1270和1300,这是两套彼此独立的人类基因组数据各自算出来的数字,两者差得很少。
两个数字取平均,得到的就是1280。
它指的是距今约93万年前到约81.3万年前这段时间里,地球上人类祖先平均的成年个体数量。
得出这个结论的是中国科学家。
中国科学院上海营养与健康研究所李海鹏研究组和华东师范大学脑功能基因组学研究所潘逸萱研究组合作完成了这项研究,相关论文于美国当地时间2023年8月31日在国际学术期刊《科学》上在线发表。
论文的结论很直接:约93万年前,人类祖先在很短的时间里丧失了约98.7%的成员个体,随后在一段长达约11.7万年的群体瓶颈里勉强延续下来,差点灭绝。
你可能会好奇,近百万年前的事情,没有文字、没有记录,科学家凭什么给出这么具体的数字。
答案就藏在我们每个人身上的基因里。
一段基因倒推远古人口账本
研究人类演化,过去主要依靠两条路,一条是挖化石,另一条是从古人类遗骸里提取古DNA。
2022年诺贝尔生理学或医学奖授予了瑞典科学家斯万特·帕博,表彰的就是他在已灭绝古人类基因组研究上的开创性工作。
不过古DNA这条路有它的极限,非洲出土的人类化石年代一旦超过30万年,基本就提取不到能用的遗传物质了。
所以长期以来,关于人类群体历史的研究大多被卡在距今30万年到10万年之间。
偏偏距今100万年前后,是人类演化最要紧的一段时期,这个阶段留下的化石又少得可怜。
2013年前后,李海鹏和潘逸萱开始琢磨另一种办法,不碰古DNA,只用现代人的基因组,去反推祖先当年的人口起落。
道理并不复杂,祖先群体扩张过还是萎缩过,都会在后代DNA变异的分布规律里留下印记,只要算法足够精准,就能把这笔旧账一点点翻出来。
为此,团队创建了一套新理论,叫作快速极小时间溯祖,英文简称FitCoal。
据华东师范大学2023年9月1日发布的介绍,这套方法把精准追溯人类祖先历史的年限,从距今约10万年向前推到了约100万年。
而且它并不只适用于人类,只要输入任何一种生物的一段DNA数据,都能得到相应的溯祖结果。
这一磨就是整整十年,团队一直没有急着发阶段性论文。
论文的两位共同第一作者郝子谦和胡王杰都是“90后”,据科学网2023年9月25日的报道,为了把研究做完,郝子谦主动延期毕业1年,胡王杰延期了2年,直到2021年5月写完论文初稿,两人才放心去准备博士毕业答辩。
研究用到的是3154个现代人的基因组序列,覆盖非洲和非洲以外的数十个人群,数据来自千人基因组计划和HGDP-CEPH这两个独立数据库。
算下来,两套数据给出的瓶颈期规模几乎一模一样。
这里有两点值得留意。
一是1280指的是有繁殖能力的成年个体,并不包括老人和孩子,所以不能简单理解为当时全世界只有1280口人。
二是据报道,考虑到群体数量会自然起伏,这个平均值其实是瓶颈期最小群体规模的上限,也就是说,最难熬的某些时段,人数可能比1280还要少。
一轮气候剧变逼近灭绝边缘
把人类祖先逼到这一步的,并不是某一次天崩地裂的灾难。
研究团队把原因指向了早、中更新世过渡期的剧烈气候变化。
这是地球气候史上的一次大转折,冰期和间冰期交替的节奏,从大约4.1万年一轮,慢慢变成了大约10万年一轮。
周期一拉长,冰期就熬得更久,冷暖之间的摆动也变得更猛。
当时人类祖先生活在非洲,气候这么一折腾,带来的是长时间的干旱,他们赖以为生的动植物资源随之大幅减少。
按98.7%的损失比例往回算,瓶颈出现前祖先群体接近十万之众,灾变过后,一百个人里留下来的连两个都不到。
更难的是,这不是熬几年、几百年就能过去的坎。
从约93万年前到约81.3万年前,前后大约11.7万年,人类祖先始终维持在一千多名成年个体的水平,一直处在随时可能断绝的状态。
科普中国在介绍这项研究时也写到,在这一瓶颈期里,人类随时都有灭绝的危险。
瓶颈的代价还不止于人数。
华东师范大学给出的数据是,人类祖先在这一时期丢失了约65.85%的遗传多样性,接近三分之二。
群体越小,基因变异越容易在一代代传递中消失,这就是生物学上常说的群体瓶颈效应。
到了约81.3万年前,瓶颈期结束,人类祖先的数量开始快速回升。
至于为什么能缓过来,相关报道提到了两方面可能的因素,一是气候条件出现转变,二是人类对火的掌握和使用。
此后,人类开始新一轮演化,后来又踏上了走出非洲的路。
一页化石空白印证瓶颈岁月
这项成果发表以后,关注度很高,质疑的声音也有。
新华每日电讯2023年9月7日刊发了对论文共同通讯作者李海鹏的专访,文章开头写道,人类基因组是一部用遗传密码写就的人类自传。
在采访中,李海鹏谈到,这次群体瓶颈和人类学、古气候学的一系列证据,在时间上是对得上的。
最有说服力的一条来自化石。
在距今约95万年到65万年之间,非洲的人类祖先化石记录存在一段明显的缺失。
这段空白困扰了学界很久,FitCoal的结果给出了一种合乎情理的解释:那时候人太少了,能留下来的化石自然也就少。
另一条线索跟染色体有关。
黑猩猩等大型类人猿有24对染色体,现代人只有23对,人类的2号染色体是由两条祖先染色体融合而成的。
相关报道提到,这次融合发生的时间,和这段瓶颈期也是吻合的。
道理不难想通,群体规模极小的时候,一个新出现的遗传变化更容易在整个群体里固定下来。
研究人员还推测,这场严重的瓶颈可能和新物种的形成有关,现代人与尼安德特人、丹尼索瓦人的最后共同祖先,或许就出现在这一时期。
当然,论文作者也提到,围绕这段历史还有不少问题等着回答,比如当时这些祖先究竟生活在哪里,他们靠什么熬过了漫长的严酷岁月。
参与这项研究的除了中国团队,还有意大利佛罗伦萨大学自然历史博物馆、罗马大学环境生物系以及美国德克萨斯大学休斯顿健康科学中心的科学家。
从2023年8月31日论文上线到2026年11月,这项研究已经发表三年多,FitCoal方法和这次严重群体瓶颈的发现,仍是讨论百万年前人类演化时绕不开的一项成果。
如今全球人口已有80亿左右,往上追溯,每个人都和93万年前那段瓶颈期里活下来的一千多名祖先连在一起。