首先今年激动人心的和高中生物学有关的诺贝尔生理学或医学奖结果已经揭晓，当然今年没有中国，但至少以前有过，希望以后我们国家也能够多多的出一些诺贝尔获奖者。
当然历年来诺贝尔奖关注度很高，高考考试也是一个重大热点，综合近几年的高考试题研究可发现，即使明年不考，后年也可能会涉及到，因此，如何用高中生物学看待2022年的诺贝尔生理学或医学奖也是非常重要的问题，尤其是对高中师生来讲，以下是个人对于今年诺贝尔奖的一些理解：尼安德特人头骨和斯万特·帕博教授，图片来源：华盛顿邮报先讲结论：诺贝尔奖委员会宣布将2022年生理学或医学奖颁发给瑞典生物学家、进化遗传学家斯万特·帕博（Svante Pääbo），以表彰他发现了与已灭绝古人类和人类进化相关的基因组。（高中知识链接：DNA通过碱基对的排列来记录生物的遗传信息，从一定程度上，破译了DNA的密码，就可以了解生命背后的许多奥秘，这其中就包括人类的起源和演化。）具体来讲就是斯万特·帕博通过他的开创性研究，完成了一件看似不可能的事情：对人类已经灭绝的亲戚尼安德特人的基因组进行测序。另一个成果是，发现了一个以前不为人知的古人类：丹尼索瓦人。 通过这些介绍依旧难以理解他对人类的科学具有什么样的贡献，毕竟我们平时虽然有时候会想“我们从哪里来？”，但是却很少去真正的研究，下面就简单介绍一下斯万特·帕博完善之后的近代人类的演化和进化史：
我们最早通过地层中化石出现的先后顺序大体确定了物种演化的先后顺序，并得出普遍的结论：都有共同的祖先。但是这个真的正确吗？毕竟还没有人能够活那么多年，活那么多年的生物也没有出现逐渐演化的迹象：比如银杏（起源于恐龙时代）等。因此弄清楚古化石或者说是古人类他们之间的相互关系，尤其是过渡种的出现就尤为重要，如鸭嘴兽：随着新的化石证据的不断出现和现代DNA测序溯源技术的不断研究和应用，那么答案的追寻似乎也开始变得有迹可循，因此斯万特·帕博的成就也是一个时代的成就： 起先认为人类的起源是一个线性的演化历程，如下图：
还有一张更加完整的演化进程：
►从左到右分别是：上猿、原康修尔猿、森林古猿、山猿、腊玛古猿、南方古猿、傍人、高等南方古猿、直立人、早期智人、梭罗人、罗德西亚人、尼安德特人、克罗马农人、现代人。但是这种图其实依旧是不完整的，通过不断的对古人类的挖掘和研究，就发现其实在以前存在很多不同的古人类品种，也就是人科动物。而在这个过程当中，他她们发现了杂交，虽然后来有很多已经灭绝了，但是也证实人类的演化应该是一个网状的演化历程。最明显的也是现代人类繁衍的路径就可知：
2009年2月12日，德国马克斯·普朗克演化人类学研究所斯万特·帕博（Svante Pääbo）领导的一个国际研究团队宣布，他们首次破译了尼安德特人基因组草图，这些基因组DNA是从属于不同尼安德特人的三块小骨头提取的，此次公布尼安德特人的基因组信息总共约有20亿个碱基对，约占其全基因组的60％。科学家发现，在欧洲和亚洲人口中竟然含有1～4%的尼安德特人特有的基因组信息，而非洲原住民则不含，表明现代人走出非洲后与尼安德特人有过混交，而且这些混交的后代成为现代人的祖先。四年后（即2013年），该研究团队从俄罗斯南西伯利亚阿尔泰山一个名为丹尼索瓦的洞穴中挖掘出来的一个尼安德特人脚趾骨，并从中提取出基因组DNA，测出了阿尔泰尼安德特人的全基因组，并发现在现代人类基因组中只含有1.5-2.1%的尼安德特人遗传信息。2017年，《科学》杂志上一篇论文则认为，尼安德特人遗传信息在东亚人基因组的占比要略高于西欧人，其中东亚人基因组中有2.3~2.6%来源于尼安德特人，而尼安德特人对西欧人基因组的贡献则只有1.8~2.4%。 同时在2010年，斯万特·帕博和俄罗斯科学院阿纳托利·杰烈维扬科（Anatoli P. Derevianko）领导的团队在《自然》杂志上撰文称，他们发现了另一个已灭绝的新人种。研究人员对一小块手指骨片进行线粒体DNA遗传分析，这块小骨片是杰烈维扬科两年前从丹尼索瓦洞穴中挖掘出来的。他们从这块小骨片中提取了线粒体DNA并测序，通过与早期现代人类、尼安德特人、倭黑猩猩和黑猩猩的线粒体DNA进行比对，结果惊奇地发现，这块小骨片既不属于早期现代人类，也不属于尼安德特人，更不属于倭黑猩猩和黑猩猩。进一步分析发现，这块小骨片的主人与早期现代人类、尼安德特人在100万年前共享同一祖先，研究人员因此推测这一小骨片属于一个已灭绝的新人种。