nature Genetics (2000) 14.4万 年前 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 多地区起源说 非洲起源说 100-200 万年 直立人 晚期智人 10-20 万年 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 非洲起源说 现代人类起源于非洲，并于约10万年 前起自非洲向世界各地迁移。 一、 近代起源 二、 来自非洲 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 尼安德特人开始登场 600,000 ybp 考古学研究发现：现代人祖先 在欧洲和西亚可能与尼安德特 人相遇。他们相遇后发生了什 么？ (Krings et al. 1997,1999; Ovchinnikov et al. 2000) 2000年 • 尼安德特人作为现代人的候选已被排除 • 遗传学证据一面倒地支持非洲起源说 • 非洲起源说已确立 • 保守地说：大部分现代人的基因组来自 非洲 • 古人类学证据支持现代人起源在东亚曾 发生 东亚发现的古人类化石 直立人 早期智人 晚期智人 Yiyuan Dingcun Jinniushan Zhoukoudian (“Peking Man”) Upper-Cave Dali Xujiaoyao Chenjiawo (Lantian) Tongzi Hexian Yuanxian 1 and 2 Nanjing Changyang Gongwangling (Lantian) 800 KYA Chaoxian 500 KYA 300 KYA South China Maba Liujiang 100 KYA 50 KYA 命题的转换 • 所有现在的和过去的人都是非洲人的后代。 • 所有现在的人都是非洲人的后代。 • 绝大部分的现代人都是非洲人的后代。 –多少比例？ –取样的代表性？ • 东亚人群中是否有东亚直立人的后代？ 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 寻找东亚直立人的后代 200万年前第一批走出非洲 (直立人，如北京猿人) ？ 10万年前第二批走 出非洲(现代人) 非洲 起源说 多地区 起源说 Y染色体证据 Underhill et al. Nature Genetics (2000) 14.4万 年前 寻找东亚独立起源的证据 200万年前第一批走出非洲 (直立人，如北京猿人) ？ 10万年前第二批走 出非洲(现代人) 共163个群体 非洲 起源说 M168可区分两次迁徙 多地区 起源说 野生型 突变型 群体数 N_Pop Central 中亚 Asia Central Siberia 中西伯利亚 Okhotsk/Amur 黑龙江地区 Kamchatka/Chukotka 堪察加 北方东亚East Asia Northern 北方汉 Han Chinese Northern 南方汉 Han Chinese Southern 台湾原住民 Taiwanese 东南亚 Asia Southeast 印度尼西亚/马来亚 Indonesia/Malasia 玻利尼西亚/密克罗尼西亚 Polynesia/Micronesia 巴布亚新几内亚/美兰尼西亚 Papuan/New Guinea/Melanesia 东北印度 Northeast India Total 13 5 6 4 17 14 13 5 37 25 11 7 6 163 个体数 N_Ind 173 107 123 102 578 4592 5127 58 620 355 113 120 59 12,127 M130T 14.45 33.64 64.00 28.40 7.27 4.14 1.91 0.00 6.61 6.04 20.36 14.16 3.39 M1+ 2.31 0.93 0.00 0.00 6.74 2.36 0.80 0.00 3.55 0.26 0.89 0.00 0.00 M89T 83.24 65.42 36.00 71.60 85.99 93.50 97.29 100.00 89.84 93.70 78.76 85.84 96.61 p = 5.4x 10-6 柯越海等 Science, 2001 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 结论：从父系遗传的角度看，亚洲的直立人并没有 对现存的东亚人群做出贡献，这是支持现代人非洲 单一起源的强有力遗传学证据。 遗传学和古人类学之争 I know my molecules had ancestors, the paleontologist can only hope that his fossils had descendants. - Vincent Sarich 古人类学： 东亚的直立人是否演化成现代人？ 遗传学： 东亚的现代人是否是非洲起源的现代人的后代？ 