第一篇：以粒线体DNA之研究论尼安德塔人与现代智人的关系
以粒線體DNA之研究
論尼安德塔人與現代智人的關係
陳珈琦
2000-3-1
5Introduction
1856年，在德國Neander Valley的一個石灰岩洞穴中所發現的人骨化石是第一個被認定尼安德塔人的人骨化石。之前雖然也有一些尼安德塔人的出土，但直到1856年以後才陸續被確認出來，之後也在歐洲以及中亞各地的遺址中發掘出許多尼安德塔人。一般來講，尼安德塔人被描述為粗壯、肌肉發達、身材較矮的人種。頭骨的特徵則是前額較低、眉脊突出、有較大的鼻子與較寬的鼻孔，腦容量平均為1450㎝3。他們曾經在歐洲及中亞地區居住了100,000年，之後還與現代智人在以上地區共存過一段時間，最後在距今30,000年前滅絕（Lewin, 1998：366;Lindahl, 1997）。
尼安德塔人在古人類學中是一個爭議很大的問題，到底他們是古代屬於早期智人（archaic Homo sapiens）的一個種族，對現代人的基因庫有貢獻；抑或他們有別於現代智人是另一個種（Homo neanderthalensis），被從非洲來的現代智人所取代而滅絕？在過去因為考古資料的不足無法作定論，現在因生物科技的發達，透過古代DNA的研究可以為這個問題提供一條新的解決之道。
一個有關人類演化的重大爭論是兩個演化模型：非洲起源模型（Out of Africa）與多地區演化模型（Multiregional Continuity）的對立，而尼安德塔人與現代人的關係是這兩個模型的重要支持證據之一。非洲起源模型主張，人類的祖先在十萬年前出現於非洲並向世界其他地區擴散，將當時其他地方的人屬動物取代掉。而多地區演化模型則主張，自從兩百萬年前人類自非洲遷移出來之後，舊大陸各地的人類都是屬於一個種（Homo sapiens），並且藉著基因流動（gene flow）持續演化，至於不同時期、不同地區在型態上有所差異只是種內的差異而已。Methods & Materials
古代DNA的研究始於1980年代中期，藉由分子演化的研究，企圖建構出生物族群間的演化關係以及尋找已絕跡的物種或族群的基因。粒線體DNA（mtDNA）是古代DNA研究的主要對象，因為mtDNA突變速率比細胞核DNA快，是演化研究中的重要優點，而且mtDNA在一個細胞之中的數量很多，是更好的選擇。聚合鋂連鎖反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）是重要的工具之一，透過PCR將DNA大量複製，使其能夠被定出序列。
但古代DNA研究有一些實驗技術上的瓶頸。首先是因為長期的水解及氧化過程會損壞DNA，所以考古標本若超過100,000年以上的話，DNA幾乎無法保存，所以年代愈古老，樣本便愈有限。其次是被現代DNA污染的問題，因為古代DNA過於微量，只要摻雜一點現代DNA
就會使結果受到破壞（Höss, 2000）。
Krings的兩篇研究（1997;1999）皆以德國西部出土的尼安德塔人為樣本，分別以mtDNA中變異性很大的兩個區段（Hypervariable Region I, HVRI;Hypervariable Region II, HVRII）來與現代智人做比較。Ovchinnikov（2000）的研究則以高加索（Caucasus）北部的尼安德塔人為樣本，做的是HVRI的比較。
最後用實驗的結果分析，畫出尼安德塔人與現代智人的演化樹，若尼安德塔人出現在演化樹的外圍，是符合非洲起源模型；若其演化樹的分支出現在現代智人之間，則是支持多地區演化模型。
Result
Germany
以mtDNA的HVRI所做出的序列顯示，現代人之間互相的平均序列差異是8.0 ±3.1，現代人與尼安德塔人的平均序列差異則是27.2 ±2.2（圖一），而當尼安德塔人與各洲人種做比較時，可得到下列數據：與歐洲人平均差28.2 ±1.9，與非洲人平均差27.1 ±2.2，與亞洲人平均差27.7 ±2.1，與美洲人平均差27.4 ±1.8，與澳洲或大洋洲人平均差28.3 ±3.7。若說尼安德塔人是歐洲人的祖先，那麼他們的序列差異應該比較小，但實驗數據告訴我們，尼安德塔人與歐洲人並沒有較親近的關係，根據這些分析可以畫出演化樹（圖二）。另一方面，從研究的結果推算出尼安德塔人與現生人類mtDNA分歧的時間是距今550,000年至690,000年前，而現代人的出現時間，用相同的方法推算出來，是在距今120,000年至150,000年前（Krings,1997)。
而mtDNA的HVRII研究顯示，現生人類之間mtDNA的序列差異約為10.9個位置，但與尼安德塔人的差異則為35.3左右，非洲人、歐洲人、亞洲人與尼安德塔人的序列差異分別為34.4 ±2.7、35.8 ±2.1、33.8 ±2.0，雖然差異最少的是歐洲人，但其關係並沒有特別親近，他們的演化樹如圖
三。而推測出尼安德塔人與現代人的共同祖先約為465,000年前，明顯比現代人的共同祖先，約在距今163,000年之前，早很多（Krings, 1999）。
Caucasus
以mtDNA的HVRI做比較下，高加索地區的尼安德塔人與現生的非洲人、蒙古人種以及高加索人種的序列差異，分別為23.09 ±2.86、23.27 ±4.06以及25.45 ±3.27，而以此數據的分析可以畫出其演化樹（圖四）。現代人與尼安德塔人在mtDNA的分歧點，推測為365,000年至853,000年前，而最早的現代人的mtDNA則是推測在距今106,000年至246,000年前出現（Ovchinnikov, 2000）。
Discussion
Krings及Ovchinnikov的三項實驗結果皆顯示，尼安德塔人的mtDNA在演化樹中是在現代人的群組之外，而且尼安德塔人與現代人在mtDNA上的分歧點比現代人之間的分歧點早了大約四倍的時間，如此看來，雖然尼安德塔人與現代人曾經共存一段時間，但他們的基因庫（gene pool）是分開的，彼此之間並沒有混血。這樣的結論是支持非洲起源模型的，尼安德塔人被從非洲出來的現代人所取代，並且沒有與現代人混血。
但是這樣的結論仍有許多被質疑的地方，首先是實驗本身權威性的問題，到底做出的mtDNA
序列是不是純正的尼安德塔人的序列，沒有受到現代DNA的污染？
實驗本身可以被接受之後，接下來是樣本數量大小的問題，目前只有兩個遺址出土的考古標本做這方面的研究，需要更多遺址的考古標本來做更有力的支持，而且只有以mtDNA的HVRI, II來做比較，也有待以細胞核內的DNA來做研究，說不定有另一種的結果出現（Lindahl, 1997）。References
Höss, Matthias
2000Neanderthal Population Genetics.Nature 404: 453-4.Krings, Matthias, Anne Stone, et al.1997Neandertal DNA Sequences and the Origin of Modern Humans.Cell 90:19-30.1999DNA Sequence of the Mitochondrial Hypervariable Region II from the Neandertal Type
Specimen.Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 96: 5581-5.Lewin, Roger
1998Principles of Human Evolution: A Core Textbook.London: Blackwell Science, Inc.Lindahl, Tomas
1997Facts and Artifacts of Ancient DNA.Cell 90:1-3.Ovchinnikov, Igor V.,Anders Göherström, et al.2000Molecular Analysis of Neanderthal DNA from the Northern Caucasus.Nature 404:490-3.
点击咨询 