基于线粒体基因比较发现尼人和现代人的差别，虽然比不上人类-黑猩猩的差别，但是明显比现代人-现代人的差别更大 | 图源：Krings M, et al. 1997.2010年底，该研究团队进一步对这根指骨的基因组DNA进行了分析，推测出这一新人种与尼安德特人亲缘关系较近，可能在64万年前是一家，而与现代非洲人分歧演化时间可能是84万年前。不久，研究人员又在同一洞穴挖掘出其他分属不同个体的骨片，均具有与这个新人种相近的遗传背景，因此将其称为“丹尼索瓦人”。丹尼索瓦人与尼安德特人是近亲，其约17%的遗传信息来自于后者。2018年，维维亚娜·斯隆（Viviane Slon）和斯万特·帕博（Svante Pääbo）领导的一个国际研究团队，对来自俄罗斯阿尔泰山丹尼索瓦洞中的一小段骨头进行分析发现，该骨头属于9万年前的一个至少13岁的女孩，更令人惊喜的是，其母亲是一个尼安德特人，父亲则是一个丹尼索瓦人，这是科学家首次发现尼安德特人和丹尼索瓦人的直接杂交后代，表明这些不同人种相遇后相互混杂是非常常见的。（也表明早期的人科物种并没有产生生殖隔离，高中生物学必修二）基于这项研究，科学家们也慢慢绘制出了现代人迁徙的路线图 | 图源：Wikipedia 丹尼索瓦人的遗传信息主要留存在亚洲现代人的基因组中，其中生活着东南亚附近太平洋岛屿的美拉尼西亚人基因组含有4~6%的丹尼索瓦人遗传信息。2016年一项研究将这一比例降低至1.1%，而且推测可能存在另一种已灭绝的人类贡献了遗传信息。其他研究人员则发现现今一些澳大利亚和分散在东南亚岛屿上的土著人，以及东亚大陆及美洲土著人基因组中都有丹尼索瓦人的贡献。（现在的人类都有其遗传信息的影子） 2018年3月，美国华盛顿大学西雅图分校和普林斯顿大学的研究人员在《细胞》杂志上撰文称，他们利用一种新的无参考基因组的检测方法，对5639个来自欧亚大陆和大洋洲的人类全基因组序列进行分析，发现丹尼索瓦人遗留在东亚人群的遗传信息与在南亚人和大洋洲人群中的存在较大差异，因此推测丹尼索瓦人与现代人类至少发生过两次混交，这让现代人类与其他古人类混杂的情况变得更为复杂。 5万年前现代人类的祖先刚刚走出非洲时，尼安德特人和丹尼索瓦人已经在欧亚大陆生活了30多万年，演化出对当地的气候、食物、病原微生物等环境较强的适应性，并最终形成了一些与环境相适应的特有基因型。现代人类与这些古人类混杂，有利于引入这些古人类相应的有利基因型，显然可以帮助初来乍到的现代人类快速适应环境，例如欧洲寒冷的气候等，进而开枝散叶，遍布全球。深圳华大基因研究院、加利福尼亚大学以及华南理工大学等单位的科研人员研究发现，中国西藏人之所以能适应西藏4000多米的高海拔低氧环境，可能因为西藏人从丹尼索瓦人或其近亲那里继承一个与低氧适应相关的EPAS1基因突变型，该研究成果2014年7月发表在《自然》杂志上。德国马克斯·普朗克演化人类学研究所的研究人员对11.2万英国人基因组进行分析，发现一些与肤色、头发颜色、高度、睡眠模式甚至吸烟状况有关的基因都是来自尼安德特人。2018年10月，来自美国亚利桑那大学的戴维·恩纳德（David Enard）和斯坦福大学的德米特里·佩特罗夫（Dmitri A. Petrov）在《细胞》杂志上报告称，尼安德特人和古代智人在混交过程中，不仅相互传播病毒，而且还将病毒互作蛋白（VIP）基因遗传给双方混交的后代。VIP蛋白具有多种功能，比如参与免疫反应，能抵抗特定病毒、特别是RNA病毒的入侵。由于基因突变，有些尼安德特人的VIP蛋白能对抗某些特定病毒，特别是RNA病毒的入侵。这样，遗传有尼安德特人VIP基因的智人后代将获得应对更多病毒的抵抗力，即遗传适应性，得以在之后的大规模瘟疫中幸存，而那些非混交后代则被逐渐被淘汰。尼安德特人与现代人祖先相互放毒又互相提供“解药”，图片来源：David Enard et al., 2018, Cell古DNA和平日里大家提到DNA并没有本质上的区别，它们是古代生物遗体或遗迹中残存的DNA片段。一般而言，用于研究人类演化的古DNA包括三种类型：线粒体DNA、Y染色体DNA和核DNA，它们分别反映了母系、父系，以及父母双方的遗传信息。所谓古 DNA是指：在化石、木乃伊、墓葬，甚至是古遗迹土壤中残存的远古时期的 DNA 片段。正因为“来自远古时期”这一特点，古 DNA 的提取并不简单。 一方面 DNA 会被不断降解。