4666 头骨 37 性状 105 群体 “我们没能发现第二次起源的证据” 欧亚人的祖先与尼人曾亲密接触 法 中 国 国 人 人 巴 布 亚 人 尼安德特人 非 洲 人 完成了尼人的核基因组的分析， 在现代欧亚人基因组中发现尼 人的片段（占2.4%） Science 2010 丹人：尼人的亲戚 尼人 丹人 现代人 丹人也曾与亚洲现代人 的祖先发生过亲密接触 遭遇古人的结局 2.4%的片段来自与古人 尼人 丹人 现代人 大部分掺入古人片段中所 含基因与环境应答有关 Mol Biol Evol 2014a Mol Biol Evol 2014b JBC 2014 Mol Bio Evol 2015 Phil Trans R Soc 2015 早期智人起源的两种假说 早期智人源于直立人 直立人 尼人/丹人 非洲现代人 尼人-非洲人：200万年 早期智人源于非洲 直立人 尼人/丹人 非洲现代人 尼人-非洲人：50万年 人类祖先出非洲记 现代人祖先（5万年前） 尼人祖先（50万年前） 直立人（200万年前） 人类祖先为何不断走出非洲？ 撒哈拉泵假说 • 撒哈拉地区干旱和潮湿 气候交替，导致非洲撒 哈拉以南地区与西亚动 植物的多次隔离。 • Stephen认为干旱和潮湿 气候交替时导致人类祖 先在进化的不同阶段（ 直立人、海德堡人、现 代人）多次走出非洲的 原因。 连续进化附带杂交假说 修正了多地区起源说 100-200 万年 直立人 主张中国古人类连续进化 为主，使得在经过了一百 多万年相对独立的进化后 中国人还能保有与其他人 10-20 万年 现代人 群易于识别的形态特征 与其他地区人群的杂交是 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 少量的。 修正后的非洲起源说 直立人 200万年 ？ ？ ？ 50万年 早期 智人 5万年 现代人 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 最新进展 2015年10月15日，刘武、吴秀杰 等在湖南省道县发现47枚具有完 全现代人特征的人类牙齿化石的 研究论文，表明8万~12万年前， 现代人在该地区已经出现，是目 前已知最早的具有完全现代形态 的人类。 有待证实： 1）是否是真正意义上的现代人？ 2）测年的确认 Nature 2015 什么样的证据可支持多地区起源说？ 直立人 200万年 ？ ？ ？ 50万年 早期智人 现代人 5万年 现代人 非 洲 欧 洲 亚 洲 澳 洲 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 北方人群 南方人群 汉族姓氏的地理分布 (杜若甫等 1991) 基于免疫球蛋白Gm、Km的中国人群系统树 (赵恫茂 等 1991) 南方 北方 Geographic Genetic Clines Based on Principle Components Y Chromosomes 143 populations mtDNA 91 populations CODIS STRs 79 populations HLA-A 107 populations 现代人是 如何来到 东亚的？ 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 Underhill et al. Nature Genetics (2000) Yao-Nandan Japanese Buryat Hui Mongolian Tibetan Ewenki Jingpo Korean Component 2 Lahu She Tujia Manchurian Northern-Han Yi Paiwan Malaysian Ami Southern-Han Atayal Yao-Jinxiu Javanese Cambodian NE Thai Dong Bulang Zhuang Yami Batak Li Component 1 宿兵等 Am. J. Hum. Genet. 1999 Buryat Manchurian Mongolian Korean Northern Han Tu Hui Sala Japanese CHINA Southern Han Tujia Tujia Tibetan Baric Lahu Yi Yao She Dong Dong Zhuang Taiwanese Dai Thai Li Cambodian Micronesian Polynesian Malaysian Haplotypes H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 Others Indonesian Oceanian 金力、宿兵 Nature Reviews Genetics 2000 Nature Reviews Genetics 2000 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 改变了东亚人群 迁徙路线的主流 观点 before after 分子人类学研究的现代人类迁徙的可能路线图 Gongwangling, Shaanxi (~1,150 K) Guojiabao, Yunnan (~1000 K) 直立人和早期智人 Yuanmou, Yunnan (600-1,700 K) 600K Homo erectus Chenjiawo, Shaanxi (500-650 K) 500K 400K Homo sapiens (archaic humans) Zhoukoudian Locality 1, Beijing (230-500 K) Homo sapiens sapiens (modern humans) 300K Dali, Shaaxi (209-230K) 200K 100K Jinniushan, Liaoning (160-310K) Changyang, Hubei (174-218K) Hexian, Anhui (150-195K) Tongzi, Guizhou (113-181K) Xujiayao, Shanxi (104-125K) Chaoxian, Anhui (160-200K) Maba, Guangdong (129-135K) Dingcui, Shanxi (160-210K) Zoukoudian Locality4, Beijing (122-171K) 90K 东亚没有发现人类化石 (4-10万年) 80K 70K 60K 50K 40K Salawusu, Inner Mongolia (33-37K) 30K 20K Shiyu, Shanxi (27-30K) Liujiang, Guangxi (10-30K) Yanjiagang, Heilongjiang (~22K) Maomaodong, Guizhou (13-15K) 提出“东亚人群从南方进入” 假说：现代人进入东亚的时 间为3-4万年,由南向北迁徙 进入中国和东亚 10K Wushan, Gansu (38-39K) Ziyang, Sichuan (35-40K) Longtanshan, Yunnan (~30K) Zhoukoudian, Upper Cave (29-34K) 现代人 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 Long-Shan Yang-Shao Tibet Hemudu NEPAL BHUTAN Daxi INDIA Yunnan BANGLADESH MYANMAR VIETNAM LAOS THAILAND Miles 汉文化的扩展模式 语言和文化在人群间的扩散有两种不同的模式： 单纯的文化传递 (the Cultural Diffusion Model) RUSSIA Heilongjiang MONGOLIA Jilin AFG. 人群迁徙和扩张驱动 文化传播 (Demic Diffusion Model) 北方汉族 Xinjiang Liaoning NORTH KOREA Beijing Inner Mongolia Hebei Tianjin PAK. Qinghai Ningxia Shanxi SOUTH KOREA Shandong Yellow Sea Jiangsu Shaanxi Henan Anhui Shanghai Hubei Sichuan Zhejiang East China Sea Hunan Jiangxi Guizhou Fujian Gansu 南方汉族 Tibet NEPAL BHUTAN INDIA BANGLADESH MYANMAR Bay of Bengal Yunnan Miles 500 Guangxi Guangdong 南方民族 VIETNAM Taiwan Hong Kong LAOS THAILAND 0 ? South China Hainan Sea PHILIPPINES 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 RUSSIA Heilongjiang MONGOLIA Jilin Liaoning Xinjiang AFG. NORTH KOREA Beijing Inner Mongolia Hebei Tianjin PAK. Ningxia Qinghai Shanxi SOUTH KOREA Shandong Yellow Sea Gansu Shaanxi Henan Jiangsu Anhui Tibet Shanghai Hubei Sichuan Zhejiang NEPAL BHUTAN Guizhou Hunan BANGLADESH Yunnan Bay of Bengal East China Sea Jiangxi Fujian INDIA MYANMAR 2,500 年前 Guangxi