外界环境的“风吹雨打”都会对 DNA 结构造成损伤，而 DNA 本身也存在半衰期（不同温度或环境条件下不等，大约在数万到数十万年左右），所以我们很难得到完整的 DNA 片段。另一方面，这些DNA可能会被污染。埋藏在化石周围的各种动植物残骸、各种带来不确定因素的微生物，以及实验时候现代人的影响，也都给整个提取过程带来了未知数。 基因组 DNA 包括细胞核里的核 DNA 和在胞质中的线粒体 DNA。核 DNA 包含了主要的遗传信息，而线粒体 DNA 虽然小很多，但其中的突变也能告诉我们进化相关的信息。但这些 DNA 存在分解与污染的问题，也给研究带来了极大的考验 | 图源：nobelprize.org 虽然DNA序列的稳定性很高，但是随着时间的推移，古代标本中的DNA依旧会被降解成短片段。一般来讲DNA在地球上稳定存在的时间最长只能达到数十万年，也就是说想用DNA复活恐龙那基本是不可能的，因为它的DNA早就已经尘归尘，土归土了。
因此，从古代人类遗骸中成功获取内源性古DNA并进行深入研究分析的最大挑战就是需要控制不同来源的现代人类和微生物DNA的污染。 当认识到现代人带来的任何污染都可能让一次对古DNA的研究彻底失败之后，帕博搭建了世界上第一个古DNA研究的超净室（clean room）。 如今，超净室已经成为世界上大多数古DNA研究实验室的标准配置。 超净室 图片来源：nytimes.com 其实早在1984年，就有研究者从博物馆的标本上提取到了古 DNA，但是当时技术有限，提到的 DNA 并不能开展什么研究。 直到21世纪，随着测序技术的飞快发展，以及更特异的 DNA 扩增技术，让研究古 DNA 成为了可能，而斯万特·帕博也抓住了这个机遇，开始了不同于现代人的古人类研究——尼安德特人（以下简称为“尼人”）。在帕博13岁时，帕博的母亲带其前往埃及。自此之后，帕博就迷上了那里的古老历史。虽然后来学习了医学，但他仍旧热爱埃及古文物学。 很多年轻人在选择工作时，常常会在几个选项间徘徊，不知道哪个才是自己的最佳选择，帕博也不例外，但他似乎找到了两全的方法，研究那些埃及木乃伊的DNA。 当时并没有人试图获取古代的DNA，至少没有相关的论文发表，但帕博并不肯定自己的想法可以获得成功。为此，他偷偷进行了一些实验，一方面怕导师反对，另一方面也担心自己天马行空的想法一旦失败，可能会被同事们嘲笑。1981年的夏天，瑞典乌普萨拉大学的一个实验室臭气熏天。这股臭味来自帕博的实验，他在捣鼓一块腐烂的肝脏。当时，没有人知道层层包裹的千年木乃伊里是不是还有遗传物质，所以帕博决定拿牛肝先做个实验。他把牛肝放进实验室的烤箱里加热到50℃，让其木乃伊化。几天之后，肝脏变得坚硬、干燥，变成了黑褐色，帕博成功在里面提取到了DNA。实验成功之后，帕博开始真刀真枪，直接上手真·木乃伊。在早期的尝试之后，帕博与柏林国家博物馆取得了联系，采集了30多份木乃伊样品。在一块取自一个儿童木乃伊左小腿的皮肤样品中，帕博甚至发现了明显的细胞核。 木乃伊组织中的细胞核 图片来源：乌普萨拉大学 1985年，帕博从距今2400多年的埃及木乃伊中提取到了古DNA并进行克隆测序，发表了第一篇研究古人DNA的文章。虽然目前几乎可以肯定该文章获得的DNA是污染的结果，但这一努力已经让人们认识到，古DNA的提取并非全无可能。 帕博的努力开创了一个新的领域 图片来源：molecularecologist.com 帕博自己回忆说，在公开表示要测序尼安德特人的基因组时，他知道做成这件事需要三样东西：大量研究资金，许许多多的测序仪，还有保存良好的尼安德特人骨头——这三样东西他全都没有，但幸运的是，只有他自己知道他啥都没有。他最后成功了。 自此，古 DNA 研究的热潮也被掀起，越来越多的遗传学家、考古学家投入这样的一个交叉学科领域，不断从各种化石、墓葬、木乃伊，甚至羊皮纸、动物骨骼、土壤里探寻古 DNA 的踪迹，通过遗传学的手段，不断扩展我们未知的人类，乃至生物圈历史。
2021年《Science》杂志的年度进展之一，就是土壤中提取古DNA 到此，2022年的诺贝尔生理学或医学奖，你懂了吗？
参考资料：初高中生物学教材、返朴、科学大院、biokiwi、果壳、各大新闻报道等。 编辑：铁杵
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