Taiwan Guangdong Hong Kong VIETNAM LAOS Hainan South China Sea PHILIPPINES THAILAND 0 Miles 500 文波、李辉等Ｎature 2004 RUSSIA 北方汉 Heilongjiang MONGOLIA Jilin Liaoning Xinjiang AFG. NORTH KOREA Beijing Inner Mongolia Hebei Tianjin PAK. Ningxia Qinghai Shanxi SOUTH KOREA Shandong Yellow Sea Gansu Shaanxi Henan Jiangsu Anhui Tibet Hubei Sichuan Zhejiang NEPAL BHUTAN Guizhou Hunan BANGLADESH Yunnan Bay of Bengal East China Sea Jiangxi Fujian INDIA MYANMAR 南方汉 Shanghai Guangxi Taiwan Guangdong Hong Kong VIETNAM LAOS Hainan 南方民族 South China Sea PHILIPPINES THAILAND 0 Miles 500 文波、李辉等Ｎature 2004 北方汉的贡献 南方民族的贡献 文波、李辉等Ｎature 2004 北方汉的贡献 父系 母系 文波、李辉等Ｎature 2004 南方民族的贡献 南方汉族（母系）中北方汉族的成分 湖北 上海 云南 安徽 江苏 浙江 湖南 广西 四川 湛江 昆明 广州 福建 江西 背景知识和假设的提出 实验设计和观察 对原假设的检验 结论 • 汉文化的传播主要由人口的迁徙和扩张所驱动， 而不仅仅是单纯的文化扩散 • 南方汉族中融入了不同程度的南方民族血缘。融 合过程中表现出强烈的性别偏向性：北方的血缘 构成了南方汉族父系基因库的绝对主体，而母系 基因库中南北成分大致相当。 汉族的三次大规模南迁 第一次 西晋 (AD 265-316) ９０万 第二次 唐朝 (AD 618-907) 第三次 南宋 (AD 1127-1279) 5 百万 文波、李辉等Ｎature 2004 To America Uralian To America Tonguz Korean Sino-Tibetan Japanese Hmong-Mien Austro-Asiatic Daic Andamanese Austronesian Papuan Australian 如何走在前沿？ • 对本领域的深入了解和广博的知识 • 扎实的基础知识和分析能力 • 对本领域的前沿有深入的思考 • 善于运用各种方法和工具 • 具备足够的资源 东亚人群的迁徙路线 PNAS 1998 AJHG 1999 Nat Rew Genet 2000 Science 2001 Nature 2004 Science 2009 采样方法 高密度多人群的采样：推测早期迁徙、排除后续迁 徙带来的噪音 语言学分类结构：指导采样，摈弃按民族分类采样 藏缅语族的分布 白马藏 安多藏 康巴藏 藏 未分类 羌 羌（误为藏） 大样本量和大群体数是本项目先决条件 10年来，复旦大学共向国内外派出50余支采样队， 足迹遍及全国所有的省市和部分周边国家，收集 了所有东亚六大语系及其主要语支的人群。 Bus Van SUV Truck Tracker Boat Plane On Foot/Elephant 老挝战役 11个省 35个民族 1554个个体 ChuckiKamchatkan Altaic Sino-Tibetan Hmong-Mien Daic Austro-Asiatic Austronesian Trans-New Guinea Papuan Dravidian Indo-European Australian 500 populations 40,000 individuals by LI Hui 大学生挑战杯 第六届“挑战杯”竞 赛 第九届“挑战杯”竞赛 第七届“挑战杯”竞赛 第八届“挑战杯”竞赛 遗传学与人文科学的关系 人群间遗传关系 人群间关系 生物学特征 文化特征 一对姐妹花 真的想结婚了？ 想打架吗？ 打就打 不好啦，老师把指 挥棒捅嘴里去了！ 历史总是惊人地相似 牛肉吃多了？ 钱老师的‘GPS’手 机 当代的白求恩 基因地理计划 全球协作研究项目，全球数据的比对 各地独立采样，样本不交流，统一的位点和实验方法 2005-03 2006-04 复旦大学现代人类学教育部重点实验室： 负责东亚和东南亚地区人群的研究 全球十个中心实验室之一 。 2006-03 本研究提出的“中华民族共同起源”、 “汉藏同源”等论断，为中华民族的 “多元一体格局”提供了遗传学证据。 遗传学 考古学 基因组学 流行病学 民族学 人类学 生物信息学 历史学 语言学 疾病 群体遗传学 基因表达 基因功能 群体基因组学 分子进化 蛋白结构 统计遗传学 系统生物学 谢谢！